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Bogotá - Ciudad de México

Profesores titulares del área de investigación “Sensores y Procesamiento de Señales”, del departamento de Electrónica, de la Universidad Autónoma

Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, México

Raymundo Barrales GuadarramaVíctor Rogelio Barrales Guadarrama

Melitón Ezequiel Rodríguez RodríguezJorge Miguel Jaimes Ponce

Ingeniería electrónica

Experimentación básica con Diodos y Transistores

Laboratorio de Circuitos Electrónicos I

2da. Edición

Área: Ingeniería electrónicaPrimera edición: Bogotá, Colombia, enero de 2020ISBN. 978-958-792-087-1

© Raymundo Barrales Guadarrama, Víctor Rogelio Barrales Guadarrama Melitón Ezequiel Rodríguez Rodríguez y Jorge Miguel Jaimes Ponce (Foros de discusión, blog del libro y materiales complementarios del autor en www.edicionesdelau.com)

© Ediciones de la U - Carrera 27 #27-43 - Tel. (+57-1) 3203510 - 3203499 www.edicionesdelau.com - E-mail: [email protected] Bogotá, Colombia

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Barrales Guadarrama, Raymundo [et al]

Laboratorio de circuitos electrónicos I. Experimentación básica con diodos y transistores / -- Raymundo Barrales Guadarrama, Víctor Rogelio Barrales Guadarrama, Melitón Ezequiel Rodríguez Rodríguez y Jorge Miguel Jaimes Ponce -- Bogotá : Ediciones de la U, 2019. p.234 ; 24 cm. Incluye bibliografía ISBN 978-958-792-087-1 e-ISBN 978-958-792-088-8 1. Ingeniería electrónica 2. Manejo de equipo de pruebas 3. Diodos 4. Circuitos 5. Transistores 6. Diseño de amplificadores I Tít.613.62 cd

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Contenido

Presentación ..........................................................................................................7Semblanzas de los autores .................................................................................9

Práctica 1 ..............................................................................................................................13Práctica 2 ..............................................................................................................................25Práctica 3 ..............................................................................................................................37Práctica 4 ..............................................................................................................................47Práctica 5 ..............................................................................................................................63Práctica 6 ..............................................................................................................................83Práctica 7 ..............................................................................................................................97Práctica 8 ........................................................................................................................... 115Práctica 9 ........................................................................................................................... 135Práctica 10 ......................................................................................................................... 153

Proyecto 1 ......................................................................................................................... 173Proyecto 2 ......................................................................................................................... 183Proyecto 3 ......................................................................................................................... 193

ANEXO A ............................................................................................................................ 209ANEXO B ............................................................................................................................ 211ANEXO C ............................................................................................................................ 219ANEXO D ............................................................................................................................ 221ANEXO E ............................................................................................................................. 223

Bibliografía ....................................................................................................... 227

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Presentación

La obra que el lector tiene ahora en sus manos ha sido elaborada a modo de un manual de prácticas de laboratorio cuya intención consiste en complemen-tar, con trabajos prácticos, un primer curso de circuitos electrónicos, tal como el “Laboratorio de Circuitos Electrónicos I” impartido como parte de la currícula correspondiente a la carrera en ingeniería electrónica en la Universidad Autóno-ma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco (México), donde laboran los autores. El contenido cubierto es fundamental para la formación de ingenieros electróni-cos y de relevancia para alumnos de otras carreras de ingeniería y ciencias.

Los trabajos prácticos propuestos cubren temas como: la caracterización de dispositivos (diodos y transistores), la caracterización de circuitos de polariza-ción y el análisis y diseño de amplificadores de señal de una etapa.

Los rasgos sobresalientes de la obra son:

• Un conjunto de 10 prácticas obligatorias,• Presentaciones teóricas complementarias sucintas, cuando los esquemas

conceptuales y los modelos de comportamiento las ameritan, y• La opción de realizar 1 de 3 proyectos de fin de curso propuestos, para pro-

bar los conocimientos y habilidades adquiridas durante el curso práctico.

En general, el enunciado de cada práctica se compone de dos secciones principales:

1. Desarrollo. En esta sección se indican las pruebas a realizar y la informa-ción que debe de ser registrada como resultado directo de los experimen-tos, tales como: mediciones, oscilogramas, tablas recapitulativas, gráficas y observaciones cualitativas.

2. Análisis de resultados. En esta sección se solicita la comparación de los resul-tados obtenidos analíticamente, los obtenidos por simulación de los circuitos

EXPERIMENTACIÓN BÁSICA CON DIODOS - AUTORES VARIOS

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y los obtenidos de manera experimental, con el fin de procesar la información recabada en la sección anterior y extraer nueva información que permita es-tablecer conclusiones interesantes sobre los circuitos estudiados. Esta sección busca que el alumno, a partir de un proceso de enseñanza dirigido, establezca conclusiones significativas de cada tema, en lugar de permitir una libertad ex-cesiva en la realización de los trabajos prácticos que resulten, solamente, en comentarios intrascendentes o, peor aún, que las conclusiones sean la mera copia de un material tomado de páginas electrónicas, muchas veces mal in-formadas y con un incorrecto manejo de los conceptos.

Aunque en algunas prácticas se ha introducido una explicación sucinta de con-ceptos fundamentales para la comprensión de los resultados experimentales que se solicita obtener, el material que se presenta aquí no pretende ser un sim-ple repaso de la teoría. Más bien busca permitir que el alumno descubra, por un camino distinto, los principios de la teoría, así como encontrar un sentido práctico a los modelos matemáticos de los dispositivos electrónicos. Además, se solicita la elaboración por parte del alumno, de gráficas del comportamiento de un dispositivo en regímenes estáticos y dinámicos, lo que le permitirá un enten-dimiento cabal de la esencia de la información y, para evitar que el registro de oscilogramas se convierta en una simple captura de pantalla, se solicita extraer información de aquél para construir una conclusión acertada.

Existen varios libros que examinan la temática del curso. Sin embargo, se en-focan principalmente en los aspectos teóricos, con lo cual se manifiesta una escasez de material publicado, tanto en extensión como en profundidad, que estudie los aspectos prácticos de la temática.

Los trabajos prácticos que se proponen en esta obra requieren de un conoci-miento previo de la teoría de los circuitos eléctricos, a nivel licenciatura, y habili-dades en la manipulación de instrumentos de generación y de medición. Se asu-me que las prácticas se desarrollarán en un laboratorio didáctico de electrónica, donde se encuentra disponible una fuente dual de alimentación, un oscilosco-pio, dos multímetros y un generador de funciones en cada puesto de trabajo.

Los autores aseguran al lector que, en consideración a la extensión y contenido del material ofrecido aquí, la obra enriquecerá la literatura didáctica en elec-trónica básica, en español, y cubrirá el vacío existente en el aspecto teórico.

Los autoresMarzo de 2019.

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Semblanzas de los autores

Raymundo Barrales Guadarrama

Ingeniero en Electrónica, con especialidad en Sistemas Digitales y Compu-tadoras, por parte de la Universidad Autónoma Metropolitana—Azcapot-zalco (1987) y Maestro en Ciencias, especialidad en Ingeniería Biomédica, por parte de la UAM—Iztapalapa (2003) donde desarrolló técnicas de pro-cesamiento para ecocardiografías. Director de ventas y socio fundador de la empresa Electrónica Especializada (87-92) y colaborador en otras empresas del ramo de la electrónica, donde adquirió su experiencia laboral. Es pro-fesor-investigador de tiempo completo en el Departamento de Electrónica de la UAM—A desde 2001, donde desarrolla trabajos en instrumentación electrónica, procesamiento de señales y sistemas de control. Ha obtenido el grado de Especialista Universitario en Ingeniería Electrónica, Intensifica-ción en Sistemas de Instrumentación, por parte de la Universidad Politécni-ca de Valencia, España (2007) y el Doctorado en Ingeniería Electrónica por parte de la UPV (2016). Es coautor de 5 libros y de 3 patentes.

[email protected]

Víctor Rogelio Barrales Guadarrama

Es Ingeniero Físico por la Universidad Autónoma Metropolitana—Azcapotzal-co (1988) y Maestro y Doctor en Ciencias en Ingeniería Eléctrica por el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, en 1994 y 2005 respectivamente. Ha trabajado en el depósito de películas del-gadas semiconductoras, superconductores, de óxidos de metales y cerámicos. Participa como profesor-investigador titular en el Área de Sensores y Procesa-miento de Señales, adscrita al Departamento de Electrónica de la UAM-A, don-de ha desarrollado proyectos tecnológicos y de vinculación con la industria.


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Es coautor de 3 patentes, 8 libros y de publicaciones en congresos y revistas internacionales. Ha impartido más de 200 cursos de [email protected]

Melitón Ezequiel Rodríguez Rodríguez

Estudió la Licenciatura en Ingeniería Física en la Universidad Autónoma Me-tropolitana—Azcapotzalco (México), con especialidad en Instrumentación y Equipo (1994) y la Maestría en Ingeniería Biomédica (2000) en la Unidad Izta-palapa de la misma universidad. Ha trabajado en la elaboración de dispositi-vos de interferencia cuántica superconductores para la obtención de magne-to-cardiogramas. Actualmente se desempeña como profesor-investigador en el Departamento de Electrónica de la UAM-A en donde imparte asignaturas como Análisis de Señales, Procesamiento Digital de Señales, así como Circuitos Eléctricos. Entre sus campos de interés están la Instrumentación Virtual utili-zando LabVIEW así como la caracterización y aplicación de sensores. Es coau-tor de 5 libros y 3 patentes.

[email protected]

Jorge Miguel Jaimes Ponce

Ingeniero en Electrónica (1990), por la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco (México). Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica (2008) por el T.E.S.E. Desde 1990 se desempeña como profesor-investigador de tiempo completo en el Departamento de Electrónica de la U.A.M. Azcapotzal-co, donde desarrolla trabajos de investigación en las áreas de Instrumentación, Electrónica Digital, Electrónica de Potencia y Mecatrónica.

[email protected]

PRÁCTICAS

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Práctica 1

Manejo del equipo de pruebas eléctricas

1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Al término de la sesión, el alumno será capaz de:

Utilizar las funciones básicas del siguiente equipo de laboratorio:

• Fuente de alimentación.• Multímetro.• Generador de funciones.• Osciloscopio.

2. CONTENIDO

• Identificación y manejo de los instrumentos de medición, generación y soporte.

• Ejercicios prácticos de generación de voltajes con la fuente de alimenta-ción y su medición con el voltímetro.

• Ejercicios prácticos de generación de señales con el generador de funcio-nes y su visualización y medición con el osciloscopio.

3. PREPARACIÓN DE LA PRÁCTICA

3.1 Obtener los manuales de operación de los siguientes equipos:

• Fuente de alimentación.


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• Multímetro.• Generador de funciones.• Osciloscopio.

3.2 Obtener el reglamento del laboratorio.

3.3 Componentes y materiales

CANT. DESCRIPCIÓN

1 Memoria USB

3.4 Herramientas

CANT. DESCRIPCIÓN

3.5 Equipo necesario

CANT. DESCRIPCIÓN

1 Multímetro portátil con puntas de prueba

1 Multímetro de banco con puntas de prueba

1 Fuente de alimentación triple, con 1 par de puntas de conexión

1 Generador de funciones con 2 puntas de prueba “directa” (BNC a caimán)

1 Osciloscopio con 2 sondas de prueba atenuadas

3.6 Recomendaciones

• Todas las modificaciones en los circuitos de prueba han de realizarse sin energía (la fuente apagada).

4. DESARROLLO

4.1 Generación y medición de voltajes de corriente directa, uso de la fuente de alimentación y del voltímetro.

PRÁCTICA 1.

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4.1.1 Identificar la fuente de alimentación triple y registrar la información soli-citada en la tabla 1.1.

Tabla 1.1. Características principales de la fuente triple

Características principales de la fuente triple

Marca y modelo

Forma de alimentación

Número de salidas fijas y sus características

Número de salidas varia-bles y sus características

Número de interruptores de encendido

Número de medidores y sus funciones

Interruptores de configura-ción y sus funciones

4.1.2 Identificar el multímetro portátil y el de banco y registrar la información solicitada en la tabla 1.2.

Tabla 1.2. Características principales de los multímetros portátil y de banco.

Información Multímetro portátil Multímetro de banco

Marca y modelo


Número de terminales de prueba

Pruebas disponibles

¿Cómo deben conectarse las terminales para medir

voltaje de corriente directa?

¿Cómo deben configurarse los selectores para medir

voltaje de corriente directa?

4.1.3 Configurar los multímetros, portátil y de banco, como voltímetros de co-rriente directa y realizar los siguientes trabajos prácticos:


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4.1.3.1 Conectar apropiadamente cada uno de los multímetros, configurados como voltímetros, punta roja del multímetro a la terminal positiva de la fuente y punta negra, o común, a la terminal negativa de la fuente a la fuente fija de 5 V. Registrar las lecturas obtenidas en el renglón de la tabla 1.3 correspondiente.

4.1.3.2 Intercambiar las puntas de prueba de cada multímetro (punta roja del multímetro a la terminal negativa de la fuente y punta negra, o común, a la terminal positiva de la fuente) y conectarlas a la fuente fija. Registrar las lecturas obtenidas en el renglón de la tabla 1.3 correspondiente.

4.1.3.3 Conectar apropiadamente los multímetros a la fuente variable maes-tra (lado izquierdo) y medir el rango de voltaje que entrega. Repetir la prueba con la fuente variable esclava (lado derecho). Registrar las lectu-ras obtenidas en el renglón de la tabla 1.3 correspondiente.

Tabla 1.3. Características medidas de la fuente triple.

Información Multímetro portátil Multímetro de banco

Voltaje fuente fija

Voltaje fuente fija, terminales inter-

cambiadas

Rango de voltaje de la fuente varia-

ble maestra

Rango de voltaje de la fuente varia-

ble esclava

4.1.4 Configurar como “independientes” las fuentes variables. Explicar cómo se comprueba que las tres fuentes están “flotando” entre sí, es decir, sus voltajes son independientes entre sí.

PRÁCTICA 1.

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4.1.5 Si las tres fuentes se conectan en serie entre sí, ¿cuál es el voltaje nominal máximo que se puede obtener entre las tres fuentes?

4.2 Generación, visualización y medición de señales, uso del generador de funciones y del osciloscopio.

4.2.1 Identificar el generador de funciones y registrar la información que se pide en la tabla 1.4.

Tabla 1.4. Características principales del generador de funciones.

Marca y modelo


Salidas disponibles

Formas de onda disponibles

Impedancia de la salida principal

Rango de frecuencias

Rango de amplitud

Rango de voltaje de offset

4.2.2 Identificar el osciloscopio y registrar la información que se pide en la tabla 1.5.

Tabla 1.5. Características principales del osciloscopio.

Marca y modelo


Número de canales

Sensibilidad

Ancho de banda

Características de las puntas de prueba

Modos de acoplamiento

Modos de despliegue


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4.2.3 Identificar la punta utilizada para obtener la señal entregada por el gene-rador de funciones y publicar una fotografía de ésta como figura 1.1 del reporte de práctica. Identificar, en esa fotografía, las partes principales de la punta.

4.2.4 Identificar la punta de prueba atenuada (sonda), utilizada para recibir la señal en el osciloscopio, y publicar una fotografía de ésta como figura 1.2 del reporte de práctica. Identificar, en esa fotografía, las partes principa-les de la punta.

4.2.5 Conectar una punta atenuada al canal 1 del osciloscopio y una punta “directa” al canal 2 del mismo instrumento.

Conectar enseguida los extremos “vivos” de cada punta a la terminal “PROBE COMP” del osciloscopio y los caimanes negros de cada punta a la terminal de tierra asociada. Reportar un dibujo de esta conexión como figura 1.3.

Encender el osciloscopio, oprimir el botón “AUTO CONFIG”; observar y re-gistrar el oscilograma de las señales en la pantalla del osciloscopio como figura 1.4 en el reporte de práctica (cuidar de incluir en el registro de ima-gen las lecturas de los medidores de frecuencia y valor pico-pico). Grabar la imagen del oscilograma en la memoria USB.

4.2.6 Identificar las secciones de controles del osciloscopio enlistadas en la ta-bla 1.6 e indicar los controles incluidos en cada sección.

Tabla 1.6. Secciones de controles.

Sección Controles

Vertical

Horizontal

Disparo

Menús

Otros

4.2.7 Experimentar, con ayuda del profesor-instructor, con los principales con-troles y anotar en la tabla 1.7 la función observada de cada uno.

PRÁCTICA 1.

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Tabla 1.7. Funciones de los principales controles del osciloscopio.

Sección Vertical Función

Posición

Volts/div

Ch1 menú

Math menu

Sección Horizontal Función

Posición

Sec/div

Horiz menú

Sección de Disparo Función

Nivel

Trig menú

Sección de menús Función

Adquisición

Pantalla

Medidas

Cursores

Otros Función

Autoconfigurar

Activar/parar

4.2.8 Conectar una punta atenuada al canal 1 del osciloscopio, ajustada a una atenuación ×10 y una punta “directa” al canal 2 de ese instrumento.

Conectar el otro extremo de ambas puntas a la punta “directa” previa-mente conectada a la terminal “MAIN” del generador de funciones, las tres terminales de referencia (caimanes negros) deberán quedar conec-tadas entre sí.

Encender el generador de funciones (observar que tiene 2 interruptores de encendido), seleccionar y ajustar en el generador de funciones una señal sinusoidal de 1 Vpp, 1 kHz y sin “offset”.


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Ajustar el osciloscopio de manera que se observe claramente las señales de ambos canales simultáneamente. Ajustar también los medidores de valor pico-pico y de frecuencia para ambos canales. Estos ajustes han de ser los mismos para cada señal observada. Ajustar en cada canal el factor de atenuación conveniente para cada punto (×10 y ×1).

Manteniendo las conexiones y los ajustes del osciloscopio y el generador de funciones, realizar un barrido de la frecuencia de la señal en el interva-lo [1 Hz, 25 MHz] y rellenar la tabla 1.8 con la información proporcionada por los medidores del osciloscopio ya ajustado.

Tabla 1.8. Registro de valores de la señal del generador de funciones para cada frecuencia del barrido. Voltaje aplicado: 1 Vpp

f[Hz]

Punta directa[Vpp]

Punta atenuada ×10 [Vpp]

f[Hz]

Punta directa[Vpp]

Punta atenuada ×10 [Vpp]

1 8k2 10k4 20k8 40k

10 80k20 100k40 200k80 400k

100 800k200 1M400 2M800 4M1k 8M2k 10M4k 20M

25M

4.2.9 Obtener las curvas de los voltajes medidos, en función de la frecuencia en un mismo plano cartesiano y reportar ambas gráficas como figura 1.4 en el reporte de práctica. Los métodos admitidos para este trabajo son los siguientes:

a. Dibujar a mano alzada la gráfica uniendo con un trazo suave las coorde-nadas de la tabla 1.8 localizadas en el plano cartesiano (método lento).

b. Utilizar una aplicación de cómputo (EXCEL, MATLAB, etc.) para realizar el trazo de las gráficas (método automático).

PRÁCTICA 1.

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En cualquier caso, identificar cada curva, manejar escalas convenientes e indicar las acotaciones relevantes. La figura 1.1 muestra el aspecto del pla-no en donde se han de realizar las gráficas solicitadas.

Figura 1.1. Aspecto del plano para las gráficas de la función voltaje me-dido vs. frecuencia correspondientes a la punta atenuada y a la punta “di-recta” del osciloscopio.

4.2.10 Configurar el generador de funciones para producir las señales indica-das en la tabla 1.9 y reportar las imágenes de los oscilogramas obser-vados en el osciloscopio. Las señales en el canal 1 y en el canal 2 han de observarse simultáneamente.

Utilizar, en ambos canales del osciloscopio, sondas atenuadas con ajus-tes del factor de atenuación ×1 o ×10.

Tabla 1.9. Ejercicios de uso del generador de funciones y del osciloscopio.

SeñalFigura

Modo de aco-plamiento

Canal 1

Modo de acoplamiento

Canal 2Forma de

onda Amplitud Frecuencia Offset

Senoidal 1 Vpp 1 kHz 0 V 1.5 CC CA

Cuadrada 1 Vpp 1 kHz 0 V 1.6 CC CA

Triangular 1 Vpp 1 kHz 0 V 1.7 CC CA

Senoidal 1 Vpp 1 kHz 2 V 1.8 CC CA

Cuadrada 1 Vpp 1 kHz 2 V 1.9 CC CA

Triangular 1 Vpp 1 kHz 2 V 1.10 CC CA

Senoidal 100 mVpp 1 MHz 0 V 1.11 CC CA

Cuadrada 100 mVpp 1 MHz 0 V 1.12 CC CA

Triangular 100 mVpp 1 MHz 0 V 1.13 CC CA


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En la tabla 1.9 se indican los números de las gráficas que han de usarse para presentar los oscilogramas en el reporte de práctica (figuras 1.5 a la 1.13 en el reporte de práctica)

5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

5.1 ¿Por qué algunos de los instrumentos tienen 2 controles de encendido?

5.2 ¿Por qué no se debe permitir que las dos terminales de la punta de prue-ba del generador se toquen entre sí?

5.3 ¿Por qué no se debe utilizar una punta atenuada de osciloscopio para obtener la señal de salida del generador de funciones?

5.4 ¿Por qué no se deben conectar las terminales de referencia (caimanes negros) de las puntas del osciloscopio cada una a diferente potencial simultáneamente?

5.5 ¿En qué difieren las mediciones de voltaje realizadas con el multímetro portátil de las realizadas con el multímetro de banco?

PRÁCTICA 1.

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5.6 ¿Cómo se ajustan las puntas del osciloscopio para obtener una respues-ta plana?

5.7 ¿Por qué no se obtiene necesariamente el valor correcto de la señal se-leccionada por el generador de funciones?

5.8 ¿En qué caso se recomienda usar el acoplamiento de corriente alterna del osciloscopio?

5.9 ¿Cuál es la diferencia de comportamiento entre las puntas “directas” y las puntas atenuadas?

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