tecnológico de monterrey capítulo 1

No Limits BASIC: Fundamentos del mecatrónico

Tecnológico de Monterrey

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Capítulo 1 …Introdúcete al mundo de la Mecatrónica

Objetivo:

Analizar la Ley de Ohm. Comprender y realizar diagramas de circuitos. Desarrollar la habilidad de soldar. Entender la función de los componentes electrónicos básicos.

Contenido:

o Práctica 0 – “Conceptos y elementos básicos en la electrónica”. o Práctica 1 – “Encender un LED”. o Práctica 2 – “Switch”. o Práctica 3 – “Capacitor”. o Práctica 4 – “Buzzer y P.B.”. o Sección de teoría del Capítulo 1.

Material empleado:

Porta-4 pilas AA Broche de 9V Material para soldar (Cautín, Estaño, Crema para soldar) 4 Baterías AA 1 Resistencia de 2.1MΩ 1 Protoboard 1 Resistencia de 330 Ω 1 Switch 1 Capacitor electrolítico de 220 µF 1 Buzzer 1 Push Button 1 LED Cable estructurado UTP



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Práctica #0

“Conceptos y Elementos Básicos en la Electrónica”

Voltaje

El voltaje es la fuerza electromotriz con la que se proporciona la energía eléctrica a un circuito para generar una corriente. Siendo así, La fuente de voltaje es la responsable de proporcionar dicha energía (Ej. Batería). Se mide en Volts (V).

Comenzaremos creando una fuente de voltaje de 6V con ayuda de 4 baterías AA, cada una de las cuales proporcionará 1.5V. Lo único que haremos es conectarlo en serie

(véase sección de teoría del capítulo 1) con ayuda del porta-4pilas AA. Una vez

construido le añadiremos “El broche de 9V” para poder usar la energía de esta fuente.

Corriente

Es el flujo de carga eléctrica que pasa por el circuito. Se mide en Amperes (A), lo cual se define como un Coulomb (unidad de carga) por segundo a través de una sección transversal.

Resistencia

La Resistencia (R) es un elemento que se utiliza para moderar la corriente que pasa a través de una parte del circuito; es la oposición al paso de corriente. Se mide en Ohm (Ω).

Existen diversos tipos de resistencias que se subdividen en: resistencias “estáticas” y resistencias “variables” (en éste capítulo solo manipularemos resistencias estáticas). Para conocer los valores de las resistencias estáticas consulta la sección de teoría.

Protoboard

Está conformado por agujeros con aleaciones metálicas donde se insertan los cables que permiten unir los elementos del circuito a conectar y conducir. Sirve para conectar los circuitos de manera práctica y montarlos o desmontarlos con facilidad.

La imagen 1-3 muestra cómo están interconectados los agujeros interiormente: aquellos marcados con líneas rojas y azules están conectados en forma horizontal (como se observa en el lado derecho de la imagen), en cambio los intermedios (sin color) lo hacen en forma vertical, y en secciones separadas.

Imagen 1-2. Símbolo Resistencia "Estática"

Imagen 1-3. Representación externa e interna de un

Protoboard

Imagen 1-1. Símbolo Fuente de Voltaje

Material: 4 Baterías AA Porta-4 pilas AA Broche 9V 1 Resistencia de 2.1MΩ 1 Protoboard



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Práctica #1

“Encender un LED”

LED (Light Emitting Diode)

El LED es un dispositivo que emite luz y sirve como indicador para saber si existe o no corriente.

Los LEDs soportan una corriente de 15mA; si es ligeramente mayor a esta cantidad no podrá funcionar por mucho tiempo.

Circuito para encender un LED.

La imagen 1-5 es un diagrama esquemático que explica cómo conectar físicamente estos componentes.

La imagen 1-6 es un ejemplo físico del circuito que fue representado en su forma gráfica anteriormente. Se muestra la batería de 6 Volts conectada por medio de cables a las líneas positivas (rojas) y negativas (azules) del Protoboard. De la terminal positiva sale al ánodo del LED; se conecta la resistencia en el cátodo del mismo y se cierra el circuito conectando el otro pin de la resistencia a la línea negativa, o también conocida como “Tierra”, para que por ese camino se dé el flujo de la carga y pueda existir energía

que fluya en el circuito.

Imagen 1-4. Símbolo diodo LED

Imagen 1-5. Representación gráfica del circuito

Imagen 1-6. Representación física

Material: 1 LED (color irrelevante) Fuente de voltaje de 6V 1 Resistencia de 330Ω

OJO: Recuerda que la

fuente de voltaje se

realizó en la práctica #0

Los pines son los

pequeños alambres

metálicos que sobresalen

del componente



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Práctica #2

“SWITCH”

Ya hemos encendido un LED, pero mantener este dispositivo constantemente funcionando representa un gasto innecesario de energía, por ello se emplea un interruptor, llamado comúnmente switch (en inglés).

El objetivo del switch es cerrar o abrir el circuito eléctrico. La imagen 1-8 permite comprender cómo funciona; los pines que se encuentran debajo del deslizador están conectados entre sí y seguirán de esa manera a menos que éste deslice, provocando que la corriente deje de fluir. Con 3 pines se tiene la posibilidad de no sólo cortar el paso de la corriente, sino que al mover el deslizador provoque una función diferente a la original (esto sucede al conectar un circuito diferente en el tercer pin del switch).

La práctica a realizar consiste en usar nuestro circuito anterior, pero

ahora añadiremos un interruptor haciendo que el LED encienda o apague conforme nosotros queramos.

Observando el circuito nos podemos dar cuenta que el grado

de complejidad no aumentó significativamente, sin embargo, ¿Cómo hacemos para que los pines del switch entren al Protoboard? Para ello tendremos que soldar ciertos cables que se puedan introducir al Protoboard.

“[...] one of the most important basic skills you will need if

you want to be able to create your own robots is the ability to solder […]” 1

Para empezar necesitarás retirar la cubierta plástica de 2 pequeños cables, a partir del cable estructurado UTP que se te proporcionó. Con ayuda de tu instructor

pelarás las puntas hasta llegar a la cubierta metálica; posteriormente soldarás una punta y la otra la dejaras libre como se muestra en la imagen 1-10. Procederemos ahora a colocar todos los componentes de manera que realicemos el circuito que mostramos en la imagen 1-9.

Imagen 1-7. Interior del switch

Imagen 1-8. Símbolo switch

Imagen 1-10. Representación gráfica del circuito

Material: 1 LED (color irrelevante) Fuente de voltaje de 6V

1 Resistencia de 330 Ω 1 Switch

Material para soldar (Cautín, Estaño, Crema para soldar)

Imagen 1-9. El switch después de soldar. En esta posición se

encuentra en ON



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Práctica #3

“Capacitor”

Un componente importante en toda la rama de la electrónica es el capacitor; entre aquellos disponibles,

los más comunes son los electrolíticos (polares) y los cerámicos (no polares). Un capacitor consiste en 2 placas de metal debidamente separadas que almacenan carga eléctrica (como diminutas baterías). Su unidad de medida es el Faradio. La función que desempeñan los capacitores es de protección a los componentes, su uso en un circuito permite que cada componente reciba y

expulse la corriente de manera gradual y no de “golpe”. Los capacitores cerámicos se miden en picoFaradios (pF). Los

primeros 2 dígitos son las cifras significativas del valor de la capacitancia y el tercero es el exponente de la potencia en base 10 que multiplica a los 2 primeros dígitos. Al no ser polar no importa la posición en que lo conectes.

Los capacitores electrolíticos usan un líquido especial entre las 2

placas de metal, de las cuales están formados; ese líquido suele ser tóxico y en caso de colocar el capacitor al revés (el pin positivo con la tierra y el negativo con la corriente) suele explotar haciendo que el líquido salga expulsado a una gran velocidad por la parte superior del capacitor. Por esta razón la conexión debe realizarse con extrema precaución y atención.

Ahora que ya sabemos acerca de los capacitores. ¡A

ponerlo en práctica! Observemos que el capacitor ha sido conectado en

paralelo (véase sección de teoría), de tal forma que

cuando el switch cierre el circuito, el voltaje (6V) “llene” directamente al capacitor y posteriormente, cuando el switch vuelva a romper el circuito, la carga del capacitor sirva ahora como la fuente de energía temporal.

Nótese que al prender y apagar el

switch, el capacitor se carga y se descarga de manera gradual. A mayor capacitancia, mayor es la capacidad de este componente para guardar corriente.

Imagen 1-11. Capacitor

cerámico de 103 pF y el

símbolo gráfico de un capacitor cerámico

Material: 1 LED (color irrelevante) Fuente de voltaje de 6V 1 Resistencia de 330 Ω 1 Switch (soldado) 1 Capacitor electrolítico de 220µF

Imagen 1-12. Símbolo gráfico de Capacitor

electrolítico

Cap

acit

or

Ele

ctro

lític

o



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Práctica #4

“Buzzer y P.B.”

Un Push Button (P.B.) es muy parecido al Switch; sin

embargo, la diferencia radica en que el Push Button se mantiene en “ON” únicamente cuando está presionado. Lo que ocasiona el cierre del circuito es una placa metálica ubicada debajo del botón, la cual hace contacto con los 2 pines mientras se mantiene presionada.

Un buzzer es un dispositivo de salida, el cual

en esta práctica se usará como si fuera un LED que nos indicará con un BEEP cuando el botón sea presionado.

Al observar el diagrama de la imagen 1-15 nos

percataremos que la fuente de voltaje no se encuentra como se había planteado anteriormente; esto último debido a que existen diferentes maneras de hacer los diagramas. Donde se

señala “6V” es donde se encuentra la parte positiva de la fuente de voltaje de dicha capacidad y la parte negativa se reemplazó por un GND (Ground, Tierra) con su respectivo símbolo.

Este circuito es parecido al que hicimos en

la última práctica; sólo cambiamos el LED por el Buzzer y el switch por el Push Button.

Material: 1 Buzzer

Fuente de voltaje de 6V 1 Resistencia de 330 Ω

1 Push Button 1 Capacitor electrolítico de 220µF

Imagen 1-13. Push Button

Imagen 1-14. Buzzer

Imagen 1-17. Diagrama a Realizar

Imagen 1-16. Símbolo de Tierra

o Negativo

Imagen 1-15. Símbolo positivo de la fuente de

voltaje donde la "n" se remplaza por el voltaje a

usar

Bu

zze

r



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Sección de Teoría “CAPITULO 1”

Ley de Ohm

La ley de Ohm es la más básica y la más famosa dentro del análisis de los circuitos resistivos. Es una relación muy sencilla la cual dice:

“La corriente que circula por un conductor

eléctrico es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia.”

Tipos de circuitos:

Existen dos maneras de conectar los elementos de un circuito, las cuales se definen a continuación. Circuito en Serie: En este circuito los elementos están seguidos uno de otro y ambos se reparten el Voltaje de la fuente (voltaje igual para cada componente conectado). Mientras más elementos existan menor será la

corriente que circule por el circuito, ya que por Ley de Ohm, la corriente es inversamente proporcional al valor de la resistencia que existe en él. Los elementos, dependiendo de su resistencia, pueden producir distintas caídas de Voltaje, pero por todos ellos circula la misma corriente, definida anteriormente por la Ley de Ohm. Este circuito también se conoce como circuito de un solo lazo, porque la corriente sigue un solo camino saliendo y entrando en la batería.

Circuito en Paralelo: En este tipo de circuito todos los elementos están conectados a las terminales de la batería. Cada uno de ellos posee la misma caída de Voltaje, pero distintas cantidades de corriente, que varían con respecto al valor de la resistencia de cada componente, también determinada por medio de la Ley de Ohm. Este tipo de circuito se conoce como circuito de 2 nodos. Un nodo se conoce como la unión de

2 o más dispositivos; en este caso la corriente que sale por la batería se divide al llegar a los 2 focos, aunque no necesariamente por la mitad. La manera en que se divide depende de la proporción de la resistencia de cada foco. Por el foco que posea menor resistencia circulará más corriente y viceversa, pero al volver por el camino hasta la batería regresará exactamente la misma cantidad de corriente que salió de ella.

Leyes de Kirchoff

Existen 2 leyes básicas en los circuitos que siempre se cumplen y que son fundamentales para el análisis de éstos- Se conocen como leyes de Kirchoff; una está relacionada con el voltaje y la otra con la corriente.

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica



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La Ley de Corrientes de Kirchoff

Afirma que la suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de ese mismo nodo.

La Ley de Voltajes de Kirchoff

En una trayectoria cerrada o en un lazo dentro de un circuito, la suma de las caídas de voltaje de cada uno de los elementos es igual a cero.

Método de Mallas y Método de Nodos

Las 2 leyes anteriores (Leyes de Kirchoff) son herramientas necesarias para llevar a cabo los siguientes métodos de resolución de algunos circuitos. A continuación se procederá a determinar las

caídas de voltaje y de corriente en todos y cada uno de los elementos del próximo circuito, llevando a cabo los métodos de nodos y mallas. Ejercicio del Método de Mallas:

El método consiste en establecer ecuaciones que nos entreguen el valor de las dos corrientes que suponemos dentro de cada malla o lazo.

Usando las leyes de voltaje de kirchoff se dice que: ( ) ( )

En esta primera ecuación se tienen que igualar los voltajes a cero. La corriente que pasa por la resistencia de 330Ω es la correspondiente a I1; por lo tanto, por la Ley de Kirchoff el voltaje es de , es decir ( ). Por la resistencia de 125Ω pasan las dos corrientes, por lo que se pone ( ) (una resta a la otra; corrientes en sentido contrario). La segunda ecuación quedaría:

( ) ( ) ( )

Ahora se invierten las corrientes en la resistencia. Debe ser siempre la resta de la corriente de esa malla menos la que se opone, en este caso, la de la malla adyacente. Se simplifica:

(1) ( )– ( ) (2) ( ) ( )

Al sustituir la ecuación 1 en la 2 se consigue el valor de las 2 incógnitas.

(El signo menos indica que la corriente va en la

dirección opuesta. En este caso resulta negativo porque se supuso mal su dirección)

Con estas corrientes podemos obtener los voltajes de cada resistencia aplicando la Ley de Ohm. Voltajes para la malla 1: ( ) ( ) ( ) ( )

(Las direcciones de las corrientes que

interfieren en la resistencia de 125Ω tienen el mismo sentido, por lo tanto, éstas se suman)

Voltajes para la malla 2: ( ) ( ) ( ) ( )



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Ahora se comprobarán las leyes de Kirchoff, visualizando los voltajes que se tienen en cada uno de los elementos del circuito. Si se aplican las leyes de Voltaje de Kirchoff se comprueba que la suma de las caídas de voltaje en las mallas si dan cero.

Malla 1:

– – Aproximadamente cero (esto es debido a los

decimales).

Malla 2:

Aproximadamente cero (esto es debido a los

decimales).

También se puede analizar otra malla, que tal vez no sea tan obvia para el estudiante, pero que cumple con los requisitos. Se aplicaría la misma Ley de Kirchoff pero en toda la orilla del circuito.

Malla 3:

– Aproximadamente cero (esto es debido a los decimales).

Se puede visualizar que las dos corrientes se separan en el nodo superior intermedio, una se

dirige hacia la derecha y la otra hacia la izquierda, en la resistencia de circula una menor corriente que en la resistencia de , tal y como fue explicado en la sección acerca del “circuito paralelo”.

Ejercicio de Nodos:

Se analizará un circuito similar, pero ahora por el método de nodos. En el circuito se identifican 3 nodos, con respecto a la referencia, que en este caso es la terminal negativa o la tierra.

El voltaje en es directo:

Para analizar el resto se aplica la Ley de corrientes de Kirchoff que circulan por un nodo.

Para el :

+

Parara el :

Al resolver de nuevo el sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas se consigue que:



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Por lo tanto para sacar los voltajes en las resistencias se procede a realizar sumas entre nodos.

– en en

en en

En el diagrama quedan los siguientes voltajes y se aprecia que también para este circuito se

cumplen las Leyes de Kirchoff.

Multímetro El multímetro es un aparato el cual te permite conocer ciertos valores de la electricidad que fluye por el circuito. Corriente, voltaje y resistencia son los valores que siempre necesitamos saber y que el multímetro más económico es capaz de medir. Está compuesto por un seleccionador de función, una pantalla donde muestra el valor que mide y los conectores donde se insertan cables que funcionan como extensiones para una medición más cómoda.

Imagen 1-18. Multímetro económico



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Medir resistencias estáticas Medir una resistencia estática es relativamente sencillo, lo único que tienes que hacer es observar bien tu resistencia. El primer paso es encontrar el orden que se tiene en las bandas. La cuarta banda se caracteriza por estar más separadas que las demás. Una vez identificado el orden tendremos

que observar la siguiente tabla. Las 2 primeras franjas son las cifras significativas de la resistencia las cuales se multiplicaran por el factor multiplicador (la tercera banda), la cuarta banda marca a tolerancia ( ) con porcentaje de dicho valor completo.

(Ej. Rojo + Café + Verde + Oro = 21 x 100,000 ±5%) < 1 995 000 Ω - 2 205 000 Ω >

Color 1ra y 2nda

Banda 3ra Banda 4ta Banda

Negro 0 x1 N/A

Café 1 x10 1%

Rojo 2 x100 2%

Naranja 3 x1 000 N/A

Amarillo 4 x10 000 N/A

Verde 5 x100 000 0.50%

Azul 6 x1 000 000 0.25%

Violeta 7 N/A 0.10%

Gris 8 x0.1 0.05%

Blanco 9 x0.01 N/A

Plata N/A N/A 10%

Oro N/A N/A 5%

Imagen 1-19. Resistencia de 2, 100,000 ± 5% Ω

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