Uso de equipos de medida de las variables eléctricas

Primero que todo: 

Acordemos mencionar primero los conceptos fundamentales que estudiamos. La fuerza electromagnética entre partículas cargadas es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. Es posible llevar a cabo varios experimentos para conocer la existencia de estas fuerzas y cargas eléctricas. Por ejemplo si frotamos un globo con nuestro cabello podemos ver cómo puede atraer los papelitos de colores o incluso pegarse de la pared. Cuando vemos materiales así decimos que están electrizados o cargados eléctricamente.

La carga eléctrica se encuentra en dos estados llamado positivo y negativo mediante observaciones por ejemplo los imanes, podemos ver cómo lados iguales se repelen y lados diferentes se atraen; así mismo cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen.

Además otras propiedades importantes de la carga eléctrica son también que la carga eléctrica siempre se conserva es decir, un cuerpo gana cierta cantidad de carga negativa mientras que el otro gana la misma cantidad de carga positiva, luego el estado de electrificación se debe a la transferencia de carga de un cuerpo a otro. Y que la carga eléctrica está cuantizada esto es, la carga eléctrica existe como paquetes discretos. La unidad de carga en el SI es el Coulomb ( C), se define en términos de la unidad de corriente Amperio(A), donde la corriente es igual a la rapidez del flujo de carga. Cuando a corriente de un alambre es de 1A, la cantidad de carga eléctrica que fluye en un determinado punto del alambre en 1s es 1C.

Los materiale conductores de son aquellos en los cuales la carga eléctrica se mueve con bastante facilidad, mientras que los aislantes son los que transportan la carga con facilidad.

El término corriente eléctrica o simplemente corriente se utiliza para describir la rapidez de flujo de la carga por alguna región del espacio. La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad se refieren a las corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una lámpara suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se coloca en la posición de encendido.

Un circuito eléctrico son varios componentes eléctricos conectados de manera que permitan el flujo de corriente eléctrica. Un circuito simple consta de una batería cuyas terminales están conectadas a una resistencia R, como en la figura. Los componentes más comunes en circuitos electrónicos y eléctricos son, las baterías, resistencias, condensadores y transistores.

Luego de haber revisado los conceptos básicos no podemos adentrar en las reglas que dominan este fenómeno de la carga eléctrica en movimiento.

Cuando alimentamos un circuito con una batería, se produce en el circuito una diferencia de potencial que produce a su vez una corriente eléctrica que está determinada por la conductividad del  conductor. Así obtenemos nuestra primera ley de circuitos la cual nos dice que para muchos materiales(incluyendo los metales), el flujo de corriente eléctrica es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del circuito. Es decir, si una diferencia de potencial de 1 volt a través de un conductor produce una corriente de 1A, la resistividad del conductor es de 1𝞨. Por ejemplo si un aparato conectado a 120V lleva corriente de 6A, su resistencia es de 20𝞨.

LEY DE OHM: El flujo de corriente eléctrica en un circuito cerrado es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia que tiene conectada.

Si una batería se utiliza para establecer una corriente eléctrica en un circuito, existe una transformación continua de la energía química almacenada en la batería a energía cinética de los portadores de carga. Esta energía cinética se pierde rápido como resultado de las colisiones de los portadores de carga con el arreglo de iones, ocasionando un aumento en la temperatura del circuito. Por tanto, se ve que la energía química almacenada en la batería es continuamente transformada en energía térmica.  En este caso tenemos nuestra segunda ley de circuitos que nos dice que la rapidez con que se pierde energía es igual a la potencia perdida en la resistencia del circuito.

LEY DE WATT: Para una tensión aplicada a un circuito, la potencia disipada es directamente proporcional a la intensidad de la corriente que circula por el mismo.

Existen varios tipos de circuito de los cuales tenemos como componente principal para nuestro propósito son las resistencia y los capacitores.

Cuando dos o más componentes(resistencias, condensadores) se conectan juntas de tal forma que solo tienen un punto en común, se dice que están conectados en serie.

Cuando están conectados de manera que dos o más  resistencias tienen dos puntos en común se dice que están en paralelo.

Una combinación de los anteriores tipos de circuito se llama circuito mixto.

Resistencia y capacitancia equivalentes en circuitos en serie y paralelo.

Resistencias.

Capacitores.

LEYES DE KIRCHHOFF:

Un circuito simple puede analizarse utilizando la ley de Ohm y las reglas de combinaciones en serie y en paralelo de resistencias. Muchas veces no es posible reducirlo a un circuito de un simple lazo. El procedimiento para analizar un circuito más complejo se simplifica enormemente al utilizar dos sencillas leyes llamadas leyes de Kirchhoff:

LEY DE VOLTAJES: Las sumas algebraicas de los cambios de potencial a través de todos los elementos alrededor de cualquier trayectoria cerrada en el circuito debe ser cero.

LEY DE UNIONES(NODOS): La suma de las corrientes que entran en una unión(nodo) debe se  igual a la suma de las corrientes que salen de la unión(nodo).

La primera ley se deduce de la conservación de la energía. Es decir, cualquier carga que se mueve en torno a cualquier circuito cerrado debe ganar tanta energía como la que pierde.Su energía puede decrecer en forma de caída de potencial a través de una resistencia o bien como resiltado de tener una varga en dirección inversa a través de una fuente de voltaje.

La segunda ley se establece de la conservación de la carga. Es decir, cuanta corriente entre en un punto dado del circuito debe salir de ese punto, ya que la carga no puede perderse en ese punto.

 Cálculo de la resistencia limitadora para diodo LED.

Nombres: Juan Acevedo

                Jhon Moreno

En este ejercicio nuestro objeto de estudio será  el diodo LED (diodo emisor de luz).

Contextualización:

¿QUÉ ES UN LED? Un LED ((Light Emitting Diode) es un diodo que emite luz al ser polarizado directamente. Los diodos LED vienen en variedad de colores, formas y tamaños. Cada variedad de color de diodo LED, necesita un voltaje diferente en su juntura y una corriente que lo atraviese para poder funcionar.

La corriente para estos elementos oscila en un rango mínimo de 10 mA y máximo 30 mA, pero la recomendación es tomar un valor medio de 20 mA para evitar que se dañen o tengan una vida corta.

Instrucciones:

La tarea consiste en averiguar el valor de voltaje (tensión de umbral), requerido para cada color de LED a una corriente de referencia de 20mA y calcular su resistencia limitadora de corriente. Aplicar la siguiente fórmula para encontrar cada una de las resistencias limitadoras de corriente teniendo en cuenta las unidades básicas de medida:

RLimitadora =(Vfuente- VUmbral)I        Vfuente =9V;I = 20 mA = 0.02A Corrente aplicada al circuito(adelante veremos la conversión)

Resultados:

1. Consultar la tensión de umbral a 20mA para cada uno de los colores de LED, relacionados en la tabla. Puede apoyarse en fuentes de consulta externa o manuales del fabricante.

Para el procedimiento revisamos diferentes hojas de datos del fabricante para cada color de LED.

Hoja de datos principales led.

Color diodo LED	Tension de umbral a 20mA	Valor resistencia limitadora
rosa	3.2V	290𝜴
rojo	2V	350𝜴
naranja	2V	350𝜴
amarillo	2V	350𝜴
verde	3.2V	290𝜴
azul	3.2V	290𝜴
blanco	3.2V	290𝜴

2. Calcular el valor de resistencia para cada led

• como estos colores rosa, verde, azul, blanco tienen el mismo voltaje de umbral hacemos el cálculo para los cuatro.

Asumimos 9V como voltaje de fuente.

La corriente aplicada al circuito es 20mA = 20mA x 0.001A1mA = 0.02A

RLimitadora =(Vfuente- VUmbral)I = 9V-3.2V0.02A =290𝜴

• Rojo, naranja, amarillo.

RLimitadora =(Vfuente- VUmbral)I = 9V-2V0.02A =350𝜴.

3. Consultar cuál es el símbolo del LED, sus partes, su principio de funcionamiento y sus aplicaciones.

Simbolo diodo LED             

Partes del diodo LED

Una unión P - N puede convertir  energía luminosa en una corriente eléctrica proporcional. Este  mismo proceso puede hacerse de manera inversa es decir, por una unión P-N puede emitir luz cuando una corriente eléctrica es aplicada en la unión.

Este fenómeno es llamado electroluminiscencia, el cual puede ser definido como la emisión de luz de un semiconductor bajo la influencia de un campo eléctrico.

Los portadores de carga se recombinan el umbral de paso y los electrones pasan de la región N y se recombinan el los hoyos de la región P. Electrones libres están en la banda de conducción de los niveles de energía y pasan a huecos en la valencia de la banda de energía. Así los niveles de energía de los hoyos es menor que los niveles de energía con que vienen los electrones. Entonces una porción de esta energía se disipa en la recombinación de los electrones y los hoyos, esta energía es disipada en forma de luz y calor

.

4. Consultar en el mercado los valores de resistencias comerciales que existen y la importancia del factor potencia a la hora de comprarlas.

Las resistencias que figuran en la siguiente tabla corresponden a fabricantes que garantizan tolerancias en el orden del 10% o el 5%, es probable que para algunos casos donde se necesitan resistencias de alta precisión del orden del 2% no figuren en esta tabla, aquí solo mostramos los valores estándar que el 99% de los técnicos utilizan.

¿Por qué es importante el factor de potencia?

Recordando nuestro estudio de la ley de Watt  potencia = voltaje x corriente  luego la potencia que disipa así el factor de potencia nos sirve para permitir a  nuestra resistencia soportar más potencia y no quemarse o recalentarse.

Los valores de potencia para el comercio de resistencias es: 18w , 14w, 12w  y 2w

Luego cuando vamos a comprar una resistencia hacemos uso de la ley de watt;

por ejemplo si queremos saber para nuestro led rojo que resistencia necesitamos, hacemos lo siguiente

p=Vumbral*I = I2*R  donde esta seria la potencia disipada por la resistencia

p=0.022*100𝜴 = 0.04W = 125 W 18W Luego podemos usar una resistencia de 1/8W

Resumen y conclusiones:

El presente trabajo requerimos de los temas tratados en la clase como:

Circuitos eléctricos en este caso un circuito en serie, además utilizamos la conversión de unidades para convertir de miliamperios a Amperios.

Además utilizamos la ley de Ohm para poder operar la fórmula de la resistencia limitadora de un diodo, utilizamos un multímetro digital en la escala y rango de DC en voltaje, amperaje y el óhmetro para poder saber cómo identificar las residencias y otras  lecturas se deben de tomar para saber los resultados del laboratorio.

Las siguientes son nuestras conclusiones frente a la tarea y al estudio de AEAE 2.

• El trabajo con los factores de conversión es una herramienta muy útil para analizar circuitos y hacer cálculos más rápido.
• Las leyes que rigen los circuitos eléctricos nos permiten conocer y diseñar mejores circuitos eléctricos, más eficientes y con menos riesgo a fallar.
• Las leyes que rigen los circuitos eléctricos nos muestran parámetros que van más allá de lo teórico y nos permiten realizar trabajos prácticos de una manera segura y exacta. Por ejemplo elegir el factor de potencia de la resistencia.
• En este trabajo pudimos aprender más sobre el uso de los medidores, tanto el multímetro como el osciloscopio.
• La importancia de saber de electricidad y electrónica de una forma teórica nos la posibilidad conocer más elementos, métodos y procedimientos al trabajar en un laboratorio
• Estos procedimientos al trabajar en un laboratorio son muy importantes porque nos da la seguridad de que lo que estamos haciendo está correcto y no provocar algún accidente o daño alguno a los componentes y equipos

Simulación y Practica en Protoboard:

Para esta simulacion vamos a usar una fuente de voltaje de 5V y vamos a comprobar las anteriores mediciones.

1. Simulación

Para el simulador todos los colores tienen el mismo voltaje de umbral de 2V.

Práctica en protoboard

Como nuestra fuente de voltaje es de 5V entonces vamos a realizar los cálculos para la resistencia limitadora de corriente, debido a la disipación de calor usamos resistencias de ⅛ W.

En nuestro circuito usamos además el rectificador Lm3805 debido a que nuestra fuente de voltaje es tomada de un cargador de telefono que da voltaje de salida de 8.42V luego del rectificador salen 5V.

• Color Verde.

RLimitadora =(Vfuente- VUmbral)I = 5V-3.2V0.02A =90𝜴

como no hay resistencia comerciales de 90𝜴 le ponemos una de 100𝜴.

Utilizando el multímetro en escala 20 DCV como podemos ver el voltaje que pasa por el diodo led verde  es de 3.08V muy cercano al voltaje dado de 3.2V.

En este caso como el voltaje que pasa por el diodo LED es de 3.08V entonces la corriente que pasa por el led es:

I =(Vfuente- VLed)RLimitadora = 5V-3.08V100 =0.0192A=19.2mA

• Colores Amarillo y Rojo.

RLimitadora =(Vfuente- VUmbral)I = 5V-2V0.02A =150𝜴

Este es un valor comercial de resistencia luego podemos usar la resistencia de 150𝜴

• Utilizando el multimetro en escala 20 DCV como podemos ver el voltaje que pasa por el diodo led amarillo  es de 2.09V muy cercano al voltaje dado de 2V.

En este caso como el voltaje que pasa por el diodo LED es de 2.09V entonces la corriente que pasa por el led es:

I =(Vfuente- VLed)RLimitadora = 5V-2.09V150 =0.0194A=19.4mA

• Para el diodo led rojo Utilizando el multimetro en escala 20 DCV como podemos ver el voltaje que pasa por el diodo led  es de 2V exactamente el voltaje de umbral.

En este caso como el voltaje que pasa por el diodo LED es de 2V esperamos que la corriente que pasa por el diodo led sea muy cercana a los 20 mA.

Entonces la corriente que pasa por el led es:

I =(Vfuente- VLed)RLimitadora = 5V-2V150 =0.02A=20mA

Mapa Mental

Uso de herramientas y técnicas de montaje de circuitos en el Laboratorio

Propósito

Reconocer las diferentes herramientas y técnicas de montaje de circuitos en laboratorio.

Instrucciones

Elabore una descripción de las siguientes herramientas y utensilios: Cautín, Multímetro, Alicates, destornilladores, Llaves, Limas, Pinzas, Tijeras, Bisturí, Protoboard, Circuito Impreso y Soldadura. Por favor analice los videos expuestos en la "unidad didáctica 2" o busque información en internet que responda a la pregunta ¿Para qué sirve cada herramienta de las utilizadas en el Laboratorio de Electrónica?.

Solución:

Cautín: también conocido como soldador eléctrico es una herramienta eléctrica usada para soldar. Funciona convirtiendo la energía eléctrica en calor, que a su vez provoca la fusión del material utilizado en la soldadura, como por ejemplo el estaño.

Hay varios tipos de soldador eléctrico:

• Soldador de resistencia: la punta de cobre se calienta con una resistencia eléctrica, lo que la mantiene a una temperatura constante. Puede tener forma de martillo, punta, varilla u otras formas, en función del uso a que esté destinado.

• Soldador instantáneo: de la forma típica pistola, tiene la característica de que su punta se calienta muy rápidamente, al presionar el botón, y sólo hay que soltar para que se solidifique el estaño o lo que se esté usando.

Los soldadores de punta fina se utilizan principalmente para pequeños trabajos de soldadura en electricidad y electrónica, mientras que los de punta gruesa se utilizan en otros trabajos para cualquier soldadura en superficies más grandes.

Multímetro: También denominado polímetro​ o tester, es un instrumento eléctrico portátil para medir directamente magnitudes eléctricas activas, como corrientes y potenciales (tensiones), o pasivas, como resistencias, capacidades y otras.

Las medidas pueden realizarse para corriente continua o alterna y en varios márgenes de medida cada una. Los hay analógicos y posteriormente se han introducido los digitales cuya función es la misma, con alguna variante añadida.

Midiendo tensiones

Para medir una tensión, colocaremos los bornes en las clavijas, y no tendremos más que colocar ambas puntas entre los puntos de lectura que queramos medir. Si lo que queremos es medir voltaje absoluto, colocaremos el borne negro en cualquier masa (un cable negro de molex o el chasis del ordenador) y la otra borna en el punto a medir. Si lo que queremos es medir diferencias de voltaje entre dos puntos, no tendremos más que colocar una borna en cada lugar.

Midiendo resistencias

El procedimiento para medir una resistencia es bastante similar al de medir tensiones. Basta con colocar la perilla en la posición de ohmios y en la escala apropiada al tamaño de la resistencia que vamos a medir. Si no sabemos cuantos ohmios tiene la resistencia a medir, empezaremos con colocar la perilla en la escala más grande, e iremos reduciendo la escala hasta que encontremos la que más precisión nos da sin salirnos de rango.

Hay que tener en cuenta que para medir una resistencia en un circuito, debemos abrir el circuito en ese punto.

Midiendo intensidades

El proceso para medir intensidades es algo más complicado, puesto que en lugar de medirse en paralelo, se mide en serie con el circuito en cuestión. Por esto, para medir intensidades tendremos que abrir el circuito, es decir, desconectar algún cable para intercalar el tester en medio, con el propósito de que la intensidad circule por dentro del tester. Precisamente por esto, hemos comentado antes que un tester con las bornas puestas para medir intensidades tiene resistencia interna casi nula, para no provocar cambios en el circuito que queramos medir.

Para medir una intensidad, abriremos el circuito en cualquiera de sus puntos, y configuraremos el tester adecuadamente (el borne rojo en clavija de amperios de más capacidad, 10 A en el caso del tester propio, borne negro en clavija común COM).

Una vez tengamos el circuito abierto y el tester bien configurado, procederemos a cerrar el circuito usando para ello el tester, es decir, colocaremos cada borna del tester en cada uno de los dos extremos del circuito abierto que tenemos. Con ello se cerrará el circuito y la intensidad circulará por el interior del multímetro para ser leída.

Alicates: Es una especie de tenaza metálica provista de dos brazos suele ser utilizada para múltiples funciones como sujetar elementos pequeños o cortar y modelar conductores, etc. Los alicates son herramientas imprescindibles para los trabajos de montajes electrónicos tiene un mango y por arriba parece una boca pero hecha de metal.

En el trabajo en el laboratorio de electrónica los más comunes que podemos ver son:

Destornilladores: Un destornillador (atornillador, destornillador o desarmador) es una herramienta que se utiliza para apretar y aflojar tornillos y otros elementos de máquinas que requieren poca fuerza de apriete y que generalmente son de diámetro pequeño.

En el laboratorio de electrónica tienen diferentes usos. Los más comunes son las puntas de cruz y de pala, que se utilizan muchas veces para desarmar más que para armar.

Llaves: Las llaves de apriete son las herramientas manuales que se utilizan para apretar elementos atornillados mediante tornillos o tuercas con cabezas hexagonales principalmente. En las industrias y para grandes producciones estas llaves son sustituidas por pistolas neumáticas o por atornilladoras eléctricas portátiles.

Para nuestro uso de laboratorio vamos a usar las llaves de apriete cuando realicemos mecanismos y prototipos.

Limas: La lima es una herramienta manual utilizada para el desgaste y afinado de piezas de distintos materiales como el metal, el plástico o la madera. Está formada por una barra de acero al carbono templado (llamada caña de corte) que posee unas ranuras llamadas dientes y que en la parte posterior está equipada con una empuñadura o mango.

Esta herramienta es muy útil en la elaboración de prototipos y ensamblaje debido a que nos va a ayudar a ajustar las piezas; también podemos ayudarnos de limas, para limpiar contactos y empates que tengan óxido. Las limas tienen diferentes tipos de geometrías para usos de curvatura, planos, desbaste fino o grueso, dependiendo de los materiales a los que nos enfrentemos.

Pinzas: Las pinzas de laboratorio son un tipo de sujeción ajustable, generalmente de metal, usando el principio de palanca igual que el alicate, forma parte del equipamiento de laboratorio mediante la cual se pueden sujetar diferentes objetos. Para nuestro uso puede sostener plaquetas, dispositivos, circuitos y también piezas pequeñas para el análizis. Se sujetan mediante una doble nuez a un pie o soporte de laboratorio o, en caso de montajes más complejos (línea de Schlenk), a una armadura o rejilla fija. También podemos usar las pinzas de manera manual.

Tijeras: Una tijera, denominada frecuentemente en su plural tijeras, es una herramienta manual que sirve para cortar tela, papel, cabello, etc. Está formada por dos cuchillas de acero que giran alrededor de un tornillo axial común, respecto al cual se sitúan los filos de corte a un lado y las agarraderas en el lado contrario. Las agarraderas conllevan agujeros para sujetar y maniobrar con el pulgar y el cordial. El mecanismo formado es un ejemplo típico de palanca de primer orden, en la cual el punto de apoyo se sitúa entre la resistencia (esfuerzo resistente) y la potencia (esfuerzo motor).Es un sistema RAP.

En nuestro laboratorio de electrónica las tijeras nos van a ser muy útiles cuando estemos por crear circuitos impresos y también en variadas ocasiones.

Bisturí: El escalpelo o bisturí, también llamado lanceta o cuchillo de cirujano, es un instrumento en forma de cuchillo pequeño, de hoja fina, puntiaguda, de uno o dos cortes, que se usa en procedimientos de cirugía, disecciones anatómicas, autopsias y vivisecciones.

También es un instrumento muy usado en artesanía, manualidades y en general en aquellas actividades o artes en las que se requieren cortes finos y precisos. Para el laboratorio de electrónica el bisturí al igual que las tijeras lo vamos a usar mucho para crear circuitos impresos, además en la realizacion de nuestros prototipos y en toda actividad que necesitemos cortar de manera muy precisa.

Protoboard: También llamado placa de pruebas o placa de inserción (en inglés protoboard o breadboard) es un tablero con orificios que se encuentran conectados eléctricamente entre sí de manera interna, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para el armado y prototipado de circuitos electrónicos y sistemas similares. Está hecho de dos materiales, un aislante, generalmente un plástico, y un conductor que conecta los diversos orificios entre sí. Uno de sus usos principales es la creación y comprobación de prototipos de circuitos electrónicos antes de llegar a la impresión mecánica del circuito en sistemas de producción comercial.

Circuito impreso: En electrónica, “placa de circuito impreso” (del inglés: Printed Circuit Board, PCB), es la superficie constituida por caminos, pistas o buses de material conductor laminadas sobre una base no conductora. El circuito impreso se utiliza para conectar eléctricamente a través de las pistas conductoras, y sostener mecánicamente, por medio de la base, un conjunto de componentes electrónicos. Las pistas son generalmente de cobre mientras que la base se fabrica generalmente de resinas de fibra de vidrio reforzada, Pertinax, cerámica, plástico, teflón o polímeros como la baquelita.

Si el protoboard sirve para verificar los prototipos, entonces nuestro circuito impreso sirve para hacer el montaje definitivo de nuestro circuito.

Soldadura: La soldadura es un proceso de fijación en donde se realiza la unión de dos o más piezas de un material (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo, se puede agregar un material de aporte (metal o plástico), que, al fundirse, forma un charco de material fundido entre las piezas a soldar (el baño de soldadura) y, al enfriarse, se convierte en una unión fija a la que se le denomina cordón. A veces se utiliza conjuntamente presión y calor, o solo presión por sí misma, para producir la soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda (en inglés soldering) y la soldadura fuerte (en inglés brazing), que implican el derretimiento de un material de bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para formar un enlace entre ellos, sin fundir las piezas de trabajo

En nuestro laboratorio de electrónica nosotros vamos a usar junto con el cautin, soldadura de estaño de diferentes calibres, con la cual vamos a fijar las piezas a nuestro circuito impreso. En nuestro caso la unión seria entre las piezas electrónicas y los caminos de cobre del circuito impreso.