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• John Aranzales

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PRIMER TRABAJO COLABORATIVO FÍSICA ELECTRÓNICA

LEIDY JULIETH OCHOA CÓDIGO: 38211792 YAILETH CORREDOR OSORIO CÓDIGO: 41948397 EDWIN LEONARDO ROBAYO BERRIO CÓDIGO: 7316445 DIEGO ARMANDO ARANZALEZ DELGADO CÓDIGO: 14139828

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MARZO DE 2015 COLOMBIA

OBJETIVOS

El objetivo principal del presente trabajo colaborativo es evidenciar el desarrollo de habilidades relacionadas con el montaje y puesta en marcha de circuitos eléctricos para la solución de algunos retos tecnológicos mediante la comprensión de los conceptos estudiados y el reconocimiento de las leyes básicas y el comportamiento de diversos elementos enmarcados en la primera unidad del curso de Física Electrónica. Adicionalmente se busca alcanzar otros objetivos como el desarrollo de habilidades para el manejo de simuladores para circuitos eléctricos sencillos como una opción de laboratorio de pruebas para contrastar la teoría con la práctica en escenarios reales. Finalmente se busca desarrollar la creatividad del estudiante para solucionar problemas reales mediante la simulación de circuitos eléctricos como base de formación profesional.

1. TRABAJO SOBRE LAS RESISTENCIAS ELÉCTRICAS

A continuación se presenta una tabla con valores comerciales de resistencias eléctricas, es decir, aquellos valores que existen en las tiendas de componentes electrónicos.

NOTA: Las resistencias que aparecen con el prefijo “K” o “M” en medio de 2 números se interpretan como sigue: “1K2 Ω” equivale a 1,2 KΩ y “1M2 Ω” equivale a 1,2 MΩ. Recuerde que el prefijo “K” corresponde a Kilo (10 3 = 1000) y el prefijo “M” corresponde a Mega (106 = 1000000)

Para las siguientes resistencias y el circuito dado, responda los cuestionamientos planteados.

a. De acuerdo a las imágenes mostradas y teniendo en cuenta el código de colores, determine el valor de R1 y R2. R// basados en el código de colores y con la ayuda de una aplicación web hallamos el valor de cada resistencia y los resultados se muestran a continuación: Para la resistencia # 1

Para la resistencia #2

b. ¿Cuál es el valor de la fuente de alimentación V1? R// Para hallar el valor del voltaje de la fuente es clave identificar la disposición del circuito. En este caso el circuito es resistivo en serie, con esto sabemos, que la corriente (I) Es la misma en cualquier punto del circuito. También que las dos resistencias son equivalentes a la suma aritmética de las resistencias. Con esa información se procede así: Circuito resistivo en serie: RT =R1 + R2=4.8 K ohm+2.2 K ohm=7 K ohm V 1=R∗I =( 7 K ohm )∗( 2 m A )=14 v

V 1=14 v

Adicionalmente se puede proceder con otro método, se puede hallar la caída de voltaje en cada resistencia y después utilizar la segunda ley Kirchhoff, sumando las caídas de voltaje de los elementos de carga se obtiene el voltaje de la fuente, estos dos métodos se ilustran en el siguiente diagrama que además corrobora la respuesta analítica hallada.

c. ¿Son comerciales las dos resistencias? Si no son comerciales cámbielas de tal forma que la corriente no sea mayor pero si muy aproximada a los 2 mA que muestra el circuito, teniendo en cuenta que el voltaje V1 conserva el mismo valor. R// la resistencia R1 no es comercial, pues su valor de 4.8 K ohm no aparece en la tabla proporcionada por la guía, los valores más cercanos son la resistencia de 4.7 K ohm y 5.1 K ohm, por el contrario la resistencia R2 es comercial pues su valor está registrado en la tabla anteriormente anexada. Como R1 no es comercial debemos escoger otra resistencia tal que el valor de la corriente sea muy cercano a 2 m A no mayor. Para esto utilizamos las dos resistencias comerciales más cercanas al valor de R1 y calculamos la corriente sabiendo que la fuente suministra un voltaje de 14 v. En el caso que

R1=4.7 K ohm

RT =R1 + R2=4.7 K ohm+2.2 K ohm=6.9 K ohm

( 14 v ) V I= = =2.02897 m A R ( 6.9 K ohm )

I =2.029 m A

En el caso que

R1=5.1 K ohm

RT =R1 + R2=5.1 K ohm+2.2 K ohm=7.3 K ohm

( 14 v ) V I= = =1.9178 m A R ( 7.3 K ohm ) I =1.918 m A

Por lo anterior la resistencia comercial con la cual reemplazaremos R1 es la resistencia de 5.1 K ohm pues con ella nos aproximamos mucho al amperaje solicitado sin exceder su valor. Además era de esperarse pues si el voltaje se mantiene constante, a medida que la resistencia disminuye, el amperaje aumenta y viceversa. Por eso debíamos tomar una resistencia comercial ligeramente mayor a 4.8 K ohm.

d. Si fue necesario cambiar una o las dos resistencias dadas para el circuito, indique cual sería el código de colores para la o las resistencias comerciales determinadas en el punto anterior. R// en el punto anterior, fue necesario cambiar solo una de las resistencia, R1 de 4.8 K ohm a 5.1 K ohm, ahora ayudados por la aplicación web buscaremos el código de colores para la nueva resistencia de 5.1 K ohm.

e. Realice la simulación del circuito mostrando tanto la corriente como la caída de voltaje en cada una de las resistencias, tanto para los valores dados como para los comerciales. R// Debido a que el circuito resistivo es un circuito en serie, la corriente tiene el mismo valor en cualquier punto para comprobarlo utilizamos dos medidores de amperaje, adicionalmente instalamos dos voltímetros para medir la caída en cada resistencia. El primer caso que se presenta es el circuito original del ejercicio:

El segundo caso que se presenta es el circuito con la resistencia modificada:

2. APLICACIÓN DE LAS LEYES DE LOS CIRCUITOS ELÉCTRICOS Se adquirieron en una tienda de componentes electrónicos los siguientes elementos

a. Circuito en serie: De las resistencias adquiridas ¿cuáles debo elegir, de tal manera que se consuma la menor corriente posible en el siguiente circuito?

R// Antes de resolver cual debe ser la configuración de las resistencias en el circuito es necesario conocer los valores de cada resistencia, para ello utilizaremos nuevamente la aplicación web para descifrar el código de colores. Los valores son los siguientes: Para R1:

Para R2:

Para R3:

Como el circuito resistivo está en serie, el menor consumo de corriente se dará si la resistencia equivalente es la de menor valor, es decir las dos resistencias cuya suma aritmética tenga el menor valor, serán las resistencias que presentaran menor oposición al flujo de electrones y por tanto menor consumo de corriente. En el presente caso R1 y R3 son las indicadas. 

Realice los cálculos de corriente, voltaje y potencia en cada uno de los elementos.

Para los cálculos solicitados es elemental reconocer que el circuito analizado es un circuito en serie y por tanto la corriente es la misma en cualquier punto. Como es un circuito resistivo en serie, existe una resistencia equivalente igual a la suma aritmética de las resistencias. Además la fuente es de 15 v, así podemos calcular la corriente en cualquier punto del circuito: Para

R1=10 K ohm

y

R3=4.7 K ohm

RT =R1 + R3=10 K ohm+ 4.7 K ohm=14.7 K ohm

( 15 v ) V I= = =1.0204 m A R ( 14.7 K ohm ) I =1.02 m A

Ahora procedemos a calcular el voltaje y la potencia consumida por cada resistencia: Para

R1=10 K ohm V R =R1∗I =( 10 K ohm )∗( 1.02 m A ) =10.2 v 1

V R =10.2 v 1

Para calcular la potencia procedemos así: PR =V R ∗I =( 10.2 v )∗( 1.02 m A )=10.404 mW 1

1

PR =10.40 mW 1

Para

R3=4.7 K ohm V R =R3∗I = ( 4.7 K ohm )∗( 1.02 m A ) =4.794 v 3

V R =4.80 v 3

Para calcular la potencia procedemos así: PR =V R ∗I =( 4.8 v )∗( 1.02 m A )=4.896 m W 3

3

PR =4.90 m W 3

Finalmente procederemos a calcular la potencia generada por la fuente, así: PFuente =V Fuente∗I = (15 v )∗( 1.02 m A ) =15.3 mW PFuente =15.30m W



Compruebe los cálculos haciendo uso del simulador.

En el siguiente grafico se observaran los resultados obtenidos con el simulador y se podrán comparan con los datos de la tabla que sintetiza los resultados obtenidos analíticamente. Se observa y los resultados obtenidos analíticamente son iguales a los resultados obtenidos con el simulador.

Valor Elemento R1 R3 FUENTE 

R (K ohm)

I (m A)

V (v)

P ( m W)

10 4.7 --

1.020 1.020 1.020

10.20 4.8 15

10.40 4.90 15.3

Explique la razón por la cual no eligió la resistencia sobrante.

La resistencia R2 no se utilizó en el circuito en serie, pues su valor de 22 K ohm es el más alto de las 3, lo que haría que en cualquier configuración en serie que se utilizar, hubiese un mayor consumo de corriente y eso iría en contravía del ejercicio propuesto. b. Circuito en paralelo: De las resistencias adquiridas ¿cuáles debo elegir, de tal manera que se consuma la mayor corriente posible en el siguiente circuito?

R// Antes de resolver cual debe ser la configuración de las resistencias en el circuito es necesario conocer los valores de cada resistencia, para ello utilizaremos nuevamente la aplicación web para descifrar el código de colores. Los valores son los siguientes: Para R1:

Para R2:

Para R3:

Como el circuito resistivo está en paralelo, el mayor consumo de corriente se dará si la resistencia equivalente es la de mayor valor, es decir, serán las resistencias que presentaran mayor oposición al flujo de electrones y por tanto mayor consumo de corriente. Por tanto es necesario realizar el cálculo de las resistencias equivalentes para cada pareja de resistencias, así: R1=10 K ohm , R2=22 K ohm y R3=4.7 K ohm

Para

, utilizando la formula se tiene:

R ∗R 1 1 1 R +R = + = 1 2 → RT = 1 2 RT R1 R2 R1∗R 2 R 1+ R 2 1−2

1−2

Ahora se procede a calcular cada resistencia equivalente: RT =

R1∗R 2 ( 10 K ohm )∗( 22 K ohm ) 220 ( K ohm )2 = = =6.875 K ohm R1 + R2 (10 K ohm ) + ( 22 K ohm ) 32 K ohm

RT =

R1∗R3 ( 10 K ohm )∗( 4.7 K ohm ) 47 ( K ohm )2 = = =3.197 K ohm R1 + R3 ( 10 K ohm ) + ( 4.7 K ohm ) 14.7 K ohm

RT =

R2∗R3 ( 22 K ohm )∗( 4.7 K ohm ) 103.4 ( K ohm )2 = = =3.873 K ohm R2 + R3 ( 22 K ohm ) + ( 4.7 K ohm ) 26.7 K ohm

1−2

1−3

2−3

De lo anterior, se puede decidir sin temor a equivocarnos que la pareja R1 y R2 serán las resistencias que harán que dicho circuito consuma mayor corriente. 

Realice los cálculos de corriente, voltaje y potencia en cada uno de los elementos.

Para los cálculos solicitados es elemental reconocer que el circuito analizado es un circuito en paralelo y por tanto el voltaje entre cada terminal es el mismo e igual al voltaje de la fuente, de 12 v, así podemos calcular la corriente en cada elemento y la potencia.

R1=10 K ohm

Para la resistencia

V Fuente =V R =V =12 v 1

IR = 1

( 12 v ) V = =1.2 m A R1 (10 K ohm ) I R =1.2 m A 1

Para calcular la potencia consumida procedemos así: PR =V∗I R =( 12 v )∗( 1.2 m A )=14.4 m W 1

1

PR =14.4 mW 1

R2=22 K ohm

Para la resistencia

V Fuente =V R =V =12 v 2

IR = 2

( 12 v ) V = =0.545 m A R2 ( 22 K ohm ) I R =0.545m A 2

Para calcular la potencia consumida procedemos así: PR =V∗I R =( 12 v )∗( 0.545 m A )=6.54 mW 2

2

PR =6.5 mW 1

Procederemos a calcular la corriente que genera la fuente mediante la 1ª ley de Kirchhoff así:

I Fuente=I R + I R =( 1.2 m A ) + ( 0.545 m A )=1.745 m A 1

2

I Fuente=1.745 m A Para calcular la potencia generada por la fuente procedemos así: PFuente =V∗I Fuente = (12 v )∗( 1.745 m A ) =20.94 mW PFuente =20.9m W 

Compruebe los cálculos haciendo uso del simulador.

En el siguiente grafico se observaran los resultados obtenidos con el simulador y se podrán comparan con los datos de la tabla que sintetiza los resultados obtenidos analíticamente. Se observa y los resultados obtenidos analíticamente son iguales a los resultados obtenidos con el simulador.

Valor Elemento R1 R2 FUENTE 

R (K ohm)

V (v)

I (m A)

P ( m W)

10 22 --

12 12 12

1.2 0.545 1.745

14.4 6.5 20.9

Explique la razón por la cual no eligió la resistencia sobrante.

La resistencia R3 no se utilizó en el circuito en serie, pues su valor de 4.7 K ohm es el más bajo de las 3, lo que haría que en cualquier configuración en paralelo que se utilizara, hubiese un menor consumo de corriente y eso iría en contravía del ejercicio propuesto. CONCLUSIONES Mediante el desarrollo del presente trabajo colaborativo se puede evidenciar las habilidades para el montaje y puesta en marcha de circuitos eléctricos sencillos dando respuesta a retos tecnológicos, mediante el uso correcto del software de simulación y el entendimiento de los conceptos, leyes y elementos presentados en la primera unidad del curso de física electrónica. De la misma manera se puede corroborar el desarrollo de habilidades para el uso correcto del software de simulación Electronics Workbench, un laboratorio virtual con las herramientas necesarias para los estudios de circuitos eléctricos y electrónicos. El simulador Electronics Workbench en su versión de prueba no presenta una herramienta directa para medir la potencia generada por una fuente o consumida por algún elemento. El uso de simuladores de circuitos como laboratorio de prueba facilita la comprensión del funcionamiento de un circuito y el análisis de las posibles fallas. Además reduce el tiempo de montaje. ANALISIS DE RESULTADOS Como se menciona en el cuerpo del trabajo los resultados obtenidos analíticamente, aplicando los conceptos y las leyes fundamentales que rigen los circuitos eléctricos, son los mismos resultados obtenidos con el software de simulación. Las diferencias que pueden existir dependerán de los ajustes a las herramientas de medición del laboratorio virtual. Adicionalmente la ilustración de los circuitos eléctricos que presenta el simulador facilita la comprensión del funcionamiento de cada elemento y sus posibles fallas.