UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA GUÍA COMPONENTE PRÁCTICO FÍSICA ELECTRÓNICA Wilmer Hernán Gutiérrez Ramos (Director Nacional) Néstor Javier Rodríguez García Acreditador Facatativá Diciembre de 2015

2 2. ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO Esta guía de laboratorio ha sido diseñada con el apoyo de la red de tutores, basada en las anteriores versiones pero bajo el enfoque de las actividades que se han planteado para el curso durante el periodo 2015 (16-2), todo material tomado de fuentes académicas ha sido debidamente referenciado respetando los derechos de autor. De acuerdo a la metodología definida para el curso se actualizará la guía para que pueda contribuir a la comprensión de las temáticas abordadas en cada uno de los trabajos colaborativos.

3 3. ÍNDICE DE CONTENIDO Introducción... 7 Justificación... 7 Intencionalidades formativas... 7 Denominación de prácticas DESCRIPCIÓN DE PRÁCTICAS... 9 PRACTICA No. 1 Naturaleza de la electricidad, reconocimiento de Magnitudes y Medidas PRACTICA No. 2 Ley de Ohm, circuitos serie y paralelo PRACTICA No. 3 Fundamentos de semiconductores PRACTICA No. 4 Electrónica digital (Circuitos combinacionales y secuenciales) FUENTES DOCUMENTALES... 43

4 4. LISTADO DE TABLAS Tabla 1 Elementos para el desarrollo de la práctica Tabla 2 Equivalencia de los códigos de colores de resistencias Tabla 3 Equivalencia de cada banda de las resistencias Tabla 4 Elementos para el desarrollo de la práctica Tabla 5 Elementos para el desarrollo de la práctica Tabla 6 Modos de selección del contador 74LS Tabla 7 Salidas para cada valor decimal del contador 74LS Tabla 8 Elementos para el desarrollo de la práctica

5 4.1 LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS Fig. 1 Protoboard Fig. 2 Multímetro Fig. 3 Cable de poder Fig. 4 PinOut Fuente ATX Fig. 5 Circuito Serie Fig. 6 Circuito Paralelo Fig. 7 Circuito Mixto Fig. 8 Resistencias Eléctricas Fig. 9 Código de colores de resistencias de 4 bandas Fig. 10 Ley de OHM Fig. 11 Circuito Serie Fig. 12 Circuito Paralelo Fig. 13 Aplicación del circuito divisor de voltaje Fig. 14 Diagrama descriptivo de un condensador Fig. 15 Diodo Fig. 16 Transistor Fig. 17 Pinout puerto USB Fig. 18 Diagrama de bloques del circuito con optoacoplador Fig. 19 Señal Digital Fig. 20 Diagrama compuerta Fig. 21 Configuración de contador 74LS90 en modo decimal Fig. 22 Ejemplo de contador asíncrono Fig. 23 Implementación práctica digital

6 Fig. 24 Implementación práctica digital II... 38

7 5. CARACTERÍSTICAS GENERALES Introducción Justificación Intencionalidades formativas La electrónica ha evolucionado a ritmos vertiginosos convirtiéndose en herramienta de muchas organizaciones al generar impacto en diferentes disciplinas. Esto ha hecho necesario que muchos profesionales se familiaricen con sus conceptos y aplicaciones, a fin de que puedan tomar decisiones asertivas que propendan por el crecimiento de la organización y la optimización de recursos. Los profesionales de diferentes áreas requieren conocimientos en temas tecnológicos que no pueden limitarse sólo al manejo de dichas tecnologías, sino a comprender su funcionamiento y el impacto que pueden llegar a tener en una organización. Es por esto que el curso de Física electrónica centra su metodología en brindar herramientas al estudiante para que comprenda la aplicación de las temáticas del curso en situaciones prácticas disciplinares de su programa de formación. Brindar herramientas al estudiante para que desde su formación comprenda los conceptos básicos de electricidad y electrónica. Brindar soporte práctico a las actividades planteadas en los trabajos colaborativos. Denominación de prácticas Práctica 1: Naturaleza de la electricidad, reconocimiento de Magnitudes y Medidas. Práctica 2: Ley de Ohm, circuitos serie y paralelo. Práctica 3: Fundamentos de

8 Número de horas 20 Porcentaje 22% semiconductores (Fuente de alimentación regulada). Prácticas 4: Electrónica digital (Circuitos combinacionales y secuenciales) Curso Evaluado por proyecto SI NO_X_ Seguridad industrial Para el desarrollo de las prácticas de laboratorio se debe tener en cuenta que: -La ubicación de equipos e instalaciones eléctricas se encuentren en buen estado. -Los niveles de voltaje aplicados a los equipos correspondan a los estandarizados para los mismos. -Los instrumentos sean empleados correctamente, de acuerdo a la tarea que se esté desarrollando con estos. -Antes de manipular cualquier circuito, debe estar desconectado de la red eléctrica. -Antes de poner en funcionamiento un circuito pida el concepto del tutor para evitar conexiones erróneas que puedan afectar el mismo. -No emplee equipos o herramienta sin documentarse acerca de su uso. -Verifique el estado de los equipos antes de su uso e informe cualquier anomalía que pueda encontrar. -Deje ordenados y des-energizados los equipos al finalizar la práctica.

9 6. DESCRIPCIÓN DE PRÁCTICAS PRACTICA No. 1 Naturaleza de la electricidad, reconocimiento de Magnitudes y Medidas. Tipo de practica Presencial X Autodirigida Remota Otra Cuál Porcentaje de evaluación 5.5% Horas de la practica 4 Temáticas de la práctica Fundamentos de electricidad Reconocimiento de instrumentos y elementos de laboratorio. Medidas de voltaje, continuidad y análisis Intencionalidades formativas circuitos básicos. Brindar herramientas al estudiante para el reconocimiento del funcionamiento de herramientas es instrumentos básicos en electrónica. Comprobar las medidas de diferentes magnitudes sobre dispositivos reales. Fundamentación Teórica Se describirán a continuación algunos aspectos básicos y de funcionamiento de los principales equipos empleados en laboratorios de electrónica: el protoboard o tabla de prototipos y el multímetro. En las prácticas de laboratorio del curso se desarrollarán las destrezas necesarias para el buen uso de cada uno ellos. El Protoboard

10 Fig. 1 Protoboard Es un dispositivo que permite ensamblar circuitos electrónicos sin uso de soldadura. Hace una conexión rápida y fácil y es ideal para trabajar circuitos pequeños o de prueba. En cada orificio se puede alojar el terminal de un componente o un cable. Pero antes de trabajar con él, se deben conocer cuáles orificios están interconectados. Generalmente las conexiones son por columnas y en las secciones laterales por filas. Con ayuda del tutor vamos a reconocer estas conexiones internas. El Multímetro Fig. 2 Multímetro Es un instrumento muy útil en el laboratorio. Permite realizar mediciones de varias

11 magnitudes de interés, como: el voltaje, la resistencia, la corriente, la capacitancia, la frecuencia, etc. tanto en señales continuas como alternas. Se debe tener mucho cuidado durante su uso, ya que dependiendo del tipo de magnitud que se quiere medir, debemos seleccionar la escala adecuada, la ubicación de los terminales de medición y la forma de medir (puede ser en serie o en paralelo con el elemento). Descripción de la practica Uso del multímetro (medidas de voltaje) Inicialmente se deberá identificar el funcionamiento del multímetro, para esto vamos a hacer uso de una fuente de alimentación ATX de un PC. Identifique el funcionamiento del multímetro, determine la forma correcta de medir voltaje, corriente y resistencia, tenga en cuenta e tipo de multímetro identificado las escalas y posición de acuerdo al tipo de medida. a. Qué representa la medida de continuidad en un conductor y de que formas puedo tomarla haciendo uso del multímetro? Verifique la continuidad en el cable de alimentación de la fuente. Fig. 3 Cable de poder b. Qué sucede si mido el voltaje AC en la escala DC del multímetro?, realice la medida del voltaje entregado por la toma de alimentación en la escala adecuada. Energice la fuente de alimentación y con ayuda del tutor identifique el voltaje de StandBy haciendo uso del multímetro. Tenga en cuenta el siguiente Diagrama.

12 Fig. 4 PinOut Fuente ATX (Imagen tomada de c. Es necesario que un equipo esté encendido para poder realizar la medida del voltaje de StandBy? Encienda la fuente de alimentación haciendo un puente entre el pin PS_ON y tierra. d. Qué función cumple la tierra en un circuito? Compruebe el voltaje para el conector molex de 4 pines y en el Atx de 20 pines o 24, dependiendo la fuente de alimentación con que cuente. e. Qué tipo de voltaje mido a la salida de la fuente de alimentación y por qué razón hay diferentes valores del mismo? f. Podemos afirmar que la fuente de alimentación de un PC es dual? qué implica esto?. g. Qué dispositivos integraría en el computador para alimentarlos con este tipo de fuente de alimentación? Configuración en serie y Paralelo Realice el montaje del siguiente circuito:

13 Fig. 5 Circuito Serie Compare el comportamiento de las lámparas L1, L2 y L3 al hacer la conexión de la siguiente forma: h. Qué ocurre si cambio una de las lámparas anteriores por un cable? Fig. 6 Circuito Paralelo i. Cúal de los dos circuitos (a) o (b) está adecuadamente conectado? Cúal es la razón por la cual es correcto o no el circuito? Qué pasaría al implementar el circuito que no es correcto? Implemente el circuito que está diseñado adecuadamente. j. Establezca las características de un circuito serie y paralelo. Realice el montaje del siguiente circuito:

14 Fig. 7 Circuito Mixto k. Qué diferencia se observa en este último circuito con respecto a los dos anteriores y a que se deben dichas diferencias? Recursos a utilizar en la práctica (Equipos / instrumentos) Elemento Cantidad Protoboard 1 Multímetro 1 Fuente de alimentación ATX 1 Bombillos de 12V 3 Cables 1 metro Resistencia de valor 1 Tabla 1 Elementos para el desarrollo de la práctica 1 Software a utilizar en la práctica u otro tipo de requerimiento para el desarrollo de la práctica Para el desarrollo de la práctica puede apoyar el desarrollo de los cuestionamientos mediante el uso de CircuirMaker el cual puede descargar en el entorno de aprendizaje práctico. Seguridad Industrial Para el desarrollo de las prácticas de laboratorio se debe tener en cuenta que: -La ubicación de equipos e instalaciones eléctricas se encuentren en buen estado. -Los niveles de voltaje aplicados a los equipos correspondan a los estandarizados

15 para los mismos. -Los instrumentos sean empleados correctamente, de acuerdo a la tarea que se esté desarrollando con estos. -Antes de manipular cualquier circuito, debe estar desconectado de la red eléctrica. -Antes de poner en funcionamiento un circuito pida el concepto del tutor para evitar conexiones erróneas que puedan afectar el mismo. -No emplee equipos o herramienta sin documentarse acerca de su uso. -Verifique el estado de los equipos antes de su uso e informe cualquier anomalía que pueda encontrar. -Deje ordenados y des-energizados los equipos al finalizar la práctica. Metodología Para el desarrollo de la práctica el estudiante debe tener conocimientos básicos en unidades de medida de magnitudes eléctricas. Forma de trabajo: La práctica de laboratorio está diseñada para que los estudiantes de forma colaborativa resuelvan los cuestionamientos planteados para el desarrollo de la misma, planteen conclusiones y busquen la aprehensión del conocimiento a través de la interacción con elementos que pueden conseguir fácilmente y sobre los cuales se hace evidente la aplicabilidad de las temáticas del curso. Procedimiento: Para el desarrollo de la práctica es muy importante: -Realizar el reconocimiento de la guía de la actividad. -Solicitar apoyo al tutor de laboratorio para comprender la forma adecuada de realizar cada una de las medidas solicitadas. -Realizar cada una de las medidas e ir analizando los resultados de acuerdo a lo observado. -Soportar el análisis en las leyes de circuitos eléctricos. Sistema de Evaluación Las prácticas de laboratorios serán evaluadas por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo al desempeño en el desarrollo de las experiencias

16 prácticas y la calidad de los informes entregados teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación. La totalidad de las prácticas serán evaluadas sobre 110 puntos y la calificación será enviada por la red de tutores del curso. Informe o productos a entregar Informe en formato IEEE en el que responda los cuestionamientos establecidos para la práctica y evidencie la realización de la misma. Del siguiente enlace puede descargar el formato para presentar el informe. Tenga en cuenta que es muy importante incluir análisis de resultados y conclusiones ya que a través de estos evidencia lo aprendido en el desarrollo de la práctica. Rúbrica de evaluación Aspectos evaluados Criterios de desempeño de la actividad individual Valoración alta Valoración media Valoración baja PP/ máxima Estructura del informe El documento presenta una excelente estructura conforme a las normas IEEE. El informe no presenta orden aunque es presentado en el formato solicitado.. El informe no presenta orden ni se estructura conforme a las normas IEEE. 7 (Hasta 7 puntos) (Hasta 3 puntos) (Hasta 0 puntos) Redacción y ortografía La redacción y la ortografía son excelentes Hay errores de ortografía o de redacción El documento presenta deficiencias en redacción y errores ortográficos 5 (Hasta 5 puntos) (Hasta 2 puntos) (Hasta 0 puntos) Fines del trabajo Se realizó la práctica siguiendo las indicaciones de la guía y las orientaciones dadas por el tutor de laboratorio. No se realizó la totalidad de la práctica o se omitieron las recomendaciones dadas para un óptimo desarrollo de la misma. No realizó la práctica o se omitieron en su totalidad las recomendaciones dadas por el tutor. 8 (Hasta 8 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) Respondió adecuadamente las preguntas y analizó de No respondió adecuadamente la totalidad de las No responde las preguntas ni presenta un adecuado análisis a las 9

17 forma asertiva los resultados de la práctica. preguntas o el análisis presentado no es claro. prácticas. (Hasta 9 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) TOTAL PUNTAJE DEL TRABAJO COLABORATIVO 29 Retroalimentación La retroalimentación de la práctica será dada por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo a las fechas establecidas para la misma teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación propuesta.

18 PRACTICA No. 2 Ley de Ohm, circuitos serie y paralelo. Tipo de practica Presencial X Autodirigida Remota Otra Cuál Porcentaje de evaluación 5.5% Horas de la practica 4 Temáticas de la práctica Análisis de circuitos serie y paralelo. Comprobación del funcionamiento de la Intencionalidades formativas resistencia eléctrica. Brindar herramientas para que el estudiante esté en capacidad de reconocer las resistencias eléctricas. Motivar el reconocimiento de aplicaciones prácticas en las que el estudiante pueda ver la aplicación de los circuitos serie y paralelo. Fundamentación Teórica Resistencias Eléctricas Los resistores o resistencias eléctricas son los elementos de mayor empleo en el ramo de la electrónica. Su función es controlar o limitar la corriente que fluye a través de un circuito eléctrico, presentando oposición al paso de la corriente eléctrica. Según su funcionamiento se pueden clasificar en Resistores Fijos y Resistores variables, siendo los fijos con composición de carbono los más empleados. Fig. 8 Resistencias Eléctricas

19 Código de colores para resistencias: el código de colores más empleado para resistores, se compone de cuatro franjas de color, que se leen de izquierda a derecha, estando el resistor en la forma que lo muestra la figura, siendo generalmente la cuarta franja dorada o plateada. Mediante la correcta interpretación de este código, podemos conocer el valor en ohmios del resistor. Ejemplo: COLORES: Naranja, Rojo, Amarillo, Oro. Fig. 9 Código de colores de resistencias de 4 bandas Cuál es el valor en ohmios de este resistor? Recordemos el código de colores para resistencias: Negro: 0 Amarillo: 4 Gris: 8 Café: 1 Verde: 5 Blanco: 9 Rojo: 2 Azul: 6 Dorado: 5% Naranja:3 Violeta: 7 Plateado: 10% Tabla 2 Equivalencia de los códigos de colores de resistencias 1ª Banda : 1 er Dígito 2ª Banda : 2ª Dígito 3ª Banda : # de ceros 4ª Banda : Tolerancia Tabla 3 Equivalencia de cada banda de las resistencias Analizando las bandas de la resistencia dada: 1ª Banda: Naranja, por tanto el primer dígito es 3 2ª Banda: Rojo, por tanto el Segundo dígito es 2 3ª Banda: Amarillo, por tanto el factor multiplicador es x10000 o el número de ceros es (0000).

20 4ª Banda: Dorado, por tanto el primer dígito es 5% El valor nominal del resistor es de Ω o 320kΩ con una tolerancia de 5%. El Valor de tolerancia nos indica el rango en el cual debe encontrarse el resistor. Así el 5% 320kΩ es16 kω, por tanto podemos considerar: 320kΩ -16 kω <Valor real del resistor < 320kΩ +16 kω Es decir que el valor real del resistor está entre 304kΩ y 336kΩ. Ley de Ohm La Ley de Ohm establece una relación entre las tres magnitudes eléctricas fundamentales y se enuncia de la siguiente manera: Fig. 10 Ley de OHM El físico alemán Gustav Robert Kirchhoff fue uno de los pioneros en el análisis de los circuitos eléctricos. A mediados del siglo XIX, propuso dos leyes que llevan su nombre y que facilitan la comprensión del comportamiento de voltajes y corrientes en circuitos eléctricos. a. Primera Ley de Kirchhoff: Ley de Corrientes. La suma de todas las corrientes eléctricas que llegan a un nodo, es igual a la suma de todas las corrientes eléctricas que salen de él. b. Segunda Ley de Kirchhoff: Ley de Voltajes. Esta ley se puede enunciar

21 de la siguiente manera: En un circuito cerrado o malla, las caídas de tensión totales son iguales a la tensión total que se aplica en el circuito. Circuito Serie: Un circuito serie es aquel en el que todos sus componentes están conectados de forma tal que sólo hay un camino para la circulación de la corriente eléctrica. Fig. 11 Circuito Serie En el circuito serie la corriente eléctrica (I) es la misma en todas las partes del circuito, es decir, que la corriente que fluye por R1, recorre R2, R3 y R4 y es igual a la corriente eléctrica que suministra la fuente de alimentación. Circuito Paralelo: En un circuito paralelo dos o más componentes están conectados a los terminales de la misma fuente de voltaje. Podemos definir cada terminal como un nodo del circuito y decir entonces que en un circuito paralelo todos sus elementos están conectados al mismo par de nodos. Fig. 12 Circuito Paralelo El voltaje entre el par de terminales de un circuito paralelo es uno sólo y es igual al voltaje de la fuente de alimentación.

22 Descripción de la practica Aplicación del divisor de voltaje Fig. 13 Aplicación del circuito divisor de voltaje Partiendo del circuito anterior, diseñe un divisor de voltaje donde una de las resistencias sea fija y la otra sea una fotorresistencia y al estar alimentado con 5V, si está de noche encienda un LED conectado al voltaje de salida y si es de día éste permanezca apagado. Tenga en cuenta que debe definir si usará el circuito (a) o (b) de acuerdo a las condiciones de diseño. a. Determine la posición del LED. b. Mida el valor de la fotorresistencia en condiciones de luz y oscuridad y determine el valor al que debe ajustarse el potenciómetro. c. Mida la corriente en el circuito teniendo en cuenta condiciones extremas de luz u oscuridad. d. Adjunte evidencia del funcionamiento del circuito. Recursos a utilizar en la práctica (Equipos / instrumentos) Elemento Cantidad Protoboard 1 Multímetro 1

23 Fuente de alimentación de 1 5V a 12V Cables 1 metro Fotorresistencia 1 Potenciómetro 10kΩ 1 LED 1 Tabla 4 Elementos para el desarrollo de la práctica 2 Software a utilizar en la práctica u otro tipo de requerimiento para el desarrollo de la práctica Para el desarrollo de la práctica puede apoyar el desarrollo de los cuestionamientos mediante el uso de CircuirMaker el cual puede descargar en el entorno de aprendizaje práctico. Seguridad Industrial Para el desarrollo de las prácticas de laboratorio se debe tener en cuenta que: -La ubicación de equipos e instalaciones eléctricas se encuentren en buen estado. -Los niveles de voltaje aplicados a los equipos correspondan a los estandarizados para los mismos. -Los instrumentos sean empleados correctamente, de acuerdo a la tarea que se esté desarrollando con estos. -Antes de manipular cualquier circuito, debe estar desconectado de la red eléctrica. -Antes de poner en funcionamiento un circuito pida el concepto del tutor para evitar conexiones erróneas que puedan afectar el mismo. -No emplee equipos o herramienta sin documentarse acerca de su uso. -Verifique el estado de los equipos antes de su uso e informe cualquier anomalía que pueda encontrar. -Deje ordenados y des-energizados los equipos al finalizar la práctica. Metodología Para el desarrollo de la práctica el estudiante debe tener conocimientos básicos en unidades de medida de magnitudes eléctricas y manejo básico del multímetro.

24 Forma de trabajo: La práctica de laboratorio está diseñada para que los estudiantes de forma colaborativa resuelvan los cuestionamientos planteados para el desarrollo de la misma, planteen conclusiones y busquen la aprehensión del conocimiento a través de la interacción con elementos que pueden conseguir fácilmente y sobre los cuales se hace evidente la aplicabilidad de las temáticas del curso. Procedimiento: Para el desarrollo de la práctica es muy importante: -Realizar el reconocimiento de la guía de la actividad. -Solicitar apoyo al tutor de laboratorio para comprender la forma adecuada de realizar cada una de las medidas solicitadas. -Realizar cada una de las medidas e ir analizando los resultados de acuerdo a lo observado. -Soportar el análisis en las leyes de circuitos eléctricos. Sistema de Evaluación Las prácticas de laboratorios serán evaluadas por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo al desempeño en el desarrollo de las experiencias prácticas y la calidad de los informes entregados teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación. La totalidad de las prácticas serán evaluadas sobre 110 puntos y la calificación será enviada por la red de tutores del curso. Informe o productos a entregar Informe en formato IEEE en el que responda los cuestionamientos establecidos para la práctica y evidencie la realización de la misma. Del siguiente enlace puede descargar el formato para presentar el informe. Tenga en cuenta que es muy importante incluir análisis de resultados y conclusiones ya que a través de estos evidencia lo aprendido en el desarrollo de la práctica. Rúbrica de evaluación

25 Aspectos evaluados Criterios de desempeño de la actividad individual Valoración alta Valoración media Valoración baja PP/ máxima Estructura del informe El documento presenta una excelente estructura conforme a las normas IEEE. El informe no presenta orden aunque es presentado en el formato solicitado. El informe no presenta orden ni se estructura conforme a las normas IEEE. 5 (Hasta 5 puntos) (Hasta 2 puntos) (Hasta 0 puntos) Redacción y ortografía La redacción y la ortografía son excelentes Hay errores de ortografía o de redacción El documento presenta deficiencias en redacción y errores ortográficos 5 (Hasta 5 puntos) (Hasta 2 puntos) (Hasta 0 puntos) Se realizó la práctica siguiendo las indicaciones de la guía y las orientaciones dadas por el tutor de laboratorio. No se realizó la totalidad de la práctica o se omitieron las recomendaciones dadas para un óptimo desarrollo de la misma. No realizó la práctica o se omitieron en su totalidad las recomendaciones dadas por el tutor. 8 Fines del trabajo (Hasta 8 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) Respondió adecuadamente las preguntas y analizó de forma asertiva los resultados de la práctica. No respondió adecuadamente la totalidad de las preguntas o el análisis presentado no es claro. No responde las preguntas ni presenta un adecuado análisis a las prácticas. 9 (Hasta 9 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) TOTAL PUNTAJE DEL TRABAJO COLABORATIVO 27 Retroalimentación La retroalimentación de la práctica será dada por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo a las fechas establecidas para la misma teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación propuesta.

26 PRACTICA No. 3 Fundamentos de semiconductores Tipo de practica Presencial X Autodirigida Remota Otra Cuál Porcentaje de evaluación 5.5% Horas de la practica 4 Temáticas de la práctica Semiconductores. Construcción de fuente de alimentación Intencionalidades formativas regulada. Comprender la importancia de los semiconductores en los dispositivos electrónicos. Motivar el uso de componentes que en cada etapa de la fuente de alimentación contribuyan a adecuar la señal que a su salida será DC. Fundamentación Teórica Condensadores o Capacitores: Un condensador es un elemento pasivo que tiene la particularidad de almacenar carga eléctrica. Los condensadores están formados por dos superficies metálicas conductoras llamadas armaduras, las cuáles se hallan separadas por un medio aislante denominado dieléctrico. Este dieléctrico puede ser aire, cerámica, papel o mica. Fig. 14 Diagrama descriptivo de un condensador Un condensador se suele utilizar básicamente para eliminar la componente continua de una señal eléctrica, como filtro o para almacenar tensión en un determinado momento (como batería temporal) y cederla posteriormente.

27 El Diodo: El elemento semiconductor más sencillo y de los más utilizados en la electrónica es el diodo. Está constituido por la unión de un material semiconductor tipo N y otro tipo P. Su representación se muestra en la siguiente figura. Fig. 15 Diodo El diodo idealmente se comporta como un interruptor, es decir, puede actuar como un corto o interruptor cerrado o como un circuito abierto dependiendo de su polarización. Debido a esto se suelen utilizar ampliamente como rectificadores de señales, aunque no es su única aplicación. El transistor: El impacto del transistor en la electrónica ha sido enorme, pues además de iniciar la industria multimillonaria de los semiconductores, ha sido el precursor de otros inventos como son los circuitos integrados, los dispositivos optoelectrónicos y los microprocesadores. Fig. 16 Transistor Es un dispositivo semiconductor de tres capas, dos de material P y una de material N o dos de material N y una de material P. Para cualquiera de los casos el transistor tiene tres pines denominados emisor, base y colector. Este dispositivo se puede emplear para muchas aplicaciones, pero se destaca como amplificador, como conmutador, en sistemas digitales y como adaptador de impedancias. Descripción de la practica Tenga en cuenta que el circuito diseñado en la práctica anterior se empleará como referencia para la implementación de los circuitos propuestos en esta

28 práctica. Luz alimentada por puerto USB Diseñe un circuito que permita ser conectado al puerto USB de un computador y controlado por una fotorresistencia, y si es de noche encienda un LED que permita iluminar una determinada zona. Tenga en cuenta que: - El circuito no puede consumir más de 500mA. - El voltaje de alimentación es de 5V. - Antes de conectar el circuito al puerto USB del computador debe probarlo con una fuente de alimentación de 5V. - Debe garantizar que la luz producida por el circuito no termine afectando la fotorresistencia, haciendo que se genere un ciclo de encendido y apagado. - El circuito debe ser explicado en su totalidad, evidenciando el papel de cada uno de los elementos. Tome como referencia la siguiente imagen: Fig. 17 Pinout puerto USB Tomado de: Donde los pines que va a utilizar son los correspondientes a USB Vcc y USB Ground. a. Verifique el voltaje entregado por el puerto USB haciendo uso de una fuente de alimntación como un cargador de celular para simular el puerto del PC. b. Conecte el circuito a una fuente de alimentación de 5V (puede ser el cargador de un celular) y verifique su funcionamiento. c. Por qué razón es necesario controlar la corriente entregada por el puerto

29 USB. d. Este tipo de circuitos podrían llegar a generar un daño en el PC, explique cómo. Control de apertura de persiana controlada por una fotorresistencia Diseñe un circuito, que haciendo uso de una fotocelda, permita abrir la persiana de una ventana con el accionar de un motor. Tenga en cuenta que la única condición es abrir la persiana, por lo que puede ser cerrada manualmente. Se sugiere el siguiente diagrama de bloques: Fig. 18 Diagrama de bloques del circuito con optoacoplador e. Realice el montaje del circuito optoacoplador y verifique su funcionamiento. f. Qué elementos componen al optoacoplador y qué función cumplen? g. Cómo puedo conectar un pequeño motor a la salida del optoacoplador? h. Qué diferencia hay entre un pulsador NA y uno NC? i. Podría emplear un pulsador para controlar la apertura de la persiana? j. Implemente el circuito de control de apertura de la persiana. k. Cómo se detendría el motor al finalizar la apertura de la persiana? l. Integre todos los componentes del circuito y muestre el funcionamiento del sistema. Recursos a utilizar en la práctica (Equipos / instrumentos) Elemento Cantidad Protoboard 1 Multímetro 1 Fuente de alimentación 1 LED 1 Cables 1 metro Fotorresistencia 1

30 Optoacoplador 1 Resistencias de diferente 2 valor de acuerdo al diseño. Potenciómetro de 10kΩ 1 Diodos rectificadores 1 Motor DC de bajo consumo 1 Pulsador NA 1 Pulsador NC 1 Tabla 5 Elementos para el desarrollo de la práctica 3 Software a utilizar en la práctica u otro tipo de requerimiento para el desarrollo de la práctica Para el desarrollo de la práctica puede apoyar el desarrollo de los cuestionamientos mediante el uso de CircuirMaker el cual puede descargar en el entorno de aprendizaje práctico. Seguridad Industrial Para el desarrollo de las prácticas de laboratorio se debe tener en cuenta que: -La ubicación de equipos e instalaciones eléctricas se encuentren en buen estado. -Los niveles de voltaje aplicados a los equipos correspondan a los estandarizados para los mismos. -Los instrumentos sean empleados correctamente, de acuerdo a la tarea que se esté desarrollando con estos. -Antes de manipular cualquier circuito, debe estar desconectado de la red eléctrica. -Antes de poner en funcionamiento un circuito pida el concepto del tutor para evitar conexiones erróneas que puedan afectar el mismo. -No emplee equipos o herramienta sin documentarse acerca de su uso. -Verifique el estado de los equipos antes de su uso e informe cualquier anomalía que pueda encontrar. -Deje ordenados y des-energizados los equipos al finalizar la práctica.

31 Metodología Para el desarrollo de la práctica el estudiante debe tener conocimientos básicos en unidades de medida de magnitudes eléctricas, manejo básico del multímetro y conceptos básicos sobre el funcionamiento de dispositivos semiconductores como diodos y transistores. Forma de trabajo: La práctica de laboratorio está diseñada para que los estudiantes de forma colaborativa resuelvan los cuestionamientos planteados para el desarrollo de la misma, planteen conclusiones y busquen la aprehensión del conocimiento a través de la interacción con elementos que pueden conseguir fácilmente y sobre los cuales se hace evidente la aplicabilidad de las temáticas del curso. Procedimiento: Para el desarrollo de la práctica es muy importante: -Realizar el reconocimiento de la guía de la actividad. -Solicitar apoyo al tutor de laboratorio para comprender la forma adecuada de realizar cada una de las medidas solicitadas. -Realizar cada una de las medidas e ir analizando los resultados de acuerdo a lo observado. -Soportar el análisis en las leyes de circuitos eléctricos. Sistema de Evaluación Las prácticas de laboratorios serán evaluadas por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo al desempeño en el desarrollo de las experiencias prácticas y la calidad de los informes entregados teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación. La totalidad de las prácticas serán evaluadas sobre 110 puntos y la calificación será enviada por la red de tutores del curso. Informe o productos a entregar Informe en formato IEEE en el que responda los cuestionamientos establecidos para la práctica y evidencie la realización de la misma. Del siguiente enlace puede descargar el formato para presentar el informe. Tenga en cuenta que es muy importante incluir análisis de resultados y

32 conclusiones ya que a través de estos evidencia lo aprendido en el desarrollo de la práctica. Rúbrica de evaluación Aspectos evaluados Criterios de desempeño de la actividad individual Valoración alta Valoración media Valoración baja PP/ máxima Estructura del informe El documento presenta una excelente estructura conforme a las normas IEEE. El informe no presenta orden aunque es presentado en el formato solicitado.. El informe no presenta orden ni se estructura conforme a las normas IEEE. 5 (Hasta 5 puntos) (Hasta 2 puntos) (Hasta 0 puntos) Redacción y ortografía La redacción y la ortografía son excelentes Hay errores de ortografía o de redacción El documento presenta deficiencias en redacción y errores ortográficos 5 (Hasta 5 puntos) (Hasta 2 puntos) (Hasta 0 puntos) Se realizó la práctica siguiendo las indicaciones de la guía y las orientaciones dadas por el tutor de laboratorio. No se realizó la totalidad de la práctica o se omitieron las recomendaciones dadas para un óptimo desarrollo de la misma. No realizó la práctica o se omitieron en su totalidad las recomendaciones dadas por el tutor. 8 Fines del trabajo (Hasta 8 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) Respondió adecuadamente las preguntas y analizó de forma asertiva los resultados de la práctica. No respondió adecuadamente la totalidad de las preguntas o el análisis presentado no es claro. No responde las preguntas ni presenta un adecuado análisis a las prácticas. 9 (Hasta 9 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) TOTAL PUNTAJE DEL TRABAJO COLABORATIVO 27 Retroalimentación La retroalimentación de la práctica será dada por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo a las fechas establecidas para la misma teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación propuesta. PRACTICA No. 4 Electrónica digital (Circuitos combinacionales y secuenciales).

33 Tipo de practica Presencial X Autodirigida Remota Otra Cuál Porcentaje de evaluación 5.5% Horas de la practica 4 Temáticas de la práctica Circuitos combinacionales y secuenciales. Intencionalidades formativas Aplicación de los circuitos contadores. El estudiante realice una aplicación práctica en el laboratorio, donde pueda evidenciar el funcionamiento de un circuito digital que integre diversos componentes. Brindar herramientas conceptuales para que desde el programa cursado por el estudiante pueda adquirir bases teóricas para la construcción de soluciones basadas en circuitos electrónicos a problemas inherentes a sus disciplinas. Fundamentación Teórica Sistema Digital Un sistema digital es una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital; es decir, que solo puedan tomar valores discretos. Estas señales discretas se encuentran en todos los sistemas digitales, como las computadoras y calculadoras, equipos de audio y video y numerosos dispositivos electrónicos. Fig. 19 Señal Digital Compuertas Lógicas: Las compuertas lógicas son circuitos integrados, construidos con diodos, transistores y resistencias, que conectados de cierta manera hacen que la salida del circuito sea el resultado de una operación lógica

34 básica ( como la AND, OR, NOT, etc. ) sobre la entrada. Fig. 20 Diagrama compuerta 7400 Por medio de las compuertas lógicas se pueden implementar sistemas digitales que tengan aplicaciones sencillas pero importantes para el funcionamiento de los diversos equipos electrónicos. Este es el caso de los Circuitos Lógicos Combinacionales, es decir, aquellos circuitos construidos a partir de la combinación de compuertas lógicas. Entre los más interesantes se encuentran: los circuitos aritméticos, los comparadores, los codificadores y decodificadores, los multiplexores y los demultiplexores. CONTADORES DIGITALES Podemos definir un contador digital, como aquel sistema electrónico capaz de realizar el cómputo de los impulsos que recibe la entrada destinada para tal efecto, indicando dicho conteo en un código binario previamente elegido. Generalmente se tiene la opción de visualizar el conteo mediante dispositivos como displays de siete segmentos. Los contadores pueden ser asíncronos ó síncronos. Los primeros tienen un retardo de respuesta, contrario con lo que sucede en los contadores síncronos. Dependiendo del tipo de aplicación para la cual se emplea el contador se elige uno u otro. Por ejemplo, si se necesita que el conteo se esté comparando en cada instante con un número preestablecido, el tiempo de retardo adquiere gran importancia, por lo tanto el contador síncrono es la opción más conveniente. Contador decimal Generalmente, nos interesa conocer el número de pulsos que el contador lleva

35 en algún instante en concreto o durante todo momento. Esta información resulta complicada de obtener directamente de un contador binario, ya que lo más común es el manejo de cifras decimales. Para obtener un contador que proporcione esta información decimal, se dispone de un elemento base, que se denomina década. Una década es la unidad encargada de obtener un conteo de 0 a 9 unidades y es capaz de activar otra década, que contará las decenas, y así sucesivamente. Es evidente que cada década debe reinicializar al iniciar la siguiente. La salida puede ser llevada a un decodificador BCD-7segmentos para visualizar los dígitos de las cifras decimales. La siguiente figura muestra la conexión y los modos de selección de la década integrada o circuito integrado 74LS90. Fig. 21 Configuración de contador 74LS90 en modo decimal ENTRADAS SALIDAS M R1 M R2 M S1 M S2 Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L L H L X L X CONTADOR X L X L CONTADOR L X X L CONTADOR X L L X CONTADOR Tabla 6 Modos de selección del contador 74LS90 En la tabla de modos de selección se observa que para tres combinaciones en las variables de entrada, las salidas permanecen en unos niveles fijos

36 predeterminados, independientemente de la entrada de impulsos a través CK A ; sin embargo hay cuatro combinaciones para las cuales el chip se comporta como contador llevando la secuencia BCD como lo muestra siguiente tabla. SALIDAS Contador Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 0 L L L L 1 H L L L 2 L H L L 3 H H L L 4 L L H L 5 H L H L 6 L H H L 7 H H H L 8 L L L H 9 H L L H Tabla 7 Salidas para cada valor decimal del contador 74LS90 A cada impulso de la entrada, las salidas van cambiando según una secuencia que, una vez llegue a su última combinación, volverá a repetirse sucesivamente mientras vayan llegando impulsos a la entrada CK A. Este caso concreto se llama una década, dado que el número de estados posibles en sus salidas es un múltiplo de 10. Si se conectan varias décadas en cascada, de tal manera que la salida de mayor peso actúe sobre la entrada de la década siguiente, aumentará la capacidad del circuito y se podrá contar hasta 100, es decir de 0 a 99. A continuación se presenta un ejemplo de un contador ascendente asíncrono. En la imagen se evidencia que V2 es la señal de control que permite incrementar el contador a medida que se generan los diferentes pulsos.

37 Fig. 22 Ejemplo de contador asíncrono Descripción de la practica 1. En una empresa se tiene un mecanismo de comunicación en el cual hay 4 áreas donde a ciertas horas del día se enciende un LED indicando que se va a reportar una de las áreas. Este reporte consiste en un led y una señal auditiva, donde el LED indica que el área seleccionada se va a reportar y la señal auditiva que se ha concluido la meta establecida para ese momento, si sólo se enciende el LED y la señal Auditiva no se activa es porque aún tienen tareas pendientes. Realice el diseño de la solución. a. Qué tipo de circuito permitirá cumplir con los requerimientos de diseño?. b. Cómo se puede implementar el selector de área? c. Qué tipo de multiplexor puede emplear en el circuito? d. Realice la implementación de la solución de acuerdo al diagrama de bloques presentando en la siguiente figura.

38 Fig. 23 Implementación práctica digital 1 2. Haciendo uso del 555 y eligiendo el tipo de circuito adecuado, diseñe un contador síncrono que avance cada 2 segundos hasta llegar a 9 y al llegar a 5 debe enviar un pulso que hará avanzar otro contador si se tiene habilitado el interruptor de avance. e. Evidencie el proceso de diseño del contador. Y explique el porqué del diseño empleado. f. Qué contador puedo usar para el diseño (referencia y modo de funcionamiento)? g. Evidencie el proceso de diseño del habilitador de conteo. Tenga en cuenta el siguiente diagrama de bloques para el diseño. Fig. 24 Implementación práctica digital II Recursos a utilizar en la práctica (Equipos / instrumentos)

39 Elemento Cantidad Protoboard 1 Multímetro 1 Fuente de alimentación 1 Multiplexor de acuerdo al 1 diseño. Cables 1 metro LM555 1 Resistencias de acuerdo al --- diseño. Condensadores de acuerdo --- al diseño. 74LS LS08 1 Display ánodo común 2 LED 5 Contador de acuerdo al 2 diseño. Tabla 8 Elementos para el desarrollo de la práctica 4 Software a utilizar en la práctica u otro tipo de requerimiento para el desarrollo de la práctica Para el desarrollo de la práctica puede apoyar el desarrollo de los cuestionamientos mediante el uso de CircuirMaker el cual puede descargar en el entorno de aprendizaje práctico. Seguridad Industrial Para el desarrollo de las prácticas de laboratorio se debe tener en cuenta que: -La ubicación de equipos e instalaciones eléctricas se encuentren en buen estado. -Los niveles de voltaje aplicados a los equipos correspondan a los estandarizados para los mismos. -Los instrumentos sean empleados correctamente, de acuerdo a la tarea que se esté desarrollando con estos.

40 -Antes de manipular cualquier circuito, debe estar desconectado de la red eléctrica. -Antes de poner en funcionamiento un circuito pida el concepto del tutor para evitar conexiones erróneas que puedan afectar el mismo. -No emplee equipos o herramienta sin documentarse acerca de su uso. -Verifique el estado de los equipos antes de su uso e informe cualquier anomalía que pueda encontrar. -Deje ordenados y des-energizados los equipos al finalizar la práctica. Metodología Para el desarrollo de la práctica el estudiante debe tener conocimientos básicos en unidades de medida de magnitudes eléctricas y manejo básico del multímetro. Forma de trabajo: La práctica de laboratorio está diseñada para que los estudiantes de forma colaborativa resuelvan los cuestionamientos planteados para el desarrollo de la misma, planteen conclusiones y busquen la aprehensión del conocimiento a través de la interacción con elementos que pueden conseguir fácilmente y sobre los cuales se hace evidente la aplicabilidad de las temáticas del curso. Procedimiento: Para el desarrollo de la práctica es muy importante: -Realizar el reconocimiento de la guía de la actividad. -Solicitar apoyo al tutor de laboratorio para comprender la forma adecuada de realizar cada una de las medidas solicitadas. -Realizar cada una de las medidas e ir analizando los resultados de acuerdo a lo observado. -Soportar el análisis en las leyes de circuitos eléctricos. Sistema de Evaluación Las prácticas de laboratorios serán evaluadas por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo al desempeño en el desarrollo de las experiencias prácticas y la calidad de los informes entregados teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación. La totalidad de las prácticas serán evaluadas sobre 110 puntos y la calificación

41 será enviada por la red de tutores del curso. Informe o productos a entregar Informe en formato IEEE en el que responda los cuestionamientos establecidos para la práctica y evidencie la realización de la misma. Del siguiente enlace puede descargar el formato para presentar el informe. Tenga en cuenta que es muy importante incluir análisis de resultados y conclusiones ya que a través de estos evidencia lo aprendido en el desarrollo de la práctica. Rúbrica de evaluación Aspectos evaluados Criterios de desempeño de la actividad individual Valoración alta Valoración media Valoración baja PP/ máxima Estructura del informe El documento presenta una excelente estructura conforme a las normas IEEE. El informe no presenta orden aunque es presentado en el formato solicitado.. El informe no presenta orden ni se estructura conforme a las normas IEEE. 5 (Hasta 5 puntos) (Hasta 2 puntos) (Hasta 0 puntos) Redacción y ortografía La redacción y la ortografía son excelentes Hay errores de ortografía o de redacción El documento presenta deficiencias en redacción y errores ortográficos 5 (Hasta 5 puntos) (Hasta 2 puntos) (Hasta 0 puntos) Fines del trabajo Se realizó la práctica siguiendo las indicaciones de la guía y las orientaciones dadas por el tutor de laboratorio. No se realizó la totalidad de la práctica o se omitieron las recomendaciones dadas para un óptimo desarrollo de la misma. No realizó la práctica o se omitieron en su totalidad las recomendaciones dadas por el tutor. (Hasta 8 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) 8 Respondió adecuadamente las preguntas y analizó de forma asertiva los resultados de la práctica. No respondió adecuadamente la totalidad de las preguntas o el análisis presentado no es claro. No responde las preguntas ni presenta un adecuado análisis a las prácticas. 9

42 Retroalimentación (Hasta 9 puntos) (Hasta 4 puntos) (Hasta 0 puntos) TOTAL PUNTAJE DEL TRABAJO COLABORATIVO 27 La retroalimentación de la práctica será dada por el tutor de laboratorio asignado en cada CEAD de acuerdo a las fechas establecidas para la misma teniendo en cuenta la rúbrica de evaluación propuesta.

43 7. FUENTES DOCUMENTALES Floyd, T. L. (2000). Fundamentos de sistemas digitales. Madrid: Prentice Hall. Hermosa Donate, A. (1999). Principios de electricidad y electrónica. Méxicco D.F.: Marcombo. Malvino, A. P. (2000). Principios de Electrónica. España: McGRAW-HILL. Téllez Acuña, F. R. (2008). Módulo Física Electrónica. Colombia: UNAD. Tokheim, R. (2011). Electrónica Digital Principios y Aplicaciones. España: McGRAW-HILL.