075 – Montaje de circuitos eléctricos

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

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

En este laboratorio, conectará una fuente de alimentación a una placa de pruebas (protoboard), construirá 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.

Metas educativas

Entender los componentes y la placa de pruebas

• Un protoboard (breadboard) permite conectar componentes electrónicos de forma temporal sin necesidad de soldar para construir y probar circuitos. Una fuente de alimentación de banco (bench power supply) suministra voltaje y corriente eléctrica ajustables para energizar el circuito. Una resistencia limita el flujo de corriente eléctrica para proteger otros componentes. Un multímetro mide magnitudes eléctricas como voltaje, corriente y resistencia con el fin de verificar y solucionar problemas en el circuito.
• Lea las conexiones internas del protoboard en el póster y prediga qué orificios son el mismo punto eléctricamente.

Armar un circuito en serie

• Conecte una fuente de alimentación a los rieles de la protoboard y coloque dos componentes en serie entre ellos, verificando que el circuito esté completo antes de encender.
• Redibuje el circuito ensamblado como un esquemático y reconozca que muchas disposiciones físicas diferentes dan el mismo esquemático.

Midiendo con un multímetro

• Conecte un multímetro como voltímetro —en paralelo con el componente de interés, el selector en V— y realice la lectura 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 que se está midiendo en el circuito. Por el contrario, un amperímetro debe tener una resistencia muy baja para que no cause una caída de voltaje significativa y no altere la corriente que se está midiendo.

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 a través de una resistencia conocida, luego usa la regla de lazos para encontrar el voltaje a través de una desconocida.
• Determinar 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 comprobar que coinciden.

Juzgar la calidad de un resultado

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

Registro de trabajo

• Guarde el diagrama del circuito y la fotografía del circuito armado, para que se pueda rastrear un resultado hasta el arreglo que lo produjo.

Protocolo

Frente a ti hay una tablilla de conexiones, una fuente de alimentación y un multímetro.

• La placa de pruebas es el panel blanco grande frente a ti. Es una herramienta que permite armar 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 que está en el estante. ¡Es como un tomacorriente! Proporciona la energía necesaria para nuestros circuitos.
• El multímetro es el rectángulo con contornos naranjas. Es una herramienta que permite estudiar tanto la corriente como el voltaje de su circuito.

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

Armando el circuito

1. Toma dos cables del contenedor y colócalos frente a ti.
2. Tome el extremo de uno de los cables y conéctelo al terminal negro de la fuente de alimentación.
3. Toma el otro extremo del mismo cable y conéctalo en la fila X de la tablilla de conexiones.
4. Tome un extremo del otro cable y conéctelo a la terminal roja de la fuente de alimentación.
5. Toma el otro extremo de este mismo cable y conéctalo en la fila Y de la tablilla de conexiones.

La fuente de alimentación ya está conectada a la protoboard. Ahora es posible utilizar las filas de la A a la E para hacer el experimento.

6. Encienda la fuente de alimentación usando el interruptor y anote el valor que se muestra en la fuente de alimentación.
7. Toma un cable y conéctalo desde la fila X hasta la ubicación A-10.
8. Toma la resistencia misteriosa del estante frente a ti y conéctala de B-10 a B-11
9. Toma una resistencia de la caja a tu derecha y conéctala de C-11 a C-12
10. Usando la guía de colores, indique la resistencia de la resistencia.
11. Toma un cable y conéctalo desde E-12 hasta la fila Y.

¡Has armado 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 placa de pruebas tal como se ilustra en el póster sobre la mesa.

Guardando un circuito

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

Midiendo un circuito

Ahora que el circuito está armado, ¡hay que estudiarlo! Para ello debes utilizar el multímetro.

14. Toma un cable y conéctalo al conector central (COM) del multímetro.
15. Toma otro cable y conéctalo a la clavija derecha (VHz) del multímetro.
16. Asegúrese de que el dial central apunte a la V.
17. Ahora estás listo para medir el voltaje de tu resistor; 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. Apague la fuente de alimentación
19. Utilizando la resistencia y el voltaje anotados, use 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, use la segunda ley de Kirchhoff para calcular el voltaje de la resistencia misteriosa.

Ahora conoce el voltaje y la corriente de la resistencia misteriosa. Use la ley de Ohm para descubrir su resistencia.

21. Enviar los resultados

Resultados esperados

Valores de los componentes. La fuente de alimentación suministra 12 V. La resistencia tomada del contenedor 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 ese número a partir de las mediciones, en lugar de a partir del código.

¿Por qué salen así los números?

Las dos resistencias se encuentran en un solo circuito cerrado, por lo que cada electrón que pasa por la primera pasa por la segunda: la corriente es la misma en cada punto de un circuito en serie. Esta es la regla de corriente de Kirchhoff en su forma más simple: la carga no tiene a dónde más ir. 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

Como 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 la malla de Kirchhoff es entonces la comprobación de que la contabilidad cuadra:

V_suministro − V₁ − V₂ = 12 − 4.0 − 8.0 = 0

Identificación de la resistencia sin marcar de dos maneras

La ruta que pide el protocolo atraviesa las cantidades propias 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 encontrada 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 pedírsela 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 la resistencia cuyo valor se conoce quedan 15 − 5 = 10 Ω. Ambas coinciden exactamente, como debe ser, ya que ambas 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: se coloca una pequeña resistencia precisa, llamada “shunt” o derivación, en el trayecto y se lee el voltaje a través de ella. Eso también explica de dónde proviene la precisión del resultado final y por qué la tolerancia impresa en ese único resistor importa más que cualquier otra cosa en el banco de trabajo.

La energía en este circuito es lo único que se debe revisar antes de armarlo

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 manera equivalente P = I²R:

Una resistencia de uso general de inserción 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 pruebas (protoboard) suelen tener una capacidad nominal de aproximadamente 1 A, por lo que 0.80 A está al límite de lo que la placa misma debe soportar. En un banco de pruebas físico, este circuito echaría HUMO en cuestión de segundos. Se debe advertir a un estudiante que arme lo mismo en una placa de pruebas 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 conserva la ordenada 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 en paralelo con el resistor de 5 Ω coloca su resistencia de entrada en paralelo con dicho resistor, 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), que difiere de 5 Ω en aproximadamente cinco partes en diez millones —cuatro órdenes de magnitud por debajo de la tolerancia propia de la resistencia—. Por esto un voltímetro está construido para tener la mayor resistencia posible y un amperímetro la menor, y vale la pena señalar que la misma medición en un circuito construido con resistencias de megaohms sería gravemente errónea exactamente por esta razón.

Los resultados se encuentran siguiendo este enlace (PDF).

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 9-10

Enfoque armar el circuito y tomar una lectura.

Actividades: Conecte la fuente a los rieles, armé las dos resistencias en serie siguiendo el protocolo y explique a partir del póster por qué A-10 y B-10 son el mismo punto eléctrico. Lea el voltaje de alimentación, 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 funcionando, un diagrama guardado correctamente, un voltaje registrado con su unidad y la afirmación, en las propias palabras del estudiante, de que las dos resistencias se reparten el voltaje de alimentación entre ellas.

Undécimo grado

Enfoque análisis cuantitativo del circuito en serie.

Actividades: calcule la corriente del circuito a partir del voltaje medido y la resistencia conocida, aplique la regla de las mallas para obtener el voltaje en la resistencia misteriosa e identifíquela con la ley de Ohm, con cada sustitución escrita. Confirme la respuesta por la segunda ruta, resistencia total menos resistencia conocida, y explique por qué ambas deben coincidir. Calcule la potencia disipada en cada resistencia y compárela con la clasificación de un cuarto de vatio de un componente común. Lo esperado a este nivel: aritmética correcta a dos cifras significativas, ambas rutas mostradas y un comentario sobre si este circuito se podría construir físicamente tal como se especifica.

12.º grado / 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 de la regla de la malla 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 defendible.

Elementos esenciales para el 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 visualizar y guardar el diagrama del circuito 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
• Resistor misterioso, 10 Ω — en el estante, con las bandas borradas

Diagrama