guia laboratorio 1 de electrónica nueva

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INTRODUCCION Debido a la importancia que presenta el Laboratorio I de Electrónica en la formación del estudiante de la F.I.E.T. como el primer espacio en su carrera donde tiene la oportunidad de aplicar los conceptos básicos de sistemas y circuitos electrónicos previamente adquiridos y plantear sus primeras soluciones a sistemas hardware (HW), es indispensable que adquiera experiencia en los procedimientos metodológicos formales para enfrentarse ante situaciones cotidianas; ya sea técnicas o situaciones personales, logrando una solución adecuada con eficiencia y con objetividad. Por ello, este documento tiene como objetivo presentar al estudiante una guía formal para enfrentar proyectos de pequeña complejidad empleando la metodología TOP-DOWN y generar un buen desarrollo del sistema complementado con una fuerte documentación, en la cual sustente y evalúe los criterios técnicos que los llevaron al planteamiento de la solución. Además, se forme al estudiante para que en el proceso de desarrollo de cada práctica recurra a criterios de eficiencia en los recursos (tanto humanos como técnicos), y

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INTRODUCCION

Debido a la importancia que presenta el Laboratorio I de Electrónica en la formación del

estudiante de la F.I.E.T. como el primer espacio en su carrera donde tiene la oportunidad de

aplicar los conceptos básicos de sistemas y circuitos electrónicos previamente adquiridos y

plantear sus primeras soluciones a sistemas hardware (HW), es indispensable que adquiera

experiencia en los procedimientos metodológicos formales para enfrentarse ante situaciones

cotidianas; ya sea técnicas o situaciones personales, logrando una solución adecuada con

eficiencia y con objetividad.

Por ello, este documento tiene como objetivo presentar al estudiante una guía formal para

enfrentar proyectos de pequeña complejidad empleando la metodología TOP-DOWN y

generar un buen desarrollo del sistema complementado con una fuerte documentación, en la

cual sustente y evalúe los criterios técnicos que los llevaron al planteamiento de la solución.

Además, se forme al estudiante para que en el proceso de desarrollo de cada práctica

recurra a criterios de eficiencia en los recursos (tanto humanos como técnicos), y adquiera

compromisos con el cumplimiento de metas específicas y el seguimiento de un plan de

trabajo detallado.

Además de la presentación teórica de los conceptos metodológicos se describe a nivel de

ejemplo el desarrollo del diseño de un sistema HW básico, con el objetivo de lograr que el

estudiante comprenda claramente el sentido y filosofía de la metodología TOP-DOWN.

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1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVOS GENERALES

Fortalecer en el estudiante una metodología formal de diseño para desarrollar proyectos de

pequeña complejidad que integren elementos de desarrollo HW, permitiéndole afianzar y

ampliar los conceptos adquiridos en las materias Electrónica Básica, Circuitos Analógicos

básicos y Sistemas Digitales Simples.

Fortalecer al estudiante en el desarrollo de prácticas que le permitan realizar un verdadero

trabajo en grupo, donde se aplique la división de tareas considerando conocimientos,

aptitudes y cualidades individuales, lo cual incluye: toma de decisiones, búsqueda, análisis y

selección de documentación e información requerida.

1.2 OBJETIVOS PARTICULARES

Trabajar con componentes electrónicos básicos desde un punto de vista práctico, en donde el

estudiante plantee con objetividad soluciones a problemas propuestos bajo una metodología

de trabajo TOP-DOWN; logrando con ellos eficiencia y desempeño en las funciones y tareas

y optimizando el uso de recursos humanos, HW y costos.

Utilizar software de simulación de circuitos electrónicos (Sugerido ISIS) como una

herramienta necesaria en la validación de un sistema diseñado, empleándose como una etapa

intermedia entre el proceso de diseño teórico y la fase de optimización práctica de la

solución circuital.

Realizar prácticas utilizando elementos discretos y de pequeña escala de integración tanto

analógicos como digitales, para la solución de problemas concretos.

Al finalizar el curso el estudiante debe estar en capacidad de realizar cualquier tipo de

aplicación utilizando dispositivos semiconductores discretos e integrados analógicos o

digitales de propósito general.

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2. PREREQUISITOS GENERALES

Para cumplir los objetivos de este laboratorio es indispensable para el estudiante:

Tener un conocimiento previo de circuitos básicos de uso general en electrónica, con

dominio suficiente para DISEÑAR e IMPLEMENTAR proyectos de pequeña complejidad;

incluidas las herramientas metodológicas de modularización en el planteamiento de

soluciones a pequeños sistemas HW..

Haber cursado satisfactoriamente la asignatura de Electrónica Básica y estar cursando las

materias de Circuitos Analógicos I y Sistemas Digitales I, con el objetivo de manejar con

claridad cualquier CI de mediana complejidad.

Utilizar eficaz y responsablemente el tiempo programado para COMPLEMENTAR y EJECUTAR

las prácticas propuestas para el laboratorio, disponiendo semanalmente de horarios

diferentes al horario presencial programado.

3. ESTRATEGIAS.

Para la realización de los proyectos del laboratorio se debe seguir como método de organización

de actividades la adopción de la metodología TOP-DOWN o proceso de lo General a lo

Particular, que brinda lineamientos generales para desarrollo de proyectos HW y/ó SW, y

además permite generar una adecuada documentación empleando términos normalizados.

Para lograr buenos resultados se requiere, no solamente el USO CONTINUO de las horas de

consulta programadas, las cuales permiten revisar y adecuar el contenido y el enfoque de los

proyectos planteados; sino lograr el intercambio continuo con el usuario (Docente). Es

responsabilidad de cada grupo mantener el ritmo y la secuencia del logro de los objetivos.

La entrega de documentos involucra una sustentación de éstos, donde todos los integrantes

deben mostrar un nivel homogéneo de conocimientos. El que se divida el trabajo por

especialidades o fortalezas dentro del grupo NO SIGNIFICA que deban desconocer el resto de

aspectos que involucra el laboratorio.

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4. LISTADO Y DESCRIPCIÓN DE LAS PRÁCTICAS DEL LABORATORIO.

En el Laboratorio I de Electrónica se plantea el desarrollo de diversas aplicaciones básicas

de sistemas HW de pequeña complejidad en donde se involucre los conceptos relacionados

con elementos semiconductores discretos e integrados de propósito general.

Dichas aplicaciones son presentadas como un requerimiento de un usuario cualquiera con

un grado de especificación muy básico y general con el objetivo que los dos (2) integrantes

del grupo desarrollador de la solución establezcan un contacto directo con su cliente y

depuren en conjunto las características que el producto final debe cumplir a cabalidad;

motivando así una fase inicial de investigación por parte de los estudiantes para aportar con

ideas novedosas al complemento de dichos requerimientos.

De acuerdo a las políticas del Departamento de Electrónica, Instrumentación y Control de

la FIET y con el objetivo de motivar a los estudiantes, es necesario renovar constantemente

el contenido de las prácticas de laboratorio, evitándose así que el trabajo se vuelva

monótono y repetitivo. Igualmente, el número de prácticas que se desarrollarán depende de

la complejidad de las mismas, pudiendo fluctuar entre cuatro (4) o cinco (5) requerimientos

HW de pequeña complejidad.

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5. METODOLOGIA

Para cumplir los objetivos del laboratorio los proyectos deben ser desarrollados mediante la

aplicación de la metodología TOP-DOWN, en la cual se definen las siguientes actividades

claves, con el objetivo de presentar una infraestructura metodológica unificada y elevar la

calidad de las soluciones a presentar:

A. Claridad del requerimiento: En esta primera fase los estudiantes realizarán un análisis

individual de las características del proyecto para posteriormente realizar la depuración de

los requerimientos de usuario con el cliente. Esta etapa inicial es totalmente informal pero

indispensable para que se cumplan los objetivos técnicos y metodológicos buscados por el

docente que en este caso cumple las funciones de director del proyecto y usuario.

B. Con pleno conocimiento de las funciones que debe realizar el sistema, se procederá a la

elaboración y entrega del diseño por parte de los integrantes del grupo, en la cual se

entregará el documento con todos y cada uno de los puntos a desarrollar explicados

detenidamente en la guía para la documentación incluida en este documento.

C. Los estudiantes deberán realizar la respectiva sustentación de dicho trabajo escrito y el

director del proyecto realizará la evaluación técnica del mismo, emitiendo las observaciones

que sean del caso y precisando las correcciones técnicas y metodológicas que deban hacerse

al documento de diseño. Producto de esta actividad y específicamente cuando se hayan

cumplido todos los objetivos de esta etapa de la metodología, el director del proyecto avalará

el desarrollo del mismo firmando la hoja que contiene el listado de componentes para que

los desarrolladores los reciban de parte del auxiliar de laboratorios, esto no excluye que

puedan montarse y/o probarse con anterioridad submódulos o prácticas totales con

elementos propios.

D. La etapa siguiente corresponde a la realización de la simulación del sistema, proceso en el

cual se deben elaborar modificaciones a los parámetros y elementos que se manejan,

analizando las implicaciones en el funcionamiento del sistema para lograr una eficiencia

teórica del sistema diseñado. Dichos cambios se deben tener en cuenta para el montaje final

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de la práctica. Esta etapa no es obligatoria para todas prácticas a desarrollarse en el

semestre, pero se espera que los desarrolladores de los proyectos sean consientes de las

grandes ventajas que obtienen al trabajar la simulación de un planteamiento teórico.

E. Posteriormente a la optimización del diseño utilizando un SW de simulación, los estudiantes

deberán ejecutar el plan de pruebas específico para la práctica (el cual ha sido definido en el

documento de diseño) para verificar en la práctica el correcto funcionamiento de los

módulos que constituyen todo el proyecto y que garantizan que todas y cada uno de los

requerimientos del usuario se cumplan. Cuando se haya verificado el completo

funcionamiento del sistema HW, se procederá a la respectiva sustentación de la

implementación final.

F. Finalmente, una semana después de haber realizado la sustentación del montaje del sistema,

se debe realizar el informe final de la práctica por parte de los integrantes del grupo, en la

cual se entregará el documento con todos y cada uno de los puntos a desarrollar explicados

detenidamente en la guía para la documentación incluida en este documento.

Es importante cumplir las siguientes observaciones generales en el desarrollo de los proyectos

de laboratorio:

Todo prediseño presentado al profesor debe ir acompañado de la respectiva simulación que

de soporte al diseño realizado y permita plantear una solución óptima soportada por una

herramienta de desarrollo software.

El día de la sesión de pruebas y entrega de la práctica los estudiantes DEBEN LLEVAR EL

CIRCUITO CABLEADO, debido a que las horas de laboratorio son para el análisis del

comportamiento del circuito, realización de pruebas, sustentación y análisis de los resultados

obtenidos

Durante el desarrollo del trabajo en el laboratorio, LA PUERTA DEBE PERMANECER

TOTALMENTE ABIERTA y solo pueden encontrarse en el laboratorio aquellos estudiantes que

tiene programada sesión ese día. El ingreso de personal diferente a hacer uso de los equipos

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debe ser previamente autorizado por el Profesor a cargo.

Las sesiones de laboratorio son de obligatoria asistencia en los horarios que se fijen para

cada grupo de trabajo.

El llegar tarde al inicio de la sesión de laboratorio, hará al estudiante acreedor de 2 faltas, si

su ausencia persiste al inicio del segundo bloque de dos horas, otras dos faltas le serán

anotadas

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6. CRONOGRAMA.

El cronograma de actividades variará de acuerdo al número de prácticas programadas en el semestre y la complejidad de las mismas. En seguida se presenta una propuesta general, en donde la sesión, su tipo y la semana académica a la que corresponde.

 Semanas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Tipo de Sesión                                

Introducción                                Entrega Diseño Práctica No1 con su sustentación, Trabajo en Laboratorio                                Trabajo en laboratorio y/o Simulación de la Práctica No1                                Trabajo en laboratorio y/o Simulación de la Práctica No1                                Entrega Práctica No1 / Sustentación, entrega de informe final de la práctica                                Entrega Diseño Práctica No 2con su sustentación, Trabajo en laboratorio

                               Trabajo en laboratorio y/o Simulación de la Práctica No2                                Entrega Práctica No2 / Sustentación, entrega de informe final de la práctica.                                Entrega Diseño Práctica No 3con su sustentación, Trabajo en laboratorio                                Trabajo en laboratorio y/o Simulación de la Práctica No3                                Trabajo en laboratorio y/o Simulación de la Práctica No3                                Entrega Práctica No3 / Sustentación, entrega de informe final de la práctica

                               Entrega Diseño Práctica No 4 con su sustentación, Trabajo en laboratorio                                Trabajo en laboratorio y/o Simulación de la Práctica No3                                Trabajo en laboratorio y/o Simulación de la Práctica No3      

                        

Entrega Práctica No4 / Sustentación, entrega de informe final de la práctica                                

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Los Informes finales de cada práctica deben ser entregados en la sesión siguiente a la sustentación del

montaje de la práctica correspondiente.

A continuación se explicará de manera general el objetivo de cada sesión:

SESIÓN 1. INTRODUCCIÓN.

En la primera reunión de laboratorio se realizará la presentación de los directores de los

proyectos, se elaborará una explicación de la metodología a seguir para enfrentar dichos

requerimientos y se detallarán los proyectos a realizarse en el semestre con una breve

descripción de los mismos. Se deberán conformar los grupos de trabajo cada uno de dos (2)

personas.

SESIÓN 2. ENTREGA DISEÑO PRÁCTICA NO1 CON SUS SUSTENTACIÓN.

Cada uno de los grupos presentará y sustentará con la documentación del caso, el diseño del

primer requerimiento del laboratorio para su discusión y depuración con el Profesor. Se

espera además del perfecto manejo de las características técnicas de la solución presentada,

claridad en los componentes, dispositivos y materiales que debe usar para verificar y

optimizar el sistema con su cronograma de actividades particular.

SESIÓN 3. SIMULACIÓN PRÁCTICA NO1 / PRUEBAS DEL MONTAJE PRÁCTICA NO1.

En esta sesión de laboratorio se sustentará la simulación de la solución al requerimiento

correspondiente a la primera práctica de laboratorio, en donde cada integrante del grupo

debe demostrar sus habilidades con el software de simulación y los fundamentos técnicos

relacionados con la solución HW y cada uno de los dispositivos que lo constituyen. Una

vez acabada dicha actividad pasarán a realizar pruebas del montaje HW correspondiente a

la práctica No1.

SESIÓN 4. ENTREGA PRÁCTICA NO1 / ENTREGA BORRADOR DISEÑO PRÁCTICA NO2.

Cada uno de los grupos sustentará los resultados obtenidos en el desarrollo de la práctica

No1, verificándose que el plan de pruebas definido se ha cumplido a cabalidad para la

verificación funcional del sistema. Además, en esta sesión se debe entregar una primera

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propuesta de diseño correspondiente a la práctica No2, para ello se espera que en semanas

anteriores los estudiantes hayan realizado la depuración técnica y funcional de este segundo

requerimiento con el usuario.

SESIÓN 5. ENTREGA DISEÑO PRÁCTICA NO2 / PRUEBAS DE MONTAJE PRACTICA NO2.

Cada uno de los grupos presentará y sustentará el documento de diseño de la práctica No2

para posteriormente realizar pruebas del montaje HW correspondiente a dicha práctica.

SESIÓN 6. PRUEBAS DE MONTAJE PRACTICA NO2.

En esta sesión de laboratorio los estudiantes realizarán las pruebas de los módulos

constitutivos a la solución circuital de la segunda práctica de laboratorio bien sea

directamente en el montaje y/o en la depuración de detalles utilizando herramientas de

simulación SW.

SESIÓN 7. SUSTENTACIÓN MONTAJE PRÁCTICA NO2.

Cada uno de los grupos sustentará los resultados obtenidos en el desarrollo de la práctica

No2, verificándose que el plan de pruebas definido se ha cumplido a cabalidad para la

verificación funcional del sistema.

SESIÓN 8. ENTREGA DE BORRADOR DEL DISEÑO DE PRÁCTICA NO3.

Cada uno de los grupos presentará y sustentará una primera propuesta de diseño

correspondiente a la práctica No3, presentando si es del caso documentos de referencia que

soporten los conceptos relacionados con la solución particular. Además deben demostrar la

suficiencia en los conceptos y parámetros relevantes de los elementos en los cuales se basa

la solución inicial planteada.

SESIÓN 9. ENTREGA DISEÑO PRÁCTICA NO3 / PRUEBAS DE MONTAJE PRACTICA NO3.

Cada uno de los grupos presentará y sustentará el documento de diseño de la práctica No3

para posteriormente realizar pruebas del montaje HW correspondiente a dicha práctica.

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SESIÓN 10. PRUEBAS DE MONTAJE PRACTICA NO3.

En esta sesión de laboratorio los estudiantes realizarán las pruebas de los módulos

constitutivos a la solución circuital de la segunda práctica de laboratorio bien sea

directamente en el montaje y/o en la depuración de detalles utilizando herramientas de

simulación SW.

SESIÓN 11. SUSTENTACIÓN MONTAJE PRÁCTICA NO3.

Cada uno de los grupos sustentará los resultados obtenidos en el desarrollo de la práctica

No3, verificándose que el plan de pruebas definido se ha cumplido a cabalidad para la

verificación funcional del sistema.

SESIÓN 12. ENTREGA DE BORRADOR DEL DISEÑO DE PRÁCTICA NO4.

Cada uno de los grupos presentará y sustentará una primera propuesta de diseño

correspondiente a la práctica No4, presentando si es del caso documentos de referencia que

soporten los conceptos relacionados con la solución particular. Además deben demostrar la

suficiencia en los conceptos y parámetros relevantes de los elementos en los cuales se basa

la solución inicial planteada.

SESIÓN 13. ENTREGA DEL DISEÑO DE PRÁCTICA NO4. / PRUEBAS DE MONTAJE PRACTICA

NO4.

Cada uno de los grupos presentará y sustentará el documento de diseño de la práctica No4

para posteriormente realizar pruebas del montaje HW correspondiente a dicha práctica.

SESIÓN 14. SUSTENTACIÓN MONTAJE PRÁCTICA NO4.

Cada uno de los grupos sustentará los resultados obtenidos en el desarrollo de la práctica

No4, verificándose que el plan de pruebas definido se ha cumplido a cabalidad para la

verificación funcional del sistema.

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7. FECHAS DE ENTREGA DE DOCUMENTOS.

A continuación se deja el campo para que los desarrolladores de los proyectos tengan una

referencia exacta de las fechas y horas definidas por el director respectivo para realizar la

entrega de los documentos de diseño e informe final para cada una de las prácticas:

DOCUMENTO FECHA HORA

DISEÑO PRÁCTICA NO1

DISEÑO PRÁCTICA NO2

INFORME PRÁCTICA NO1

DISEÑO PRÁCTICA NO3

INFORME PRÁCTICA NO2

DISEÑO PRÁCTICA NO4

INFORME PRÁCTICA NO3

INFORME PRÁCTICA NO4

8. EVALUACION.

Las sustentaciones de la simulación y del circuito cableado son de carácter INDIVIDUAL, así

como TODAS las actividades programadas (Según el cronograma) y la objetividad en las

consultas.

LA NOTA DE CADA PRÁCTICA SE FORMA DE ACUERDO A LA SIGUIENTE DISTRIBUCIÓN:

DISEÑO: 20 %

RESULTADOS PRÁCTICOS: 20 % (simulación y montaje).

SUSTENTACIÓN INDIVIDUAL: 40% (simulación y montaje).

INFORME FINAL: 20 %

La nota definitiva del laboratorio será distribuida dependiendo del número de prácticas y

complejidad de las mismas.

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PRIMER PARCIAL. 35%, Conformado por las notas obtenidas en la práctica 1

y 2.

SEGUNDO PARCIAL. 35%, Conformado por la nota obtenida en la segunda

práctica.

NOTA FINAL 30%, Conformada por la nota obtenida en la última práctica.

9. GUIA PARA EL DOCUMENTO DE DISEÑO.

9.1. PORTADA: Debe contener entre otros: Curso específico, Nombre de la práctica y de los

estudiantes que realizan el proyecto.

9.2. OBJETIVOS: Plantear de manera clara los propósitos generales y específicos que se buscan

alcanzar con la realización de cada cada práctica.

9.3. ESPECIFICACIONES: Inicialmente se presentan todos los datos y necesidades particulares

del requerimiento suministrados por el cliente donde se puntualiza lo que el usuario desea

del producto, identificándose claramente las señales de entrada y salida generales del

sistema con las funciones específicas que este debe cumplir. Posteriormente, se define y

elabora el diagrama en submódulos interno del sistema, donde cada uno de estos bloques

provee una función definida anteriormente, detallándose igualmente los tipos de señal y

forma de onda de las señales de entrada y salida de cada submódulo.

9.4. DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL CIRCUITO SELECCIONADO: Como ya se ha definido la

función y las características de las señales de entrada y salida para cada submódulo, se

procede a seleccionar una solución circuital apropiada para cada uno de ellos; circuito que

deberá cumplir cabalmente con todas las funciones que el módulo debe realizar, por tanto

es indispensable sustentar los conceptos y características de funcionamiento del diseño

presentado, elaborando un análisis de funcionamiento de cada submódulo según una

aproximación circuital de la solución.

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9.5. CALCULO DE COMPONENTES: Como resultado del análisis de funcionamiento del circuito

seleccionado para cada submódulo se establecerán las ecuaciones y consideraciones de diseño

para realizar el calculo de elementos presentando un enfoque teórico (no deducir); por tanto si en

este proceso es necesario utilizar algún criterio de diseño este debe ser sustentarlo técnicamente

basándose en los conceptos teóricos relevantes e implicaciones que dicho valor representa al

funcionamiento del circuito.

9.6. CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS: En esta parte del documento se debe justificar

la selección de los elementos y dispositivos que se han escogido para la realización del

montaje del sistema, proporcionando los parámetros relevantes en los conceptos teóricos

relacionados con el sistema que son entregados por el fabricante.

9.7. DIAGRAMA ELÉCTRICO TOTAL: Debe presentarse el esquema circuital TOTAL del

sistema a implementar en el laboratorio, en el cual se deben relacionar los valores de los

elementos e identificar los Circuitos Integrados y sus pines e conexión.

9.8. PLAN DE PRUEBAS Y DATOS ESPERADOS: Este es un componente muy importante en el

desarrollo del diseño del sistema debido a que en este momento se debe definir Clara y

puntualmente los procesos y el método que se va a ejecutar para verificar el funcionamiento

del sistema HW. Por tanto, se debe realizar una planeación gradual de los procedimientos

de validación de cada submódulo y del sistema total, precisando los valores esperados y

formas de onda en las señales de entrada y salida de cada submódulo y del sistema

completo.

9.9. APLICACIONES DEL SISTEMA DISEÑADO: Se deben enumerar las posibles utilidades que

presenta el sistema completo y si es del caso de algunos submódulos independientes.

9.10. LISTADO DE ELEMENTOS: Se debe suministrar la lista de componentes para autorizar

la entrega por parte del Auxiliar de laboratorio.

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9.11. BIBLIOGRAFÍA.

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10. GUIA PARA EL DOCUMENTOS DE INFORME FINAL.

10.1 PORTADA: Debe contener entre otros: Curso específico, Nombre de la práctica y de los

estudiantes que realizan el proyecto.

10.2. ANÁLISIS DE PROBLEMAS Y SOLUCIONES DADAS : En este punto se explicarán los

problemas presentados en el desarrollo de la práctica y se justificarán las estrategias utilizadas

para resolver dichos inconvenientes técnicos y/o administrativos.

10.3. SUSTENTACIÓN DE LAS MODIFICACIONES REALIZADAS AL CIRCUITO: Se deben

justificar los cambios que se realizaron en el proceso de optimización del funcionamiento

del sistema, bien sea en el proceso de simulación como en el proceso de montaje HW. Si se

ha realizado el cambio en la solución presentada a un submódulo del sistema, este se debe

sustentar elaborando su análisis de funcionamiento y cálculo de componentes.

10.4. DIAGRAMA FINAL ELÉCTRICO TOTAL: Se relaciona el diagrama circuital final después de

haber realizado la depuración y optimización del sistema.

10.5. ANÁLISIS Y RESULTADOS DEL PLAN DE PRUEBAS : Según el plan de pruebas definido

se deben presentar los resultados del plan de pruebas propuesto en el ítem 9.8 del

documento de diseño consignándose:

Resultado de la Prueba.

Señales de entrada y de salida obtenidas.

Formas de onda de las señales de entrada y salida obtenidas.

Niveles de entrada y salida medidos.

10.6. SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES.

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11. EJEMPLO DE DOCUMENTO DE DISEÑO.

Este ítem del documento guía de laboratorio I de Electrónica tiene como objetivo presentar

como ejemplo el desarrollo de la documentación de diseño para que el estudiante

comprenda claramente las etapas relacionadas con la metodología TOP/DOWN para el

desarrollo de aplicaciones HW. Realizar un ejemplo del documento de Informe Final no

tiene ningún sentido por cuanto las experiencias, problemas, soluciones y conclusiones que

se presentan son particulares así se esté desarrollando la misma práctica.

REQUERIMIENTO DE USUARIO:

Desarrollar una fuente de poder DC regulada, que cumpla como mínimo las siguientes

características:

Regulación basada exclusivamente en diodo zéner.

Potencia mínima de salida: 2.5 W a 0.5 Amps.

Criterios de eficiencia en los elementos utilizados.

Facilidades involucradas para su operación: Niveles, mandos, etc.

Características previas definidas tales como: Distorsión, Rizado, Región Zéner, entre

otros

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DOCUMENTO DE DISEÑO

11.1. OBJETIVOS

Diseñar una fuente regulada, que cumpla con las especificaciones dadas por el usuario.

Utilizar los conocimientos adquiridos en el curso de Electrónica Básica para fortalecer y

aplicar los fenómenos de rectificación, filtrado y regulación de una señal AC.

Adquirir destreza en los conocimientos teóricos acerca de los dispositivos electrónicos

(estudiados en la materia Electrónica Básica) y sus diversas configuraciones según la

aplicación.

Observar el comportamiento y la respuesta de un elemento para un sistema determinado

usando como medio la utilidad de simulación P-Spice.

Analizar las condiciones y diversos parámetros que permiten la mejor región de

operación para un dispositivo, y por consiguiente, la mayor estabilidad a los cambios

que pueda sufrir el diseño.

Adquirir habilidad y destreza para solucionar los problemas que se presentan a través de

todas las fases de un diseño, para así formular soluciones que conlleven al éxito del

funcionamiento del circuito.

Implementar el circuito de tal manera que tengamos en cuenta los criterios de eficiencia

y desempeño.

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11.2. ESPECIFICACIONES

El usuario desea una fuente de poder DC regulada, cuya regulación esté basada

exclusivamente en diodo zéner para entregar una potencia mínima de salida: 2.5 W a 0.5

Amps. Teniéndose como entrada la señal de línea que presenta 110Vrms a 60 Hz. Por tanto

el sistema debe entregar un voltaje constante a una carga delimitada por los valores de

salida anteriormente predefinidos.

Para poder satisfacer las necesidades de usuario es necesario en primera instancia reducir

los valores de voltaje de la señal de entrada a la fuente de poder regulada para convertirla

en una señal pulsante bien sea eliminando los semiciclos negativos o aprovechando toda la

señal y convertirla en una señal unipolar. Posteriormente es necesario regular ese voltaje

para que la señal de salida presente la menor variación posible.

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A continuación se presenta el diagrama de bloques, en el que se sintetizan las funciones

anteriormente descritas y se establecen los submódulos usados para el diseño de una fuente

regulada:

MODULO 1: Reducción. Reduce la tensión de la señal de la red eléctrica a un nivel de

voltaje deseado. La señal de entrada es un onda senoidal de valor 110 Vrms y la señal de

salida es una onda del mismo tipo con un valor de 11 Vrms.

MODULO 2: Rectificación. La tensión de salida es una onda sinosoidal rectificada

completa con un valor de pico aproximadamente igual a la tensión de pico del secundario.

La frecuencia del rizado es el doble de la frecuencia de la red.

MODULO 3: Filtro. Logra que la tensión de naturaleza sinusoidal se vuelva una señal

casi continua que la caracteriza un pequeño rizado.

MODULO 4: Regulador. Mantiene ya un nivel constante en la carga o en su defecto con

un rizado mínimo.

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11.3. DISEÑO Y JUSTIFICACIÓN DEL CIRCUITO SELECCIONADO

11.3.1. MODULO 1: REDUCCIÓN.

Para este módulo se usará un transformador que se encargará de reducir el voltaje del

primario corresponde al voltaje de la red (110 Vrms) entregando un voltaje en el

secundario de valor 11 Vrms, por tanto este elemento debe presentar una razón de vueltas

de 1 : 10.

Para el resto del diseño se continuará trabajando con un voltaje pico, y por eso se hace

necesario multiplicar por 2 el voltaje del secundario del transformador.

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11.3.2. MODULO 2: RECTIFICADOR.

Está constituido por un puente de diodos que se encargará de hacer una rectificación de

onda completa con el objetivo de aprovechar los dos semiciclos de la señal entregada por el

módulo anterior.

En este caso el voltaje de entrada es una onda sinusoidal variable en el tiempo, se realiza

rectificación de onda completa para evitar perdidas en la señal de entrada y de esta manera

el proceso de conversión de AC a DC se hace más fácil, no se usa un rectificador de

media onda porque se estaría “perdiendo” la mitad de la señal antes de establecer el nivel

de DC deseado; utilizar la rectificación de onda completa mejora en un 100% el nivel DC

obtenido a partir de la entrada sinusoidal.

A pesar de que el voltaje rectificado no es un voltaje filtrado, contiene una componente DC

y una componente de rizo; una ventaja de la señal rectificada de onda completa es que

tiene menos rizo que una señal rectificada de media onda y por eso resulta mejor para

aplicar a un filtro.

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11.3.3. MODULO 3: FILTRO.

Se utiliza un filtro de capacitor simple para generar un voltaje DC, presentándose una salida

con un nivel de rizado elevado para el objetivo propuesto.

El voltaje obtenido a la salida del rectificador es un voltaje DC pulsante y oscilante, el

filtro proporcionará un voltaje DC más estable. Tanto más pequeño sea la variación AC

con respecto al nivel DC, mejor será la operación del circuito con filtro.

No se debe olvidar que valores altos de capacitancia producen menos rizo y la acción del

rizo será mejor. Por esta razón el condensador usado será de tipo electrolítico.

11.3.4. MODULO 4: REGULADOR.

Para este módulo se ha escogido la configuración del regulador de voltaje en serie, porque

proporciona un voltaje de DC de salida que está regulado o se mantiene a un valor

establecido aún si el voltaje de entrada varía o si cambia la carga conectada a la salida.

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La resistencia limitadora corresponde a Rs y su función es regular la corriente dirigida al

zéner.

Si la fuente de alimentación no está provista de regulación, la corriente continua de salida

variará con los cambios en la resistencia de carga y con las fluctuaciones en el voltaje de

entrada. Para contrarrestar esas variaciones se hace uso de un diodo zéner en paralelo que

permite regular el voltaje.

El transistor cumple tres funciones importantes, se usa para absorber la diferencia entre el

voltaje de entrada y el de salida, se comporta como un impulsor de corriente y disipador de

potencia para proteger el zéner y además actúa como una resistencia variable y al modificar

el voltaje colector emisor, se regula el voltaje hacia la carga.

Debido a los requerimientos de potencia se necesita un disipador de calor para evitar el

calentamiento del transistor y así asegurar que el sistema trabaje confiablemente sin la

dependencia del tiempo de uso.

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11. 4. CALCULO DE COMPONENTES

A continuación se presenta un análisis del circuito diseñado con los respectivos cálculos teóricos que permiten

determinar el valor de los elementos a usar :

La señal de entrada es de 120 Vrms tomados de la red eléctrica local (condición del problema). Se

utilizará un transformador cuya relación de vueltas es de 10 a 1 obteniendo de esta forma 12 Vrms.

De acuerdo con las mallas que se presentan en el puente de diodos para los semiciclos positivos y

negativos, se encuentra el voltaje rectificado Vi´ con la ecuación:

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Para efectos del manejo de una alta corriente de salida, es conveniente usar un diodo zéner de 1W. En este

caso se asumió un voltaje de zéner nominal de 12 V para obtener el zéner fácilmente en el comercio, ya que

zéners de voltajes inferiores se encuentran pero con una potencia menor y corren mayor riesgo de quemarse.

Iz min = 10% de Iz máx

Para el voltaje de salida:

Una de las condiciones del problema es que la corriente en la carga sea de 450 mA, en este caso iL es la

misma corriente de emisor y además se sabe que

Teniendo Ilmáx se puede calcular Ilmín mediante un criterio que dice que Ilmín es el 10% de Ilmáx.

Este criterio se deduce al observar la relación que existe entre las corrientes del transistor.

Conocida la corriente en el colector se puede hallar la corriente en la base mediante la relación

El transistor mas comúnmente usado es el 2N2222 , cuyo = 200

“Observando” las diferentes corrientes que circulan por el circuito, se puede notar que:

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Para efectos prácticos en este circuito, se usará la corriente Is de 83.52 mA, puesto que en el circuito se van a

manejar corrientes considerables.

Ahora, Rs = ¿

En el circuito se puede observar que: Vs = VCB

Teniendo presente que el voltaje que llega al filtro puede presentar un rizo, como condición de diseño se

asumirá que vale 1 V

Planteando una ecuación de malla en la parte externa del circuito regulador, se puede encontrar el valor del

voltaje colector-emisor :

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Se puede encontrar el valor del voltaje colector-base a partir de una ecuación que se observa en el transistor :

Teniendo el voltaje colector-base se pueden calcular directamente los valores de la resistencia Rs:

NOTA: Conociendo Ismáx e Ismin, se halla el valor de Rs para una corriente que esté entre los valores

máximo y mínimo para evitar que el zéner se dañe. El valor asumido para esta corriente es 60 mA (Se

encuentra entre 83.33mA y 10.55 mA).

C = ¿

Para diseñar el valor del condensador se debe tener en cuenta la siguiente ecuación :

Sabiendo que

Se tiene:

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donde f1 = 60 Hz, entonces f2 = 120 Hz

11.5. CARACTERISTICAS DE LOS ELEMENTOS

Transformador : Este dispositivo hace parte de los materiales del laboratorio de la

Facultad. Tiene por objeto cambiar el número de fases y la tensión de la fuente AC

(100 Vrms), por un número de fases mayor y por una tensión conveniente AC (10

Vrms) para el funcionamiento del rectificador.

Diodos rectificadores : Son diodos comúnmente de Silicio cuyo voltaje de umbral es

0.7 V, reciben el nombre de diodos rectificadores por emplearse en el proceso de

rectificación, sus valores nominales de potencia y corriente son por lo general mucho

mas altos que los de los diodos utilizados en otras aplicaciones.

Capacitor : Se utilizará un condensador electrolítico porque el valor de capacitancia

empleado el bastante alto.

Diodo zéner : Es un diodo que regula 6.8v con capacidad máxima de manejo de

potencia de 1 vatio.

Transistor (TIP31) : Es un transistor NPN de Silicio amplificador de potencia.

(Ver especificaciones en la hoja tomada del manual ECG)

11.6. DIAGRAMA ELECTRICO TOTAL

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V1 : Fuente de voltaje (120 VAC)

TX1 : Transformador (12 VAC)

D1, D2, D3, D4 : Diodos rectificadores

C1 : Capacitor, C = 3536 uf

Rs : Resistencia limitadora, Rs = 60

Dz : Diodo zéner

Q1 : Transistor 2N2222

RL : Resistencia de carga, RL= 25

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11.7. PLAN DE PRUEBAS Y DATOS ESPERADOS

Para comprobar el funcionamiento de cada una de las etapas se utilizará como herramienta

básica de medida el Osciloscopio, debido a que es indispensable verificar formas de onda,

niveles de voltaje y de frecuencia en la respuesta de cada etapa.

SEÑAL DE ENTRADA: Inicialmente se debe determinar la señal real que proporciona

la red eléctrica local debido a que la señal de A.C. que en teoría presente 110Vrms a

60Hz es bastante inestable y depende de muchas condiciones externas.

TRANSFORMADOR: Este elemento debe recibir la señal de la red y presentar en sus

terminales de salida una señal A.C. bipolar reducida 10 veces y con igual frecuencia

con respecto a su entrada. Corroborándose que los voltajes se aproximen a los valores

indicados en el diseño y la forma de onda y su nivel ( onda de entrada y de salida ) se

mantengan.

RECTIFICADOR: Inicialmente se verificará la correcta conexión del puente de

diodos para obtener el funcionamiento adecuado, para posteriormente realizar el

análisis de la señal de salida la cual debe ser pulsante con rectificación de onda

completa y un voltaje de aproximadamente 15 Vp

FILTRO: Debe responder a las necesidades del circuito. Para la función de filtraje que

debe cumplir se ha trabajado de uso general, ya que presenta alta tolerancia de

capacidad en un pequeño volumen.

REGULADOR: Para este módulo inicialmente se debe comprobar la correcta conexión

de los elementos que los constituyen, a saber diodo zéner, transistor y carga. En seguida

se verificará la región de funcionamiento del diodo zéner la cual debe estar en los

límites definidos de regulación del elemento. Igual proceso se debe tener para observar

la respuesta del transistor

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Con el objetivo de obtener los propósitos expuestos anteriormente se analizarán las formas

de onda a la salida de cada módulo y se realizarán las mediciones de los siguiente

parámetros claves:

VRS VCAP VZ VO.

IS IZ IB IL.

Rizado en el Condensador =

Rizado en la carga =

Dichas medidas se van a realizar para las siguientes condiciones del sistema:

Rs mínimo

Rs máximo

Rs definida en el diseño.

RL mínima.

RL máxima.

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11.8. APLICACIONES DEL SISTEMA DISEÑADO

La fuente regulada se encarga de mantener un voltaje de salida regulado en un rango de

corrientes de carga. Conforme el voltaje de salida trata de variar, una parte de la corriente

se consume en los elementos del circuito para mantener el voltaje regulado a través de la

carga. Para cambios en la resistencia de carga se produce una variación en el voltaje

colector emisor del transistor que permite regular el voltaje suministrado a la salida.

El sistema diseñado se puede aplicar en la polarización de elementos (C.I.), o de circuitos

que necesiten un voltaje regulado constante. Por ejemplo, el caso de la familia de circuitos

integrados TTL que para un óptimo funcionamiento necesita una polaridad de 5 VDC, y se

podrían obtener mediante una re evaluación de dispositivos del circuito diseñado.

Una de las aplicaciones más importante, puede ser la de aplicar este sistema como supresor

de picos de voltaje, aprovechando las características del diodo zéner a los cambios bruscos

de voltaje.

11.9. LISTADO DE ELEMENTOS

ELEMENTO UNIDADES VALOR

Transformador 1

Puente de Diodos 1

Diodo zéner 1 5.6V 1W

Capacitores 1 2200 uf

Resistencias 2 10 . 180.

Transistor 1 =75

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11.9. BIBLIOGRAFIA

BOYLESTAD, Robert y NASHELSKY, Louis. Electrónica: Teoría de circuitos sexta

edición. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. Mexico 1997.

PHILIPS ECG. Semiconductor Master Replacement Guide. USA, 1995

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TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION.

1. OBJETIVOS. 2

1.1. OBJETIVOS GENERALES. 2

1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 2

2. PREREQUISITOS GENERALES. 3

3. ESTRATEGIAS. 3

4. LISTADO Y DESCRIPCIÓN DE LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO 4

4.1. PRÁCTICA NO1. 4

4.2. PRÁCTICA NO2. 5

4.3. PRÁCTICA NO3. 5

4.4. PRÁCTICA NO4. 6

5. METODOLOGÍA. 7

6. CRONOGRAMA. 8

7. FECHAS DE ENTREGA DE DOCUMENTOS. 13

8. EVALUACION. 13

9. GUIA PARA EL DOCUMENTO DE DISEÑO. 14

10. GUIA PARA EL DOCUMENTO DE INFORME FINAL. 16

11. EJEMPLO DE DOCUMENTO DE DISEÑO. 17

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UNIVERSIDAD DEL CAUCA

FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL

GUIA PARA EL LABORATORIO I DE ELECTRÓNICA

ING. OSCAR A. ROJAS

POPAYAN2000

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