1. Metodología de trabajo:
Equipamiento y normativa
1.1 METODOLOGÍA DE TRABAJO
El estudio de asignaturas con una elevada carga práctica, como es el caso de la Electrónica General, supone generalmente un gran esfuerzo para el alumnado, tanto en la enseñanza presencial como en la enseñanza a distancia, y por lo tanto, en la UNED. El diseño de las prácticas que se recogen en este texto, junto con el material de apoyo multimedia que le acompaña, ha sido pensado y desarrollado específicamente con el fin de facilitar al máximo su preparación y obtener un alto rendimiento de las horas presenciales en el laboratorio.
El alumno deberá preparar, conforme va realizando el estudio de la asignatura, la parte teórica y de simulación de la práctica correspondiente, lo que le servirá de apoyo para la comprensión de la materia. En concreto, se recomienda al alumno realizar los siguientes pasos para la preparación de las prácticas de laboratorio:
· Leer, detenidamente, el guión completo de cada práctica y repasar, en caso necesario, los conceptos teóricos que vaya a necesitar para la resolución de la misma.
· Realizar los apartados teóricos y anotar los resultados obtenidos en las casillas correspondientes de la Tabla de Resultados y/o en la Tabla de Comentarios, según se indique en el enunciado.
· Consultar las hojas de características de los componentes que se van a emplear en el desarrollo de la práctica y que se encuentran en el CD-ROM que acompaña al texto. Es habitual que el fabricante, además de la distribución del patillaje y de las características eléctricas del componente, facilite también notas de aplicación para dicho componente, cuyo estudio permitirá al alumno ampliar sus conocimientos con montajes reales en los que se utiliza el dispositivo.
· Simular con la ayuda del programa MicroCap, o cualquier otro programa de simulación que el alumno prefiera, los apartados que se indican en cada práctica, realizando para ello los
análisis que sean necesarios en cada caso: en continua, en frecuencia, transitorios, etc.
· Anotar en la Tabla de Resultados y/o en la de Comentarios los valores que se soliciten en el guión de la práctica y compararlos, cuando sea posible, con los obtenidos teóricamente. El alumno debe ser capaz de entender a qué son debidas las diferencias encontradas entre ambos métodos (si las hubiera).
· Realizar el estudio de la parte práctica (tanto el proceso de montaje como las medidas que se deberán realizar en el laboratorio) utilizando el material multimedia y las hojas de características de los componentes empleados que, como ya se ha indicado, se encuentran disponibles en el CD-ROM que acompaña a este texto.
· Asistir al laboratorio para realizar, con la ayuda de los componentes, equipos e instrumental necesario, los montajes y las medidas que se solicitan en cada apartado.
· Anotar los valores obtenidos en la Tabla de Resultados y/o en la de Comentarios y compararlos, siempre que sea posible, con los obtenidos teóricamente y mediante el programa de simulación. El alumno debe ser capaz de entender y justificar a qué son debidas las diferencias encontradas entre los diferentes métodos (si las hubiera).
· Por último, deberá indicar en la Tabla de Comentarios Generales las incidencias encontradas en la realización de cada uno de los apartados.
1.2 NORMAS DE SEGURIDAD ELÉCTRICA
Las prácticas que se describen en los siguientes capítulos de este texto han sido diseñadas para que no sea necesaria la utilización de tensiones que puedan resultar peligrosas para el alumno. No obstante, se van a describir a continuación una serie de pautas que el alumno debe conocer y cumplir mientras permanezca en el laboratorio, con el fin de evitar daños personales (a él o a otros compañeros), de conservar en buen estado tanto los instrumentos como los equipos y las instalaciones, así como retrasar, en la medida de lo posible, el deterioro de los conductores y componentes empleados para la realización de los montajes.
· En primer lugar, se conectarán a la red alterna de alimentación todos los equipos que se necesiten durante el desarrollo de la práctica, teniendo la precaución de comprobar previamente que el interruptor de encendido/apagado del equipo se encuentra en la posición de apagado. Este es el único momento en el que la tensión que se maneja es superior a 20 V (tensión potencialmente peligrosa para el ser humano), pero no entraña mayor riesgo que el que se corre al conectar o desconectar de la red cualquier electrodoméstico.
· Una vez conectados los equipos a la red, no deberán ser deconectados hasta que termine la sesión; para el encendido y apagado temporal de los equipos se hará uso únicamente del interruptor de cada uno de ellos.
· El montaje de los componentes sobre la placa de pruebas y las interconexiones entre ellos, con las fuentes de alimentación y con los generadores de señal se hará siempre con los interruptores de los equipos en la posición de apagado, no ya por evitar sufrir una descarga (como ya se ha indicado se manejan tensiones inferiores a 20 V), sino para evitar que los componentes sufran, con esta manipulación, sobretensiones en sus terminales que los podrían deteriorar.
· Se debe prestar especial atención a la hora de identificar los terminales de diferentes componentes que forman parte del circuito para conectarlos en la posición adecuada. Para ello se consultarán las hojas de características que suministra el fabricante del componente y que están disponibles en el CD-ROM que acompaña a este texto.
· Es especialmente importante, en el caso de los condensadores electrolíticos, identificar y conectar adecuadamente sus terminales ya que, si se insertan en el circuito con la polaridad contraria, pueden explotar (o, al menos, derramar el ácido de su interior). En el diseño de las prácticas se ha procurado reducir al mínimo la utilización de este tipo de condensadores y, en caso extrictamente necesario, escogerlos de la menor capacidad posible.
· Es necesario asegurar que las conexiones que se realicen, tanto con los equipos como entre los componentes son firmes, para evitar que en la realización de las medidas puedan soltarse y producir un cortocircuito mientras el montaje está bajo tensión.
· Si para el desarrollo de la práctica fuera necesario utilizar varios equipos simultáneamente (generadores de señales, osciloscopio, fuentes de alimentación, etc.) que se alimentan de la red de alterna, antes de su conexión al circuito será necesario comprobar si tienen sus terminales de referencia cortocircuitados a través de la red de alterna (normalmente a través de la toma de tierra de los equipos) y, en caso necesario, romper esta unión alimentando estos equipos a través de los transformadores de aislamiento que hay disponibles en el laboratorio.
· Una solución sencilla, que puede ser utilizada en caso que el lector quiera realizar estos montajes y no cuente con un transformador de aislamiento, consiste en emplear un derivador con varias tomas de tensión (“ladrón”) que carezca del terminal de tierra. De esta manera se evita el cierre del circuito a través de la toma de tierra, aunque esta solución, con algunos equipos, puede no ser satisfactoria.
· Una vez terminado y verificado el montaje del circuito se procederá a poner en posición de encendido los equipos que sean necesarios para el desarrollo de la práctica y se realizarán las medidas oportunas en el sistema.
· Es necesario conocer, aunque sea de manera aproximada, el valor de la magnitud que se va a medir y emplerar la escala adecuada en el instrumento de medida. Esto es especialmente importante cuando se utiliza un polímetro como amperímetro ya que, en caso de no elegir la escala correcta, se podría quemar el instrumento de medida.
1.3 DESCRIPCIÓN
Y
MANEJO
DEL
INSTRUMENTAL
BÁSICO DEL LABORATORIO
Para la realización de las prácticas que se detallan en este texto serán necesarios una serie de instrumentos y equipos de laboratorio, cuyas características el alumno debe conocer antes de comenzar el montaje de cada una de ellas.
1.3.1 Multímetro digital
Bajo el nombre de multímetro (también conocido como polímetro) se designa a un instrumento capaz de realizar diversas
medidas eléctricas (de ahí su nombre). Usualmente puede realizar tres tipos de medidas:
· corrientes (alterna y continua)
· diferencia de potencial (alterna y continua) · resistencias
Dependiendo del modelo en concreto, el equipo puede también proporcionar medidas de capacidad en condensadores, de ganancia en transistores bipolares, establecer pruebas de continuidad eléctrica, determinar la polaridad de los diodos, determinar la frecuencia de señales alternas, etc.
Según la forma de presentar la medida, pueden distinguirse dos tipos de multímetros: los analógicos y los digitales. Los primeros ofrecen la información de la medida a través de una aguja que se desplaza sobre una escala graduada, los segundos utilizan la conversión analógica a digital de la magnitud de entrada, que tras ser tratada posteriormente con circuitos digitales constituirá la entrada para la unidad de representación visual.
Con el multímetro digital, aparecido en la década de los 70 de forma masiva, se superan grandes problemas de los medidores analógicos: gran volumen, poca linealidad, fragilidad, errores de paralaje, etc.; razón por la cual han encontrado una mayor demanda en el mercado, relegando a un segundo puesto a sus homólogos analógicos.
En la Figura 1.1 se muestra el multímetro PD-695 del fabricante PROMAX, que consta de:
· Botón de encendido/apagado: 1 · Selector de funciones y escalas: 2
· Conectores de entrada para medir tensiones, corrientes, resistencias y frecuencia: 3
· Conectores de entrada para condensadores: 4
· Conectores de entrada para medida de la ganancia en transistores bipolares: 5
· Visualizador: 6
Tenga en cuenta, antes de realizar cada operación de medida, el valor máximo de la magnitud que puede medir (viene indicado en el aparato) y compruebe si ha realizado la conexión a los terminales adecuados para evitar dañar el instrumento de medida.
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FIGURA 1.1. Multímetro digital.
1.3.2 Fuente de alimentación
La fuente de alimentación es un subsistema fundamental en cualquier aplicación electrónica y, por tanto, imprescindible en un laboratorio donde se pretendan realizar montajes electrónicos.
Su misión es proporcionar, a partir de la red alterna, una o varias tensiones continuas (fijas o variables), con las que poder alimentar a los circuitos.
Una fuente de alimentación, idealmente, proporciona una determinada tensión de salida para cualquier corriente inferior a la máxima que puede, por el propio diseño, ser extraída de esta. No obstante, en una fuente de alimentación real nunca llega a alcanzarse esta situación ideal, de forma que la tensión de salida sufrirá pequeñas variaciones dependiendo de la corriente solicitada. Esta dependencia de la tensión con la corriente de salida se cuantifica con la regulación, que viene a expresar la variación sufrida en la
tensión de salida cuando la corriente varía desde cero hasta el valor máximo.
En la Figura 1.2 se pueden ver los mandos y controles de la fuente de alimentación FAC-3638 fabricada por PROMAX:
· Botón de encendido/apagado: 1
· Bornes de salida de tensión variable (hasta 30 V): 2 · Mando para la tensión de la fuente variable: 3
· Mando para limitar la corriente de la fuente variable: 4 · Voltímetro para la fuente variable: 5
· Amperímetro para la fuente variable: 6
· Bornes de salida de la fuente fija simétrica de ±15 V: 7 · Bornes de salida de la fuente fija de 5 V: 8
· Indicadores luminosos de sobrecarga en cada una de las tres fuentes fijas: 9 · Terminales de tierra: 10 2 3 4 5 6 1 7 8 9 10 FIGURA 1.2. Fuente de alimentación.
Para cada aplicación se comprobará, en primer lugar, si es adecuada la tensión de alguna de las fuentes fijas (5 V, 15 V o -15 V) y, en caso contrario, se utilizará la salida de la fuente variable,
ajustando previamente la tensión que suministra al valor que sea necesario.
Cuando se requiera limitar la corriente que suministra la fuente, se puentearán los terminales (marcados como 2 en la Figura 1.2) y se actuará sobre el control de la corriente (4) hasta obtener en el amperímetro (6) el valor adecuado. Posteriormente se quitará el puente de la fuente de tensión y se elegirá con el mando (3) la tensión de salida necesaria.
1.3.3 Generador de funciones
La comprobación y mantenimiento de equipos electrónicos requiere, a menudo, la utilización de instrumentos que generen las señales apropiadas.
La gama de instrumentos disponibles para la generación de señales es muy extensa y apenas está normalizada. Existen distintos tipos de generadores orientados a su utilización en los diferentes campos de la electrónica: audio, microondas, radiofrecuencia, señales de prueba para sistemas digitales, etc.
En este apartado se describirán los generadores de uso más extendido en los laboratorios de electrónica básica, que ofrecen la posibilidad de elección entre varias formas de onda (senoidal, triangular y cuadrada) y permiten ajustar su frecuencia, amplitud y valor medio. En general, también es posible realizar una modulación en frecuencia por medio de la aplicación de una tensión externa o producida por un generador interno.
En la Figura 1.3 se muestra el generador de funciones 3312A fabricado por HEWLETT-PACKARD, cuyos controles principales son:
· Botón de encendido/apagado: 1 · Selector del rango de frecuencia: 2
· Selector de la forma de onda generada (senoidal, triangular o cuadrada): 3
· Mando para la variación de la frecuencia dentro de la década elegida: 4
· Control sobre la componente continua de la señal generada: 5 · Selector de amplitud: 6
· Salida (con una resistencia equivalente de 50 Ω): 7 · Control sobre el desfase de la señal generada: 8
· Panel de control para la modulación: 9
Para la correcta utilización de este equipo se procederá como se indica a continuación:
· Se seleccionará la función deseada haciendo uso de los controles de función (3).
· Se establecerá la frecuencia requerida utilizando para ello los controles 2 y 4.
· Se conectará la carga a la salida (7) habiendo situado previamente la amplitud (mando 6) al mínimo y anulando la componente continua de la señal (mando 5).
· Se irá aumentando la amplitud hasta el valor deseado y, en caso necesario, se añadirá la componente continua a la salida.
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FIGURA 1.3. Generador de funciones.
Indicar por último que, usualmente, la impedancia de salida de los generadores de funciones es mayor que la del equipo que se muestra en la Figura 1.3 (suele ser de 600 Ω) y debe ser tenida en consideración en algunas aplicaciones.
1.3.4 Osciloscopio digital
El osciloscopio es un equipo imprescindible en el laboratorio, se emplea habitualmente para la representación de tensiones variables en función del tiempo, aunque también se puede utilizar para representar la evolución de una tensión frente a otra.
Existen dos tipos de osciloscopios: los que utilizan un tubo de rayos catódicos como salida para la representación gráfica, denominados osciloscopios analógicos, y los que disponen de una memoria semiconductora donde se guarda el valor de las señales previamente digitalizadas, conocidos con el nombre de osciloscopios digitales.
Debido al principio de funcionamiento, el osciloscopio analógico sólo permite representar tensiones periódicas, mientras que el osciloscopio digital puede emplearse también para la representación de señales transitorias y, por tanto, no periódicas. Este hecho, unido a la gran cantidad de funciones que se pueden obtener fácilmente tras la digitalización de la señal de entrada (valor medio, valor eficaz, transformada de Fourier, etc.), al menor peso y volumen del equipo y, sobre todo, a una disminución de precios cada vez mayor, ha hecho que el osciloscopio analógico esté siendo sustituido por su equivalente digital.
En la Figura 1.4 se muestra el osciloscopio digital TDS-210 del fabricante TEKTRONICS, cuyos controles principales son:
· Botón de encendido/apagado: Situado en la parte superior izquierda del equipo (no se muestra en la figura).
· Pantalla (1) para la representación gráfica de hasta dos señales de entrada. Cuenta también con dos zonas (superior e inferior) con indicadores de la configuración y otra región (a la derecha de la pantalla) con los datos del menú elegido por el usuario. · Botones de menú (2): Para seleccionar las medidas que se
quieren realizar sobre la señal, mostrar los cursores en la pantalla, etc.
· Zona de control sobre el ajuste vertical (3): Para cada uno de los canales se podrá elegir el factor de escala (voltios por división) y el desplazamiento vertical de la gráfica
· Controles sobre el ajuste horizontal (4): Con ellos se actuará sobre la escala horizontal de la gráfica (segundos por división) y sobre el desplazamiento del origen de tiempo.
· Funciones especiales (5): Destinadas a la impresión de las gráficas, autoconfiguración del equipo e inicio/parada de la captura de datos.
· Zona de control sobre el disparo (6): Estos controles permitirán elegir el momento del inicio de la conversión (flanco de bajada, flanco de subida, nivel de tensión, etc.)
· Entrada de disparo externo: 7 · Entradas para los canales 1 y 2: 8 · Señal de test: 9
· Botones para la selección sobre el menú que aparece en la parte derecha de la pantalla: 10
FIGURA 1.4. Osciloscopio digital.
Para realizar la conexión entre el circuito bajo prueba y el osciloscopio será necesario la utilización de una sonda para cada canal. La sonda es un componente crítico del sistema de medida puesto que actúa directamente sobre la señal que se pretende medir.
Las sondas para medir tensiones pueden ser activas o pasivas, dependiendo de que incorporen algún tipo de amplificación o no. En
la Figura 1.5 se muestra una amplia gama de sondas del fabricante HAMEG.
FIGURA 1.5. Sondas: activas y pasivas.
La primera aproximación a este tipo de sondas podría ser dos simples cables eléctricos, uno al que se aplica la tensión a medir y otro para unir la referencia de tensión del equipo con el punto de referencia (cero voltios) del circuito. Este método se aplica en osciloscopios de bajo ancho de banda, sin embargo, no da resultados correctos cuando se trata de hacer al sistema lo más inmune posible al entorno electromagnético que lo rodea o cuando se busca minimizar la carga del sistema de medida sobre el circuito bajo prueba.
Como su nombre indica, las sondas pasivas están constituidas por componentes pasivos exclusivamente (en general, resistencias y condensadores). Al emplear una sonda, la especificación más importante a tener en cuenta es su factor de atenuación, que determina la proporción que hay entre las amplitudes de las señales de entrada y salida de la misma. Los valores típicos son: x1, x10, x100 y x1000. Cuanto más elevado sea el factor de atenuación menor será la sensibilidad vertical del sistema sonda-osciloscopio, aunque, por otro lado, mayor es la tensión máxima que se podrá medir.
El cable coaxial de la sonda presenta una impedancia que debe ser compensada para mantener la linealidad del sistema sonda-osciloscopio. Si la sonda no está compensada, las frecuencias
elevadas variarán, bien amplificándose (sonda sobrecompensada) o bien atenuándolas (en el caso de sondas subcompesadas), originando en ambas situaciones una distorsión de la señal presente en la pantalla del osciloscopio.
Para la correcta utilización del equipo se procederá del siguiente modo:
· Se pondrá en marcha el equipo actuando sobre el botón de encendido.
· Seguidamente se elegirá la sonda con el factor de atenuación adecuado para la tensión que se va a medir y se conectará, por un extremo, al canal que se vaya a utilizar y, por el otro, al punto de referencia de tensión del circuito bajo prueba y al nudo cuya tensión se quiere representar.
· En caso que sea necesario emplear los dos canales del osciloscopio simultáneamente, es conveniente utilizar sólo una de las referencias de masa de las sondas, ya que internamente están cortocircuitadas y se evitarán así posibles cortocircuitos sobre el sistema en el que se va a realizar la medida.
· Se pulsará el botón “autoconfigurar” situado en la zona superior derecha del equipo (5) para obtener una señal en la pantalla.
· Se actuará a continuación sobre los controles verticales (3), horizontales (4) y, en caso necesario, el tipo de disparo (6) hasta obtener en la pantalla la gráfica con la resolución adecuada.
· Se realizarán las medidas necesarias, utilizando para ello los cursores o las funciones del menú “medidas” (situado en la zona marcada como 2 en la Figura 1.4).
