Curso completo de electrnica bsica (Leccion 1)

Curso completo de electrnica bsica (Leccion 1)

Con esta entrega comenzamos un curso completo de electrnica bsica, dirigido a aquellos lectores que quieran aprender electrnica desde sus principios.

El curso capacitar al alumno para encarar la reparacin de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio de los cursos superiores de TV en donde se analiza la reparacin de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de plasma, etc..

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Leccion 1

1.1 Introduccin

1.2 La electricidad esttica

1.3 La corriente elctrica

1.4 La electricidad dinmica

1.5 Resistencia elctrica

1.6 La tensin elctrica

1.7 La ley de Ohm

1.8 Conclusiones

Leccin 2

2.1 Introduccin

2.2 Instalacin y prueba de Live Wire

2.3 Simulacin del circuito elemental

2.4 Prctica real

2.4 Conclusiones

Leccin 3

3.1 Introduccin

3.2 La primera ley de Kirchoff

3.3 Simulacin de la primera ley de Kirchoff

3.4 Enunciado de la primera ley de Kirchoff

3.5 Segunda ley de Kirchoff

3.6 Trabajo prctico virtual

3.7 Conclusiones

1.1 Introduccin

Con esta primer entrega comenzamos un curso completo de electrnica bsica dirigido a todos aquellos lectores que quieran aprender electrnica desde sus principios. De cualquier modo vamos a indicar aqu que para poder seguir este curso el lector necesita tener obviamente un conocimiento bsico de matemticas, fsica y qumica correspondiente al EGB (Educacin General Bsica) de la Argentina que comprende 10 aos de estudios incluyendo un primer ao de preescolar.

En sntesis y referido a las matemticas, el alumno debe conocer las operaciones matemticas bsicas (suma resta, multiplicacin, divisin, potenciacin, radicacin) hasta la resolucin de ecuaciones de primer grado (transposicin de trminos) y debe poder plantear en forma de ecuacin, los problemas de la vida real (lo que antiguamente se llamaba regla de tres simple y compuesta). Tambin debe dominar el clculo matemtico con notacin cientfica o potencias de diez.

En lo referente a la fsica, debe conocer los principios del movimiento de los cuerpos y de la electricidad; aunque dada su importancia, las primeras unidades didcticas de este curso repasan estos conceptos bsicos.

En lo referente a la qumica, el alumno debe tener un conocimiento de la constitucin de la materia en forma de tomos y molculas y debe tener un conocimiento adecuado sobre la estructura simplificada del tomo (tomo de Rutherford). Debe conocer como se constituyen los diferentes tomos desde el hidrgeno a los transurnidos.

Nuestro curso bsico capacitar al alumno para encarar la reparacin de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio de los cursos superiores de TV en donde se analiza la reparacin de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de plasma, etc..

1.2 LA ELECTRICIDAD ESTTICA

La electricidad nos rodea aunque no siempre se manifieste. En efecto todos los cuerpos fsicos (objetos) estn formados con molculas de diferentes materiales que a su ves estn construidas con alguno de los 92 tomos diferente que existen en la naturaleza. Y en cada tomo, existe un ncleo positivo y una nube de electrones negativa que se compensan perfectamente como para que el tomo sea neutro. Y si es neutro no puede manifestarse elctricamente.

Al ncleo no tenemos un acceso fcil que permita quitar protones, pero llegar a los electrones de orbitas superiores es muy fcil y solo basta con frotar materiales con un pao para arrancar o agregar electrones y generar cargas elctricas fijas en el material utilizado. Agregar o quitar depende del material que se frote en el pao. Algunos materiales son dadores y otros son aceptores.

Es as como podemos tener un objeto con exceso de electrones (negativo) y otro con falta de electrones (positivo). Mientras los objetos estn separados (aislados) permanecern cargados permanentemente. Si se los aproxima hasta que se toquen, de inmediato circularan cargas elctricas (electrones) ente ellos hasta neutralizarse de modo que cada cuerpo sea neutro.

Como el lector puede observar, todas estas acciones ocurren en un instante de tiempo y luego cesan en cuanto los cuerpos se neutralizan. No hay una circulacin permanente de electricidad. Un instante despus que los cuerpos se tocan cesan los fenmenos elctricos. Por esos a estos fenmenos se los incluye entre los de electricidad esttica o electrosttica. Nos sirven para establecer los principios de nuestra especialidad, pero no son los fenmenos que normalmente ocurren dentro de un dispositivo electrnico, en donde las corrientes de electrones circulan en forma permanente.

Sin embargo, el concepto mas importante de la electrnica que es el de la circulacin de la corriente elctrica, puede ser explicado claramente mediante la electricidad esttica. Hasta ahora tenemos dos cuerpos cargados elctricamente. Uno es de material dador (positivo) y otro de material aceptor (negativo). Si los unimos con una barra de vidrio los cuerpos permanecern cargados y entonces decimos que la barra de vidrio es aisladora. Si los unimos con una barra de cobre los cuerpos se descargarn y entonces decimos que la barra de cobre es conductora. Es un error considerar que el mismo electrn que sale del cuerpo con exceso de electrones y penetra en la barra conductora, llega al que tiene falta de electrones. En efecto el fenmeno que se produce es un desplazamiento de electrones de tomo en tomo de modo que entra un electrn por una punta de la barra pero el que sale es otro electrn que estaba situado en la otra punta. La carga se desplaza prcticamente a la velocidad de la luz el corpsculo (electrn) lo hace mucho mas lentamente.

En un cuerpo aislador los electrones estn fuertemente unidos a su ncleo y es difcil o imposible sacarlos de sus orbitas. En un cuerpo conductor los electrones estn flojamente unidos a su ncleo, inclusive muchas veces se movilizan y cambia de ncleo en forma casual; aunque siempre que un tomo adquiere un electrn cede otro para mantener la neutralidad.

Ahora es fcil entender que si un cuerpo con electrones en exceso se une a una barra de cobre, este cuerpo transfiere algunos de sus electrones de modo que el nuevo cuerpo con el agregado de la barra de cobre tiene caractersticas negativas distribuidas uniformemente por todo el cuerpo compuesto. Es decir que la barra de cobre es tambin negativa y por lo tanto al acercarla al cuerpo positivo, establecer la circulacin de electrones.

En cambio la barra de vidrio no acepta que sus electrones se muevan de tomo en tomo y por lo tanto el cuerpo con exceso de electrones no puede influir sobre ella. Estos dos conceptos de cuerpos aisladores y conductores son fundamentales en nuestra especialidad.

Ejemplos de cuerpos conductores son por ejemplo los metales como el cobre, el aluminio, la plata, el oro, etc. Pero debemos aclarar que no solo los metales son conductores; algunos lquidos tambin lo son. Dejemos el caso obvio de los metales lquidos a temperatura ambiente como el mercurio. Algunos lquidos compuestos como los cidos, las bases y las sales disueltas (como el agua salada) son conductores, aunque no tan buenos como los metales. Tambin existen slidos conductores como por ejemplo el grafito (un estado de agregacin del carbono).

Como ejemplo de aisladores podemos indicar, al vidrio, los materiales plsticos y el agua destilada. En realidad son aisladores hasta cierto punto. En efecto si un cuerpo esta muy cargado de electricidad y la barra aisladora no es muy larga puede ocurrir un efecto de circulacin disruptiva que perfora el aislador y lo vuelve conductor. En general esta circulacin se produce con presencia de ruido, efectos luminosos y trmicos dando lugar a lo que se llama una descarga elctrica y en muchos casos el cuerpo aislador queda definitivamente transformado en un conductor.

Este efecto no requiere en realidad a la barra aisladora; el propio aire entre los dos cuerpos cargados puede oficiar de conductor si la carga de los cuerpos es suficientemente alta. En este caso se producen arcos a travs del aire de los cuales los relmpagos son una manifestacin natural que se produce debido a la carga elctrica de las nubes de tormenta.

Inclusive se puede formar un arco en el vaco. En efecto un cuerpo cargado muy negativamente puede rechazar tanto su exceso de electrones que estos son capaces de adquirir suficiente energa como para saltar el espacio vaco. El arco que se observa visualmente como una lnea luminosa y el ruido que se produce son causados por los electrones circulantes a gran velocidad y en gran cantidad.

1.3 LA CORRIENTE ELCTRICA

Los electrones que circulan entre dos cuerpos cargados con cargas opuestas, al unirlos con un conductor, forman lo que clsicamente se conoce como corriente elctrica. Es decir que circulacin de electrones y corriente elctrica son sinnimos. Por lo general cuando se trata de fenmenos electrostticos se habla de circulacin de cargas o de electrones y cuando los procesos son continuos se habla de corriente elctrica.

La corriente de agua que circula por un cao se mide en litros/Seg. En que se mide la corriente electrica? Es evidente que se podra medir en electrones/Seg. pero la carga de un electrn es tan pequea que los nmeros seran muy altos, es decir que la unidad electrones/Seg. no es prctica. Inclusive la unidad de carga elctrica de un cuerpo cargado por frotamiento medida en electrones es ya un nmero muy alto.

Por todo esto se idearon unidades prcticas tanto para la cantidad de electricidad o carga elctrica como para la corriente elctrica dndole a esas unidades el nombre de diferentes cientficos que trabajaron con los fenmenos elctricos.

La unidad practica de corriente elctrica es el Coulomb (culombio) y es igual a 6,28 1018 electrones (6 trillones 228.000 electrones) o 6.280.000.000.000.000.000 electrones.

La unidad prctica de corriente elctrica es el Amper y es igual a un Coulomb por segundo. Para simplificar la notacin se utilizan letras para representar a los diferentes conceptos y unidades. Por ejemplo a la carga siempre se la representa por la letra Q y a su unidad prctica por las letras Cb. La corriente elctrica se representa por una I y a su unidad por una A. A la unidad de tiempo se la representa con la t minscula (porque se reserva la T mayscula para la temperatura) Con estas representaciones se puede escribir que la corriente elctrica I = Q/t medida en Cb/Seg o la unidad equivalente A.

Las unidades siempre involucran los mltiplos y submltiplos de las mismas. En electrnica se utilizan por lo general los submultimplos del A es decir el mA (miliamper) y el uA (microamper) en la siguiente tabla se pueden observar estas equivalencias.

SIMBOLOPOT DE 10EQUIV. mAEQUIV. uANOMBRE

1 A100 A10001.000.000AMPER

1 mA10-3 A11.000MILIAMPER

1 uA10-6 A0,0011MICROAMPER

1.4 LA ELECTRICIDAD DINMICA

La electricidad dinmica se produce cuando existe una fuente permanente de electricidad que provoca la circulacin permanente de electrones por un conductor. Las fuentes permanentes de electricidad se dividen en qumicas y electromecnicas.

Una pila elctrica es una fuente qumica de electricidad. Dentro de la pila se generan reacciones qumicas cuyo resultado es la produccin de electrones. Estos electrones estn disponibles para que circulen por ejemplo por un conductor, pero a diferencia de un cuerpo cargado esa fuente de electrones no se agota. Cuando se los utiliza la pila vuelve a generar mas electrones que reemplazan a los tomados. Podra considerarse que la pila tiene en su interior tanto un cuerpo con exceso de electrones (el terminal negativo) como un cuerpo con falta de electrones (el terminal positivo) y que la pila transforma energa qumica en elctrica como para tomar un electrn del terminal negativo y subirlo hasta el positivo.

Una dnamo es una maquina electromecnica que transforma energa mecnica de rotacin en energa elctrica. Hace lo mismo que la pila, es decir que la podemos asimilar a dos cuerpos cargados con diferente polaridad en donde las cargas que circulan son reemplazadas a medida que se van tomando. En este caso la energa necesaria para restaurar las cargas se saca de una interaccin magntica entre los electrones y el campo magntico rotatorio de la dnamo.

Con la electricidad dinmica se arriba a otro concepto que es la capacidad de un generador de producir una circulacin de corriente permanente. De que depende la corriente elctrica que circula entre dos cuerpos cargados? Depende de la diferencia de carga existente entre esos cuerpos y del tipo de barra con la cual interconectamos a los mismos. No hace falta en realidad que uno de los cuerpos sea negativo y el otro positivo. Si uno est muy lleno de electrones y el otro solo tiene un pequeo exceso de electrones y se conectan con una barra conductora, la misma equilibrar las cargas de modo que ambos cuerpos tendrn luego de un tiempo una cantidad de electrones promedio. Se puede decir por lo tanto que la circulacin de corriente depende de la diferencia de potencial elctrico entre los dos cuerpos (cuanto mas cargado esta un cuerpo que el otro) y del tipo de barra utilizada para establecer la unin entre los cuerpos. Hablamos de potencial porque un cuerpo cargado tiene una energa potencial, en el sentido de que si no colocamos la barra no hay circulacin y por lo tanto la electricidad no puede generar trabajo de ningn tipo.

Los diferentes tipos de barras utilizados para hacer circular las cargas y las diferentes tipos de fuentes generan el concepto de la diferencia de potencial elctrico y de la resistencia de la barra que analizaremos a continuacin.

1.5 RESISTENCIA ELCTRICA

La caracterstica mas importante de lo que hasta ahora llamamos barra es su capacidad para nivelar las cargas de los cuerpos con mayor o menor velocidad. Intuitivamente sabemos que si coloco una barra de cobre las cargas se nivelan rpidamente; en cambio si coloco una barra de grafito las cargas pueden tardar mucho mas en nivelarse (dependiendo del tipo de grafito). En el primer caso decimos que la barra de cobre tiene muy poca resistencia a la circulacin de la corriente elctrica y el segundo que el grafito presenta mas resistencia a la circulacin de los electrones.

Como hara Ud. para comparar la resistencia a la circulacin electrnica de diferentes materiales? Lo lgico sera realizar probetas idnticas y operar por comparacin. En el fondo lo que hace es muy parecido pero mas cientfico.

Se define a una probeta del material como un alambre de 1 metro de longitud con una seccin de 1 mm2 y se dice que la resistencia especifica de ese material es unitaria cuando el resistor tiene una resistencia de 1 Ohms. La letra elegida para nombrar a la resistencia es R. La formula que da la resistencia en funcin de la resistencia especifica del material y las dimensiones del mismo es la siguiente:

R = Re.L / S en donde Re es la resistencia especifica del material

En la tabla siguiente expresamos la resistencia especifica de los materiales mas comunes.

MATERIAL CONDUCTORRESISTENCIA ESPECIFICA (L = 1 m S = 1mm2)

PLATA0,016 Ohms

COBRE0,018

ALUMINIO0,03

HIERRO0,1

NIQUEL0,13

ESTAO0,142

BRONCE0,17

PLOMO0,20

Tabla de resistencias especificas

En electrnica se hace un uso enorme de barras de diferente resistencia. Tanto, que en realidad se define un componente llamado resistor, que puede tener valores especficos de resistencia que difieren entre si en un 1%, en un 5% o un 10% de acuerdo con su calidad. Estos resistores estn construidos con grafito y poseen terminales de cobre para su soldadura en circuitos impresos con cobre sobre una lamina aislante.

La unidad Ohm representada por la letra griega Omega tiene por supuesto mltiplos y submltiplos como el Amper. Las siguientes igualdades nos indican los mltiplos y submltiplos mas utilizados:

Miliohm: 1000 m = 1

Kiloohm: 1 K = 1.000

Megaohm: 1 M = 1.000.000

1.6 LA TENSIN ELCTRICA

Se dice que una fuente tiene una diferencia de potencial o tensin de 1 Voltio cuando al conectarle un resistor de 1 Ohms circula 1 A de corriente elctrica por el. La tensin de una fuente se individualiza por la letra E y su unidad el Voltio por la letra V. Las siguientes igualdades nos indican los mltiplos y submltiplos mas utilizados:

Microvolt: 1.000.000 uV = 1 V

Milivolt: 1.000 mV = 1 V

Kilovolt: 1 KV = 1.000 V

En realidad la tensin de una fuente y la diferencia de potencial no obedecen al mismo concepto. Entre ambas caractersticas existe una pequea diferencia que pasamos a explicar.

Toda fuente de electricidad posee una resistencia interna asociada que no puede ser evitada. Tomemos por ejemplo una pila del tipo A (las mas grandes usadas en linternas). Si medimos la tensin que entrega una pila nueva sin colocarle ningn resistor de carga, mediremos una tensin de exactamente 1,52V (la tensin depende de los materiales usados para su construccin, las pilas mas comunes utilizan grafito y zinc como electrodos y son las que dan exactamente esa tensin). Pero el grafito y el resto de los materiales que forman parte de la pila tienen cierta resistencia que debe ser considerada. En cambio si colocamos un resistor de carga de 1 Ohms la tensin de la pila se reduce a 1,3 V aproximadamente. Esto significa que esa pila tiene una resistencia interna que vamos a aprender a calcular posteriormente.

Por ahora podemos decir que la diferencia de potencial de la pila (o la tensin sin carga que es lo mismo) es de 1,52V y que la tensin cargada depende de la carga conectada, pero para una carga de 1 Ohm es de 1,3V.

Los generadores electromecnicos (dnamos) tambin poseen una diferencia de potencial y una tensin de trabajo con carga. En este caso la resistencia interna de la fuente est formada por la resistencia de los bobinados del dispositivo.

1.7 LA LEY DE OHM

Una de las leyes mas importante de la electrnica es la ley de Ohm. El conocimiento por parte del alumno de esta ley es imprescindible y su aplicacin no debe presentar ningn tipo de duda. Dudar en la aplicacin de la ley de Ohm implica que todo el conocimiento que posteriormente se adquiera estar viciado de nulidad. Por eso le pedimos que preste la mayor atencin y practique con la ley de Ohm hasta que no tenga la menor duda. En la prxima entrega vamos a insistir sobre el tema pero utilizando una herramienta invalorable para ello; el laboratorio virtual Live Wire muy difundido en la Argentina. Pero primero debemos captar el concepto a la antigua es decir utilizando solo nuestra capacidad de raciocinio.

La ley de Ohm es muy lgica e intuitiva y el alumno seguramente la va a entender con total facilidad. En la figura 1.7.1 se puede observar lo que en electrnica se llama un circuito.

Fig. 1.7.1 Circuito de una pila cargada con un resistor

Evidentemente se trata de un dibujo esquematizado de la realidad. En lugar de dibujar una pila real, un resistor real y los cables que conectan a esos componentes se los reemplaza por un esquema fcil de dibujar. A la derecha se puede observar el smbolo de un resistor y a la izquierda el de una pila unido por lneas que representan a los cables del circuito o a las pistas del circuito impreso de cobre. Inclusive siempre se dibuja la pila de modo que la raya mas larga sea el terminal positivo de la misma.

En este circuito estn claramente determinados dos parmetros mas importantes. La tensin de la pila y la resistencia del resistor conectado sobre ella y que por supuesto tiene aplicada la misma tensin que tiene la pila. Ignoramos la corriente que circula por el circuito. La ley de Ohm nos permite calcularla mediante una ecuacin.

Ohm dice que I = E / R y esta formula es totalmente lgica porque a medida que la resistencia R aumenta se reduce la corriente circulante I y viceversa. Tambin nos indica que a medida que aumentamos la tensin E aumentar la corriente y viceversa.

Calculemos la corriente circulante en nuestro sencillo circuito:

I = 1,5V / 1 Kohm o I = 1,5V / 1.000 Ohms = 0,0015 A = 1,5 mA

La ley de Ohm no solo sirve para calcular la corriente por el circuito. Podra ocurrir que en realidad conozcamos la tensin de la pila y queremos que circule una determinada corriente por el circuito (por ejemplo 2 mA) quedando como incgnita el valor del resistor. Realizando una transposicin de trminos podemos decir que:

R = E / I y reemplazando R = 1,5V / 2 mA => R = 0,75 Koms = 750 Ohms

Por ltimo podra ocurrir que conozcamos el valor de R y de I y necesitemos calcular el valor de la tensin de la pila. Por ejemplo si R = 2K y I = 2 mA se puede calcular que:

E = R x I y reemplazando E = 2K x 2 mA = 2000 x 0,002 = 4 V

Le pedimos al alumno que aplique la ley de Ohm para diferentes valores de E, R y I para que tome confianza con el tema. Y sobre todo le pedimos que intente el uso de notacin cientfica para resolver los circuitos con mayor rapidez y seguridad. Le aconsejamos que dentro de sus posibilidades compre una calculadora cientfica para realizar las prcticas. O si tiene una PC que utilice la calculadora cientfica que viene con el Window.

1.8 CONCLUSIONES

Y as entramos en tema. En esta unidad didctica aprendimos los principios de la electrnica de un modo prctico y sencillo. Tal ves el alumno se encuentre con dificultades para realizar los clculos de ley de Ohm; si ese es su problema no se preocupe que en la prxima unidad didctica vamos a ensearle a utilizar el laboratorio virtual Live Wire que le permitir verificar los clculos realizados.

Pero recuerde que un programa no puede pensar por Ud.. El laboratorio virtual lo va a ayudar en la medida que Ud. comprenda las leyes de la electrnica con toda claridad. Si Ud. no le puede plantear los problemas al laboratorio virtual, con toda seguridad l no lo podr ayudar en nada

Curso completo de electrnica bsica (Leccin 2)

En la primer leccin aprendimos qu es la electricidad y las principales ecuaciones que se producen en un circuito bsico. En esta leccin vamos a realizar nuestro primer trabajo prctico en un laboratorio virtual LW para afianzar los conocimientos adquiridos hasta aqu.Diagramas y manuales de servicio

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Leccion 1

1.1 Introduccin

1.2 La electricidad esttica

1.3 La corriente elctrica

1.4 La electricidad dinmica

1.5 Resistencia elctrica

1.6 La tensin elctrica

1.7 La ley de Ohm

1.8 Conclusiones

Leccin 2

2.1 Introduccin

2.2 Instalacin y prueba de Live Wire

2.3 Simulacin del circuito elemental

2.4 Prctica real

2.4 Conclusiones

Leccin 3

3.1 Introduccin

3.2 La primera ley de Kirchoff

3.3 Simulacin de la primera ley de Kirchoff

3.4 Enunciado de la primera ley de Kirchoff

3.5 Segunda ley de Kirchoff

3.6 Trabajo prctico virtual

3.7 Conclusiones

2.1 INTRODUCCIN

Qu es un laboratorio virtual? Un laboratorio real es el lugar donde Ud. realiza los trabajos prcticos de su especialidad; en nuestro caso de electrnica. Consta de una mesa de trabajo con instrumentos y fuentes de energa elctrica regulables que suplantan a las pilas. Tambin cuenta con un lugar donde se guardan los componentes electrnicos que se van a utilizar en el trabajo prctico y las herramientas necesarias para hacer las correspondientes conexiones entre ellos. Un laboratorio muy bsico debe contar con un tester que permita medir por lo menos R,V e I y un conjunto de resistores de diferentes valores para este primer trabajo prctico.

Ud. debe dentro de lo posible construir su propio laboratorio. Lo que indicamos hasta ahora puede tener un valor de unos pocos pesos. 15$ para el tester y unos 30 para la fuente regulada. Los resistores tienen un valor poco mas que anecdtico. Lo que Ud. va a hacer en su laboratorio es realizar conexiones y medir tensiones corrientes y resistencias con el tester.

No sera lindo que nosotros podamos realizar el trabajo prctico en forma virtual antes de realizarlo en forma real. De ese modo evitamos accidentes propios de su inexperiencia que podran deteriorar los instrumentos de su laboratorio.

Esa posibilidad existe en el mundo desde hace unos 10 aos, aunque es prcticamente desconocida en Amrica latina. Su laboratorio real tiene un equivalente dentro de la PC, si Ud. tiene cargado alguno de los laboratorios virtuales conocidos hasta el momento. Nosotros vamos a trabajar en un principio con el Live Wire, un laboratorio excelente para los principios bsicos de la electrnica. Los programas se caracterizan por su nombre y su versin. En nuestro caso utilizaremos el Live Wire (en adelante LW) en su versin profesional 1.11 pero prcticamente salvo algunos componentes, las versiones anteriores son perfectamente compatibles y las explicaciones son prcticamente idnticas.

2.2 INSTALACIN Y PRUEBA DEL LIVE WIRE

Un programa requiere una instalacin antes de ser usado. La instalacin del LW es prcticamente automtica Ud. indica instalar y el programa hace todo lo dems. Cuando termine la instalacin aparecer un icono en la pantalla como el indicado en la figura 2.2.1.

Fig.2.2.1 Icono del LW

Picando con el pulsador de la izquierda del mouse (a partir de ahora PIM) sobre este icono, aparecer la pantalla del LW que puede considerarse como un laboratorio bsico con todo lo necesario para realizar nuestra primera prctica y todas las siguientes. Ver la figura 2.2.2.

Fig.2.2.2 Pantalla inicial de LW

Es posible que al iniciar el trabajo no aparezca el bloque Gallery de la derecha que representa la estantera donde estn guardados los instrumentos y los materiales. En ese caso pique sobre Wiew arriba a la izquierda y se desplegar una pantalla en donde debe tildar Gallery. Al salir de la pantalla desplegable aparecer la mencionada estantera. Ver la fig.2.2.3.

Fig.2.2.3 Pantalla desplegable Wiew predisponiendo Gallery

Los componentes e instrumentos estn ordenados dentro de esta estantera de modo que Ud. pueda encontrarlos fcilmente. Le aconsejamos picar en la flecha desplegable dirigida hacia abajo para observar todas las alternativas posibles. Fig.2.2.4.

Fig.2.2.4 Pantalla desplegable de Gallery

En nuestro primer trabajo prctico vamos a trabajar con una fuente de tensin (Power Supplies); resistores, que se encuentran en componentes pasivos (Passive Components) y un tester que se encuentra en Measuring.Ver fig.2.2.5.

Fig. 2.2.5 Componentes desconectados

Ud puede sacar esos componentes picando sobre PIM y trasladando sobre la parte activa de la pantalla que representa a su mesa de trabajo. Y ahora solo basta con unir los componentes con cables virtuales realizando el circuito de la figura 2.2.6.

Fig.2.2.6. Componentes conectados

Para conectar los componentes pulse PIM sobre una punta del componente y arrastre hasta el otro componente que desea conectar, all suelte y la conexin quedara terminada. Luego puede picar sobre los cables y acomodarlos. Si desea realizar un tendido con un cambio de direccin suelte momentneamente donde desee cambiar y luego vuelva a pulsar y terminar la conexin.

Con todo esto podemos decir que la instalacin y la prueba ya esta terminada. En la siguiente seccin aprenderemos a usar el LW.

2.3 SIMULACION DEL CIRCUITO ELEMENTAL

Pique dos veces con el PIM sobre la batera y aparecer una ventanita en donde aparece el valor de la tensin de la misma. Ver la figura 2.3.1.

Fig.2.3.1 Cambio del valor de los componentes

Todos los componentes presentan una pantalla similar en donde se pueden cambiar su cdigo de posicin dentro del circuito (en este caso B1 de batera 1) o el valor de tensin (en este caso cambiar 9V por 1,5V). E inclusive se puede poner algn mensaje explicativo en la ventana caption. En nuestro caso el resistor no necesita modificacin porque su valor por defecto es el que necesitamos.

Si Ud. desea ubicar los textos en una posicin diferente solo necesita pulsar con PIM sobre el valor y correrlo. Pulse F9 para que comience la simulacin. De inmediato observar dos cosas. Dentro del tester aparece el numero 1,5 indicando la tensin de la pila. Y en la parte de abajo del marco observar una ventanita marcada Time que indica el tiempo de la simulacin que por lo general difiere del tiempo real dependiendo de la velocidad de la computadora. En el presente trabajo prctico la corriente y la tensin se establecen de inmediato. Pero posteriormente veremos otros circuitos en donde los parmetros son una funcin del tiempo transcurrido.

Si Ud. desea saber como circula la corriente por este circuito solo tiene que pulsar sobre la pestaa current flow del margen izquierdo. Observar que el fondo cambia a negro y se observan puntos que representan grupos de electrones circulando por el circuito. Reduzca a 100 Ohms el valor del resistor y observar como aumenta la corriente por los conductores la pila y el resistor. Para conocer el valor de la tensin respecto del negativo de la pila y el valor de la corriente solo debe arrastrar la flecha hasta el punto en donde desea hacer la medicin. Ver la figura 2.3.2.

Fig.2.3.2 Circulacin de la corriente y valores de tensin con 100 Ohms

Pruebe cambiar el valor de la pila y observar inmediatamente el resultado sobre la corriente. Por qu no hay circulacin de corriente hacia el tester? En realidad existe una pequea corriente por el tester pero la misma es tan pequea que se la suele considerar despreciable. En efecto un tester digital normal suele tener una resistencia interna equivalente muy alta, del orden de los 4 Mohms o mas dependiendo de su costo. Entonces es fcil entender que los electrones al llegar a un nodo (palabra equivalente a nudo) desde la batera, circulan en su gran mayora por el resistor que ofrece poca resistencia y muy pocos a travs del tester.

Si Ud. desea tener una indicacin permanente de la tensin y la corriente puede recurrir a la colocacin de los llamados instrumento de panel. Son equivalentes a aquellos que se utilizan atornillados a un tablero, e indican su parmetro en forma permanente. Detenga la simulacin apretando control F9 y agregue un voltmetro y un ampermetro de panel. Ver la figura 2.3.3.

Fig.2.3.3 Colocacin de un ampermetro y un voltmetro

Observe que ambos instrumentos indican permanentemente los parmetros del circuito y permiten determinar un valor y ajustar otro para conseguir un determinado nivel en el tercero, sin realizar ninguna operacin matemtica. Por ejemplo si coloco una batera de 12V que valor de resistencia debo colocar para que circulen 1,5 mA?

Simplemente cambie la tensin de batera a 12V. y luego coloque una resistencia cualquiera. Por ejemplo 200 Ohms. Observe la corriente. Su valor obtenido inmediatamente es de 60 mA. Demasiado alto. Poniendo 2K la corriente se establece en 6 mA (observe que no hace falta detener la simulacin para cambiar un valor). Ya estamos mas cerca, pero aun el resistor es demasiado alto. Como el sistema es lineal de inmediato nos damos cuenta que para que la corriente baje a 3 mA debo duplicar la resistencia y para lograr 1,5 mA debo duplicarla nuevamente. Por lo tanto probamos con 8K.

En el laboratorio virtual encontramos resistores de todos los valores pero en la realidad solo se encuentran aquellos que corresponde con la serie 1 1.2 1,5 - 1,8 - 2,2 2,7 3,3 3,9 4,7 5,6 6,8 - 8,2 y 10 es decir que en nuestro caso lo mas cercano que podremos colocar en la realidad es de 8,2 K. Si lo hacemos la corriente se establece en 1,46 mA. Si es aceptable se lo deja as. En caso contrario queda un recurso que es conectar un resistor de alto valor R2 en paralelo con el resistor R1 de modo tal que se pueda ajustar la corriente al valor requerido. Ver la figura 2.3.4.

Fig.2.3.4 Ajuste de la corriente con valores normalizados de resistencia

Cual es el valor real de los dos resistores en paralelo? Mas adelante veremos que existe una formula de clculo pero el laboratorio virtual permite realizar sencillamente la medicin a condicin de que se desconecte una de las patas del resistor. En la figura 2.3.5 se puede observar como se realiza tal medicin. El tester debe predisponerse como hmetro pulsando sobre l con el botn derecho del mouse (BDM). Luego se elige Ohm y se arranca la simulacin con F9.

Fig.2.3.5 Medicin de la resistencia equivalente paralela

Como se puede observar se obtiene el valor original de 8Koms.

Un caso muy particular ocurre con la medicin de corriente. Ya vimos que los medidores de tensin o voltmetros, tienen una resistencia interna equivalente a varios megohms para que su inclusin en el circuito no modifique las caractersticas del mismo. Por la misma razn, un medidor de corriente o ampermetro debe tener un bajo valor de resistencia, ya que siempre se lo conecta en serie con el circuito. Dada esa caracterstica, si por error se lo conecta sobre la fuente, circula una corriente muy elevada que quema el instrumento. Por esa razn los ampermetros de hasta 1 A incluidos en un tester, tienen un fusible de 2 amperes.

En la figura 2.3.6 se puede observar el circuito necesario para que ocurra una dramatizacin de este hecho, en donde conectamos un ampermetro sobre una fuente, pero mostrando el fusible como un componente externo. El fusible se encuentra al final de la seccin power supplies de Gallery.

Fig.2.3.6. Ampermetro mal conectado

Luego se debe entrar en las pestaas desplegables superiores y elegir explosions de acuerdo a la figura 2.3.7.

Fig.2.3.7 Predisposicin explosiva

Cuando comience la simulacin con F9 se producir la quemadura inmediata del fusible indicando el error de conexin.

2.4 PRACTICA REAL

No hay mucho para agregar en la practica real que sea diferente a la prctica simulada. Simplemente debemos armar el circuito de prueba en una plaqueta perforada y luego realizar las mediciones. El tester digital real tiene una perilla selectora de funciones, ella permite predisponer el tester como voltmetro, como ampermetro o como hmetro, seleccionando adems el valor de escala en cada caso. Es muy comn que por razones de seguridad, se utilicen dos bornes diferentes del tester para la medicin de corriente y de tensin.

Realice la practica de ajustar la corriente a 1,5 mA cuando la tensin de fuente es de 12V, para familiarizarse con los valores de resistencia de la serie del 5% que es la mas utilizada habitualmente.

2.4 CONCLUSIONES

En esta unidad didctica aprendimos a utilizar una poderosa herramienta de estudio que es el laboratorio virtual LW. En realidad solo vislumbramos su utilidad, porque lo empleamos para resolver un circuito muy elemental. Cuando los circuitos se hagan mucho mas complicados el uso de los laboratorios virtuales resultar prcticamente imprescindible para obtener una solucin simple y rpida a todos nuestro problemas.

Le aconsejamos al lector que practique con su laboratorio virtual porque ese es el mejor modo de aprender. Este curso no es un curso para leer, es un curso para practicar, primero en forma virtual y luego en forma real. Cumpla con todas las modalidades si pretende aprender realmente.

Curso completo de electrnica bsica (Leccion 3)

En entregas anteriores conocimos la ley de Ohm y realizamos una prctica virtual de confirmacin de la misma utilizando el laboratorio virtual Live Wire. En esta leccin vamos a conocer las leyes de Kirchoff para completar sus conocimientos bsicos de electricidad.Diagramas y manuales de servicio

Cansado de perder dinero por falta de informacin tcnica? El Club de Diagramas dispone de miles de diagramas y manuales de servicio que lo asistirn en sus reparaciones. Invierta en su negocio afilindose al Club de Diagramas: www.clubdediagramas.comIndice

Leccion 1

1.1 Introduccin

1.2 La electricidad esttica

1.3 La corriente elctrica

1.4 La electricidad dinmica

1.5 Resistencia elctrica

1.6 La tensin elctrica

1.7 La ley de Ohm

1.8 Conclusiones

Leccin 2

2.1 Introduccin

2.2 Instalacin y prueba de Live Wire

2.3 Simulacin del circuito elemental

2.4 Prctica real

2.4 Conclusiones

Leccin 3

3.1 Introduccin

3.2 La primera ley de Kirchoff

3.3 Simulacin de la primera ley de Kirchoff

3.4 Enunciado de la primera ley de Kirchoff

3.5 Segunda ley de Kirchoff

3.6 Trabajo prctico virtual

3.7 Conclusiones

3.1 INTRODUCCIN

Las leyes (o Lemas) de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchoff en 1845, mientras an era estudiante. Son muy utilizadas en ingeniera elctrica para obtener los valores de la corriente y el potencial en cada punto de un circuito elctrico. Surgen de la aplicacin de la ley de conservacin de la energa.

Estas leyes nos permiten resolver los circuitos utilizando el conjunto de ecuaciones al que ellos responden. En la entrega anterior Ud. conoci el laboratorio virtual LW. El funcionamiento de este y de todos los laboratorios virtuales conocidos se basa en la resolucin automtica del sistema de ecuaciones que genera un circuito elctrico. Como trabajo principal la PC presenta una pantalla que semeja un laboratorio de electrnica pero como trabajo de fondo en realidad esta resolviendo las ecuaciones matemticas del circuito. Lo interesante es que lo puede resolver a tal velocidad que puede representar los resultados en la pantalla con una velocidad similar aunque no igual a la real y de ese modo obtener grficos que simulan el funcionamiento de un osciloscopio, que es un instrumento destinado a observar tensiones que cambian rpidamente a medida que transcurre el tiempo.

En esta entrega vamos a explicar la teora en forma clsica y al mismo tiempo vamos a indicar como realizar la verificacin de esa teora en el laboratorio virtual Live Wire. Si Ud. aun no tiene cargado el Live Wire en su computadora lo invitamos a hacerlo utilizando el demo gratuito del mismo bajado de la pagina de su desarrollador: www.new-wave-concepts.com . Este demo le permite dibujar y correr los circuitos tal como si fuera el programa real, salvo que los mismos no pueden ser guardados ni impresos. Esto no es un impedimento real en nuestro caso en donde los circuitos analizados solo tienen unos pocos componentes.

3.2 LA PRIMERA LEY DE KIRCHOFF

En un circuito elctrico, es comn que se generen nodos de corriente. Un nodo es el punto del circuito donde se unen mas de un terminal de un componente elctrico. Si lo desea pronuncie nodo y piense en nudo porque esa es precisamente la realidad: dos o mas componentes se unen anudados entre s (en realidad soldados entre s). En la figura 3.2.1 se puede observar el mas bsico de los circuitos de CC (corriente continua) que contiene dos nodos.

Fig.3.2.1 Circuito bsico con dos nodos

Observe que se trata de dos resistores de 1Kohms (R1 y R2) conectados sobre una misma batera B1. La batera B1 conserva su tensin fija a pesar de la carga impuesta por los dos resistores; esto significa cada resistor tiene aplicada una tensin de 9V sobre l. La ley de Ohm indica que cuando a un resistor de 1 Kohms se le aplica una tensin de 9V por el circula una corriente de 9 mA (I = V/R = 9/1.000 = 0,009 A = 9 mA).

Por lo tanto podemos asegurar que cada resistor va a tomar una corriente de 9mA de la batera o que entre ambos van a tomar 18 mA de la batera. Tambin podramos decir que desde la batera sale un conductor por el que circulan 18 mA que al llegar al nodo 1 se bifurca en una corriente de 9 mA que circula por cada resistor, de modo que en el nodo 2 se vuelven a unir para retornar a la batera con un valor de 18 mA. Ver la figura 9.2.2.

Fig.3.2.1 Aplicacin de la primera ley de Kirchoff

Es decir que en el nodo 1 podemos decir que I1 = I2 + I3 y reemplazando valores: que 18 mA = 9 mA + 9 mA y que en el nodo 2 I4 = I2 + I3 . Es obvio que las corriente I1 e I4 son iguales porque lo que egresa de la batera debe ser igual a lo que ingresa.

3.3 SIMULACIN DE LA PRIMERA LEY DE KIRCHOFF

Invoque el LW pulsando sobre el correspondiente icono de su pantalla. Dibuje el circuito de la figura 3.2.1. Luego pulse la tecla F9 de su PC para iniciar la simulacin. Como no se utiliz ningn instrumento virtual no vamos a observar resultados sobre la pantalla. Pero si Ud. pulsa sobre la solapa lateral marcada Current Flow observar un dibujo animado con las corrientes circulando y bifurcndose en cada nodo.

Para conocer el valor de la corriente que circula por cada punto del circuito y la tensin con referencia al terminal negativo de la batera, no necesita conectar ningn instrumento de medida. Simplemente acerque la flecha del mouse a los conductores de conexin y el LW generar una ventanita en donde se indica V e I en ese lugar del circuito. Verifique que los valores de corriente obtenidos anteriormente son los correctos.

Para detener la simulacin solo debe pulsar las teclas Control y F9 de su PC al mismo tiempo.

3.4 ENUNCIADO DE LA PRIMERA LEY DE KIRCHOFF

La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes. Del mismo modo se puede generalizar la primer ley de Kirchoff diciendo que la suma de las corrientes entrantes a un nodo son iguales a la suma de las corrientes salientes.

La razn por la cual se cumple esta ley se entiende perfectamente en forma intuitiva si uno considera que la corriente elctrica es debida a la circulacin de electrones de un punto a otro del circuito. Piense en una modificacin de nuestro circuito en donde los resistores tienen un valor mucho mas grande que el indicado, de modo que circule una corriente elctrica muy pequea, constituida por tan solo 10 electrones que salen del terminal positivo de la batera. Los electrones estn guiados por el conductor de cobre que los lleva hacia el nodo 1. Llegados a ese punto los electrones se dan cuenta que la resistencia elctrica hacia ambos resistores es la misma y entonces se dividen circulando 5 por un resistor y otros 5 por el otro. Esto es totalmente lgico porque el nodo no puede generar electrones ni retirarlos del circuito solo puede distribuirlos y lo hace en funcin de la resistencia de cada derivacin. En nuestro caso las resistencias son iguales y entonces enva la misma cantidad de electrones para cada lado. Si las resistencias fueran diferentes, podran circular tal ves 1 electrn hacia una y nueve hacia la otra de acuerdo a la aplicacin de la ley de Ohm.

Mas cientficamente podramos decir, que siempre se debe cumplir una ley de la fsica que dice que la energa no se crea ni se consume, sino que siempre se transforma. La energa elctrica que entrega la batera se subdivide en el nodo de modo que se transforma en iguales energas trmicas entregadas al ambiente por cada uno de los resistores. Si los resistores son iguales y estn conectados a la misma tensin, deben generar la misma cantidad de calor y por lo tanto deben estar recorridos por la misma corriente; que sumadas deben ser iguales a la corriente entregada por la batera, para que se cumpla la ley de conservacin de la energa.

En una palabra, que la energa elctrica entregada por la batera es igual a la suma de las energas trmicas disipadas por los resistores. El autor un poco en broma suele decir en sus clases. Como dice el Martn Fierro, todo Vatio que camina va a parar al resistor. Nota: el Vatio es la unidad de potencia elctrica y ser estudiado oportunamente.

3.5 SEGUNDA LEY DE KIRCHOFF

Cuando un circuito posee mas de una batera y varios resistores de carga ya no resulta tan claro como se establecen la corrientes por el mismo. En ese caso es de aplicacin la segunda ley de kirchoff, que nos permite resolver el circuito con una gran claridad.

En un circuito cerrado La suma de las tensiones de batera que se encuentran al recorrerlo siempre sern iguales a la suma de las cadas de tensin existente sobre los resistores. En la figura 3.5.1 se puede observar un circuito con dos bateras que nos permitir resolver un ejemplo de aplicacin.

Fig.3.5.1. Circuito de aplicacin de la segunda ley de Kirchoff

Observe que nuestro circuito posee dos bateras y dos resistores y nosotros deseamos saber cual es la tensin de cada punto (o el potencial), con referencia al terminal negativo de B1 al que le colocamos un smbolo que representa a una conexin a nuestro planeta y al que llamamos tierra o masa. Ud. debe considerar al planeta tierra como un inmenso conductor de la electricidad.

Las tensiones de fuente, simplemente son las indicadas en el circuito, pero si pretendemos aplicar las cadas de potencial en los resistores, debemos determinar primero cual es la corriente que circula por aquel. Para determinar la corriente, primero debemos determinar cual es la tensin de todas nuestras fuentes sumadas. Observe que las dos fuentes estn conectadas de modos que sus terminales positivos estn galvnicamente conectados entre si por el resistor R1. esto significa que la tensin total no es la suma de ambas fuentes sino la resta. Con referencia a tierra, la batera B1 eleva el potencial a 10V pero la batera B2 lo reduce en 1 V. Entonces la fuente que hace circular corriente es en total de 10 1 = 9V . Los electrones que circulan por ejemplo saliendo de B1 y pasando por R1, luego pierden potencial en B2 y atraviesan R2. Para calcular la corriente circulante podemos agrupar entonces a los dos resistores y a las dos fuentes tal como lo indica la figura 3.5.2.

Fig.3.5.2 Reagrupamiento del circuito

El circuito de la figura 3.5.1 es igual al circuito de la figura 3.5.2? No, este reagrupamiento solo se genera para calcular la corriente del circuito original. De acuerdo a la ley de Ohms I = Et/R1+R2 porque los electrones que salen de R1 deben pasar forzosamente por R2 y entonces es como si existiera un resistor total igual a la suma de los resistores R1 + R2 = 1100 Ohms. Se dice que los resistores estn conectados en serie cuando estn conectados de este modo, de forma tal que ambos son atravesados por la misma corriente igual a I = (10 1) / 1000 + 100 = 0,00817 o 8,17 mA.

Ahora que sabemos cual es la corriente que atraviesa el circuito podemos calcular la tensin sobre cada resistor. De la expresin de la ley de Ohm I = V/R se puede despejar que V = R . I y de este modo reemplazando valores se puede obtener que la cada sobre R2 es igual a VR2 = R2 . I = 100 . 8,17 mA = 817 mV y del mismo modo VR1 = R1 . I = 1000 . 8,17 mA = 8,17 V. Estos valores recin calculados de cadas de tensin pueden ubicarse sobre el circuito original con el fin de calcular la tensin deseada. Ver la fig. 3.5.3.

Fig.3.5.3 Circuito resuelto

Observando las cuatro flechas de las tensiones de fuente y de las cadas de tensin se puede verificar el cumplimiento de la segunda ley de Kirchoff, ya que comenzando desde la masa de referencia y girando en el sentido de las agujas del reloj podemos decir que 10V 8,17V 1V 0,817 = 0 V o realizando una transposicin de trminos y dejando las fuentes a la derecha y las cadas de tensin a la izquierda podemos decir que la suma de las tensiones de fuente 10V 1V es igual a la suma de las cadas de tensin o diferencias de potencial 8,17V + 0,817 = 8,987 aproximadamente 9V.

Y adems podemos calcular fcilmente que la tensin sobre la salida del circuito es de 0,817V + 1V = 1,817V con la polaridad indicada en el circuito es decir positiva.

3.6 TRABAJO PRACTICO VIRTUAL

Nuestro trabajo prctico consiste en dibujar el circuito en el LW. Activarlo con F9 y recorrerlo con el cursor anotando las cadas de tensin y la corriente en cada punto del mismo. Se podr verificar el cumplimiento estricto de los valores calculados.

Posteriormente lo invitamos a resolver otro circuito que es el indicado a continuacin para el cual le damos una ayuda. Ver la figura 3.6.1.

Fig.3.6.1 Circuito para resolver por el alumno

La ayuda que le vamos a dar es la siguiente. Considere al circuito completo como construido con dos mayas. La maya I y la maya II. Resuelva la corriente en la malla I solamente, suponiendo que la II esta abierta. Luego haga lo propio con la malla II; cada malla va a generar una corriente por R3. Smelas considerando sus sentidos de circulacin y obtendr la corriente real que la recorre cuando las dos mallas estn conectadas y de all podr calcular la cada de tensin sobre R3. Luego debe obtener las otras cadas de tensin y establecer la segunda ley de Kirchoff. Por ltimo calcular la tensin de salida V1.

Luego dibuje el circuito en el LW y verifique que el resultado hallado corresponda con el circuito virtual y por supuesto con la realidad.

3.7 CONCLUSIONES

De este modo ya estamos en poder de valiosas herramientas de trabajo que se utilizan todos los das en la resolucin de circuitos electrnicos simples, que ayudan al reparador a determinar los valores de tensin y corriente, existentes en los circuitos.

En la prxima entrega, vamos a trabajar con fuentes de tensin alterna aplicadas a circuitos con resistores. Posteriormente, vamos a presentarle los dos componentes pasivos que acompaan al resistor en los circuitos mas comunes: el capacitor y el inductor y en poder de todo este conocimiento, le vamos a explicar como armar y probar su primer dispositivo til; una radio elemental que nos permitir conocer conceptos muy importantes de la electrnica.