075 – Ensamblaje de circuito eléctrico

Cada aparato electrónico que se ha construido comienza como un circuito: una fuente, un conductor y algo que limita la corriente. Una placa de pruebas es la manera estándar de hacer ese circuito de forma temporal, sin soldadura, para que un diseño pueda probarse, medirse y modificarse en cuestión de minutos. Es la herramienta con la que comienza cada laboratorio de electrónica, banco de prototipos y curso universitario, y la razón por la que un producto moderno puede pasar de un boceto a un circuito funcional en una tarde.

Dos reglas rigen todo lo medido en un bucle de este tipo. La ley de Ohm, V = IR, relaciona la corriente que atraviesa un componente con la tensión en sus extremos. La regla de las mallas de Kirchhoff establece que las tensiones alrededor de cualquier bucle cerrado deben sumar cero: la energía suministrada a cada carga por la fuente se devuelve íntegramente a los componentes que atraviesa. Juntas tienen una consecuencia útil: en un solo bucle la corriente es la misma en todas partes, por lo que los componentes en serie dividen la tensión de la alimentación entre ellos en proporción a sus resistencias. Eso es suficiente para hallar el valor de un componente que no se puede leer, utilizando únicamente un voltímetro y una resistencia cuyo valor sí se conoce.

En este laboratorio usted conectará una fuente de alimentación a una placa de prototipos (breadboard), armará un circuito en serie que contendrá una resistencia conocida y una resistencia misteriosa cuyas marcas han sido borradas, guardará un diagrama de lo que construyó y luego medirá un solo voltaje con un multímetro. A partir de esa única lectura, el voltaje de la fuente y la resistencia conocida, calculará la corriente en el circuito, el voltaje en la resistencia misteriosa y, finalmente, su resistencia; un primer ejercicio para obtener una cantidad que no puede medir directamente a partir de cantidades que sí puede.

Objetivos Educativos

Comprender los componentes y la placa de pruebas

• Una placa de prototipos (breadboard) permite conectar componentes electrónicos sin necesidad de soldar para construir y probar circuitos temporales. Una fuente de alimentación de banco suministra voltajes y corrientes eléctricos ajustables y estables para alimentar el circuito. Una resistencia limita y controla el flujo de corriente eléctrica dentro del circuito. Un multímetro mide magnitudes eléctricas como voltaje, corriente y resistencia con el fin de verificar y solucionar problemas en el circuito.
• Lee las conexiones internas de la placa de pruebas que aparecen en el póster y predice qué orificios corresponden eléctricamente al mismo punto.

Construcción de un circuito en serie

• Conecta una fuente de alimentación a los raíles de la placa de prototipado y coloca dos componentes en serie entre ellos, comprobando que el circuito esté cerrado antes de encender.
• Redibuja el circuito montado como un esquema y reconoce que muchas disposiciones físicas diferentes dan el mismo esquema.

Midiendo con un multímetro

• Conecte un multímetro como voltímetro —en paralelo con el componente de interés, selector en V— y lea con la resolución que ofrece la pantalla.
• Un voltímetro debe tener una resistencia muy alta para que la corriente que pasa a través de él sea insignificante, evitando así que altere el voltaje del circuito que se está midiendo. Por el contrario, un amperímetro debe tener una resistencia muy baja para minimizar la caída de voltaje a través de él y evitar alterar la corriente que fluye en el circuito.

Aplicando la ley de Ohm y la regla de las mallas de Kirchhoff

• Calcula la corriente en un circuito en serie a partir del voltaje en una resistencia conocida, luego usa la regla de lazos para encontrar el voltaje en una desconocida.
• Determine una resistencia desconocida de dos maneras independientes —a partir de su propio voltaje y corriente, y restando la resistencia conocida del total del circuito— y compruebe que coinciden.

Juzgar la calidad de un resultado

• Estime la potencia disipada en cada componente y verifíquelo con lo que los componentes pueden soportar.

Trabajo de grabación

• Guarda el diagrama del circuito y la fotografía del circuito montado, de modo que un resultado pueda rastrearse hasta la disposición que lo produjo.

Protocolo

Delante de usted hay una protoboard, una fuente de alimentación y un multímetro.

• La protoboard es el panel blanco grande que tienes delante. Es una herramienta que permite construir un circuito fácilmente. Todo lo que está en una columna numerada está conectado a todo lo demás dentro de esa columna. Lo mismo ocurre con las filas X e Y.
• La fuente de alimentación es la caja gris en el estante. ¡Es como una toma de corriente! Proporciona la energía necesaria para nuestros circuitos.
• El multímetro es el rectángulo con contornos naranjas. Es una herramienta que permite estudiar la corriente así como el voltaje de tu circuito.

A su derecha hay contenedores que contienen varios componentes electrónicos. En este experimento, solo tendrá acceso a cables y resistencias.

Construyendo el circuito

1. Toma dos cables del contenedor y colócalos delante de ti.
2. Toma el extremo de uno de los cables y conéctalo al terminal negro de la fuente de alimentación.
3. Toma el otro extremo del mismo cable y conéctalo en la fila X de la protoboard.
4. Toma un extremo del otro cable y conéctalo al terminal rojo de la fuente de alimentación.
5. Toma el otro extremo de este mismo cable y conéctalo en la fila Y de la protoboard.

La fuente de alimentación ahora está conectada a la protoboard. Ahora es posible usar las filas A a E para realizar el experimento.

6. Enciende la fuente de alimentación con el interruptor y anota el valor mostrado en la fuente de alimentación.
7. Tome un cable y conéctelo de la fila X a la ubicación A-10.
8. Conecta la resistencia misteriosa del estante que tienes delante desde B-10 hasta B-11
9. Tomar una resistencia del contenedor de tu derecha y conectarla de C-11 a C-12
10. Usando la guía de colores, anota la resistencia del resistor.
11. Toma un cable y conéctalo de la E-12 a la fila Y.

¡Has construido tu primer circuito! Este circuito podría haberse construido de muchas otras maneras. Aquí, se proporcionó la configuración exacta, pero lo importante es solo respetar las conexiones de la protoboard como se ilustra en el póster de la mesa.

Guardar un circuito

12. En la esquina inferior derecha del menú principal de esta tableta, puede encontrar un botón que permite ver el circuito. Una vez en esta interfaz, puede ver un diagrama que representa el circuito que acaba de crear. En esta interfaz, hay dos botones accesibles. Uno para guardar la imagen en los resultados, otro para cambiar el tipo de visualización a una cámara.
13. Guarda el diagrama y la vista de la cámara del circuito.

Medición de un circuito

¡Ahora que el circuito está construido, hay que estudiarlo! Para ello debes usar el multímetro.

14. Toma un cable y conéctalo al jack central (COM) del multímetro.
15. Toma otro cable y conéctalo al jack derecho (VHz) del multímetro.
16. Asegúrate de que el dial central apunte a V.
17. Ya estás listo para medir el voltaje de tu resistencia, para hacer esto, toma los dos extremos restantes de los cables y conéctalos a las ubicaciones D-11 y D-12.

Guardando el diagrama del circuito

18. Apaga la fuente de alimentación
19. Usando la resistencia y el voltaje anotados, utilice la ley de Ohm para calcular la corriente en la resistencia conocida y, por lo tanto, en el circuito.
20. Con el voltaje medido y el voltaje proporcionado por la fuente de alimentación, usa la segunda ley de Kirchhoff para calcular el voltaje de la resistencia desconocida.

Ahora conoces el voltaje y la corriente de la resistencia misteriosa. Usa la ley de Ohm para descubrir su resistencia.

21. Envía los resultados

Resultados esperados

Valores de los componentes. La fuente de alimentación suministra 12 V. La resistencia sacada de la caja tiene las bandas en orden verde – negro – dorado – marrón, lo que se interpreta como los dígitos 5 y 0 con un multiplicador dorado de ×0,1, es decir, 5 Ω ±1 % (el mismo multiplicador dorado que introduce el laboratorio 074). A la segunda resistencia le han rayado las bandas; su valor es de 10 Ω, y el objetivo del ejercicio es llegar a esa cifra a partir de las mediciones, en lugar de a partir del código.

¿Por qué salen así los números?

Las dos resistencias están en un solo bucle, por lo que cada electrón que pasa por la primera pasa por la segunda: La intensidad es la misma en todos los puntos de un circuito en serie.. Esta es la regla de corrientes de Kirchhoff en su forma más simple: no hay ningún otro lugar adonde pueda ir la carga. Por lo tanto, las resistencias se suman:

R_total = R₁ + R₂ = 5 + 10 = 15 Ω

y la ley de Ohm aplicada a todo el circuito da la corriente:

I = V / R_total = 12 V / 15 Ω = 0.80 A

Debido a que la corriente es común a ambos, la misma ley aplicada a cada componente por separado muestra que el voltaje de alimentación es dividido en proporción a las resistencias:

V₁ = I R₁ = 0.80 × 5 = 4.0 V y V₂ = I R₂ = 0,80 × 10 = 8,0 V

La resistencia con el doble de resistencia toma el doble de voltaje. La regla de las mallas de Kirchhoff es entonces la comprobación de que la contabilidad cuadra:

V_suministro − V₁ − V₂ = 12 − 4,0 − 8,0 = 0

Identificar la resistencia sin marcar de dos maneras

La ruta que pide el protocolo atraviesa las propias magnitudes de la resistencia misteriosa. Su voltaje es lo que deja la regla de las mallas, 12 − 4.0 = 8.0 V, y su corriente es la corriente del circuito hallada a partir de la resistencia conocida, 4.0 V / 5 Ω = 0.80 A. La ley de Ohm reorganizada da entonces la respuesta:

R₂ = V₂ / I = 8.0 V / 0.80 A = 10 Ω

Una segunda ruta independiente da el mismo número y vale la pena pedirla a los estudiantes, porque la concordancia entre dos derivaciones es cómo se confía en un resultado: la resistencia total del bucle es R_total = 12 V / 0.80 A = 15 Ω, y al restar el resistor cuyo valor se conoce quedan 15 − 5 = 10 Ω. Los dos coinciden exactamente, como deben hacerlo, ya que ambos se basan en la misma medición única.

El punto que se pasa por alto con más frecuencia: la resistencia de 5 Ω es el amperímetro. El dial del multímetro está configurado en V y permanece ahí, por lo que la corriente nunca se mide en ninguna etapa de este laboratorio; se infiere mediante el uso de un resistor de valor conocido como sensor de corriente. Así es exactamente como se mide la corriente dentro de casi todos los instrumentos y fuentes de alimentación jamás construidos: una pequeña resistencia precisa, llamada 'shunt' o derivación, se coloca en el trayecto y se lee el voltaje a través de ella. Esto también explica de dónde proviene la precisión del resultado final y por qué la tolerancia impresa en esa única resistencia importa más que cualquier otra cosa en la mesa de trabajo.

La potencia en este circuito es lo único que se debe comprobar antes de montarlo

Resistencias de unos pocos ohmios conectadas a una fuente de 12 V consumen una gran cantidad de corriente, y la energía tiene que ir a alguna parte. A partir de P = VI, o de forma equivalente P = I²R:

Una resistencia de paso general tiene una potencia nominal de un cuarto de vatio. A los dos componentes de este circuito se les pide disipar trece y veintiséis veces esa cantidad, y los contactos de resorte de una placa de prototipos (breadboard) suelen tener una capacidad nominal de aproximadamente 1 A, por lo que 0,80 A está al límite de lo que la propia placa debería soportar. En un banco de trabajo físico, este circuito echaría humo en cuestión de segundos. Se debe advertir a un estudiante que monte lo mismo en una placa real, y la aritmética anterior es la forma en que se llega a la advertencia en lugar de recordarla. Aumentar cada resistencia en un factor de cien —470 Ω y 1,0 kΩ, lo que mantiene la pulcra proporción de 1:2— daría 8,2 mA, caídas de 3,84 V y 8,16 V, y disipaciones de 31 mW y 67 mW: la misma física, la misma aritmética y nada cerca de su límite.

Por qué el voltímetro no altera lo que mide

Conectar un voltímetro a través de la resistencia de 5 Ω pone su resistencia de entrada en paralelo con dicha resistencia, lo que necesariamente reduce la resistencia del par y altera el circuito mismo que se está estudiando. Lo que salva la medición es la magnitud de la perturbación. La entrada de voltaje de un multímetro digital es de aproximadamente 10 MΩ, por lo que la combinación en paralelo es de 5 Ω × 10⁷ / (5 + 10⁷), lo que difiere de 5 Ω en unas cinco partes por diez millones —cuatro órdenes de magnitud por debajo de la propia tolerancia del resistor—. Esta es la razón por la cual un voltímetro se construye para tener la resistencia más alta posible y un amperímetro la más baja, y vale la pena señalar que la misma medición en un circuito construido con resistores de megaohmios estaría gravemente equivocada exactamente por esta razón.

Los resultados se encuentran siguiendo este enlace (PDF).

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

Enfoque: montando el circuito y tomando una lectura.

Actividades cablee la fuente a los rieles, monte las dos resistencias en serie siguiendo el protocolo y explique a partir del cartel por qué A-10 y B-10 son el mismo punto eléctrico. Lea el voltaje de la fuente, conecte el multímetro como voltímetro en paralelo con la resistencia conocida y registre la lectura. Decodifique la resistencia conocida a partir de sus bandas de color. Se espera a este nivel: un circuito en funcionamiento, un diagrama guardado correctamente, un voltaje registrado con su unidad y la afirmación, con las propias palabras del estudiante, de que las dos resistencias se reparten el voltaje de la fuente entre ellas.

Undécimo grado

Enfoque: análisis cuantitativo del circuito en serie.

Actividades calcular la corriente del circuito a partir del voltaje medido y la resistencia conocida, aplicar la regla de la malla para obtener el voltaje a través de la resistencia misteriosa, e identificarla con la ley de Ohm, con cada sustitución escrita. Confirmar la respuesta por la segunda vía, resistencia total menos resistencia conocida, y explicar por qué ambas deben coincidir. Calcular la potencia disipada en cada resistencia y compararla con la clasificación de un cuarto de vatio de un componente ordinario. Lo esperado a este nivel: aritmética correcta a dos cifras significativas, ambas vías mostradas y un comentario sobre si este circuito podría construirse físicamente tal como se especifica.

12.º curso / Nivel universitario

Enfoque: teoría de la medición y efectos de los instrumentos.

Actividades derivar la expresión del divisor de voltaje V_i = V R_i / ΣR a partir de la regla de mallas y utilícela para obtener ambas caídas sin calcular la corriente. Cuantifique el efecto de carga del voltímetro a partir de su resistencia de entrada de 10 MΩ y muestre por qué es despreciable aquí pero no lo sería en un circuito de megaohmios. Estime la resistencia total de contacto y de los conductores y prediga su efecto sobre la corriente medida. Finalmente, rediseñe el circuito para mantener la misma aritmética dentro de la potencia nominal de los componentes estándar y justifique los valores elegidos. Se espera a este nivel: un análisis escrito con supuestos establecidos y un rediseño justificable.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Protoboard, con el diagrama de conexiones mostrado en el póster del banco
• Fuente de alimentación de banco (12 V) con interruptor de encendido/apagado y pantalla de voltaje
• Multímetro, usado aquí como voltímetro (selector en V, cables en COM y VHz)
• Cables de conexión × 6: dos a la fuente, dos en el circuito, dos al multímetro
• Tabla de códigos de colores de resistencias
• Tableta, para ver y guardar el diagrama de circuitos y la vista de la cámara

Productos

• Resistencia de valor conocido, 5 Ω ±1, % — bandas de color verde, negro, dorado y marrón, tomada del cajón de componentes
• Resistencia misteriosa, 10 Ω — en el estante, con las bandas borradas

Diagrama