Cartilla Electrnica Bsica Estudiantes

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Cartilla Electrónica Básica Prof: Ing. Ancizar Paredes Ardila

1 PROFESOR: ING. ANCIZAR PAREDES ARDILA

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Cartilla Electrónica Básica Prof: Ing. Ancizar Paredes Ardila 2 TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION ... 9 1.1. Formas de energía ... 11 1.2. Energía eléctrica ... 13

1.3. Transporte de energía eléctrica: ... 16

1.4. Conductividad en los materiales: ... 18

1.5. Notación científica ... 19

1.6. Corriente ... 22

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Cartilla Electrónica Básica Prof: Ing. Ancizar Paredes Ardila 3 2. RESISTENCIAS ... 33 2.1 Resistividad ... 35 2.2. Resistencia ... 36 2.2.1. Ley de OHM ... 39 2.3. Resistencia eléctrica ... 40 2.3.1. Definiciones y símbolo ... 45 2.4. Código de colores ... 46 3. ASOCIACIÓN DE RESISTENCIAS ... 53 configuraciones ... 55

3.2 Cálculos en circuitos resistivos ... 56

3.2.1. Circuito serie: ... 57

3.2.1.2. Otros cálculos en circuitos resistivos serie ... 59

3.2.2 Circuito paralelo: ... 62

3.2.3. Circuito mixto: ... 69

4. USO DEL SOFTWARE DE SIMULACIÓN CIRCUIT MAKER ... 76

4.1. Simulación con Circuit Maker y Multisim ... 77

5. USO DE INSTRUMENTOS ... 88 5.1 El Protoboard ... 90 5.2 El cautín ... 91 5.3 El Multímetro ... 92 6. CONDENSADORES ... 99 6.1. Principios físicos ... 101 6.2. Clasificación de condensadores ... 105 6.2.1. Variables: ... 105 6.2.2. Fijos: ... 106 6.2.2.1. Polarizados: ... 106 6.2.2.2 No polarizados: ... 108 6.3. Medición ... 109

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6.3.2. Determinación por instrumento ... 114

6.4. Comportamiento en AC Y DC ... 115

6.4.1. Comportamiento en AC: ... 116

6.4.2. Comportamiento en DC: ... 118

6.5 REACTANCIA CAPACITIVA ... 123

7. CONDENSADORES EN SERIE, PARALELO Y MIXTO ... 128

7.1. Asociación de condensadores ... 130

7.1.1 SERIE: ... 130

7.1.2. Paralelo: ... 133

7.1.3. Mixto: ... 135

7.2. Manejo de instrumentos: ... 136

7.2.1. El generador de señales y el osciloscopio ... 136

8. BOBINAS ... 142

8.1 Principios y definición ... 144

8.2 Clasificación de bobinas ... 145

8.3. Códigos ... 147

8.3.1. Determinación por nomenclatura ... 147

8.3.2. Determinación por instrumento ... 149

8.4. Comportamiento en AC Y DC ... 151 8.4.1. Reactancia inductiva ... 152 8.5. Asociación de bobinas ... 152 8.5.1. Serie: ... 152 8.5.2. Paralelo: ... 153 8.5.3. Mixto: ... 154 8.6. El transformador ... 156 8.6.1. Principio de funcionamiento ... 156

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5 COMPETENCIAS GENERALES

Competencia cognitiva:

Aplica los principios básicos en el análisis y diseño de circuitos con elementos pasivos, realizando la comprobación de éste a partir del software de simulación Circuit Maker.

Identifica los parámetros a tener en cuenta, en la selección de un semiconductor para una aplicación en contexto, a partir de las curvas características.

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6 Presenta en forma correcta, adecuada y coherente, los informes de laboratorio y demás trabajos escritos, sugeridos por el docente.

Competencia valorativa:

Trabaja en equipo con un alto grado de compromiso y responsabilidad frente a las tareas asignadas en los diferentes roles a desempeñar en la dinámica de éste. Competencia contextual:

Diseña e implementa una fuente de voltaje regulada a partir de las especificaciones sugeridas por el docente.

INTRODUCCION

En el presente documento, se plantea una estrategia para adquirir los conocimientos suficientes y necesarios establecidos para la materia de Electrónica Básica, propuestos para la Corporación Internacional para el Desarrollo Educativo (CIDE). La estructura fundamental del documento está planteada bajo el constructivismo y aprendizaje significativo, esta metodología, requiere que el estudiante realice cada una de las actividades que se plantean y profundice donde sea necesario, usando los recursos que para tal fin la institución pone a su disposición.

La estructura de cada unidad inicia con el repaso de algunos conceptos básicos, fundamentales para el desarrollo de los diferentes conceptos, posteriormente se

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7 hace una explicación de cada uno de ellos, referenciando las teorías básicas, necesarias para la comprensión de éstos, en los “Ladillos” se hacen explicaciones específicas sobre conceptos o palabras que aparecen y que son necesarias para la interpretación inmediata del texto, cabe aclarar que no es suficiente con esto, pues el estudiante debe realizar donde sea necesario y pertinente un repaso detallado de algunos conceptos; las actividades complementarias, refuerzan los conceptos tratados en cada unidad y permiten al estudiante una profundización y autoevaluación.

Al finalizar encontrará una sección denominada Nexos, la cual está enfocada hacia la conexión entre la unidad tratada y las subsiguientes. En la bibliografía recomendada, se plantean los recursos didácticos y documentos para el desarrollo y comprensión de cada uno de los temas, el estudiante, puede hacer una revisión de ésta antes de iniciar el estudio de la unidad, recopilar la información necesaria es importante, pues tenerla a la mano hace que se ahorre tiempo en cada una de las actividades y practicidad al tratar cada uno de los temas. Finalmente, se plantea una evaluación final o seguimiento del auto aprendizaje, el cual busca que cada uno revise si los diferentes conceptos quedaron comprendidos o si es necesario hacer revisión de éstos; una propuesta al respecto sugiere que realice otra actividad complementaria si es necesario el refuerzo de algún concepto, planteada por su maestro.

Muchos éxitos en el estudio de esta área fundamental de la electrónica y recuerde que la aprehensión del conocimiento debe ser un elemento fundamental en el desarrollo conceptual de ésta y otras materias, entendido como el apropiación del conocimiento de manera consciente y autónoma, enmarcado en la motivación

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8 personal y el interés de adquirir los conocimientos necesarios para el buen desempeño en su rol como futuro profesional.

CONCEPTOS PREVIOS:

Antes de empezar el fascinante estudio de la electrónica, se hace necesario que se repase algunos conceptos básicos sobre la física, a continuación se presenta un cuestionario el cual puedes contestar usando la bibliografía sugerida.

1. ¿Qué es medición y cuál es la diferencia con la acción de medir? 2. ¿Qué es un patrón de medida y un sistema de medida?

3. ¿Cómo se determina la velocidad de un cuerpo, desde la física y cuáles son las variables que intervienen?

4. ¿Qué es aceleración y cuál es la relación con la velocidad? 5. Busca el concepto de masa y explícalo con tus propias palabras 6. ¿puede una persona realizar un trabajo si está no está en

movimiento? Explica tu respuesta.

7. En un libro de física de los sugeridos, lee el concepto de energía, realizando un mapa conceptual, según éste realiza un listado de las formas de energía que conoces y compáralas con las que encuentres en Internet.

8. ¿Cuáles son los principios de la termodinámica?, ¿Cómo y cuál crees que se aplica en la producción de energía térmica?

9. Busca la teoría de la relatividad e identifica el concepto de energía, la relación que ésta tiene con la velocidad y compáralo desde la mecánica (Energía potencial y energía cinética), realiza un paralelo entre los dos conceptos.

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9 10. Según la tercera ley de Newton, escriba con sus propias palabras

dicho concepto y realice una revisión del concepto de fuerza.

M O D U L O 1

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INTRODUCCIÓN

En éste capítulo, se encuentran algunos conceptos previos necesarios para la comprensión de los diferentes temas a lo largo del curso, se debe tener especial cuidado en la comprensión del concepto de energía, pero específicamente en el de energía eléctrica.

El transporte y aprovechamiento de éste tipo de energía, ha hecho que se desarrollen avances en ciencia y tecnología, la base fundamental que ha permitido este tipo de desarrollo dentro del estudio de la energía eléctrica, ha sido la física y su lenguaje de comunicación y construcción teórica: la matemática, por ello se encuentran algunos conceptos desde dichos puntos de vista, es necesario familiarizarse con ellos y repasar los conceptos, necesarios para la buena comprensión de los temas siguientes.

El desempeño en ésta unidad está ligado a la dedicación que se tenga en relación con la comprensión de dichos temas, por ello se debe realizar una lectura concienzuda de cada uno de ellos y resolver cualquier inquietud que se presente, por muy trivial que parezca.

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11 LOGROS:

 Identifica las características eléctricas de la materia y su clasificación

 Reconoce las diferentes formas de energía y su esquema general en la forma de producción

 Reconoce las características eléctricas de la materia y su aplicación al transporte de energía.

 Clasifica la energía eléctrica según su forma de producción y transmisión.  Identifica los conceptos de Alterno y Directo en los efectos de la energía

eléctrica. 1.1. FORM AS DE ENERGÍ A QUIMICA SEMICONDUCTORES NOMETALES AISLANTES METALES CONDUCTORES CLASIFICACIÓN DE MATERIALES CORRIENTE VOLTAJE TRANSPORTE ENERGIAS ALTERNATIVAS TERMOELECTRICAS HIDROELETRICAS PRODUCCION ELECTRICA CINETICA ENERGIA POTENCIAL EOLICA TERMICA DINAMICA

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12 “La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”, principio de conservación de la energía, según el primer principio de la termodinámica. La ley de la relatividad, plantea que cualquier sistema que tiene masa, tiene energía. Para el estudio de la electrónica, la energía que se manipula es la energía eléctrica, la cual se obtiene de diferentes formas. Para producir energía el hombre ha descubierto innumerables formas, según éstas, la energía puede ser:

Mecánica: La que se da debido al movimiento y puede ser:

Cinética: Debida al movimiento. A medida que un cuerpo se mueve aumenta su energía cinética.

Potencial: Obtenida con respecto a la posición en un sistema, por ejemplo si levantamos un objeto, antes de dejarlo caer de su posición inicial, tiene una energía potencial, la cual fue impresa al levantarlo y por acción de la gravedad.

Química: En ella intervienen reacciones químicas debido a la combinación de compuestos, cuando se fabrican baterías se combinan dos compuestos químicos con propiedades especiales, hay desbalance en la cantidad de electrones, haciéndolos uno más negativo que otro. Térmica: Es aquella que se presenta en los procesos donde hay

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13 Eólica: Interviene el viento como generador de energía a partir de mecanismos que generan energía por su movimiento.

Se puede hacer otra clasificación dependiendo del sistema físico bajo el cual se analice.

APRENDIZAJE COLABORATIVO: Actividad:

Se sugiere hacer lectura del texto encontrado en el enlace: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa o al concepto sobre energía que se encuentra en el libro: Física de Holliday. HOLLIDAY, David y Equipo. Fundamentos de Física. Sexta Edición, Volumen I; Capítulo 7 pag. 136. Socialice con sus compañeros y realice un mapa conceptual.

1.2. ENERGÍ A ELÉCTRIC A

La energía eléctrica, independiente del modo o la forma como se obtenga, está relacionada con los electrones y su movimiento, dicho fenómeno se puede describir mediante las teorías del movimiento de partículas, desde la mecánica, combinándose con algunas teorías de la mecánica cuántica.

Ladillo:

La parte de la física que estudia el movimiento de partículas “grandes” desde las leyes de Newton se conoce como Física clásica o mecánica; la parte de la física que estudia el movimiento de partículas “pequeñas”, se denomina Física

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14 cuántica, las dos difieren pues las predicciones en una no se dan en la otra. La Mecánica cuántica relativista tiene en cuenta las leyes de la relatividad propuestas por Albert Einstein.

El poder controlar la energía eléctrica ha hecho que avancemos en tecnología, para ello se han desarrollado un sinnúmero de elementos que se conectan entre sí formando un circuito, el circuito permite a partir de la energía eléctrica una gama de posibilidades, que al combinarse cumplen con una función específica, más adelante se profundizará en el tema.

La energía eléctrica se puede interpretar si se tiene clara la estructura atómica de la materia y su comportamiento. Un átomo está conformado por un núcleo en el cual aparecen Neutrones y Protones como partículas fundamentales, en la periferia alrededor del núcleo se encuentran los Electrones, los cuales están más cerca o menos cerca del núcleo según su energía, hay muchos modelos atómicos, sin embargo el más aceptado es el de Bohr, el cual se representa a continuación:

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15 Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B3mico_de_Bohr, Diciembre de 2009

En la Figura 1.2.1 se observa el modelo del átomo, ésta no es una representación real de un átomo, es decir no es la “foto” del átomo, si no el modelo que permite explicar cómo funciona un átomo. Los electrones pasan de un nivel de menor energía a otro de mayor energía y viceversa, esto hace que se presente un intercambio de energía, ya sea absorber o radiar energía, a éste tipo de energía que proviene del electrón, se le denomina energía eléctrica.

La facilidad con que un electrón pasa de un nivel a otro, depende del elemento y la reacción que se presente para ello, sin embargo el átomo obedece a una ley natural, la cual se describe a continuación:

 Ley del octeto: Todo elemento químico, tiende a completar 8 electrones en su último nivel, para ello se asocia con otros átomos, mediante enlaces llamados covalentes, si comparte electrones, o iónicos si cede o “gana” electrones, cuando un átomo tiene dicha estructura se dice que hay equilibrio eléctrico.

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16 Al intercambio de electrones se le conoce como carga eléctrica. La unidad de medida de dicha carga es el Coulomb, éste se determina por la carga que desde 1 metro ejerce sobre otra carga igual, la fuerza de 9x109 Newton´ s. Se determino experimentalmente que la carga de un electrón es de -1,602x10-19 Coulomb.

1.3. TR ANSPORTE DE ENERGÍ A ELÉCTRIC A:

Para producir energía eléctrica, la forma más común, fueron las termoeléctricas, las cuales a partir del calor producían movimiento en un mecanismo, ésta energía mecánica es transformada en energía eléctrica, gracias a un elemento conocido como alternador, como se observa en la figura, la cual representa la estructura básica de una de ellas. En realidad hoy en día la diferencia entre una u otra forma de producir energía eléctrica, es la forma como se genera el movimiento mecánico para convertirlo en energía eléctrica, de tal forma que podemos usar: el viento para que giren unas aspas, la caída del agua para producir el mismo efecto, entre otras muchas, claro no es la única forma, se han hecho grandes descubrimientos y se ha logrado producir energía de otras maneras.

A continuación, se presenta un modelo de una termoeléctrica, la intención es que el estudiante se familiarice con la estructura de una planta productora de energía, en éste caso se usa la energía calorífica para ser transformada en energía eléctrica, la diferencia con una planta hidroeléctrica es que el movimiento del mecanismo o alternador lo hace la fuerza que se obtiene por la caída del agua, si se quiere usar la energía eólica se usa como elemento generador de movimiento,

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17 el viento y así sucesivamente, cabe aclarar que el mecanismo y la estructura en términos generales es la misma, pero que cada una tiene unos aditamentos o elementos diferentes, la explicación específica de cada una de ellas están fuera del alcance de éste texto, se recomienda, si se quiere profundizar un poco más en éste tema tan interesante, consultar en las fuentes bibliográficas sobre producción de energía eléctrica.

Figura 1.3.1 Diagrama esquemático de una termoeléctrica

Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Central_termoel%C3%A9ctrica,

Hoy en día se han hecho esfuerzos ingentes para producir energía “limpia”, procurando impactar en el menor grado posible, el medio ambiente, muchos proyectos de investigación tienen su meta en éste objetivo común, debido a la

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18 concientización que se ha hecho, en torno a la conservación de nuestro medio ambiente.

Una vez descubierta la forma de producir energía eléctrica, su transporte para llevarla a los sitios donde debía utilizarse, fue el paso a seguir. Uno de los pioneros en el uso de la energía Eléctrica fue el Inventor Thomas Alba Edison, con sus inventos y descubrimientos logró hacer que la vida en la época fuera cada vez más fácil, su principal invención, la bombilla eléctrica, permitió no solo iluminar la noche. Con los avances en la ciencia y la tecnología hasta ese entonces, se sabía que los mejores conductores eran los metales, éstos facilitan el paso de energía, en éste caso la eléctrica.

1.4. CONDUCTIVIDAD EN LOS M ATERI ALES:

La conductividad de un material se define como la facilidad que éste tiene para conducir energía, para el caso de la conductividad eléctrica, el material facilita conducir éste tipo de energía, aunque hay una estrecha relación con la conductividad de energía térmica. La unidad de medida es Siemens por metro (S/m) y se representa por la letra griega (Rho) ρ.

Un material puede ser conductor de energía eléctrica, dependiendo de los electrones que tenga en su último nivel, a éste se le conoce como nivel o banda de valencia. En el caso del cobre, material que por excelencia es usado como conductor, en el nivel de valencia, tiene 1 electrón, lo hace ideal para ceder dicho electrón.

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19

Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Atomo_di_rame.svg. Diciembre 15 de 2009

Aunque existen materiales que son mejores conductores como la plata y el oro, su aplicación en la conducción de energía eléctrica, es mínima debido a los altos costos. Como se puede inferir, los mejores conductores eléctricos son los elementos metales, que se pueden observar en la tabla periódica.

Cabe aclarar que la conductividad eléctrica es diferente a la conductancia, aunque hay una relación entre dichos conceptos, en el tema sobre resistencia (Sección 2.1), se hablará de la conductancia.

1.5. NOT ACIÓN CIENTÍFIC A

Las variables físicas deben ser cuantificadas, para ello se usan las unidades de medida, estas mediciones se expresan mediante notación científica, la cual facilita la expresión de dichas cantidades, pues en muchas ocasiones éstas son o muy grandes o muy pequeñas. La notación científica, usa las potencias de 10 para

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20 expresar cantidades, en la siguiente tabla se presenta un resumen de su significado y la forma como se debe usar.

Tabla 1.5.1. Notación científica

Notación Prefijo Valor multiplicativo 109 Tera(T) 1000000000 M ú ltiplo s 106 Mega (M) 1000000 103 Kilo(K) 1000 102 Hecto(H) 100 101 Deca(D) 10 100 Unidad 1 10-1 deci (d) 0,1 S u b m ú ltiplo s 10-2 centi© 0,01 10-3 mili (m) 0,001 10-6 micro (µ) 0,000001 10-9 nano (n) 0,000000001 10-12 pico (p) 0,00000000001

Para usar la tabla, sin importar la unidad de medida, se multiplica por el número que se observa en la columna: valor multiplicativo o se agrega el prefijo, es válida tanto una como la otra forma de expresión. Por ejemplo, si la magnitud a medir es la distancia, como unidad de medida se usa el metro, si son distancias muy pequeñas, se usarían cantidades más

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21 pequeñas que el metro, es decir los submúltiplos, si la cantidad es muy grande, se usan los múltiplos. Por ejemplo:

 El radio del átomo de Hidrógeno es de 0,000000000025 metros (m), si observas después de la coma hay 12 cifras, si llevamos la coma desde el punto donde está hacia la derecha, hasta el final de las cifras, se escribe: 25 X 10-12 metros, también es válido escribir 25 pm (pico metros), reemplazando la potencia de 10 por su prefijo respectivo, si lo expresamos en nanómetros (nm), debemos correr la coma 9 cifras: 0,025 x 10-9 o lo que es igual 0,025 nm.

 El diámetro del sol es de 1.390.000.000 metros (m)1, la cantidad se puede expresar en notación científica fácilmente, se toma como punto de partida la última cifra y se “corre” la coma hacia la izquierda tantos espacios como corresponda al exponente de la potencia de 10, si lo hacemos 3 espacios, la cantidad queda: 1.390.000 x 103, lo que es igual a 1.390.000 Km (Kilómetros); si lo hacemos 6 espacios la cantidad se expresa: 1.390 Mm (Mega metros), aunque no es común encontrar cantidades expresadas en Mega metros, aplica para el ejemplo.

Trabajo individual: Actividad:

Escriba las siguientes cantidades en notación científica usando la tabla:

1

Tomado de: http://sunearthday.nasa.gov/2007/materials/solar_pizza.pdf, Diciembre 29 de 2009.

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22  0,0012345 g (gramos) en ng (nano gramos)

 1,2343233234 m en mm (milímetros)  1.234.453 g (gramos) en Kg (Kilogramos)

 2,345123 Kg (Kilogramos) en Hg (Hectogramos)  2,376589 cm (centímetros) en µm (micro metros)

1.6. CORRIENTE

La corriente está definida como la cantidad de electrones por unidad de tiempo, o cantidad de carga por unidad de tiempo, que atraviesan un conductor, también se le conoce como intensidad eléctrica. La unidad básica es el Amperio, en electrónica, se trabajan con corrientes pequeñas, del orden de los miliamperios, por debajo del amperio, aunque hay aplicaciones industriales donde se puede llegar a usar corrientes entre las unidades y unos cientos de Amperios (A).

Por ejemplo, una corriente puede ser del orden del micro amperio (µA), nano Amperio (nA), etc.

 Corriente AC

La corriente AC, tiene como característica especial, una frecuencia, ésta se puede representar usando una señal seno, con lo que se agregan condiciones de frecuencia, periodo, amplitud y tiempo.

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23

Figura 1.6.1.1 Función Seno

Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Seno_(trigonometr%C3%ADa) Dic 29 de 2009 1:55pm

La amplitud es el valor máximo y mínimo que toma la función, en este caso -1 y 1 Amperios (A); el periodo es 2π que corresponde al ángulo recorrido por la función, también podemos expresar el periodo como el tiempo transcurrido en un ciclo y la frecuencia es el inverso del periodo, corresponde a los ciclos por segundo, y se da en Hertz (Hz), en éste caso es de 1 ciclo en 1 segundo, o sea 1 Hz.

La fórmula que relaciona el periodo y la frecuencia esta dad por:

Ecuación. 1.6.1.1 Frecuencia y Periodo

f = Frecuencia T = Periodo

Si vamos al caso real, la corriente que llega a nuestras casas, puede tener amplitudes de 40 Amperios (A) y una frecuencia de 60 Hz, si observas en la parte

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24 de atrás de un electrodoméstico, encontrarás una placa con las especificaciones de con sumo de corriente y frecuencia.

 Corriente DC

La corriente en DC, como característica especial, a diferencia de la corriente AC, se representa mediante una línea recta, ya que es constante en el tiempo, no tiene frecuencia y es la que se genera en las baterías, aunque no es la única fuente de corriente DC, la magnitud tampoco es una norma, pero en electrónica el orden de la corriente está entre los mA (miliamperios), µA (microamperios) y nA (nanoamperios).

Actividad individual: Actividad 1.6.1:

Representa cada una de las siguientes corrientes según como se indica: a. 250 mA (miliamperios) en nA (nano Amperios)

b. 500 µA (micro Amperios) en mA (miliamperios) c. 1342 nA en µA

d. 35234 µA en mA e. 12000 µA en nA

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25 El voltaje también denominado potencial eléctrico, está asociado a la definición de trabajo, es la energía necesaria para mover una carga, la unidad de medida del voltaje es el voltio, el voltaje, como la corriente puede ser:

 Voltaje AC

Como se explicó anteriormente, así como la corriente, tiene propiedades de frecuencia, amplitud, periodo y tiempo, El voltaje AC, se representa mediante una señal seno. Es el voltaje que llega hasta nuestras casas mediante el servicio prestado por la empresa de energía, en cuyo caso puede monofásico, bifásico o trifásico, generalmente es monofásico, es decir una sola fase y un neutro, la fase se puede probar con un téster o buscador de polo, que se consigue en las ferreterías, éste es un destornillador de pala, el cual se coloca en el toma corriente, o toma de pared, si la luz se enciende, quiere decir que dicho terminal es la fase, si no se enciende, ésta es la tierra.

Figura 1.7.1.1 Probador de polo o destornillador Téster

Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Kenden_Driver.JPG Si se observa la fase en un osciloscopio, se vería una señal seno.

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Ladillo: Un Osciloscopio es un instrumento del laboratorio de electrónica, éste consiste en una pantalla, donde al ser calibrado adecuadamente, se puede observar las señales de voltaje que se llevan al instrumento a través de una sonda, para su uso se debe tener mucho cuidado, pues de no usarse adecuadamente, se puede dañar dicho instrumento. Los osciloscopios pueden ser análogos o digitales. En la sección correspondiente, se tratará sobre su uso adecuado.

 Voltaje DC

EL voltaje DC, es el que se obtiene en una batería por el diferencial de carga, ésta es debida al exceso o defecto de electrones en cada una de las terminales, esta diferencia de carga establece una diferencia de potencial, el voltaje es el trabajo que se debe realizar para mover ésta carga. Se dice que es un voltaje directo o DC, pues es una línea recta que se puede obtener o visualizar en el osciloscopio. La gráfica que representa el voltaje DC, es una línea recta constante y continua en el tiempo, para al eje horizontal, es un voltaje constante, luego el uso de éste tipo de energía es relativamente óptimo en los sistemas electrónicos pues ofrece de manera constante potencia y energía al sistema.

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27 Trabajo colaborativo:

Actividad 1.7.1.: Descargue del link:

http://assets.fluke.com/manuals/175_____umspa0100.pdf el documento

respectivo, lea y analice las características del multímetro. Familiarícese con su aspecto y funcionamiento, reúnase con sus compañeros y responda:

A. ¿Qué variables pueden medirse con éste instrumento? B. ¿Qué rangos de voltaje mide en AC?

C. ¿Qué rangos de Corriente en AC se pueden medir con el instrumento?

D. ¿Cuál es el valor máximo de resistencia que se puede medir con él?

E. Observe la tabla que se encuentra en la página 2 de dicho manual y realice una comparación entre los íconos para las variables de corriente y voltaje tanto alternos (AC) como directos o continuos (DC o CC).

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28 RESUMEN

Desde el momento en que el hombre empezó a utilizar adecuadamente la energía eléctrica fue implementando una serie de elementos que le permitieron aplicar no solo conceptos físicos sino desarrollar aparatos tecnológicos; estos aparatos tecnológicos, han venido facilitando la vida del hombre, desarrollando nuevas áreas del conocimiento, como la electrónica. Desde el punto de vista físico, la energía eléctrica se desprende de la energía que se puede aprovechar desde el electrón, el cual al pasar de un nivel a otro de energía, permite obtener dicho tipo de energía.

El flujo de electrones o corriente, permite el transporte de dicha energía, y el potencial, que es el trabajo necesario para el movimiento de dichos electrones se conoce como Voltaje. Este tipo de energía puede ser de dos formas según como sea generado, si se obtiene mediante movimiento mecánico se dice que es Alterno y si es debido a una distribución de electrones, se dice que es Directo o Continuo, existiendo entonces Corriente Alterna (AC) y Voltaje Alterno, que es el que llega a nuestras casas para ser usado en los diferentes electrodomésticos; por otro lado está el Voltaje y la Corriente Directa o continua (DC o CC), que es el que se obtiene en dos terminales de diferente naturaleza donde se encuentra una mayor o menor cantidad de electrones, en la terminal con exceso de electrones, se le asigna el polo negativo (-) y al terminal con defecto de electrones se le asigna el polo positivo (+), se debe tener cuidado de no confundir el polo positivo con los protones que tienen carga positiva en el electrón, éste nada tiene que ver con el polo positivo, pues es la cantidad

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29 de electrones la que da la polaridad en las terminales por ejemplo de una batería o pila.

Las principales características a tener en cuenta en el análisis de una señal alterna (AC) son: Frecuencia (f), Amplitud (A), Periodo (T) y Fase (θ). La frecuencia son los ciclos de la señal por segundo, es decir cuántas “vueltas” en 1 segundo tiene dicha señal y su unidad de medida es el Hertzio (Hz); la amplitud es que tan “grande” es la señal y se determina por los niveles máximos y mínimos, su unidad depende de si la señal es de corriente o de Voltaje, en cuyo caso será en amperios o voltios respectivamente.

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA INTERNET http://fresno.pntic.mec.es/~fagl0000/clasificacion.htm http://www.unicrom.com/TuT_codigocolores.asp http://books.google.com.co/books?id=LdzhG3XZd2IC&pg=PA73&dq=CLASIFC ACION+DE+LAS+RESISTENCIAS#PPA72,M1 http://www.yoreparo.com/foros/electronica/soluciones/codigos-y-simbolos-en-electronica-con-videos-t186616.html TEXTOS:

ROBBINS, Allan. Análisis de circuitos Teoría y práctica. Introducción. Cengace Learning. 2007. p. 3 - 21.

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30 NEXO

Los conceptos de Energía, Voltaje y Corriente, son fundamentales para el resto del curso, pues de ellos depende en buena medida el análisis hecho a los circuitos, al igual que el concepto de resistencia, la notación científica es utilizada en todos los contextos sobre todo el uso de los prefijos para múltiplos y submúltiplos de las diferentes variables, esta facilita la expresión y tratamiento de las diferentes magnitudes y medidas.

SEGUIMIENTO DE AUTOAPRENDIZAJE

A continuación se encuentra una serie de preguntas que le orientarán en el repaso de los temas a manera de evaluación, resuelva cada uno de ellos procurando citar lo menos posible la bibliografía y los conceptos de que se evalúan en éste documento.

1. En un experimento realizado se encontró que la energía requerida para mover un mecanismo era de 120 Julios, si 1 eV es 1,602 x 10-19 Julios, exprese la conversión de Julios en electronvoltios (eV), usando la notación científica mediante exponentes y prefijos en la escala adecuada.

2. En la siguiente tabla se encuentra el radio de algunos planetas del sistema solar, exprese cada uno de ellos en el múltiplo más cercano correspondiente:

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Planeta Radio en metros2 Radio en Mega metros

Tierra 6,38 x 106

Júpiter 7,18 x 107

Saturno 6,03 x 107

Urano 2,67 x 107

Marte 3,43 x 106

3. En la siguiente grafica identifique: Amplitud, frecuencia, periodo, en el punto señalado.

4. Realice una breve explicación sobre, la forma como se produce energía en una termoeléctrica, según el gráfico de la Figura 1.3.1

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SEARS, W. Francis y Equipo; Física Universitaria Sexta Edición. Ed. Addison –Wesley.1988.

Página 1079. 0 50 100 150 200 250 300 350 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 X: 318 Y: 0.682 Grados V ol tio s

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(33)

33

M O D U L O 2

2. RESISTENCI AS

INTRODUCCIÓN

Un concepto importante que todo estudiante del curso de electrónica básica debe tener claro es el de resistencia, a él se asocian muchos de los conceptos y funcionamiento de los diferentes diseños y aplicaciones en electrónica; por ejemplo, en los sistemas de audio, muchas veces se observa que un parlante tiene una medida de 8 Ohmios, en los equipos de comunicaciones aparece en la ficha técnica una “impedancia” de 75 Ohmios. El significado de dichas magnitudes, como lo podrá comprobar más adelante, en la profundización de los conceptos, tiene unas implicaciones desde el punto de vista práctico sobre la electrónica bajo un soporte teórico fundamentado en la física de materiales. Ladillo: Impedancia es el concepto en AC asociado al de resistencia, aunque se puede inferir que es muy similar éste difiere del de resistencia en que la resistencia es una propiedad intrínseca del material mientras que la impedancia es una propiedad dinámica que aparece como respuesta a un estímulo.

En éste capítulo solo usaremos el concepto de resistencia, pues en el caso de la impedancia, se hace necesario realizar un curso de circuitos eléctricos, bajo

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34 el análisis del comportamiento de dispositivos en AC, sin embargo dada la relación entre mencionados conceptos, vale aclarar que es necesario su estudio y comprensión parta luego realizar la profundidad de éste según se considere, en los cursos futuros.

La deducción y aplicación de la ley de Ohm, permite tener una idea global del funcionamiento de los dispositivos y diseños electrónicos; a partir de ésta y sin mucho esfuerzo, se puede inferir un diagnóstico preliminar, detectando rápidamente posibles fallas, por ello es de gran importancia dicho concepto, pues mencionada ley relaciona tanto esta propiedad como el de la corriente y el voltaje.

Se sugiere desarrollar cada actividad y ejercicio disciplinadamente, teniendo en cuenta la aplicación de los conceptos y la claridad sobre ellos en cada momento del capítulo, realizando las preguntas pertinentes y las consultas adicionales que se generen a partir del estudio de éste material.

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35 LOGROS:

 Identifica la propiedad de la resistividad en los materiales como característica fundamental en la conducción eléctrica y la asocia al fenómeno de la resistencia eléctrica.

 Diferencia la propiedad de la resistividad de materiales con el de resistencia eléctrica

2.1 RESISTIVID AD

“… la resistencia eléctrica que presenta un material a una corriente multiplicada por la sección transversal del flujo de corriente y por la unidad de longitud del

POTENCIA RESISTENCIA CORRIENTE VOLTAJE LEY DE OHM MULTIMETRO NOMENCLATURA MEDICION RESISTIVIDAD RESISTENCIA ELECTRICA MIXTO PARALELO SERIE CIRCUITOS CONDUCTIVIDAD

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36 camino de la corriente”3

, es la definición de resistividad, que es el inverso de la conductividad, la resistencia es una propiedad de todo material y se relaciona con la resistividad como propiedad única de dicho material, relacionada tanto con la longitud como con el área de la sección transversal, de aquí se infiere la diferencia entre resistencia y resistividad, al observar la fórmula, se aprecia dicha conclusión, en la siguiente tabla se muestra algunas resistividades de materiales usados comúnmente:

Tabla 2.1.1 Resistividad de algunos materiales

Material Resistividad (ρ) Ω-cm Plata 1,5 x 10-6 Cobre 1,7 x 10-6 Carbono (Grafito) 2,6 x 10-6 a 190 x 10-6 Nicromo 100 x 10-6 Vidrio 1010 x 1014

SEIDMAN, H. Artur. Electrónica Práctica y Moderna. Tomo 1. McGraw Hill. 1995. p.1-3.

2.2. RESISTENCI A

Hay una gran variedad de resistencias que se pueden encontrar en lo cotidiano; desde el concepto natural la resistencia es una oposición, en éste

3

(37)

37 caso se habla de la resistencia como elemento en electrónica, desde éste punto de vista, se puede definir la resistencia eléctrica como: la oposición que se presenta en un material al movimiento de cargas o flujo de electrones, la unidad de medida de la resistencia es el Ohmio y se representa por la letra griega Omega Ω. Los valores comunes de resistencias son del orden de los Kilo ohmios, aunque encontramos resistencias en unidades, decenas y centenas de Ohmio, es decir al remitirnos a la tabla 1.5.1, se usan los múltiplos.

Hay muchas clases de resistencias eléctricas, pero se pueden clasificar en 2: Resistencias fijas y resistencias variables. Las resistencias fijas, como su nombre lo indica, son aquellas que tienen un valor fijo, es decir, el fabricante garantiza un valor único que se da según un nivel de tolerancia; por otro lado las resistencias variables, son aquellas que varían en un rango de valores, desde 0 ohmios, hasta el valor para el cual fueron diseñadas.

Los símbolos para las resistencias variables y fijas son:

Figura 2.2.1 Símbolo de las resistencias fijas (arriba) y variables (abajo) R4 10k 40% R3 RESISTOR R2 10k 40% R1 1k

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38 Existen muchos, sensores que aprovechan el efecto resistivo, es decir, varían la resistencia como propiedad de los materiales ante un fenómeno físico, como temperatura, humedad, presión etc. A estos sensores se les conoce como sensores resistivos.

La resistencia de cualquier material está dada por:

Ecuación de la Resistencia 2.2.1

Donde:

R= Resistencia

ρ = Resistividad del material, Ohmio por centímetro (Ω-cm) L = Longitud del material cm

A = Área de la sección transversal del materia. cm2

Ladillo: La sección transversal hace referencia a un corte imaginario que se hace del material, por ejemplo, si el material tiene forma cilíndrica, la sección transversal es una circunferencia, como se muestra en la figura L1, por eso la unidad es el centímetro cuadrado: cm2 recordar que para dicho caso, la sección transversal, el área de la circunferencia esta dad por: A =πxr2

(39)

39 2.2.1. LEY DE OHM

La relación entre voltaje, corriente y resistencia fue formulada por George Simon Ohm, conocida como la Ley de Ohm, la cual se define como:

“La corriente que circula en un circuito es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia”4

La fórmula que resume dicho principio esta dado como: Ecuación 2.2.1.1

Desde mencionada formula, se deducen muchas de las propiedades y análisis de los circuitos que se tratan en éste documento, se sugiere tener muy presente mencionada ecuación.

Un concepto adicional que aparece, es el de potencia, en éste caso, la potencia en las resistencias, está dada como la relación que existe entre la

4

(40)

40 energía consumida y la disipada, es decir, el intercambio de energía y se define como sigue: “La potencia en una resistencia es directamente proporcional al cuadrado de la corriente por una constante de proporcionalidad que es la resistencia”, la fórmula que resume dicho enunciado es:

Ecuación 2.2.1.2

Si usamos la ley de Ohm y despejamos la corriente se tiene que la Ecuación

2.2.1.2, queda:

Ecuación 2.2.1.3

En resumen, para la potencia se puede usar una de las tres fórmulas que se presentaron anteriormente. La unidad de medida es el Vatio (Watts), que se usará en éste texto, aunque existen otras unidades de medida.

2.3. RESISTENCI A ELÉCTRIC A

Como se mencionó en la parte introductoria, sobre las resistencias, se define como la propiedad que relaciona la resistividad con la longitud del material y la sección transversal de éste.

La ecuación 2.1 define el concepto de resistencia eléctrica, la unidad de medida de la resistencia es el Ohmio, usando la tabla 1.5.1, se debe tener presente el uso de los múltiplos, los cuales facilitan la expresión de dichas cantidades, pues los valores usados en electrónica, son grandes, dadas las magnitudes de corriente.

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41 El aspecto de muchas resistencias difiere según el fabricante y la aplicación, el aspecto de la resistencia de una ducha para agua caliente difiere de la que se observa en los circuitos convencionales electrónicos, lo mismo sucede si se tiene como referente las resistencias de potencia, las cuales tiene forma de prisma rectangular. En la siguiente figura, se observan algunas resistencias para familiarizase con su aspecto físico:

Figura 2.3.1 (A) Resistencia eléctrica a partir de una cinta aislante y un alambre bobinado; (B) Resistencia para montaje superficial (SMD); (C) Fotorresistencia; (D) Resistencia eléctrica para calentador; (E) Varias clases de resistencias (A. Resistencia de carbón ½ W. B. Resistencia de Film de carbón NOS ½ W. C. Resistencia de Film de Carbón NOS 1W. D. Resistencia de Oxido de

metal de 2 W. E. Resistencia de alambre de 5 W5

) A B C D E 5 Tomado de http://www.retrogames.cl/pasivos.html,

(42)

Cartilla Electrónica Básica Prof: Ing. Ancizar Paredes Ardila 42 A.http://patentados.com/invento/resistencia-electrica.html B.http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Register3.jpg. C.http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a2/Fotocelda.jpg D.http://www.paginasamarillas.com.pe/dbimages/988195/988195_104660_ZOOM_PRODUCTO.JP G E. http://www.retrogames.cl/imagenes/clases/resistors.jpg

Un concepto importante que se tratara en la sección correspondiente, es el de potencia, sin embargo, en la figura 2.3.1. (E), se puede observar la relación del tamaño de la resistencia con la potencia, si se profundiza en el material utilizado, se notará tal relación. La potencia está relacionada con la energía potencial, la cual debe ser disipada como consecuencia de la oposición de la resistencia a la corriente, según el principio de conservación de la energía, estudiado en la sección 1.1, ni se crea ni se destruye, solo se transforma, por ende, la energía dada la oposición del material al flujo de electrones, se traduce en calor.

Existe una gran variedad de las resistencias variables, conocidas como potenciómetros o trimmers, en la siguiente figura, se observan algunos dibujos de ellos.

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43 Tomado de: http://www.gmelectronica.com.ar/gm/graficos/catalogo/127.JPG [Cit. 23 Dic., de 2009]

APRENDIZAJE COLABORATIVO: Actividad:

Realice los siguientes ejercicios de manera individual, acto seguido reúnase con sus compañeros de curso, comparta sus inquietudes y posibles soluciones.  Hallar la resistencia de una varilla de cobre de 2 m de longitud y 8 mm de diámetro, sabiendo que la resistividad de este metal vale 1,756x10-8 Ω m.

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44  Hallar la resistencia de un alambre de plata alemana de 152,5 m de longitud y 0,3 mm2 de sección. La resistividad de este metal es 33x10-6 Ω cm.

 Un hilo de cobre tiene un diámetro de 4 mm. Hallar la resistencia de 300 m de dicho conductor a 20º C, sabiendo que la resistividad del cobre a esta temperatura es de 1,8x10-8 Ω m.

Un concepto asociado al de resistencia es el de Impedancia, ésta aparece al hacer el análisis de circuitos en AC, donde la señal se puede representar como un vector, el efecto que causa cada elemento sobre dicha señal se representa en un plano cartesiano donde hay una componente Real y una componente Imaginaria, la componente real en un circuito AC, es la impedancia que es el equivalente a la resistencia, su medida se da en Ohmios. Este tema se trata con profundidad en un curso especial de análisis de circuitos en AC, con elementos de análisis llamados fasores o análisis fasoriales.

Ladillo: Un numero imaginario es aquel que se deduce de la raíz negativa de un número, para evitar éste tipo de indeterminaciones, se reemplaza por la letra de tal forma que un numero como es 5 , también es muy común encontrar expresiones como 2 + 3 , la parte real de dicho numero es 2 y la parte imaginaria es 3.

Como se explicó en la sección 1.4 la conductancia es el inverso de la resistencia y la resistencia es el inverso de la conductancia, de tal forma que:

(45)

45

Ecuación 2.3.1

La unidad de medida para la conductancia es el siemens, que es el inverso del Ohmio y viceversa.

2.3.1. DEFINICIONES Y SÍMBOL O

Aunque existe un sinnúmero de formas para representar una resistencia, en los planos o circuitos se encuentran generalmente tal como se observa en la figura

2.1 a cada resistencia, se asocia la letra R y un número que corresponde al

orden, adicional se escribe el valor de ésta frente a cada una de ellas, en muchas ocasiones, se ubica en la parte inferior para evitar confusiones en el plano. En la Figura 2.3.1.1, se observa un circuito de resistencias usando el software Circuit Maker, éste facilita el diseño e implementación de circuitos, como se explica en la sección correspondiente.

Figura 2.3.1.1. Circuito resistivo usando Circuit Maker

+ -Vs1 10V R3 1k R2 1k R1 1k

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46 Se observan 2 elementos que son una fuente de energía, en éste caso de voltaje Vs1 de 10 V (Voltios) y un punto de referencia llamado tierra (GND), representado por líneas paralelas de tamaño descendente, en la parte inferior izquierda del circuito.

2.4. CÓDIGO DE COLORES

Para determinar el valor de una resistencia, se debe tener en cuenta un código internacional, llamado código de colores, éste no solo se usa en las resistencias, también se usa en otros componentes, para determinar a simple vista el valor de dicho componente, aunque no es un método exacto, su valor aproximado debido a la tolerancia, o margen de error es muy aceptable en el momento de realizar diseños de circuitos.

En la Figura 2.3.1, se observan algunas resistencias, note que cada una de ellas tiene unas bandas de colores, dichas bandas se interpretan según el código de colores como se explica a continuación y de esta manera se determina su valor.

En la Figura 2.4.1 se observa una resistencia con sus respectivas bandas de colores, el orden de dichas bandas, debe tenerse en cuenta para determinar el valor de ésta.

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47 Tomado de: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Resistencia.svg [Citado 20 de Dic,. 2009]

Las bandas se deben leer ubicando la banda de tolerancia a la derecha, para detectar la banda de tolerancia, basta con observar la que está más apartada, ésta se ubica muy cerca a uno de los bordes. En la Figura 2.4.2 se observa el orden y el valor de cada uno de los colores. Las 3 primeras bandas se interpretan como cifras, la cuarta banda es el valor de la tolerancia, dicho valor debe sumarse o restarse al valor nominal de la resistencia, es decir el dado por el código de colores; en muchas ocasiones se pueden encontrar resistencias hasta con 5 bandas, en cuyo caso las 4 primeras bandas son el valor nominal y la quinta es la tolerancia, se debe prestar atención a ésta cifra, pues como se muestra en el ejemplo, determina el valor verdadero de la resistencia, sin embargo una mejor medición puede obtenerse con el multímetro, como se explicará en dicha sección.

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48 Tomado de: http://www.unicrom.com/TuT_codigocolores.asp [cit. 22 Dic., 2009] A continuación, se explica el uso de la tabla, en la determinación del valor de una resistencia, de 4 bandas y de 5 bandas, las resistencias de 5 bandas, se conocen con el nombre de resistencias de precisión.

Ejemplo 2.4.1: las bandas de colores para una resistencia con 4 bandas de colores son:

1ª Banda: Café 2ª Banda: Negro 3ª Banda: Rojo 4ª Banda: Plateado

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Cartilla Electrónica Básica Prof: Ing. Ancizar Paredes Ardila 49 1ª Banda: 1 2ª Banda: 0 3ª Banda: 2 4ª Banda: ±10%

Con dichos números se procede como se indica a continuación:

El primer número o cifra corresponde a 1, el segundo a 0 y el tercero o multiplicador es el número o potencia de 10 con el cual se debe multiplicar, en éste caso el 2 indica el exponente de la base que es 10 es decir 102 = 100, luego aritméticamente se realiza la siguiente operación:

10 x 100 = 1000 Ω

La tolerancia del 10 % se debe sumar y restar a éste valor, a 1000 se le halla el 10% y nos da 100, luego le resto y le sumo 100 a 1000, como se muestra a continuación:

1000 - 100 = 900 Ω que se puede representar como 0.9 KΩ 1000 + 100 = 1100 Ω que se puede representar como 1.1 KΩ

Luego el valor de la resistencia está entre 900 y 1100 Ohmios, por ejemplo 980, 1050 Ohmios etc. La forma más exacta, si se usa adecuadamente, es mediante el multímetro, el cual se explicará más adelante, en la sección 2.6.3.

(50)

50 Para las resistencias de 5 bandas, se debe tener en cuenta que son 3 bandas para cifras significativas, una banda para la cifra multiplicadora y una banda para la tolerancia.

Ejemplo: En la siguiente tabla se muestra un ejemplo de una resistencia de precisión con 5 bandas de color:

1ª Cifra 2ª Cifra 3ª Cifra 4ª Cifra Potencia Tolerancia

Café Negro Rojo Rojo Rojo

1 0 2 2 2

Para interpretar dicho valor se tiene que:

102 x 102 = 102 x 100 = 10200 Ohmios (10,2 KΩ)

La tolerancia de 2% significa, que debemos hallar el 2% del valor hallado (204 Ω Ohmios) para sumarlo y restarlo a dicho valor como se indica a continuación: 10200 + 204 = 10404 Ω

10200 – 204 = 9996 Ω

Si aplicamos la notación científica, corremos la coma desde la última cifra hacia la izquierda 3 espacios y la expresamos en Kilo Ohmios (KΩ); es decir: 10,404 KΩ y 9,996 KΩ.

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51 En el capítulo estudiado, se conceptualizó sobre la propiedad intrínseca de los materiales, llamada Resistencia, ésta se asocial al concepto de resistividad por la ecuación: 2.2.1. De igual forma, las variables de voltaje y corriente se relacionan con éste a partir de la Ley de Ohm, mediante la ecuación 2.2.1.1. El código de colores, (Tabla 2.4.1) permite identificar de primera mano el valor de una Resistencia, este obedece a un orden establecido desde la tabla y el cual se explica con el ejemplo 2.4.1. cabe anotar que este valor es relativo, pues existe una tolerancia, interpretada a partir del código de colores y la cuarta banda o quinta, según sea el caso de una resistencia de precisión o no.

BIBLIOGRAFIA RECOMENDADA INTERNET: http://fresno.pntic.mec.es/~fagl0000/clasificacion.htm http://www.yoreparo.com/foros/electronica/soluciones/codigos-y-simbolos-en-electronica-con-videos-t186616.html TEXTO:

ROBBINS, Allan. Análisis de circuitos Teoría y práctica. Cap.3. Cengace Learning. p. 51

NILSSON, James. Circuitos Eléctricos. Cap. 3. Pearson Prentice Hall. p. 66

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52 El concepto de resistencia se relaciona con el siguiente capítulo donde se estudia el caso de las resistencias en serie y en paralelo. Dada una topología es indispensable que se verifique o compruebe los resultados a partir de las ecuaciones planteadas y los cálculos mediante la ley de Ohm. La resistencia equivalente y mediciones hechas, dan cuenta no solo de los componentes que conforman cada arreglo, sino de los resultados obtenidos expresados en la notación y unidades adecuadas, de ahí la importancia en la comprensión del concepto de resistencia.

SEGUIMIENTO AL AUTOAPRENDIZAJE

A continuación en la tabla, se presentan valores para resistencias de precisión, escriba en la casilla correspondiente, los valores de resistencias teniendo en cuenta la tolerancia.

1ª Cifra 2ª Cifra 3ª Cifra 4ª Cifra Tolerancia Valor Café Negro Naranja Rojo Café

Café Negro Negro Rojo Rojo Amarillo Violeta Negro Gris Naranja Verde Azul Negro Rojo Rojo Azul Verde Café Café Café

Determinar el valor de cada resistencia, teniendo en cuenta los valores de tolerancia en cada caso.

1ª Cifra 2ª Cifra 3ª Cifra Tolerancia Valor Amarillo Negro Verde Dorado

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53 Café Rojo Violeta Dorado

Rojo Rojo Rojo Plateado Verde Violeta Negro Plateado Café Negro Verde Dorado

M O D U L O 3

3. ASOCI ACIÓN DE RESIST ENCI AS

INTRODUCCION

El análisis de las aplicaciones en electrónica requieren tener una visión global del sistema, la resistencia es una propiedad intrínseca de los materiales, presente en cualquier situación donde existen componentes electrónicos, sin embargo, las resistencias pueden estar asociadas de diferentes maneras y la simplificación de éstas, permite tener una apreciación de su funcionamiento en una primera instancia, para luego realizar los análisis que dicha situación requiera.

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54 En éste capítulo se estudia la forma como se simplifican las resistencias en sus diferentes configuraciones, serie, paralelo y mixto, de ésta manera, el análisis donde intervienen dispositivos con características resistivas se hace más fácil y efectivo.

Se hace necesario que se tomen los temas con la mayor disciplina posible, teniendo siempre `presente que el concepto quede claro, de no ser así los temas siguientes serán de mayor dificultad comprensiva.

MAPA CONCEPTUAL LOGROS Resitencia Eléctrica Circuitos resistivos Serie Paralelo Mixto Análisis Ley de Ohm Mallas Nodos Potencia

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55  Analiza circuitos resistivos, en serie, paralelo y mixto, según los modelos

planteados.

 Determina las variables eléctricas de voltaje, corriente y potencia sobre cada una de las resistencias en un circuito dado.

CONFIGUR ACIONES

En ésta sección, se explica el concepto inicial de circuito y el de resistencia equivalente, aunque en muchas ocasiones los circuitos que se presentan no se encuentran en lo cotidiano, como ejercicio didáctico es necesario e interesante su análisis y desarrollo.

La configuración básica de los circuitos resistivos puede ser en serie, paralelo o mixto, para explicar cada uno de ellos, se parte del concepto y se representa el circuito usando el software de simulación Circuit Maker.

a) Circuito Serie: Las resistencias en serie, se conectan una seguida de la otra por un único terminal, observe en la Figura

2.4.1 que dicho componente solo tiene 2 terminales.

Figura: 3.1 Resistencias en serie

Rn R3

R2 R1

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56 b) Circuito Paralelo: Las resistencias en paralelo, se conectan por 2 terminales, en la Figura se muestra como se conectan, aunque se debe observar que estén conectados por los 2 terminales.

Figura. 3.2 Resistencias en paralelo

c) Circuito Mixto: Un circuito mixto, tiene tanto resistencias en configuración serie, como paralelo, como se indica en el circuito:

Figura. 3.3 Circuito mixto de resistencias

3.2 C ÁLCULOS EN CIRCUITOS RESISTIVOS

Rn R3 R2 R1 + V1 10V Rn R3 R2 R1

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57 Para hallar la resistencia equivalente, en cada uno de los casos, se procede de manera diferente, según como sea, serie, paralelo o mixto, a continuación, se explica en cada uno de ellos cómo se debe hacer.

3.2.1. CIRCUITO SERIE:

La resistencia equivalente para las resistencias en serie, debido a que el efecto resistivo es sumado, es decir la oposición total de las resistencias conectadas en serie es sumado, pues su efecto al oponerse a la corriente es el mismo, sin importar el valor de la resistencia su efecto es igual, sin embargo, cada una con su valor resistivo se suma a otro. En resumen, las resistencias en serie se suman. EL efecto sobre el voltaje es diferente, el voltaje disminuye a medida que pasa por cada resistencia.

Para hallar la resistencia equivalente se suma el valor de cada resistencia, luego la ecuación para las resistencias en serie de la Figura 3.1 es:

Ecuación 3.1.1

Un ejemplo de circuito serie, puede ser como el observado en la Figura 3.1.1.1, dando valores a cada resistencia como se muestra a continuación, se puede determinar la resistencia equivalente:

Figura 3.2.1.1 ejemplo de resistencia en serie

Req R4 150k R3 10k R2 1,5k R1 1k

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58 Como se puede ver cada resistencia tiene su propio valor, y tiene asignado un nombre. Para hallar la resistencia equivalente se suman los valores de las resistencias.

Luego el valor de la resistencia equivalente Req es de 162,5 KΩ (Ciento sesenta y dos coma cinco Kilo Ohmios)

APRENDIZAJE COLABORATIVO: Actividad:

Realice el cálculo para las siguientes resistencias en serie, envíe sus respuestas a sus compañeros y compare los resultados, argumente sus respuestas donde sea necesario.

a. b. c.

d. ¿Qué valor debe tener R4, si la Req es de 1.68 KΩ (Kilo Ohmios)?

e. ¿Qué valor debe tener R4, si la Req es de 19/18 MΩ (Mega Ohmios)? R4 150M R3 0.5M R2 1,5M R1 1M R4 2,4k R3 1,5k R2 1000 R1 500 R4 5/2K R3 2/8K R2 3/4K R1 1/2K R4 R3 1/3K R2 3/4K R1 3/5K R4 R3 2/9M R2 3/6M R1 1/3M

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59 3.2.1.2. OTROS CÁLCULOS EN CIR CUITOS RESISTIVOS SE RIE Las variables a analizar en los circuitos resistivos son el voltaje, la corriente y la potencia, teniendo en cuenta la ley de Ohm y algunos principios básicos fundamentales, se pueden deducir fácilmente dichas variables en cada una de las resistencias.

A continuación, se explica cómo deducir dichas variables tomando como base el circuito de la Figura3.1.1.1, se implementa una fuente de voltaje DC, la cual puede ser una batería o una de las fuentes de laboratorio, en la Figura 3.1.1.2.1 del siguiente ejemplo, se muestra uno de los símbolos eléctricos para éste tipo de dispositivos, usado en los planos o diagramas esquemáticos.

Ejemplo: Se propone analizar el siguiente circuito, determinando las variables de Voltaje (V), corriente (I) y Potencia (W)

Figura 3.1.1.2.1 Circuito resistivo con fuente de voltaje

Note los dos símbolos que aparecen, la fuente de voltaje de 10 Voltios (V1=10V) y el símbolo de tierra o referencia que se encuentra en la parte inferior.

R1 1kΩ R2 1.5kΩ R3 10kΩ R4 150kΩ V1 10 V

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60 Para realizar el análisis de este circuito se debe partir de algunos principios como son:

 Un circuito es una serie de elementos que se interconectan mediante un alambre conductor, formando un sistema con una o varias entradas y una o varias salidas.

 A través de una trayectoria cerrada o circuito fluye una corriente, la corriente total es la corriente que debe suministrar la fuente a todos los componentes del circuito.

 Las resistencias se oponen al flujo de corriente, luego en ellas debe “verse” reflejado un trabajo o potencial, es decir la resistencia provoca un cambio o caída de voltaje y consume una potencia.

 En cada resistencia se debe aplicar la ley de Ohm V = IXR.

 La corriente en un circuito serie es la misma pero el voltaje es diferente, en cada resistencia, esto se puede deducir fácilmente, si reemplazamos las cuatro resistencias por una sola, la corriente que la fuente debe suministrar es la misma, pues el efecto de oposición se suma.

Con estas premisas, se inicia el análisis, lo primero que debemos hacer es determinar la corriente que pasa por las resistencias, que es igual para cada una, para ello, reemplazamos todas las resistencias por una sola, es decir por la Req, se aplica la ley de Ohm, tomando el voltaje de la fuente como se indica a continuación:

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61 Tomando el valor de la resistencia y el de la fuente de voltaje, se halla la corriente a partir de la ley de Ohm:

Con dicha corriente se puede hallar los voltajes sobre cada resistencia, pues dicha corriente es igual para todas las resistencias en serie, aplicando ley de Ohm nuevamente, se tiene que:

Para comprobar si las respuestas son correctas, se suman los voltajes y dicha suma debe ser igual al voltaje de la fuente, como se indica a continuación:

Req 162.5kΩ V2

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62 El valor obtenido es muy cercano a los 10V al redondear dicho valor.

Los valores de potencia, se obtienen teniendo en cuenta la corriente y el voltaje sobre cada resistencia o cualquier variable que relacione la ecuación de potencia de la Ecuación 3.2.2 y 3.2.3. Se tiene que para este caso se usa la siguiente ecuación de potencia: P = V x I, los cálculos se muestra a continuación:

Por el mismo principio de conservación de la energía, se suman las potencias y ésta sumatoria debe ser igual a la potencia total del sistema, como aparece a continuación:

Como se puede observar que los valores son muy similares por tanto se hace la validación de dichos resultados.

3.2.2 CIRCUITO PAR ALELO:

Las resistencias en paralelo, se pueden reemplazar por una sola resistencia equivalente, el efecto que causan sobre la corriente se conoce como divisor de corriente, para explicarlo se debe tener en cuenta la ley de nodos de Kirchhoff, esta se puede explicar de la siguiente manera: al llegar una corriente a un nodo,