martes, 11 de mayo de 2010

Circuitos Impresos

transformador

El transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" elvoltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otro diferente amplitud, que entrega a su salida.

Transformador eléctrico - Electrónica Unicrom

Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambreconductor. Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan:

Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y Bobinasecundaria o "secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado.

- La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, unacorriente alterna.

- Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro.

- Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste.

- Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario un voltaje. En este bobinado secundario habría una corriente si hay una carga conectada (el secundario conectado por ejemplo a un resistor)

El transformador ideal - Electrónica Unicrom

La razón de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje. La fórmula:

Relación entre tensiones en un transformador - Electrónica Unicrom

Entonces:Vs = Ns x Vp / Np

Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado. Si se supone que el transformador es ideal. (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras), entonces: Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps). Pi = Ps Si tenemos los datos de corriente yvoltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la siguiente fórmula.

Potencia = voltaje x corriente

P = V x I (en watts)

Aplicando este concepto altransformador y como

P(bobinado pri) = P(bobinado sec)

entonces...

La única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa. Entonces:

Relación entre corrientes en un transformador - Electrónica Unicrom

Así, para conocer la corriente en el secundario (Is) cuando tengo:
- Ip (la corriente en el primario),
- Np (espiras en el primario) y
- Ns (espiras en el secundario)
se utiliza siguiente fórmula: Is = Np x Ip / Ns

Como hacer circuitos impresos


Ya que mucha gente escribió pidiendo datos al respecto decidimos hacer este cursillo donde el que no sabe encontrará todo lo que necesita saber para realizar sus propias plaquetas. Haremos referencia al método manual, de los calcos y el marcador dado que para aprender es el mas simple. En otras notas futuras comentaremos los métodos Press-N-Peel (autoadhesivo de transferencia térmica) y el método Crona (de transferencia por luz ultravioleta).

Tal como se puede ver en la foto de arriba un circuito impreso no es mas que una placa plástica (que puede ser de fenólico o pertinax) sobre la cual se dibujan "pistas" e "islas" de cobre las cuales formaran el trazado de dicho circuito, partiendo de un dibujo en papel o de la imaginación.

Para empezar tenemos que decidir que material vamos a precisar. Si se trata de un circuito donde hayan señales de radio o de muy alta frecuencia tendremos que comprar placa virgen de pertinax, que es un material poco alterable por la humedad. De lo contrario, para la mayoría de las aplicaciones, con placa de fenólico alcanza.

Cada trazo o línea se denomina pista, la cual puede ser vista como un cable que une dos o mas puntos del circuito. Cada círculo o cuadrado con un orificio central donde el terminal de un componente será insertado y soldado se denomina isla.

Cuando uno compra la placa de circuito impreso virgen ésta se encuentra recubierta completamente con una lámina de cobre, por lo que, para formar las pistas e islas del circuito habrá que eliminar las partes de cobre sobrantes.

Además de pistas e islas sobre un circuito impreso se pueden escribir leyendas o hacer dibujos. Esto es útil, por ejemplo, para señalar que terminal es positivo, hacia donde se inserta un determinado componente o incluso como marca de referencia del fabricante.

Para que las partes de cobre sobrantes sean eliminadas de la superficie de la placa se utiliza un ácido, el Percloruro de Hierro o Percloruro Férrico. Este ácido produce una rápida oxidación sobre metal haciéndolo desaparecer pero no produce efecto alguno sobre plástico. Utilizando un marcador de tinta permanente o plantillas Logotyp podemos dibujar sobre la cara de cobre virgen el circuito tal como queremos que quede y luego de pasarlo por el ácido obtendremos una placa de circuito impreso con el dibujo que queramos.


Explicación detallada

1. Crear el original sobre papel:

Lo primero que hay que hacer es, sobre un papel, dibujar el diseño original del circuito impreso tal como queremos que quede terminado. Para ello podemos utilizar o bien una regla y lápiz (y mucha paciencia) o bien un programa de diseño de circuitos impresos. Ya sea a lápiz o por computadora siempre hay que tener a mano los componentes electrónicos a montar sobre el circuito para poder ver el espacio físico que requieren así como la distancia entre cada uno de sus terminales. Para guiarnos vamos a realizar un simple circuito impreso para montar sobre él ocho diodos LED con sus respectivas resistencias limitadoras de corriente.

Este es el circuito esquemático del que hablamos, recibe cero o cinco voltios por cada uno de los pines del puerto paralelo del PC y, a través de cada resistencia limitadora de corriente iluminan ocho diodos LED. Observemos el diagrama. Tenemos ocho entradas, cada una de ellas conectada a una resistencia. Cada resistencia se conecta al cátodo (+) de cada diodo LED. Y todos los ánodos (-) de los diodos LED se conectan juntos al terminal de Masa. Vamos a utilizar diodos LED redondos de 5mm de diámetro, que son los mas comunes en el mercado.

Lo primero que haremos es colocar las islas. Para los que usan programas de diseño de circuitos impresos por computadora las islas aparecen como "Pads".

Como se observa, no es mas que una simple representación del circuito de arriba con círculos. Luego uniremos las islas con pistas, que en los programas suelen aparecer como "Tracks".

CORRECTOINCORRECTO

Algo a tener en cuenta: cuando una pista tiene que virar lo correcto es hacerlo con un ángulo oblicuo y no a secas (90º). Si bien eléctricamente es lo mismo, conviene hacerlo así porque al momento de atacar el cobre con el ácido es mas probable que una pista se corte si su ángulo es abrupto que si lo es suave.

Nuevamente podemos apreciar que no es mas que una copia del circuito eléctrico anterior.

Imprimimos el circuito sobre un papel y paso 1 concluido.


3. Preparar la superficie del cobre:

Consiste en pulir la superficie de cobre virgen con un bollito de lana de acero (Virulana, en Argentina) para remover cualquier mancha, partículas de grasa o cualquier otra cosa que pueda afectar el funcionamiento del ácido. Recordemos que el ácido solo ataca metal, no haciéndolo con pintura, plástico o manchas de grasa. Por lo que donde este sucio el cobre resistirá y quedará sin atacar.

Como se ve en la foto es conveniente utilizar guantes de latex, del tipo utilizado para inspección bucal, para evitar que la grasitud de los dedos tome contacto con el cobre. La lana de acero debe ser frotada sobre la cara de cobre y preferentemente dando círculos, para facilitar la adherencia tanto de los Pads como de la tinta del marcador.

4. Pasar el dibujo al cobre:

Consiste en hacer que el dibujo del impreso que tenemos sobre el papel quede sobre la cara de cobre y de alguna forma indeleble. Adicionalmente tendremos que tener cuidado de no tocar con nuestros dedos el cobre para evitar engrasarlo. Es por ello que en este paso también utilizaremos guantes de latex, pero cuidando que no queden en ellos restos de viruta de acero que puedan dañar el dibujo sobre el cobre.

Para este paso requeriremos un marcador fino indeleble, uno grueso, un lápiz blando (mina B), una o varias plantillas Logotyp de islas (esto depende de la cantidad de contactos del circuito así como del tipo de islas requeridas). Ambos marcadores deben ser de tinta permanente al solvente. Hasta ahora el mejor que hemos usado es el edding 3000.

Es conveniente, antes de usar las plantillas Logotyp, probarlas sobre otra superficie para constatar que no estén vencidas. A nosotros nos paso que con la que arriba se ve a la izquierda (la de las líneas) no pegaba sobre el cobre y tuvimos que hacer todos los trazos rectos con marcador y regla. Lo mismo sucede con el marcador. Antes de aplicarlo sobre la placa hacer un par de trazos sobre un cartón (preferentemente brilloso) a fin de ablandar la tinta en la punta.

Para aplicar los dibujos de las plantillas colocar la misma sobre la lámina de cobre y, con el lápiz frotar cada uno suavemente hasta que queden estampados sobre el circuito impreso.

Para afirmarlos colocar el papel de cera que trae cada plantilla y colocarlo sobre el dibujo recién aplicado. Pasar el dedo una o dos veces manteniendo el papel quieto y listo, dibujo afirmado.

Si por error se aplico un dibujo que no debía estar se lo puede quitar fácilmente raspándolo con un cortante filoso. No hay que preocuparse porque donde se paso el cortante quede raspado, puesto que el cobre no quedará en esa zona no nos interesa entonces como este antes de ser atacado.

En las islas, sobre todo en las aplicadas por plantilla, es conveniente no tapar el punto central. Esto quedará como un pequeño orificio en el cobre que luego servirá como guía cuando hagamos el perforado de la placa.

Para hacer los trazos con marcador se pueden utilizar reglas y regletas plásticas caladas como las pizzini. Prestar cuidado cuando se apoya la regla sobre la placa para no dañar el dibujo.

Una vez terminado el trabajo de pasar el dibujo al cobre será conveniente revisar el mismo a comparación con el dibujo sobre papel, para cerciorarse de que todo esta en orden.


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8. Perforado:

Para que los componentes puedan ser soldados se deben hacer orificios en las islas por donde el terminal de componente pasará.

Un taladro de banco es de gran ayuda sobre todo para cuando son varios agujeros. Para los orificios de resistencias comunes, capacitores y semiconductores de baja potencia se debe usar una mecha (broca) de 0.75mm de espesor. Para orificios de bornes o donde se suelden espadines o pines una de 1mm es adecuada. Aquí será de suma utilidad atinarle al orificio central de la isla para que quede la hilera de perforaciones lo mas pareja que sea posible.

Quizás sea necesario comprar un adaptador dado que la mayoría de los taladros de banco tienen un mandril que toma mechas desde 1.5mm en adelante. Y luego vendrá el dolor de cabeza porque centrar el adaptador y el mandril no es tarea simple. Hay que prestar atención a que este bien centrado, porque de no estarlo el agujero saldrá de cualquier forma, si es que sale.

9. Acabado final:

Con el mismo bollito de viruta de acero que veníamos trabajando hay que quitar las rebabas de todas las perforaciones para que quede bien lisa la superficie de soldado y la cara de componentes. Luego de esto comprobar por última vez la continuidad eléctrica de las pistas y reparar lo que sea necesario.


Hasta aquí hemos llegado y tenemos ahora si la plaqueta lista para soldarle los componentes.

Siempre hay que seguir la regla de oro, montar primero los componentes de menor espesor, comenzando si los hay por los puentes de alambre. Luego le siguen los diodos, resistencias, pequeños capacitores, transistores, pines de conexión y zócalos de circuitos integrados. Siempre es bien visto montar zócalos para los circuitos integrados puesto que luego, cuando sea necesario reemplazarlos en futuras reparaciones será un simple quitar uno y colocar otro sin siquiera usar soldador. Además, el desoldar y soldar una plaqueta hace que la pista vaya perdiendo adherencia al plástico y al cabo de varias reparaciones la isla sede al igual que las pistas que de ella salen.

En la foto se observan puentes de alambre, resistencias, capacitores, zócalos para circuitos integrados, algunos diodos LED y un cristal.

Ley de Ohm

En los terminales de una batería existe la fuerza electromotriz (FEM) cuando no se toma corriente. Esta fuerza electromotriz, es considerada en ocasiones como una presión eléctrica y se debe a un sobrante de electrones en uno de los terminales, y a la falta de electrones en la otra. El sobrante y la falta de electrones, es causado por la acción química de la batería. En tanto por un lado exista exceso y por la otra falta de electrones habrá una atracción entre las cargas.
En el momento oportuno, el exceso de electrones del terminal negativo se precipitará para combinarse con los átomos deficientes de electrones en el terminal positivo y se considera que dichos electrones están bajo presión. Pregunta: ¿Porqué los electrones no pasan por la batería y se combinan con los iones positivos(átomos deficientes de electrones)? Porque los electrones y los iones se generan bajo presión y no pueden volver a la batería tanto como el agua que no puede retroceder a la bomba para igualar la presión creada por la misma. Así como el agua fluye por tuberías exteriores para neutralizar la presión de la bomba, también los electrones fluyen por los conductores para neutralizar los iones.
Al recorrido que ofrecen los conductores a la corriente de la batería se le llama circuito. Cuando se conectan uno más conductores a la batería, pero sin completar el recorrido para que circulen los electrones, se le llama circuito abierto, por el contrario, si se completa el camino se le llama circuito cerrado, estos términos se aplican a cualquier fuente de fuerza electromotriz
Cuando se conecta un conductor al terminal negativo de una fuente de fuerza electromotriz, el exceso de electrones se distribuye por sí mismo a los largo del conductor, y cuando se conecta al terminal positivo, los átomos se ionizan en el conductor, aunque el circuito no se complete(se cierre) los extremos de los conductores tienen exceso o falta de electrones. Si se aplica una fuente de fuerza electromotriz mayor la ionización será más completa.
La relación entre corriente y voltaje es un hecho, imaginemos nuevamente el circuito abierto. Si a una batería le conectamos un voltímetro(en paralelo con los terminales de la batería), un interruptor, un amperímetro(en serie con el circuito) y una resistencia, creamos un circuito(abierto). En este caso el voltímetro indicará el voltaje de la batería, aún con el circuito abierto, en cambio el amperímetro indicará cero puesto que no circula corriente por el circuito, en tanto exista una diferencia de cargas en los terminales de la batería, existe un voltaje, esto puede definirse como una diferencia de potencial.
Ahora, cerramos el interruptor, lo cual nos da un circuito cerrado, el voltímetro seguirá indicando el voltaje y el voltaje en el interruptor será "0"; en este caso el amperímetro indicará la corriente que fluye por el circuito, obviamente cuando cerramos el circuito el voltaje tendrá una ligera caída por efecto de la resistencia interna de la batería, en algunos casos esta caída será insignificante.
Cuando los electrones circulan por la resistencia tratan de agruparse en el lado por donde entran, esto significa que existen más electrones en el lado de la resistencia por donde entran, que por el lado donde salen existiendo en la resistencia un voltaje. La polaridad del voltaje a través la resistencia se contrapone a la polaridad de la batería, dicho de otra manera, el voltaje en la resistencia se opone al voltaje de la batería, esto obedece a que el voltaje negativo de la resistencia trata de rechazar a los electrones de la batería. dado que el voltaje en la resistencia se establece por la circulación de corriente, no es posible para ese voltaje detener la circulación de corriente, si esto fuera posible, el voltaje en la resistencia sería "0" y la corriente de la batería no tendría oposición. Si medimos el voltaje de la resistencia, el voltímetro indicaría exactamente el mismo que en los terminales de la batería.

RELACION ENTRE VOLTAJE, CORRIENTE Y RESISTENCIA:

Si se aplican 10 voltios a una resistencia de un ohmio en un circuito cerrado, fluye por el una corriente de 10 amperios los cuales se pueden medir con un amperímetro. La caída de voltaje en la resistencia es de 10 voltios, medidos con un voltímetro y es opuesto en polaridad al voltaje de la batería.
Si se aumenta el voltaje a 20 y la resistencia sigue siendo de 1 ohmio, esto es causa de una corriente de 20 amperios, mismos que fluirán por la resistencia. La caída de voltaje en la resistencia sigue siendo igual al voltaje de la batería, en este caso 20 voltios.
Otro ejemplo: Si mantenemos el voltaje en 20 voltios y aumentamos la resistencia a 5 ohmios, la corriente bajará a 4 amperios. A esta relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia se le llama "LEY DE OHM".

LEY DE OHM:

En la ciencia, para producir un efecto debe existir una causa y como consecuencia, para producir un efecto la causa debe vencer la oposición presente. En electricidad esta regla se demuestra; la fuerza electromotriz es la causa, la corriente es el efecto y la oposición es la resistencia. La relación entre voltaje, corriente y resistencia se compara por analogía con un circuito eléctrico y uno hidráulico. Cuando se aumenta la fuerza electromotriz, se aumenta la corriente, entonces se dice que la corriente es directamente proporcional al voltaje(FEM), si aumentamos al doble el voltaje la corriente crecerá también el doble. También la corriente es inversamente proporcional a la resistencia, en este caso, si la resistencia se hace mayor, la corriente se hará menor.
Como se dio el ejemplo anteriormente, cuando la resistencia se aumento 5 veces la corriente bajo a una quinta parte. Resumiendo, decimos que la corriente es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia, esta relación se expresa en la ecuación matemática siguiente:

I (corriente o amperaje) es igual a E (voltaje) dividido R (resistencia en ohmios).

Esta relación se conoce como ley de ohm porque fue desarrolada por el físico alemán Georg Simón Ohm ( 1787 - 1854 ). Esta ecuación fue hallada en el año de 1,827.
La ecuación anteriormente descrita nos sirve para hallar la corriente, si el voltaje y la resistencia se conocen, tomemos como ejemplo que tenemos 20 voltios ( E ) y un resistor de 5 ohmios ( R ) el resultado es 4 amperios ( I ). Si lo que queremos es hallar la resistencia, la ecuación es: R igual a E dividido I, o sea, 20 voltios dividido 4 amperios igual: 5 ohmios.
Ahora bien, lo que queremos es hallar el voltaje, aquí usamos la ecuación siguiente:

E igual a I por R, o sea: 4 amperios por 5 ohmios igual: 20 voltios.


El amperio se puede sub - dividir en: miliamperios(milésima parte de un amperio) y en microamperios(millonésima parte de un amperio). Los miliamperios se utilizan en la mayoría de los circuitos transistorizados. Los símbolos para miliamperios y microamperios son como siguen respectivamente: mA - uA.
La resistencia es expresada en ohmios, un ohmio es la resistencia que presenta un circuito X donde un voltio hace circular un amperio de corriente. La otra forma de definir un ohmio está r una columna de mercurio puro de una sección transversal (grueso) de un milímetro cuadrado y de 106.3 centímetros de largo, a la temperatura de cero grados centígrados. En ohmio es muy pequeño para muchas mediciones en electrónica, por lo mismo en algunas resistencias se utilizan las palabras kilo (1000 ) y Mega ( 1,000,000 ). Además se utiliza un código de colores para identificar el valor de estas, ya que un valor muy grande no cabría en el cuerpo de la resistencia, por ejemplo una resistencia de 1,000,000 ohmios (1 Mega-ohmio)tendría los colores: marrón - negro - verde.

CIRCUITOS EN SERIE:

Hasta aquí se han hecho cálculos con una resistencia conectada en los terminales de la batería, en este caso nos preguntamos, ¿si hay más de una resistencia, como se aplica la ley de ohm?. Hay 3 maneras de conectar un resistor a un circuito: en serie, en paralelo y en serie - paralelo. Cada uno de estos métodos de conexión se usa en la práctica y depende del resultado deseado. En esta oportunidad se hablará del circuito en serie, cuando hablamos de un circuito en serie significa que las resistencias u otros componentes se conectan uno tras otro, para decirlo de otra forma, en fila.
En la figura inferior se pueden ver 3 resistencias en serie conectados a una batería. En este caso la corriente que circula por una resistencia en serie debe circular por todos los demás, definido de esta forma se obtiene una regla importante: LA CORRIENTE DE TODAS LAS PARTES DE UN CIRCUITO EN SERIE ES IGUAL. Si se coloca un amperímetro entre R1 y R2, o bien R2 y R3, o entre la batería y R1, el instrumento indicará el mismo amperaje.
Como ya se dijo, la corriente eléctrica se mide en electrones por segundo, la corriente será siempre la misma en cualquier parte del circuito; aún puede existir alguna duda del lado por donde entran los electrones en la resistencia. Dada la oposición de la resistencia, los electrones se acumularán y su paso será lento, por lo mismo la proporción de la circulación de estos es la misma cantidad de electrones por segundo. En la figura se puede observar que la resistencia total(Rt) es igual a: 500 + 200 + 300 = 1000 ohmios. La corriente que circula y que está limitada por la resistencia total, según la ley de ohm, deducimos: I = E dividido Rt = 100 dividido 1000 = a 0.1 amperio. Esta es la corriente que circula en cada resistencia, Como cada resistencia tiene diferente valor, el voltaje en cada uno es diferente. En los siguiente cálculos se notará que se usa el símbolo "V" que equivale a la caída de voltaje, en otras palabras "E" lo definimos como el voltaje de la fuente(batería) y "V", como la caída de voltaje.

Si observan los cálculos, notaremos que, aunque son diferentes los voltajes en cada resistencia, la suma de los voltajes de caída es igual al voltaje aplicado(E), ahora veamoslo en una ecuación matemática: E = V1 + V2 + V3, en números: 50 + 20 + 30 = 100 voltios.

CIRCUITOS EN PARALELO

Se ha explicado ya el cálculo de los circuitos en serie, ahora se hablará sobre los circuitos en paralelo, en estos como se podrá notar que existen algunas variantes con respecto a los circuitos en serie.

En la figura se puede observar un circuito con 2 resistencias en paralelo. Los electrones que parten de la batería se dividen en 2 grupos, uno de los cuales circula por R1 y el otro por R2 pero, los 2 grupos se juntan nuevamente al otro extremo de la unión y regresan a la batería. Dado que existen caminos paralelos para la circulación de la corriente, la combinación de resistencias de dicha figura se llama circuito paralelo.
Como puede notarse en este circuito, ambas resistencias se conectan directamente a los terminales de la batería, y la teoría indica que no existe resistencia en los alambres conductores. Para estos circuitos existe la regla: EL VOLTAJE EN TODAS LAS PARTES DE UN CIRCUITO EN PARALELO ES EL MISMO. La corriente en R1 puede encontrarse por la ley de ohm. Ya que dicha corriente es diferente de la corriente en R2.

El último cálculo está basado en una importante ley. La corriente total (It) se encontró sumando las corrientes en cada ramal, esto hace pensar que no puede circular más corriente de la que entrega la batería, esto está expresado en una ley fundamental que se conoce como LEY DE KIRCHHOFF, misma que determina que LA SUMA DE LAS CORRIENTES QUE ENTRAN A UN PUNTO ES IGUAL A LA SUMA DE LAS CORRIENTES QUE SALEN DE DICHO PUNTO. Por lo mismo, la corriente total que circula por las 2 resistencias en paralelo es de 1.5 amperios. Puede conectarse una sola resistencia en los terminales de la batería lo que causa que circule el mismo valor de corriente; ¿que valor tendrá esta resistencia?. Tanto la corriente (1.5 A) como el voltaje (10 V) se conocen, aquí aplicamos la ecuación: R = E dividido I, o sea, 10 dividido 1.5 igual 6.66 ohmios, esto quiere decir que este valor es equivalente a las 2 resistencias de la figura ya que por este también circulan 1.5 amperios, de este hecho se deriva su nombre: Resistencia equivalente (Req), abajo se indica como obtener directamente la resistencia equivalente

Como puede notarse, aquí también el valor de la resistencia es 6.66 ohmios. Ya se sabe como encontrar el valor equivalente de 2 resistencias en paralelo, lo que se verá en adelante es como se encuentra este valor de 3 o más resistencias en paralelo. En el caso de encontrar la resistencia total de 2 o más resistencias en serie, fue solo sumar el valor de cada una; para una combinación en paralelo, esto se calcula de diferente forma dado que la resistencia equivalente resulta siempre menor que el valor más bajo de combinación en paralelo. Las dos fórmulas empleadas para las 2 resistencias en paralelo se aplican para 3 o más resistencias, siendo necesaria una pequeña modificación en el procedimiento para usar la fórmula de la resistencia equivalente. Se demostrará nuevamente los 2 métodos.
En la figura se observa un circuito con un voltaje de 80 voltios, el cual circula por las 3 resistencias, ahora se debe encontrar la corriente que circula por cada una de ellas, veamos las fórmulas:

Como puede notarse la resistencia equivalente es de menor valor que la resistencias de menor valor de la combinación de resistencias. Al aplicar la fórmula para resistencias en paralelo se debe recordar que sirve solamente para 2 resistencias únicamente; por lo mismo, R2 y R3 pueden ser subsituidas en la fórmula y encontrar la resistencia equivalente de las 2. Dicha resistencia equivalente puede luego combinarse con R1 para encontrar la resistencia de la combinación. Por supuesto que, R1 se puede combinar primero con R2, y la resistencia equivalente del par se combina con R3, o se pueden combinar primero R1 y R3 y la resistencia que resulte como equivalente se combina con R2; de cualquier manera, el resultado sera el mismo. Veamos un ejemplo: R1eq = R2 X R3 dividido R2 + R3, que es lo mismo, "0 X 40 dividido 20 + 40 = 800 dividido 60 = 13.3 ohmios.
No hay que confundir Req con R1eq, en este caso se refiere a encontrar la resistencia equivalente de R2 y R3. Req = R1 X R1eq dividido R1 + R1eq = 10 X 13.3 dividido 10 + 13.3 = 133 dividido 23.3 = 5.7 ohmios. El resultado es el mismo obtenido por el método directo.
Por lo general no todos los resultados coinciden exactamente como se ha descrito, esto se debe al hecho de que la operación se forzó nada más que hasta una fracción decimal, y para demostrarlo, se puede forzar la operación de arriba para obtener tres lugares después del punto decimal lo que cambiaría ligeramente el resultado. Normalmente se efectúan las operaciones hasta conseguir los 3 lugares para las fracciones.
Si se diera el caso que dos o más resistencias están conectadas en paralelo pero no se conoce el voltaje, se puede suponer sin que importe el voltaje que se suponga.
Cuando se calcule la corriente resulta de un valor X, que, dividiendo el voltaje entre la corriente dará el valor de la resistencia. Lo cual se puede demostrar cambiando el voltaje aplicado a 100 voltios en el problema que recién se resolvió y usando el método indirecto para la resistencia. El valor de la resistencia obtenido será el mismo (5.7 ohmios).

CIRCUITOS SERIE - PARALELO

En la práctica de electrónica nos encontraremos que las resistencias no siempre se conectarán en serie o en paralelo únicamente, también se conectarán en una combinación de estos o sea, serie - paralelo. En la figura se muestra un circuito de este tipo. Para el cálculo de un circuito serie - paralelo, la combinación el paralelo se substituye con la resistencia equivalente (Req), luego el circuito se convierte en simples resistencias en serie cuyo valor óhmico se puede encontrar con una simple suma de ellas.


CARACTERÍSTICAS DEL OSCILOSCOPIO Y DEL GENERADOR DE FUNCIONES

EL OSCILOSCOPIO

Introducción:

El Osciloscopio es uno de los más importantes aparatos de medida que existen actualmente. Representan gráficamente las señales que le llegan, pudiendo así observarse en la pantalla muchas más características de la señal que las obtenidas con cualquier otro instrumento.

Hay muchos aparatos de medidas capaces de cuantificar diferentes magnitudes. Por ejemplo, el voltímetro mide tensiones, el amperímetro intensidades, el vatímetro potencia, etc. Pero, sin duda alguna, el aparato de medidas más importante que se conoce es el Osciloscopio. Con él, no sólo podemos averiguar el valor de una magnitud, sino que, entre otras muchas cosas, se puede saber la forma que tiene dicha magnitud, es decir, podemos obtener la gráfica que la representa.

Por otra parte los osciloscopios digitales tienen un aspecto totalmente distinto a los convencionales pero, si entendemos el funcionamiento de los Analógicos, será muy sencillo aprender a manejar los digitales. Los más modernos son, en realidad, un pequeño computador destinado a captar señales y a representarlas en la pantalla de la forma más adecuada.

Éstos tratan de imitar los antiguos mandos de los osciloscopios normales, de modo que, en realidad, sólo es necesario aprender la forma en que el aparato se comunica con el usuario. Esto se hace normalmente en forma de menús que pueden aparecer en pantalla con opciones que el usuario puede elegir con una serie de pulsadores.

La forma de trabajo de un osciloscopio consiste en dibujar una gráfica “Una gráfica es una curva que tiene dos ejes de referencia, el denominado de abscisas u horizontal y el eje de ordenadas o vertical. Para representar cada punto de la gráfica tememos que dar dos coordenadas, una va a corresponder a su posición respecto al eje horizontal y la otra va a ser su posición respecto al en el vertical. Esta gráficas se va a representar en la pantalla que tienen todos los osciloscopios”debido al movimiento de un haz de electrones sobre una pantalla de fósforo que la parte interna del tubo de rayos catódicos. Para representar dicha señal sobre el tubo se realiza una división en dos partes: señal vertical y señal horizontal. Dichas señales son tratadas por diferentesamplificadores y, después, son compuestas en el interior del osciloscopio.

Un osciloscopio puede ser utilizado para estudiar propiedades físicas que no generan señales eléctricas, por ejemplo las propiedades mecánicas. Para poder representar en pantalla del osciloscopio dichas propiedades, en necesario utilizar transductores que convierta la señal que le llega, en este caso la mecánica, en impulsos eléctricos. Un osciloscopio es un aparato que basa su funcionamiento en la alta sensibilidad que tiene a la tensión, por lo que se pondría entender como un voltímetro de alta impedancia. Es capaz de analizar con mucha presión cualquier fenómeno que podamos transformar mediante un transductor en tensión eléctrica.

Con el osciloscopio se pueden hacer varias cosas, como:

  • Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.
  • Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.
  • Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.
  • Localizar averías en un circuito.
  • Medir la fase entre dos señales.
  • Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

En todos los osciloscopios podemos distinguir tres partes:

  • la pantalla;
  • un canal de entrada por las que se introduce la diferencia de potencial a medir;
  • una base tiempos.


a) La pantalla es dónde vamos a ver las señales introducidas por el canal de entrada. Está fabricada con un material fluorescente que se excita a la llegada de los electrones procedentes de un tubo de rayos catódicos situado en el interior del osciloscopio. La intensidad de éste cañón y su enfoque sobre la pantalla se puede controlar con los mandos
2 y 4 (ver figura 1).

b) El canal de entrada para la señal de tensión (en nuestro osciloscopio hay dos) consta de un borne para la recepción de la señal ( 24 y 37 cuando se introduce utilizando una clavija coaxial, también conocida como BNC); así como un conmutador giratorio para cada canal, 26 y 3 4, que permiten variar el factor de amplificación de la señal según el eje Y. Esta amplificación posee un ajuste fino en 27 y 33, pero para realizar medidas éste deberá estar en su posición CAL (posición tope en sentido horario).

Los conmutadores 26 y 34 nos señalan en su escala el número de voltios por división que tenemos. Esta será la base con la cual podremos conocer el valor de nuestra señal. Cada cuadrado de la pantalla del osciloscopio representa el valor elegido en la escala.

El error de medida se corresponde con la menor indicación en la pantalla (o la mitad) del aparato. Hay que tener en cuenta que esta escala depende de la posición del mando 26 (también con el 34).

c) La base tiempos es vital en el osciloscopio para el registro de las señales que varían con el tiempo. El valor de la tensión de la señal de entrada aparece según el eje vertical (eje Y) y la señal es representada en función del tiempo según el eje horizontal (eje X). La escala de tiempos puede modificarse girando el conmutador 12. Este mando posee también un ajuste fino en 13, y deberá estar girado a tope en sentido horario para que la escala de medida de tiempos que indica el mando sea correcta.

Para ver correctamente en la pantalla señales que no permanecen estacionarias en la misma, el osciloscopio dispone de un control de disparo (trigger), que permite fijar en la pantalla todas las señales. Para que funcione correctamente es necesario tener el botón 15 en posición NORM y girar el botón 16 hasta que se establece la señal. Para ello el botón 14 no deberá estar presionado.

El error de medida se corresponde con la menor indicación en la pantalla (o la mitad) del aparato. Hay que tener en cuenta que esta escala depende de la posición del mando 12.



FUENTE REGULADA EN TENSIÓN Y CORRIENTE.

El circuito anterior, se puede mejorar considerablemente con sólo añadir un nuevo regulador que nos permita ajustar la corriente de salida de forma lineal mediante un potenciómetro P2 de 500W. Este regulador IC2, se conecta como regulador de corriente, lo que se consigue conectando la patilla 'flotante' o de masa, a la patilla de salida mediante una resistencia Rx, que en nuestro caso se encuentra en paralelo con el conjunto de resistencias de 1k y un potenciómetro de 500W para su ajuste lineal.

Además, para mejorarlo, hemos añadido una tensión negativa de -10V, limitada por una resistencia y un diodo zener de 1,2 V (diodo LM385), que se encargará de proporcionar un punto de tensión negativa en la patilla 'flotante' o de masa del regulador IC1, encargado de proporcionar la tensión regulable mediante el potenciómetro P1, como ocurría en el anterior esquema, esto nos permitirá obtener una tensión de salida comprendida entre 0V y los 27V (tensión de margen). El esquema descrito se puede apreciar en la figura 303b.


Fig. 303b

El diodo LED en paralelo con Rx, nos indicará cuando rebasamos el límite de corriente previsto. Con estos ejemplos, se dispone de unos esquemas sobre fuentes de alimentación reguladas que pueden servir como punto de partida para otros proyectos y porqué no, ellas mismas tal cual, pueden sacarnos de un apuro con unos pocos elementos y un poco de nuestro tiempo.

EL CIRCUITO PRÁCTICO.

Alguien puede decidirse por trazar las pista por el sistema de rombos, cubos y rectángulos, por que le lleva menos trabajo, aunque esto no es importante, siempre que las pistas admitan la corriente máxima. Esto, consiste en trazar unas líneas entre lo que serán los terminales de los diferentes componentes que, se habrán dispuesto en posiciones adecuadas separando de esta manera los trazos que representan las pistas, dichas líneas, serán el cobre que se comerá la solución ácida que se emplee para su realización.

En la práctica, la placa de circuito impreso o PCB, con el puente rectificador y el condensador electrolítico, se pueden apreciar en la figura 304, cuyo esquema esta en la fig. 303. El regulador LM317, se debe montar directamente sobre el refrigerador, aplicándole silicona de contacto y por seguridad un separador aislante y conectar al PCB mediante hilo de 2 m/m de sección, las pistas de conexión generales se representan con mayor espesor, se ve claramente, debe ser de unos 3 m/m de ancho, para soportan más intensidad, las salidas para el potenciómetro que estará en el panel, se harán con hilo de conexión de 1.25 m/m de sección. El led, deberá instalarse también en el panel.

fig304.gif - PCB fuente con LM317
Fig. 304

Los trazos negros, representan las pistas del circuito impreso y son la únicas de la placa pcb. El transformador adecuado, ha de entregar los 22V y 1'5A, como se ve éste, está sobre dimensionado por seguridad y un segundo secundario de 7V 0'5A.





VOLTIMETRO ANALOGICO

Muchos de nosotros hemos visto un multímetro analógico, lo hemos utilizado para tomar un valor ya sea de voltaje, corriente o resistencia, pero ¿qué provoca que la afuja se deflexione?. ¿Cómo es posible que podamos cambiar la escala de medición y se siga empleando la misma carátula? En esta oportunidad construiremos un voltímetro analógico multi-rango, basándonos en una carátula analógica.

DESARROLLO

La utilidad de un voltímetro analógico es muy amplia, aunque en la actualidad predominan los instrumentos de medición digitales y a este respecto, en una entrega siguiente veremos las ventajas y desventajas de los instrumentos digitales sobre los analógicos.

Para diseñar un voltímetro analógico lo primero que debe conseguirse es un galvanómetro, ya que éste es el medio por el que se representarán los valores de voltaje que se están midiendo.

El galvanómetro, es un dispositivo formado a partir de un inductor, el cual genera un campo magnético cuando una cierta magnitud de corriente circula a través de él. El inductor o bobina se encuentra instalado dentro de un imán fijo y al combinarse los campos magnéticos de ambos, es cuando se produce el movimiento de una carcasa metálica, que a su vez lleva sobre sí la aguja indicadora que de acuerdo a su movimiento, es el valor de voltaje al que estará apuntando. La combinación de los campos magnéticos tiene que vencer la fuerza de un resorte. El resorte es el encargado de reposicionar a la aguja a su punto de inicio o también llamado de referencia. El resorte actúa cuando ninguna corriente circula por la bobina del galvanómetro, sucediendo esto último cuando el voltaje que se mide es igual a 0V.

En la actualidad se pueden conseguir galvanómetros no tan caros, e inclusive nuevos, de los cuales no importa la graduación que tenga su o sus escalas de medición, y tampoco importa el hecho de que sólo posea una escala fija.

En la figura 3 se observa que una vez que se destapa la carátula, existe un resistor limitador de corriente (en la mayoría de las carátulas de una sola escala), el cual se tiene que quitar para que se puedan diseñar las escalas de los rangos de nuestro voltímetro. En la figura 4 se observa al galvanómetro ya sin la carátula, el cual una vez que le fue retirado el resistor limitador, se le tienen que soldar un par de cables para conectar los extremos de la bobina del galvanómetro con el circuito que diseñaremos, procurando identificar en todo momento cuál Terminal se conectará al potencial positivo y cuál al negativo, y por último se vuelve a colocar al galvanómetro dentro de su cobertura de plástico para que se proteja y podamos diseñar el circuito del voltímetro multi-rango.

Lo primero que se debe conocer son los parámetros eléctricos del galvanómetro, es decir tanto el valor de la corriente máxima que soporta (Im), como el de la resistencia de la bobina (rm).

Existen 2 maneras de conocer estos parámetros: la primera de ellas es utilizar un óhmetro y de forma inmediata conocer el valor resistivo de la bobina del galvanómetro y por ley de ohm calcular el valor de la corriente máxima que soporta, en función a un voltaje que se le aplique a las terminales de la bobina. Pero este método pone en riesgo la integridad del galvanómetro, por lo que no se sugiere a menos que se le aplique un voltaje pequeño.

La segunda forma es mediante un circuito de prueba, el cual se ilustra en la figura 5.

En este circuito de prueba, entre las terminales CN1 y CN2, se coloca tanto una fuente de voltaje fija a 10 VCD, como un resistor variable RL con un rango de 0W a 50KW (cuya misión es limitar la corriente que circulara por el galvanómetro), se debe colocar primeramente el valor máximo de RL, esto es 50KW para proteger la bobina del galvanómetro. La resistencia de la bobina del galvanómetro está representada en el diagrama de la figura 4 mediante el resistor rm, cuyo valor desconocemos y posteriormente procederemos a calcular. Tenemos que conectar de forma paralela a rm un resistor variable RD que trabaje en un rango de 0W a 2KW, y una vez armado el circuito de la figura 4 se procede a realizar lo siguiente.

RD lo quitamos provisionalmente para que se represente con un valor resistivo infinito en el circuito de prueba, lo que provocará que a través de la bobina del galvanómetro no circule corriente, ahora se tiene que manipular RL de tal manera que se vaya bajando su valor de resistencia, hasta que se obtenga el desplazamiento máximo de la aguja del galvanómetro. Una vez que se ha conseguido este movimiento con un óhmetro, se mide el valor de resistencia de RL.

Después RL se queda con el último valor medido y ya no se moverá, por lo que ahora se vuelve a conectar RD, el cual previamente se tuvo que fijar con su valor máximo de resistencia 2KW, y a partir de este valor tiene que ir disminuyendo su valor de resistivo. Lo que se observará en la aguja del galvanómetro es que ésta comenzará a moverse hacia su punto de reposo, debido a que el valor de resistencia de RD va adquiriendo valores menores. En el instante que la aguja llega a la mitad de su escala, quiere decir que tanto la corriente a través de RD, como en la bobina del galvanómetro, son del mismo valor y por relación de resistores en paralelo; eso significa que en esa posición el valor de resistencia de RD es de la misma magnitud que rm (resistencia de la bobina del galvanómetro). Posteriormente con un óhmetro se mide el valor de resistencia de RD que es igual a rm.

Por último, volvemos a recurrir al circuito de la figura 4 desconectando nuevamente RD, y como ya se cuenta con los valores de rm (ya que rm = RD), RL y el voltaje de la fuente que es de 10VCD, se procede ahora a calcular el valor de la máxima corriente Im que soporta la bobina del galvanómetro, de acuerdo a la siguiente ecuación Im = VoltajeRL + rm .

Ya contamos con los valores eléctricos del galvanómetro tales como rm e Im, por lo que como paso siguiente, vamos a enfocarnos en el diseño del voltímetro multi-rango, por lo que partiremos del circuito de la figura 6.

En el circuito del voltímetro multirango se observa una serie de resistores, cuya denominación va desde RM1 hasta RM4, éstos son resistores multiplicadores que se emplean para crear las escalas con las cuales trabajará nuestro voltímetro, por lo tanto existirán tantos resistores multiplicadores como escalas de voltaje se requieran.

Existe una llave selectora denominada SW1, por medio de la cual se elige la escala con la que se medirá el voltaje, y de acuerdo al circuito de la figura 6 la selección de la escala también implica el número de resistores limitadores que actuarán en el voltímetro, por ejemplo para la escala 1 (Vesc1) sólo interviene RM1 y rm obviamente, para la escala 2 (Vesc2) intervienen RM1, RM2 y rm, y así sucesivamente.

El cálculo de los resistores RMx surge del conocimiento de los valores de rm e Im, y del manejo de las de leyes de Kirchoff y la infaltable LEY DE OHM, de acuerdo a lo siguiente.

CALCULO DE RM1
Para ello debemos colocar la llave selectora SW1 en la posición Vesc1, por lo que el rango de operación del voltímetro para esta escala la debemos conocer, vamos a suponer que para esta escala queremos que el voltímetro mida valores de voltaje de entre 0V a 1V. El circuito resultante esta representado en la figura 7, y de ahí se determina que Vesc1 = (RM1 + rm) Im de donde despejamos RM1 quedando lo siguiente: RM1 = Vesc1Im - rm.
CALCULO DE RM2
Ahora debemos colocar la llave selectora en la ubicación Vesc2, en donde nosotros debemos establecer la escala para este rango, por lo que vamos a suponer que en esta escala se medirán voltajes desde 0V hasta 10V. La ecuación del Vesc2 = (RM1 + RM2 + rm) Im de donde despejamos RM2 quedando lo siguiente: RM2 = Vesc2Im - (rm + RM1). Y así sucesivamente para todas las escalas, en la tabla 1 se muestran todas las ecuaciones.

En la figura 9 se muestra el circuito impreso donde se alojarán los dispositivos del voltímetro multi-rango.

El listado de material esta propuesto en función a los valores que se proponen de acuerdo a lo siguiente:

Parámetros eléctricos del galvanómetro:
Im = 868.1 mAmp
rm = 157.4 W
Rango del Vesc1 de 0VCD a 1.5 VCD
Rango del Vesc2 de 0 VCD a 15 VCD
Rango del Vesc3 de 0 VCD a 100 VCD
Rango del Vesc4 de 0 VCD a 200 VCD

El diagrama esquemático fue realizado en Livewire y el circuito impreso en PCB Wizard.

Autor: Ismael Cervantes de Anda
Email: icervantes@saberinternacional.com.mx
FIGURA 1
FIGURA 2 - 3
FIGURA 4
FIGURA 5
FIGURA 6
FIGURA 7
FIGURA 8 - 9
FIGURA 10
TABLA 1
MATERIALES