Modulo Electronica y Electricidad SUBE Industrial 2013

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JULIO 2011 – PIURA FACULTAD DE INGENIERIA SISTEMA UNIVERSITARIO BASADO EN LA EXPERIENCIA (SUBE) CURSO: ELECTRONICA Y ELECTRICIDAD AUTOR: MG. ING. CARLOS E. ARELLANO RAMIREZ PIURA 2013

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Escuela de Ingeniería Industrial Curso: Electrónica y Electricidad

INGENIERIA ELECTRONICA

1. DATOS GENERALES:

1.1 Área curricular : SUBE1.2 N° de Horas : 60 Horas1.3 Duración : 04 Semanas1.4 Inicio : 13 de Abril 20131.5 Termino : 05 de Mayo 20131.6 Docente : Mg. Ing. CIP. Carlos Enrique Arellano Ramírez1.7 Email : [email protected] 969293152, *809890

2. FUNDAMENTACIÓN

El curso “Electrónica y Electricidad” busca desarrollar habilidades como interpretar, clasificar, diseñar, construir y explicar circuitos eléctricos y electrónicos que tiene aplicación en sistemas de supervisión y control de procesos industriales, manejo eficaz de la energía eléctrica y sistemas de seguridad industrial.

La presente asignatura permitirá a los estudiantes forjar el criterio suficiente que les facilite la toma de decisiones de carácter técnico y económico más adecuada, con la finalidad de optimizar los recursos energéticos y técnicos con los que cuenta la empresa.

El curso está desarrollado en dos unidades: La primera unidad trata sobre los circuitos eléctricos y el estudio dispositivos de estado sólido como son los diodos, transistores, así como sus aplicaciones.

La segunda unidad tarta sobre la electrónica digital y sus aplicaciones en los procesos industriales

3. COMPETENCIAS

3.1 Analiza, y aplica los conceptos básicos de electricidad y electrónica, resaltando su importancia y aplicación dentro de los circuitos y sistemas electrónicos industriales.

3.2 Diseña circuitos electrónicos y los compara estableciendo la idoneidad de su empleo y las diversas aplicaciones de cada uno de ellos en procesos industriales.

3.3 Desarrolla y analiza trabajos de investigación inherentes a la aplicación de los circuitos electrónicos en el campo de control y supervisión industrial, evaluando la importancia de estos para la comunidad empresarial regional y nacional

4. PROGRAMACIÓN ACADÉMICA

4.1. PRIMERA UNIDAD: CIRCUITOS ELECTRICOS Y DISPOSITIVOS DE ESTADO SOLIDO

Mag. Ing. Carlos Enrique Arellano Ramírez

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A. CAPACIDADESa.1 Reconoce en forma práctica y ensaya los diferentes dispositivos y

componentes eléctricos precisando sus características voltaje vs. Corriente.

a.2 Analiza y resuelve circuitos eléctricos, examinando los conceptos principales de los circuitos, resolviendo con practicidad los cálculos de voltajes y corrientes.

a.3 Es capaz de resolver circuitos eléctricos en DC aplicando cualquier método de análisis, así como el uso de los teoremas de los circuitos eléctricos

a.4 Reconoce en forma práctica y ensaya los diferentes dispositivos electrónicos como son: Diodos, Transistores, amplificadores, display, etc. precisando su aplicación en los sistemas eléctricos industriales.

a.5 Es capaz de analizar el funcionamiento de dispositivos de estado sólidoa.6 Es capaz de analizar y diseñar circuitos con dispositivos electrónicos de

estado sólido

B. ACTITUDESb.1 Demuestra interés en conocer en forma profunda el funcionamiento,

pruebas y aplicaciones de los circuitos eléctricos y dispositivos electrónicos.

b.2 Estudia y Asume la vital importancia de los circuitos eléctricos para un mejor manejo y análisis de los dispositivos electrónicos.

b.3 Participa, trabaja y colabora en equipo demostrando responsabilidad y capacidad de trabajo bajo presión.

C. CONTENIDOS

SEMANA CONTENIDOS FECHA

01

Variables eléctricas y leyes fundamentales de los circuitos eléctricos, propiedades de las resistencias, circuitos en paralelo y serie, divisor de voltaje.

Métodos de análisis para la solución de circuitos eléctricos. Teoremas de los circuitos. Ejercicios.

Taller resolución de Circuitos Eléctricos en DC.

Sábado 13/04

Práctica de Laboratorio: Manejo y Uso del Multímetro

Práctica de Laboratorio: Mediciones DC Resolución de ejercicios y aplicaciones

Domingo 14/01

02

Dispositivos de estado sólido. Diodos. Circuitos con diodos en CC y AC.

Transistores. Circuitos con transistores. Aplicaciones de los dispositivos de estado sólido en máquinas.

Sensores Eléctricos y sus aplicaciones Practica Dirigida

Sábado 20/04

Mag. Ing. Carlos Enrique Arellano Ramírez

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Taller de resolución de ejercicios Practica de Laboratorio: Ensayo de Diodos y sus

aplicaciones Practica de laboratorio: Ensayo de Transistores y

sus aplicaciones Taller de solución de ejercicios Examen Parcial

Domingo 21/04

EVALUACIÓN PU1

Cód. CAPACIDAD PRODUCTO FECHA

a.1 Informes de Laboratorios Se entrega un informe por cada experiencia de laboratorio

a.2 Práctica Dirigida Sábado 20 de Abril 2013

a.3,a.4,a.5,a.6,a.7 Evaluación Parcial Nº 1 Domingo 21 de Abril 2013

El Promedio de la Primera Unidad (PU1) del curso será obtenido de la siguiente manera:

PU1 = 0.2 AC1 + 0.3 PC + 0.5 EP1

Siendo:

AC1: Promedio de las notas de los informes de laboratorio

PC: Práctica Dirigida

EP1: Evaluación Parcial Nº 1

4.2. SEGUNDA UNIDAD: ELECTRONICA DIGITAL Y SUS APLICACIONES

A. CAPACIDADESa.1 Es capaz de conocer el funcionamiento de Las compuertas lógicasa.2 Es capaz de diseñar un sistema digitala.3 Conoce la amplia variedad de circuitos integrados y sus aplicacionesa.4 Investiga y Expone satisfactoriamente un tema de Investigación

B. ACTITUDESb.1 Demuestra mucho interés en conocer las tecnologías en circuitos

integrados y su gran diversidad de aplicación en sistemas electrónicos industriales.

b.2 Participa y trabaja en equipo demostrando responsabilidad y eficiencia.

Mag. Ing. Carlos Enrique Arellano Ramírez

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C. CONTENIDOS

SEMANA CONTENIDO FECHA

04

Sistemas de numeración digital Compuertas lógicas Diseño de sistemas digitales usando el

mapa de karnaugh. Practica de Laboratorio: Ensayo de

compuertas Practica de laboratorio: Diseño de

sistemas digitales Taller de solución de ejercicios

Sábado 27/04

Decodificadores y sus aplicaciones. Ensayo de Laboratorio

Flip-Flops y sus aplicaciones 555 Contadores y sus aplicaciones Ensayo de laboratorio de Contadores

Domingo 28/04

05

Exposiciones finales Implementación de circuito contador

digital Sábado 04/05

Examen final Examen sustitutorio

Domingo 05/05

EVALUACIÓN PU2

Cód. CAPACIDAD

PRODUCTO FECHA

a.4Exposición de trabajos de Investigación

Sábado 25 y Domingo 26 Según cronograma de exposición para cada grupo

a.1 y a.3 Informe de laboratorio Se entrega un informe por cada experiencia de laboratorio

a.2 Examen final y Proyecto Final Sábado 03 de Marzo y Domingo 04 de Marzo

El Promedio de la segunda unidad (PU2) del curso será obtenido de la siguiente manera:

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PU2 = 0.2 AC2 + 0.3 TI + 0.5 EF

Siendo:

AC1: Promedio de las notas de los informes de laboratorio y avances de proyecto.

TI: Trabajo de Investigación.

EF: Nota promedio entre examen final y proyecto

5. ESTRATEGIAS METODOLÓGICAS

Exposición y dialogo pedagógico de aspectos conceptuales.Desarrollo de problemas de aplicación.Diseño y construcción de circuitos aplicativos.Investigación bibliográfica.

6. MEDIOS Y MATERIALES

La asignatura se desarrollara utilizando:

1. Separatas entregadas por el profesor.2. Participación activa en plataforma Moodle3. Textos. Guías de Trabajo.4. Laboratorio de Electrónica5. Centro de Computo6. Multímetro, Protoboard, fuentes7. Accesorios y herramientas

7. EVALUACIÓN

7.1 CRITERIOS DE EVALUACIÓN

El Promedio Final (PF) del curso será obtenido de la siguiente manera:

PF=PU 1+PU 22

Siendo PU1, PU2 los promedios de cada una de las dos unidades de aprendizaje en que se divide el curso respectivamente.

La nota se considerará con un decimal en los promedios de unidad.La nota mínima aprobatoria es 10.5 y se redondeará al entero inferior o superior según corresponda.

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7.2 CONDICIONES DE EVALUACIÓN

Estar matriculado en el módulo.

El estudiante que haya acumulado más del 30% de inasistencias durante el desarrollo del curso será INHABILITADO, salvo que justifique sus inasistencias con el soporte de pruebas documentaria, caso en el cual, la justificación operará hasta un límite que no exceda el 20% del número total de clases. (Según el artículo 29 del Reglamento de Evaluación del Aprendizaje de la Universidad César Vallejo).

Es deber del estudiante con respecto a la evaluación: Cancelar las tasas que correspondan por evaluaciones especiales y estar al día en el pago de sus pensiones para poder ser evaluados. (Según Art. 40 inciso “d” del Capítulo II de los deberes y derechos de los estudiantes previsto en el Reglamento de Evaluación del Aprendizaje de la Universidad César Vallejo).

El primer y segundo promedio de unidad serán registrados considerando un (01) decimal y en el promedio final será redondeado, considerando el medio punto a favor del estudiante.

8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Nilsson, James W. y Riedel, Susan A. (2001) CIRCUITOS ELÉCTRICOS. 6ª. Ed. Naucalpan de Juárez, México: Pearsón Educación, XXXIII, 1029p. Código en biblioteca UCV: ELEC-01277

2. Neamen, Donald A. (1999) ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS. Vol 1. México, D.F., México: McGraw-Hill, Interamericana, XVIII, 538p. Código en biblioteca UCV: ELEC-0278

3. Boylestad, Robert L. (1998) ANALISIS INTRODUCTORIO DE CIRCUITOS. Naucalpan de Juárez: Prentice-Hall Hispanoamericana, XV, 1152p. Código en biblioteca UCV: ELEC-02270

4. Boylestad, Robert L. y Nashelsky. (2003) ELECTRONICA: TEORIA DE CIRCUITOS Y DISPOSITIVOS ELECTRONICOS. 8A. Ed. México: Pearson Educación, XX, 1020p. Código en biblioteca UCV: ELEC-02271

5. Edminister, Joseph A. y Nahvi, Mahmood. (1997) CIRCUITOS ELÉCTRICOS. 3ra. Ed. Madrid: McGraw-Hill Interamericana, XIV, 575p. Código en biblioteca UCV: ELEC-02309

6. Tocci, Ronald J. (1996) SISTEMAS DIGITALES. PRINCIPIOS Y APLICACIONES. 6ta. Ed. Naucalpan de Juárez, México: Prentice Hall Hispanoamericana, XVIII, 832p. Código en biblioteca UCV: ELEC-0279

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7. Floyd, Thomas L. (2008) DISPOSITIVOS ELECTRÒNICOS, 8ª Edición, Pearson Educación

8. BARRY B. BREY (2002). "Los microprocesadores del Intel" . Ed. Prentice Hall.

9. J.M. ANGULO USATEGUI Y I. ANGULO MARTINEZ (1999). Microcontroladores PIC. Diseño práctico de aplicaciones. Segunda Edición. Ed. McGraw-Hill. España.

10. MIGUEL ANGEL RODRIGUEZ-ROSELLO (1998). "Programación Ensamblador en entorno MS DOS". Ed.Anaya multimedia: Spain

11. STALLING, WILLIAM (2000). “Organización y Arquitectura de Computadores: Diseño para Optimizar prestaciones. 5ta. Ed. Madrid: Prentice Hall Hispanoamericana. 732 p. INSIS-01561.

12. MORRIS MANO (1997). Arquitectura del Computador. Ed. MC Grawn- Hill. México.

13. TANEMBAUM, ANDREW S (2000). “Organización de Computadoras”, un enfoque estructurado. 4ta ed.Naucalpan de Mexico. Prentice Hall. Hispanoamericana. 669 p. 004/T19

PÁGINAS WEB:

www.fceia.unr.edu.ar/enica3 www.datasheetarchive.com http://perso.wanadoo.es/luis_ju/soft/files/edigital.pdf http://pablin.com.ar http://www.dte.upct.es/docencia/temarios/tecn_electricidad_elect_dig/

HB4.htm http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg http://www.abcdatos.com/tutoriales/tutorial/z1230.html http://www.micropik.com/provisional/pag_sensores.htm http://www.uni.edu.pe/sitio/academico/facultades/electrica/ http://www.ing.ula.ve/~araujol/sd/programacion.htm http://www.ugr.es/~jmolinos/ http://www.todorobot.com.ar/proyectos/paralelo/paralelo.htm http://www.pdf-search-engine.com/arquitectura-del-computador-pdf.html http://www.geocities.com/TheTropics/2174/micro.html . http://www.abcdatos.com/tutoriales/electronicayelectricidad/electronica/

microcontroladorespic.html.

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CRITERIOS E INDICADORES DE EVALUACIÓN PARA EXPOSICIONES EN EQUIPO

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CRITERIOS INDICADORES PUNTAJE SUBTOTAL PONDERACIÓN TOTAL

Presentación

(Evaluación grupal)

Saluda respetuosamente a la audiencia 1

0,5

Presenta correctamente a los integrantes del equipo

1

Realiza un breve resumen del tema a tratar expresando un objetivo claro

1

Usa vestimenta adecuada para la ocasión 1

Organización

(Evaluación grupal)

Expone haciendo participar equitativamente a todos los integrantes del equipo

1

1

Demuestra orden y secuencia lógica de los procesos de exposición, durante el desarrollo del tema 1

Utiliza adecuadamente el tiempo establecido para la exposición

1

Utiliza suficiente y pertinente apoyo bibliográfico

1

Calidad de contenidos

(Evaluación grupal)

Presenta contenidos concretos, pertinentes y centrados con el tema

1

1

Presenta contenidos con sustento científico o estadístico, contrastables con las fuentes utilizadas

1

Realiza un buen desarrollo epistemológico y profundiza el tema

1

Presenta información actualizada 1

Uso de recursos y medios didácticos

(Evaluación grupal )

Utiliza apropiadamente los equipos multimedia, proyector, papelotes o pizarra durante la exposición.

1

0.5

Presenta ayudas de exposición bien diseñadas

1

Utiliza creativamente recursos y apoyo didáctico

1

Entrega material impreso del tema expuesto a la audiencia

1

Habilidades comunicativas

(Evaluación individual)

Explica en forma pausada, utilizando una voz clara y sonora

1

1

Explica con fluidez el tema a tratar 1

Demuestra buen manejo de la lexicografía específica del tema en cuestión

1

Establece contacto visual, escucha con atención e interactúa con la audiencia

1

Demuestra argumentos claros en el desarrollo epistemológico del tema

1

Ejemplifica los temas tratados en la exposición

1

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INTRODUCCION

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El curso “Electrónica y Electricidad” busca desarrollar habilidades como interpretar, clasificar, diseñar, construir y explicar circuitos eléctricos y electrónicos que tiene aplicación en sistemas de supervisión y control de procesos industriales, manejo eficaz de la energía eléctrica y sistemas de seguridad industrial.

La presente asignatura permitirá a los estudiantes forjar el criterio suficiente que les facilite la toma de decisiones de carácter técnico y económico más adecuada, con la finalidad de optimizar los recursos energéticos y técnicos con los que cuenta la empresa.

El presente modulo está basado en dos unidades, la primera unidad se refiere al conocimiento de la electrónica general, como son los circuitos eléctricos, métodos de solución de circuitos eléctricos, la teoría de diodos y sus aplicaciones, los transistores y sus aplicaciones

La segunda Unidad se refiere a la electrónica Digital y sus aplicaciones, donde se comprenderá el funcionamiento de la amplia variedad de circuitos integrados

Se recomienda al lector consultar libros de referencia ya que este modulo es una simplificación de los temas desarrollados en la cátedra.

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PRIMERA UNIDAD: CIRCUITOS ELECTRICOS Y DISPOSITIVOS DE ESTADO SOLIDO

Se analizan los Circuitos eléctricos en DC así como los métodos de solución de circuitos eléctricos, para esto es importante que el lector tenga conocimiento de las leyes de los circuitos eléctricos.

Se analizan los dispositivos de estado sólido: Diodos, transistores, etc., valorando la importancia de estos dispositivos en la electrónica industrial.

INTRODUCCION

Esta asignatura trata sobre Electrónica. La Electrónica estudia el comportamiento de los electrones en diversos medios, y se aplican estos conocimientos para conseguir que “los electrones hagan lo que nosotros queramos”. Así por ejemplo, si construimos un circuito electrónico constituido por una pequeña bombilla, una pila y un interruptor (figura A)y lo conectamos, lograremos que los electrones circulen por todo el circuito y que al atravesar la bombilla parte de ellos se conviertan en luz. ¡¡Hemos conseguido que los electrones nos obedezcan!!

Para “dominar” a los electrones, es necesario crear circuitos electrónicos, formados por materiales conductores (cables) que unen todos los componentes del circuito, de la misma manera que hay tuberías de agua que recorren nuestras casas, uniendo diferentes elementos: grifos, llaves de paso, el contador del agua...

Figura A: Un circuito electrónico muy simple: pila, interruptor y bombilla

TIPOS DE ELECTRÓNICA

Electrónica AnalógicaUno de los grandes retos del hombre es el de manipular, almacenar, recuperar y transportar la información que tenemos del mundo en el que vivimos, lo que nos

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permite ir progresando poco a poco, cada vez con más avances tecnológicos que facilitan nuestra vida y que nos permiten encontrar respuestas a preguntas que antes no se podían responder.Ahora estamos viviendo un momento en el que esa capacidad de manipulación, almacenamiento, recuperación y transporte de la información está creciendo exponencialmente, lo que nos convierte en lo que los sociólogos llaman la “Sociedad de la información”, y que tendrá (de hecho ya tiene) grandes implicaciones sociales.Con la aparición de la electrónica las posibilidades para desarrollar esas capacidades aumentaron considerablemente. Para comprender los principios de la electrónica analógica, nos centraremos en un ejemplo concreto: la manipulación, almacenamiento, recuperación y transporte de una voz humana.Cuando hablamos, nuestras cuerdas vocales vibran de una determinada manera, lo que origina que las moléculas del aire también lo hagan, chocando unas con otras y propagando esta vibración. Si no existiesen esas moléculas, como en el espacio, el sonido no se podría propagar

Figura B: Sección de señal acústica

Si medimos la vibración de una de estas moléculas, durante un intervalo corto de tiempo, y la pintamos, podría tener una pinta como la que se muestra en la figura B. A esta vibración la llamaremos señal acústica.Cuando esta señal acústica incide sobre un micrófono, aparece una señal eléctrica que tiene una forma análoga a la de la señal acústica. Las vibraciones de las moléculas se han convertido en variaciones del voltaje, que al final se traducen en vibraciones de los electrones. Es decir, que con los micrófonos lo que conseguimos es que los electrones vibren de una manera análoga a cómo lo hacen las moléculas del aire (ver figura C).Esta nueva señal eléctrica que aparece, se denomina señal analógica, puesto que es análoga a la señal acústica original. De esta manera, con señales eléctricas conseguimos imitar las señales del mundo real. Y lo que es más interesante, conseguimos que la información que se encuentra en la vibración de las moléculas del aire, pase a los electrones. Cuanto mejor sea el micrófono, más se parecerá la señal eléctrica a la acústica, y la información se habrá “copiado” con más fidelidad.

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Figura C: Conversión de una señal acústica en una señal eléctrica

Electrónica digitalExiste otra manera de modificar, almacenar, recuperar y transportar las señales, solucionando los problemas anteriores. Es un enfoque completamente diferente, que se basa en convertir las señales en números.

Existe un teorema matemático (teorema de muestreo de Nyquist) que nos garantiza que cualquier señal se puede representar mediante números, y que con estos números se puede reconstruir la señal original.

De esta manera, una señal digital, es una señal que está descrita por números. Es un conjunto de números. Y la electrónica digital es la que trabaja con señales digitales, o sea, con números.

Son los números los que se manipulan, almacenan, recuperan y transportan.Reflexionemos un poco. Estamos acostumbrados a escuchar el término televisión digital, o radio digital. ¿Qué significa esto? ¡¡¡Significa que lo que nos están enviando son números!!!!!

Que la información que nos envían está en los propios números y no en la forma que tenga la señal que recibidos. ¿Y qué es un sistema digital?, un sistema que trabaja con números. ¿Y un circuito digital? Un circuito electrónico que trabaja con números. ¡¡Y sólo con números!!

Si nos fijamos, con un ordenador, que es un sistema digital, podemos escuchar música o ver películas. La información que está almacenada en el disco duro son números.

En la figura D se muestra un sistema digital. La señal acústica se convierte en una señal eléctrica, y a través de un conversor analógico-digital se transforma en números, que son procesados por un circuito digital y finalmente convertidos de nuevo en una señal electrónica, a través de un conversor digital-analógico, que al atravesar el altavoz se convierte en una señal acústica.

El utilizar circuitos y sistemas que trabajen sólo con números tiene una ventaja muy importante: se pueden realizar manipulaciones con independencia de la señal que se

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esté introduciendo: datos, voz, vídeo... Un ejemplo muy claro es internet. Internet es una red digital, especializada en la transmisión de números. Y esos números pueden ser datos, canciones, vídeos, programas, etc... La red no sabe qué tipo de señal transporta, “sólo ve números”.

Figura D: Sistema Digital

La electrónica digital trabaja con números. La información está en los números y no en la forma de señal. Cualquier señal siempre se puede convertir a números y recuperarse posteriormente.

CAPITULO Nº 1: CIRCUITOS ELECTRICOS - METODOS DE SOLUCION

Después de entender las leyes fundamentales de la teoría de circuitos (la ley de Ohm y las leyes de Kirchoff), estamos preparados ahora para aplicarlas en la formulación de dos poderosas técnicas para el análisis de circuito: el análisis nodal [que se basa en una aplicación sistemática de la ley de corriente de Kirchoff (LCK)] y el análisis de malla, que se fundamenta en la aplicación sistemática de la ley de tensión de Kirchoff (LTK). Las dos leyes son tan relevantes que este capítulo debe considerarse como el más importante. Por consiguiente, se les recomienda a los estudiantes prestar una cuidadosa atención.

Con las dos técnicas que se van a desarrollar en este capítulo, es posible analizar casi cualquier circuito al obtener un conjunto de ecuaciones simultáneas que se resuelven después para calcular los valores requeridos de la corriente o de la tensión. Un método que resuelva las ecuaciones simultáneas es la regla de Cramer, la cual nos permite calcular las variables de circuito como un cociente de determinantes.

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METODO DE ANALISIS NODAL

El análisis nodal proporciona un procedimiento general para analizar circuitos utilizando tensiones de nodo como variables de circuito. La elección de tensiones de nodo, en lugar de tensión de elemento, como variables de circuito resulta conveniente y reduce el número de ecuaciones que deben resolverse en forma simultánea.

En el análisis nodal, nos interesa encontrar los voltajes de nodo. Dado un circuito con n nodos sin fuentes de tensión, el análisis nodal del circuito implica seguir los siguientes tres pasos.

El primero en el análisis nodal es elegir un nodo como el de referencia. El nodo de referencia recibe comúnmente el nombre de tierra, puesto que se supone que tiene potencial cero. Un nodo de referencia se indica mediante cualquiera de los tres símbolos de la figura 1. El tipo de tierra en la figura 1b) se denomina tierra de chasis armazón) y se usa en dispositivos donde la caja, el recipiente o el chasis (armazón) actúa como un punto de referencia para todos los circuitos. Cuando el potencial de la tierra se utiliza como referencia, empleamos la tierra física en la figura 1a) o c). Usamos siempre el símbolo que se indica en la figura 1b).

Una vez que hemos elegido un nodo de referencia, asignamos designaciones de voltaje a los nodos que no son de referencia. Considere, por ejemplo, el circuito de la figura 2a). El nodo 0 es el de referencia (v = 0), en tanto que a los nodos 1 y 2 se les asignan los voltajes v1 y v2, respectivamente. Tenga presente que los voltajes de nodos se definen con respecto al nodo de referencia. Como se ilustró en la figura 3.2a), cada voltaje de nodo es el aumento de voltaje desde el nodo de referencia hasta él nodo de no referencia correspondiente o simplemente el voltaje de ese nodo con respecto al de referencia.Como segundo paso, aplicamos la LCK a cada nodo de no referencia en el circuito. Para evitar poner demasiada información en el mismo circuito, el de la figura 2a) se vuelve a dibujar en la figura 2b), donde agregamos ahora i1, i2 e i3 como las corrientes a través de los resistores R1 R2 y R3, respectivamente. En el nodo 1, la aplicación de la LCK produce.

En el nodo 2,

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Pasos para determinar los voltajes de nodo:

1. Elija un nodo de referencia. Asigne los voltajes v1,v2,... vn-1, a los restantes n-1 nodos.

Se hace referencia a los voltajes con respecto al. nodo de referencia.

2. Aplique la LCK a cada uno de los n - 1 nodos de no referencia. Utilice la ley de Ohm

para expresar las corrientes de rama, en términos de los-voltajes de nodo.

3. Resuelva las ecuaciones simultáneas que resulten para obtener los voltajes de nodo

desconocidos.

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Aplicamos ahora la ley de Ohm para expresar las corrientes desconocidas i1, i2 e i3 en términos de los voltajes de nodo. La idea principal es recordar que, puesto que la resistencia es un elemento pasivo, por la convención pasiva de signos la corriente debe fluir siempre del potencial superior al inferior.

Es posible expresar este principio como:

Tomando en cuenta esto, obtenemos de la figura 2b)

La sustitución de la ecuación en las ecuaciones da,

respectivamente,

En términos de las conductancias, las ecuaciones se

convierten en.

El tercer paso en el análisis nodal consiste en resolver con respecto a los voltajes de nodo. Si aplicamos la LCK a los n - 1 nodos de no referencia, obtenemos n - 1 ecuaciones simultáneas como las ecuaciones (1.5) y (1.6), o (1.7) y (1.8). Para el circuito de la figura 2, al resolver las ecuaciones (1.5) y (1.6), o (1.7) y (1.8) se

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La corriente fluye de un potencial superior a un potencial inferior en un resistor.

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obtienen los voltajes de nodo v1 y v2 utilizando cualquier método estándar, como el de sustitución, el de eliminación, la regla de Cramer o la inversión de matrices. Para usar cualquiera de los dos métodos, es necesario presentar las ecuaciones simultáneas en forma de matriz. Por ejemplo, las ecuaciones (1.7) y (1.8) pueden escribirse en forma matricial como sigue.

Que puede resolverse para obtener v1 y v2.

Ejemplo 1

Calcule los voltajes de nodo en el circuito que se muestra en la figura 3a).Solución:

Considere la figura 3b), donde el circuito en la figura 3a) se ha preparado para el análisis nodal. Observe cómo se eligen las corrientes para la aplicación de la LCK. Salvo para las ramas con fuentes de corriente, la indicación de las corrientes es arbitraria pero consistente. (Por consistente, queremos decir que si, por ejemplo, suponemos que i2 entra al resistor de 4Ω desde el lado izquierdo, i2 debe salir del resistor del lado derecho.) Se elige el nodo de referencia y luego se determinan los voltajes de nodo v1 y v2.En el nodo 1, la aplicación de LCK y de la ley de Ohm origina.

Al multiplicar cada término en la última ecuación por 4, obtenemos

o

En el nodo 2, efectuamos lo mismo y obtenemos.

La multiplicación por 12 de cada término, produce

O

Tenemos ahora dos ecuaciones simultáneas (1.1.1) y (1.1.2). Es posible resolverlas utilizando cualquier método y obtener los valores de v1 y v2.

METODO 1

Utilizando la técnica de eliminación, sumamos las ecuaciones (1.1.1) y (1.1.2).

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La sustitución de v2 = 20 en la ecuación (1.1.1) conduce a:

METODO 2

Para utilizar la regla de Cramer, necesitamos poner las ecuaciones (1.1.1) y (1.1.2) en forma matricial tal como

El determinante de la matriz es

Obtenemos entonces v1 y v2 tal como

Dándonos así el mismo resultado que se obtuvo con el método de eliminación.Si necesitamos las corrientes, podemos calcularlas fácilmente a partir de los valores de los voltajes nodales.

Para complementar este capítulo, es importante conocer que en todo circuito eléctrico debe cumplirse un balance de potencias quiere decir que la suma de potencias consumidas en el circuito eléctrico debe ser igual a la suma de potencias entregadas en el circuito.

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CAPITULO Nº 2: DIODOS Y SUS APLICACIONES

Un Diodo es un dispositivo semiconductor (conduce o no conduce dada una condición) conformado por la unión de dos materiales (tipo P y tipo N) que básicamente pueden ser Silicio Si, Germanio Ge o Arseniuro de Galio AsGe, conformando asi una juntura P-N como se observa en la figura 4).

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Presenta dos terminales: Ánodo y Cátodo y podemos llamar VA: tensión de ánodo y VC: tensión de cátodo, de tal forma que VD = VA - VC

TIPOS Y APLICACIONES

Diodo común por ejemplo la serie 1N4001- hasta 1N4009 este diodo es muy usado como dispositivo de protección y en procesos de rectificación de señal.

Diodo LED Diodo emisor de Luz, este diodo se usa como indicador, por ejemplo para darnos cuenta que el disco duro de nuestra PC está en funcionamiento podemos visualizar una luz de color rojo o amarillo titilando en nuestro gabinete, otro ejemplo tenemos en los indicadores en Lavadoras, hornos microondas, etc. Estos Diodos viene en varios colores y tamaños.

Dodo Zener, este dispositivo es usado en procesos de Regulación de tensión y tiene un papel importante en el diseño de fuentes de alimentación.

Existen otros tipos de diodos como son el diodo Schottky, diodo Varactor, diodo de alta velocidad, diodo infrarrojo, diodo laser etc.

FUNCIONAMIENTO

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Un diodo común conduce corriente si la tensión entre ánodo y cátodo es aproximadamente 0.7 V (VD = 0.7V), de lo contrario si se lo conecta al revés ósea en inversa no conduce corriente y ID = 0 A.

Un diodo LED tiene el mismo funcionamiento que el diodo común, con la diferencia que su tensión de conducción esta entré 1.8 y 2.1V (1.8 V< VD < 2.1 V). Si se conecta en directa el diodo LED conduce y emite luz, si se conecta en inversa no conduce y por lo tanto no emite luz.

Un diodo Zener tiene la particularidad de conducir en ambos sentidos, si se conecte en directa (VA > VC) opera como un diodo común con VD = 0.7V, si se conecta en inversa (VA < VC) opera como diodo Zener con una VD = VZ que es la tensión de fabricación. Los fabricantes ofrecen diodos Zener de una amplia variedad de voltajes.

Los diodos operan en corriente continua y en corriente alterna

EJERCICIO N1:

1. Explicar las diferencias conceptuales entre un diodo común y un diodo Zener. (1pts)

2. En el siguiente circuito calcular las potencias consumidas por los diodos y las resistencias en el circuito. Los diodos son de VD = 0.7 V y de 0.5 W(4ptos)

Solución1. La diferencia conceptual es que el diodo común conduce en un solo sentido sin

embargo el diodo Zener tiene la particularidad de conducir en ambos sentidos.

2. Primeramente asignamos el voltaje de nodo y las referencias de corriente según el siguiente circuito :

Entonces I 1=I 2+ I 3, 12 V = VD1 + VA , VA = 12 V - 0.7 V = 11.3 V.

I 2=11.3V980Ω

=11.53mA

VA = V470Ω + 0.7 V = 11.3 V, entonces V470Ω = 11.3 V- 0.7 V = 10.6 V

I 3=10.6V470Ω

=22.55mA

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I 1=I 2+ I 3= 11.53 mA + 22.55 mA = 34.08 mA

PD1 = VD1* I 1= 0.7 V * 34.08 mA = 23.85 mW.

PD2 = VD2* I 3= 0.7 V * 22.55 mA = 15.78 mW.

P980Ω = (I 2)2∗980Ω=(11.53mA )2∗980Ω=130.28mW .

P470Ω = (I 3)2∗470Ω=(22.55mA )2∗470Ω=238.99mW .

EJERCICIO Nº 2: (Ejercicio de diseño)

Se pretende diseñar el circuito de interface para poder conectar una radio de 4.5 Voltios de CC cuyo consumo máximo es 0.25 W a una Batería de 12 Voltios exactos y de potencia 60 W. Diseñe el circuito de interface entre la batería y la radio de tal forma de poder conectar la radio y funcione correctamente.

Solución

El circuito propuesto es el siguienteComo todo circuito eléctrico se plantean las leyes de Kirchoff de tensión y de corriente:

12 V = VR + VRADIO

IR = IZ + IRADIO

Como se desea alimentar a una radio de 4.5 V se propone un diodo Zener de 4.5v ya que este elemento tiene la cualidad de regular y mantener ese voltaje que en este caso necesita la radio.

Ahora la radio tiene un consumo de corriente que está entre 0 A (con la radio apagada) hasta la corriente máxima de la radio IMAX-RADIO (radio a todo volumen).

IR = IZ + IRADIO = 10mA +55.55mA = 65.55 mA

IMAX-RADIO = 0.25 W/ 4.5 V= 55.55 mA

Se propone por el Zener una corriente de 10 mA ya que es una corriente suficiente para que el Zener este regulando y operando en forma optima, podría ser mayor pero no es necesario, recordemos que mientras más consumo mayor gasto habrá para la batería.

La tensión de la radio es VRADIO = 4.5V, entonces VR = 12V - VRADIO = 12V - 4.5 V= 7.5 V

VR = IR* R, R = 7.5V/65.55mA = 114.41 Ω, este es valor de resistencia quedeberíamos ubicar en R, pero no es un valor comercial. Podemos proponer en defecto 110Ω y en exceso 120Ω, se recomienda elegir siempre en defecto pero la más cercana, así que se adopta una resistencia R = 110Ω.

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Recalculando la corriente tenemos. IR= 7.5V/110Ω = 68.18mA y esta la verdadera corriente por la resistencia, sin considerar variaciones de la batería.

Calculo de consumo de potencia de R en el circuito

P110Ω = (IR)2∗110Ω=(68.18mA )2∗110Ω=511.36mW . Este es el consumo de

R en el circuito, debemos adoptar una R de mayor potencia para que pueda trabajar aliviada en cuanto a consumo de potencia, entonces por lo menos de 1watt.

Calculo de consumo de potencia del Zener en el circuito

La peor situación para el Diodo Zener es cuando se apaga la radio ya que toda la corriente de IR se deriva por el Zener, entonces:

PZ = VZ* IR= 4.5 V * 68.18 mA = 306.81mW, entonces se propone un Zener de 1 watt.

DISEÑO FINALRESISTENCIA DIODO ZENER

110Ω 4.5 V1 Watt 1Watt

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CAPITULO Nº 3: TRANSISTORES Y SUS APLICACIONES

Existen dos clases de transistores:

Los transistores Bijuntura, Bipolares o BJT Los transistores de efecto de campo FET

En el presente capitulo trataremos sobre los transistores BJT, quedando para el lector el estudio de los transistores FET.

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de materia tipo –n y una de material tipo –p o dos capas de material tipo –p y una de material tipo –n. El primero se denomina un transistor NPN y el segundo PNP. Ambos se muestran en la Figura 7 con polarización DC adecuada. Las capas exteriores del transistor están fuertemente dopadas por materiales semiconductores que tienen anchos mucho mayores que aquellos de los emparedados de material tipo –p o tipo –n. Para los transistores mostrados en la Figura 7 la razón del ancho total al de la capa del centro es 0,150/0,001= 150:1. El doping de la capa de emparedado es también considerablemente menor que la de las capas exteriores (típicamente 10: 1 o menor). Este nivel menor de doping disminuye la conductividad (aumenta la resistencia) de este material limitando el número de portadores “libres”.

Para la polarización que se muestra en la Figura 7 los terminales han sido indicados por letras mayúsculas E para el emisor, C para colector, y B para la base.

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APLICACIONES DEL TRANSISTOR

Es amplia y variada las aplicaciones del transistor, pero entre las mas principales tenemos:

Como amplificador de señal. En circuitos de Conmutación y electrónica digital En el diseño de amplificadores de potencia. En el diseño de fuentes de alimentación. En proyectos de automatizacion y control

ZONAS DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR

De la figura 9 podemos plantear las leyes de Kirchoff: IB + IC = IE y VCE = VCB + VBE

Analizaremos las zonas de funcionamiento del transistor NPN, el cual tiene tres zonas de funcionamiento: zona de corte, zona activa o de amplificación y zona de saturación.

Zona de corte: Un transistir se considera cortado (no conduce) si la VBE es menor que 0.7V en ese caso todas las corrientes del transistor son cero. Una aplicacion del transisitor en zona de corte es en circuitos de conmutacion.

Zona Activa o de Amplificación: Un transistor se encuentra en zona activa si la tension VBE = 0.7 v y VCB > 0, osea es positiva o mejor dicho VC > VB, si sucede esto entonces la corriente del colector es amplificada por un parametro HFE del transistor que es un dato que el fabricante ofrece y da la cualidad de amplificador del transistor

IC = HFE * IB

Zona de Saturación: Un transistor se le considera saturado si la tension VBE = 0.7 v y VCB < 0, osea es negativa o mejor dicho VC < VB, si sucede esto entonces la tensión entre colector y emisor se reduce a un valor muy pequeño aproximadamente VCE = 0.2 V

Ejercicio

Del siguiente circuito en base a transistores bipolares:

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Si la señal de entrada es v i( t )=5v DC, y contamos con un transistor BC547 de hFE =120 y de 1 watt, RC = 680Ω, RB = 56 KΩ, VBE = 0.7 V. Encontrar:

a) La corriente de Base.b) Determina la zona de operación del transistor.

(compruébelo)c) Determine punto de operación del transistor Q.d) Consumo de potencia del transistor en el circuitoe) Analizar que sucede si RC = 3.3 KΩ

Solucióna) Planteamos las leyes de Kirchoff de tensión en las

dos mallas:

5V = IB * RB + VBE = IB * 56 KΩ + 0.7 V, entonces:IB = 4.3 V/56 KΩ = 76.79 µA

b) Suponemos al transistor en zona activa, si los resultados son incongruentes esta en zona de saturación, debemos comprobar la zona de operación de tal manera que lo que suponemos es válido. Entonces:

IC = IB * HFE = 76.79 µA * 120 = 9.21 mA, ahora calculemos la VCE y comprobemos la zona de operación 12V = IC * RC + VCE

VCE = 12V - 9.21 mA * 680Ω = 5.73 V resultado congruente, ahora comprobemos que VCB > 0 es positiva o mejor dicho VC > VB, VCE = VC - VE =VC - 0V = 5.73 V VC = 5.73 V

VBE = VB - VE = VB - 0V = 0.7 V VBE VB = 0.7V, con lo cual comprobamos que VC > VB por lo tanto el transistor se encuentra en zona activa.

c) El punto de operación del transistor (Q) consiste en determinar la IC y la VCE que son los valores en la cual esta operando el transistorQ (IC ; VCE) = ( 9.21 mA ; 5.73V )

d) Calculamos el consumo de potencia del transistor en el circuito

PTR = VBE * IB + VCE * IC = 0.7V * 76.79 µA + 5.73 V * 9.21 mA = 52.83 mW, observemos que consume mucho menos que 1 watt (poder de disipación maximo segun fabricante), con lo cual el transistor esta operando bastante aliviado en cuanto a disipación, si fuera al contrario el transistor se quemaría

e) Analizamos ahora que sucede si RC = 3.3 KΩCalculamos la IC = IB * HFE = 76.79 µA * 120 = 9.21 mA, que es la misma ya que la corriente de base IB no cambia, ahora calculemos la VCE y comprobemos la zona de operación 12V = IC * RC + VCE VCE = 12V - 9.21 mA * 3.3 KΩ = -18.39V

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Resultado incongruente, entonces el transistor debe saturarse y VCE = 0.2 V ahora comprobemos que VCB < 0 es negativa o mejor dicho VC < VB, VCE = VC - VE =VC - 0V = 0.2 V VC = 0.2 V, VBE = VB - VE = VB - 0V = 0.7 V, VB = 0.7V, con lo cual comprobamos que VC < VB por lo tanto el transistor se encuentra en zona de saturación.

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SEGUNDA UNIDAD: ELECTRONICA DIGITAL Y SUS APLICACIONES

Para este capítulo se recomienda al alumno visitar la plataforma Moodle o el blog del profesor en donde esta toda la información concerniente a la electrónica digital que es muy amplia y variada. Dentro de los temas a tratar son:

Sistemas de Numeración Binario, Octal y Hexadecimal. Compuertas Lógicas y sus aplicaciones Diseño de sistemas digitales haciendo uso de los mapas de karnaugh Decodificadores y Codificadores Contadores y sus aplicaciones Multiplexores y demultiplexores 555

REFERENCIAS BIBLIOGRÀFICAS

14. Nilsson, James W. y Riedel, Susan A. (2001) CIRCUITOS ELÉCTRICOS. 6ª. Ed. Naucalpan de Juárez, México: Pearsón Educación, XXXIII, 1029p. Código en biblioteca UCV: ELEC-01277

15. Neamen, Donald A. (1999) ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS. Vol 1. México, D.F., México: McGraw-Hill, Interamericana, XVIII, 538p. Código en biblioteca UCV: ELEC-0278

16. Boylestad, Robert L. (1998) ANALISIS INTRODUCTORIO DE CIRCUITOS. Naucalpan de Juárez: Prentice-Hall Hispanoamericana, XV, 1152p. Código en biblioteca UCV: ELEC-02270

17. Boylestad, Robert L. y Nashelsky. (2003) ELECTRONICA: TEORIA DE CIRCUITOS Y DISPOSITIVOS ELECTRONICOS. 8A. Ed. México: Pearson Educación, XX, 1020p. Código en biblioteca UCV: ELEC-02271

18. Edminister, Joseph A. y Nahvi, Mahmood. (1997) CIRCUITOS ELÉCTRICOS. 3ra. Ed. Madrid: McGraw-Hill Interamericana, XIV, 575p. Código en biblioteca UCV: ELEC-02309

19. Tocci, Ronald J. (1996) SISTEMAS DIGITALES. PRINCIPIOS Y APLICACIONES. 6ta. Ed. Naucalpan de Juárez, México: Prentice Hall Hispanoamericana, XVIII, 832p. Código en biblioteca UCV: ELEC-0279

20. Floyd, Thomas L. (2008) DISPOSITIVOS ELECTRÒNICOS, 8ª Edición, Pearson Educación

ANEXOS

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Laboratorio Nº1: Multímetro, uso y aplicaciones

Objetivos:

Conocer el funcionamiento y aplicación del Multímetro Conocer la importancia del uso del Multímetro en sistemas eléctricos e

industriales Conocer otros modelos existentes en el mercado

Materiales

Multímetro digital UYUS DT 830B Resistencias Batería de 9 v Toma corriente Fuente de poder

Marco teórico

Es un instrumento de medición de gran aplicación muy conocido como VOM (Voltios, Ohmios, Miliamperímetro), que permite tomas lecturas de diferentes tipos de señales, como son Voltaje, corriente, tanto den DC como en AC, permite medir resistencias, capacitancias, transistores, etc. Este instrumento de medida por su precio y su exactitud sigue siendo el preferido del aficionado o profesional en electrónica.

Existen otros instrumentos como el osciloscopio que tiene un precio más alto.

Hay dos tipos de Multímetro: analógicos y digitales.

Los Multímetro analógicos

Son fáciles de identificar por una aguja que al moverse sobre una escala indica del valor de la magnitud medida

Multímetro analógico Multímetro digital

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Los Multímetro digitales

Se identifican principalmente por un panel numérico para leer los valores medidos, la ausencia de la escala que es común en los Multímetro analógicos. Lo que si tienen es un selector de función y un selector de escala (algunos no tienen selector de escala pues el VOM la determina automáticamente). Algunos tienen un solo selector central.

El selector de funciones sirve para escoger el tipo de medida que se realizará.

Voltaje A.C. (ACV) Voltaje en corriente alterna (en voltios)

Voltaje DC (DCV) Voltaje en corriente directa (en voltios)

Corriente AC (AC-mA) Corriente alterna (en miliamperios)

Corriente DC (DC-mA) Corriente directa (en miliamperios)

Resistencia (Ω) Resistencia (en ohmios / ohms)

El selector de rangos sirve para establecer máxima que se podrá visualizar (Si no se tiene una idea de la magnitud a medir empezar por el rango más grande). Se escoge siempre un rango superior al de la magnitud que se mide.

Procedimientos

En clase el profesor explicara cómo utilizar el Multímetro marca de una marca y modelo, el alumno tomara nota y debe realizar todas las preguntas necesarias para entender el funcionamiento de este dispositivo de medición.

El alumno deberá presentar un informe de todo lo realizado en la práctica de laboratorio.

Deberá realizar un cuadro comparativo de cuatro Multímetro digitales en el mercado incluyendo el que contamos en el laboratorio, y realizar comparaciones entre ellos.

Deberá anexar las hojas de datos y características de los Multímetro utilizados para realizar el cuadro comparativo.

Exprese sus conclusiones finales bibliografía

LABORATORIO N° 2: MEDICIÓN DE TENSIÓN Y CORRIENTE DC

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I. OBJETIVOS:

Comprobar y verificar el cumplimiento de las Leyes de Kirchoff.

Conocer las técnicas de medición de tensión y corriente.

Familiarizarse con los componentes electrónicos.

II. MARCO TEÓRICO:

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

III. EQUIPOS Y MATERIALES:

Multímetro (Disponible en el laboratorio)

Resistencias:

Una resistencia de 220 / ½ w

Una resistencia de 470 / ½ w

Una resistencia de 1k

Una resistencia de 3.9k / ½ w,

Una resistencia de 4.7k / ½ w.

Fuente de tensión de 12v.(Disponible en el laboratorio)

Protoboard

Cables UTP

Tijeras

IV. PROCEDIMIENTO:

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+-

+-

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Observar los colores de las resistencias y según y codigo de colores verificar los valores pedidos en esta guía de laboratorio.

Comprobar los valores de las resistencias al medirlas con el multímetro. Representar en el protoboard el circuito a graficar. Utilizar cablecillos

para los puentes y conexiones en el protoboard. Con los terminales de la fuente y del multímetro, regular la fuente a 12v. Medir la tensión de cada resistencia con el multímetro. Medir las intensidades de cada resistencia con el multímetro. Comprobar los resultados hallados analíticamente y compararlos con

los resultados experimentales y verificar si se cumplen las leyes de kirchoff.

V. CÁLCULOS TEORICOS:

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CIRCUITO A GRAFICAR:

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VALORES TEÓRICO TENSIÓN VALORES EXPERIMENTALES

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Y CORRIENTE TENSIÓN Y CORRIENTE

Tensión Corriente Tensión Corriente

V1= 2,82v I1= 12,8mA V1= I1=

V2= 9,22v I2= 9,22mA V2= I2=

V3= 1,68v I3= 3,58mA V3= I3=

V4= 7,54v I4= 1,93mA V4= I4=

V5= 7,54v I5= 1,65mA V5= I5=

VI. CONCLUSIÓNES:

VII.- BIBLIOGRAFÍA:

Nilsson, James W. y Riedel, Susan A.(2001) CIRCUITOS ELÉCTRICOS 6º Ed. Naucalpan de Juarez, Mexico:Pearsón Educación, XXXIII 1029p.

Boylestad,Robert L. y Nashelsky.(2003) ELECTRÓNICA: TEORÍA DE CIRCUITOS Y DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS. 8ª.Ed. Mexico:Pearson Educación,XX,1020p.

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