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Dirección editorial

Ma. Emilia de Lourdes Hernández Betancourt

Gerencia editorial

Enriqueta Maqueda Serrano

Correción de estilo

Romy Pacheco Quintana, Clara Hernández Rosas

Diseño y diagramación

Factor: 02 / Blanca Sánchez Z.

Diseño de portada

Factor: 02 / Blanca Sánchez Z.

Fotografía

Shutterstock y 1000 words, Goodcat, Robert Kneschke, Iakov Filimonov, ChameleonsEye, Junrong, Paul Prescott, Photosebia, VanderWolf Images, Faraways, Kobby Dagan, Bibiphoto en Shutterstock.

Electrónica, comunicación y sistemas de control 3 Prohibida la reproducción parcial o total del contenido de la presente obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor.

Núm. Registro: 03-2014-050811321500-01 ante el Instituto Nacional del Derecho de Autor DERECHOS RESERVADOS © 2014, respecto a la primera edición por: Ediciones ECA, S. A. de C. V. http://edicioneseca.com Los Juárez núm. 3, Col. Insurgentes Mixcoac, 03920 México, D. F.

ISBN: 978-607-95964-5-3

Impreso en México - Printed in Mexico


Presentación Vivimos en la Era Digital, producto de la Tercera Revolución Industrial que se basa en el desarrollo de dispositivos electrónico-digitales cada vez más potentes y presentes en prácticamente todas nuestras actividades cotidianas: computadoras y programas de aplicación, teléfonos móviles, radio y televisión digitales, Internet y redes sociales, etc. La ingeniería y producción de tales dispositivos marcan hoy en día el desarrollo de la sociedad moderna y la educación académica es una parte no sólo integral, sino fundamental en este nuevo orden mundial. En Editorial ECA estamos conscientes de la importancia de la tecnología electrónica y del papel que representan las primeras etapas de la educación técnica, tal y como lo plantea en términos generales la Reforma Integral de la Educación Básica, en particular el Programa Sectorial de Educación 2007-2012, cuyo primer objetivo establece: "Elevar la calidad de la educación para que los estudiantes mejoren su nivel de logro educativo, cuenten con medios para tener acceso a un mayor bienestar y contribuyan al desarrollo nacional…" (Acuerdo número 592). De acuerdo con la filosofía de la Reforma Integral de la Educación Básica, la serie Electrónica, comunicación y sistemas de control rebasa los límites del simple saber hacer y enfoca sus esfuerzos en comprender lo que se hace. En este sentido, el alumno estudia y pone en práctica con laboratorios y actividades los conocimientos conforme los va adquiriendo.

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En este curso estudiará los fundamentos de la tecnología digital, la estructura básica de los circuitos integrados, la onda electromagnética, las técnicas de digitalización (sampleo y cuantización) y la transmisión de mensajes a larga distancia, utilizando las técnicas analógicas de amplitud modulada (AM) y frecuencia modulada (FM). Como proyecto final construirá un emisor y un receptor de frecuencia modulada y un amplificador de audio para escuchar sin dificultad las señales transmitidas. Electrónica, comunicación y sistemas de control 3 cumple puntualmente con el plan de estudios marcado por la Secretaría de Educación Pública y fomenta el desarrollo de competencias para la vida y los valores actitudinales que los alumnos requieren para formarse como los ciudadanos y profesionales que requiere esta nueva Era Digital.

El autor

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Índice

Electrónica, comunicación y sistemas de control 3 Bloque I. Tecnología, información e innovación

La información y sus fuentes como insumos para la innovación técnica ..............23 Polaridad inversa o voltaje negativo .............24

1. Tecnología, información e innovación ........ 13 1.1 Innovaciones técnicas a lo largo de la historia .................................................... 14 El concepto de innovación y sus características .......................................14 Las innovaciones técnicas en los procesos productivos y sociales a lo largo del tiempo ....................................15 • Innovación técnica en los sistemas de comunicación en los procesos de producción ...........................................15

La innovación y el cambio técnico como fuentes de crecimiento en la electrónica .....25 Amplificadores operacionales: fuente de alimentación simétrica ............................26 Fuente de alimentación simétrica opcional ..28 La electrónica en la sociedad y su relación con el crecimiento económico .....................28 Polarización del amplificador operacional .....28 Los nuevos materiales: la fibra óptica, el rayo láser .................................................30

Estructura y fabricación de los CI .................16 Familias de circuitos integrados ...................17 Diagrama esquemático equivalente .............19 Diagrama de conexión .................................19 Combinación del CI con

1.3 Uso de conocimientos técnicos y las TIC para la innovación .......................... 30 Los productos electrónicos como medios para el registro, análisis y uso de la información ..................................31

componentes discretos ...............................20

Configuración de entradas en el amplificador operacional ..............................32

1.2 Características y fuentes de la innovación técnica: contextos de uso y de reproducción .......................... 20

La innovación en el empleo de materiales para la elaboración de productos electrónicos funcionales y de calidad ...........35

La aceptación social, elemento fundamental para la consolidación de los procesos de innovación en tecnología ...................................................21

Las diferencias entre conocimiento técnico e información para la creación de innovaciones en electrónica y sistemas de control .....................................35

Amplificadores operacionales (Op Amps) .....21

Amplificador operacional: efectos de la frecuencia ...........................................35

La estructura y las funciones de los componentes de la electrónica aplicados a diversos productos y su evolución ............22 Estructura del operacional ...........................23

1.4 El uso de los conocimientos técnicos y de las TIC para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos ...................... 37 EDICIONES

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El uso de la información estratégica para la innovación y la resolución de problemas ...................................................38 • Recopilación de datos........................................................38 • Análisis e interpretación....................................................38 • Propuestas de mejoramiento en los productos ...................38

Amplificador operacional: modo de operación inverso ........................................38 La integración de los contenidos para el trabajo por proyectos en la electrónica y los sistemas de control .............................40 Las técnicas para procesar y difundir información en el ámbito de la electrónica. Las tecnologías de la información para almacenar, difundir y recuperar información .................................................40 Los recursos electrónicos para el establecimiento de redes informáticas: componentes básicos e información compartida ..................................................40 Integración de conceptos ............................41

Bloque II. Campos tecnológicos y diversidad cultural 2.1 La construcción social de los sistemas técnicos ................................. 43 Las alternativas electrónicas para el desarrollo de servicios y productos .............44 Amplificador operacional: configuración directa (no invertida) con retroalimentación negativa ..........................44 El factor frecuencia .....................................46 Los sistemas electrónicos como producto cultural ........................................................48

• Red de computadoras ........................................................54 • Internet..............................................................................55 • Comunicación satelital ......................................................56

Los sistemas de localización vía satelital y chips de rastreo ........................................57 2.2 Las generaciones tecnológicas y la configuración de campos tecnológicos ............................................... 58 Las generaciones tecnológicas y la innovación técnica .................................58 JFET: transistor de unión de efecto campo ..............................................58 Distribución de los materiales tipo N y P .....59 Polarización del JFET....................................59 Fuerza electromotriz VDS ............................59 La trayectoria técnica de las herramientas en la electrónica y su desarrollo de acuerdo con las necesidades sociales .........60 JFET: Fuerza electromotriz VGS ...................60 Las empresas y su interrelación con los procesos productivos de la electrónica y la solución de problemas ..........................62 2.3 Las aportaciones de los conocimientos tradicionales de diferentes culturas en la configuración de los campos tecnológicos ............................................... 62 La producción de materiales tradicionales empleados para la construcción de productos electrónicos ................................63 Gráfica de comportamiento del JFET ...........63 Voltaje de corte: VGS(OFF) .................................63

Alimentación con fuente simple ..................50

Los procesos técnicos innovadores de diversas culturas aplicados en el campo de la electrónica. Las innovaciones en las formas de comunicarse a distancia ........64

Corrección de la señal .................................52

Aplicaciones del JFET ..................................64

Inconvenientes de la fuente simple para un operacional dual ..............................53

El uso adecuado de las tecnologías en procesos productivos ..................................65

Aplicación de dos operacionales en el mismo encapsulado.....................................49

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Las innovaciones de la electrónica en los procesos de organización del trabajo ...........54

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2.4 El control social del desarrollo técnico para el bien común ....................... 66 Los intereses y necesidades en el uso de la tecnología ...........................................67 Los procesos de autogestión en los espacios comunitarios para la satisfacción de necesidades de comunicación ................67 El impacto del desarrollo técnico-productivo para el bien común ......................................67

Circuitos de filtrado .....................................79 Filtro paso bajo (paso de frecuencias bajas) ....80 La electrónica del futuro. La electrónica, comunicación y los sistemas de control como coadyuvantes para la conservación del medio natural y artificial .........................83 Filtro paso alto (paso de frecuencias altas) ..83 Los residuos domésticos y de la industria de la electrónica ..........................................85

2.5 La resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos en distintos contextos socioculturales ........................................... 68

El impacto y costo socioambiental debido al uso de la tecnología .................................85

Las estrategias para la innovación en los procesos técnicos y productos de la electrónica y el uso de nuevas materias primas .........................................................68

• Energía solar .....................................................................85

Mosfet: Transistor de efecto campo con metal y semiconductor de óxido ..................69 Funcionamiento del Mosfet .........................69 El diseño de soluciones electrónicas aplicables al proyecto productivo .................71 El trabajo por proyectos: identificación de problemas e integración de contenidos para el desarrollo del proyecto de electrónica ..................................................72 Mosfet como condensador ..........................73

• Energía eólica ....................................................................85

3.2 La innovación técnica en los procesos productivos ................................................ 86 Filtros activos de paso bajo y paso alto ........86 Los principios y propósitos del desarrollo sustentable .................................................87 Filtro activo paso banda ...............................88 Las alternativas en los procesos técnicos de la electrónica para la sustentabilidad .......91 La eficacia y eficiencia como elementos de innovación en los sistemas productivos .................................................91

Elaboración de proyectos técnicos. Diseño, desarrollo y valoración .................................75

La innovación técnica en los procesos para mejorar servicios y productos de la electrónica ..................................................91

Integración de conceptos ............................75

Filtro activo supresión de banda ..................91

Bloque III. Innovación técnica y desarrollo sustentable 3.1 Visión prospectiva de la tecnología: escenarios deseables ................................ 77 Los escenarios actuales, futuros y prospectivos de la electrónica .....................78 Procesamiento de señales y generación de ondas electromagnéticas ........................78 El desarrollo tecnológico y el uso de recursos sintéticos y artificiales de fácil fabricación .......78

3.3 La innovación técnica para el desarrollo sustentable ................................................. 94 La innovación técnica en el desarrollo de los procesos productivos en la gestión sustentable .................................................94 Aplicaciones de los filtros ............................95 Los procesos de gestión sustentable en la electrónica, comunicación y sistemas de control para elevar la calidad de los procesos productivos y el cuidado del ambiente mediante el uso eficiente de materiales y energía ....................................96

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Aplicación de filtros: transmisión de mensajes a larga distancia ...........................96 Filtros y efectos...........................................97 3.4 La innovación técnica en la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos para el desarrollo sustentable ............................... 97

Técnicas para analizar la señal ...................115 La evaluación de los sistemas tecnológicos en la electrónica, comunicación y sistemas de control ..................................................117 Osciladores, multivibradores, relojes .........117

La gestión sustentable en los procesos de producción de la electrónica ........................98

4.2 La evaluación interna y externa de los sistemas tecnológicos ....................... 120

• El uso eficiente de materiales y energía ............................98

La evaluación en los procesos técnicos de la electrónica ........................................121

• La equidad .........................................................................98 • La consideración de la biodiversidad .................................98

• Evaluación interna: eficiencia, eficacia, factibilidad y fiabilidad ....................................................121

Ondas periódicas .........................................98

• Evaluación externa: contexto social, cultural y natural ....121

Propiedades de las ondas periódicas .........101

Sampleo de la señal electromagnética .......121

La integración de los contenidos para el trabajo por proyectos .............................102

La evaluación social y aceptación de aparatos y artefactos electrónicos .............123

Integración de conceptos ..........................104

Las normas o lineamientos empleados en la evaluación de un producto de la electrónica para su uso en el contexto social ...............123

Bloque IV. Evaluación de los sistemas tecnológicos 4. Evaluación de los sistemas tecnológicos ..... 107 4.1 La equidad social en el acceso a las técnicas ............................................... 108 El alcance de los productos técnicos de la electrónica a todos los niveles socioeconómicos de la localidad ................109 Panorámica de comunicación digital ..........109 La conformación de los diferentes sistemas tecnológicos de la electrónica, comunicación y los sistemas de control para la satisfacción de bienes ....................111 Código binario ...........................................111 Morse: primer código binario eléctrico.......112 Las nuevas formas de organización social y productiva para promover la equidad entre hombres y mujeres en la electrónica y los sistemas de control ...................................114

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Análisis de la onda electromagnética .........114

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Cuantización de la señal electromagnética .124 4.3 El control social de los sistemas tecnológicos para el bien común ............ 128 Los proyectos autogestivos para el desarrollo de procesos productivos de la electrónica, comunicación y sistemas de control ..................................................129 Números binarios ......................................129 Los aspectos sociales a considerar para la aceptación de productos de la electrónica ....132 4.4 La planeación y la evaluación en los procesos productivos ......................... 133 La planeación y evaluación de los procesos técnicos y productos de la electrónica .......133 Digitalización de la señal ...........................133 El impacto de los procesos de producción en la industria electrónica, en el desarrollo económico, social y cultural .......................134 Digitalización con 2 bits .............................134


Técnica para llenar las tablas de números binarios .......................................135 4.5 La evaluación como parte de la resolución de problemas técnicos y el trabajo por proyectos en los procesos productivos ............................... 136 Las propuestas para el diseño de proyectos en la resolución de problemas en la comunidad ........................................137 Digitalización con 3 bits .............................137 Los criterios para la evaluación de los procesos de producción en tecnología ..........139 La integración de los contenidos para el trabajo por proyectos en la electrónica, comunicación y sistemas de control ..........139 Digitalización de imágenes ........................139 Integración de conceptos ..........................141

Modelo de comunicación digital ampliado .....151 El diseño y uso responsable de las innovaciones técnicas para el desarrollo de productos y proyectos ..........152 5.2 El proyecto de innovación ....................... 152 5.2.1 Proyecto de innovación para el desarrollo sustentable .......................... 152 Compuertas lógicas: tablas de verdad .......153 Las fases del proyecto de innovación.........154 Compuertas lógicas: componentes digitales ....................................................154 Compuertas lógicas derivadas: NAND, NOR y XOR ...............................................157 Configuración interna de las compuertas lógicas ...................................161 Flip-flop: almacenamiento temporal de información o memoria digital ...................165

Bloque V. Proyecto de innovación

Flip-flop tipo JK .........................................167

5.1. Características del proyecto de innovación ............................................... 143

El desarrollo del proyecto de innovación en electrónica, comunicación y sistemas de control: etapas y formas de operación ..169

5.1.1 La innovación técnica en el desarrollo de los proyectos productivos ............... 143 Introducción al proyecto de innovación ......144 Compresión de bits ...................................144 Bit más significativo (MSB) y menos significativo (LSB) ......................................147 Las fuentes de información para la innovación .................................................147

Técnica de modulación ..............................169 Amplitud modulada (AM) ...........................170 Frecuencia modulada (FM) .........................171 Ancho de banda .........................................174 Modulación y transmisión digital ...............175 Modulación ASK ....................................... 176 Modulación FSK ........................................177

Técnicas actuales para codificación de la señal ......................................................147

La valoración del proceso de producción del proyecto ............................177

5.1.2 La responsabilidad social en los proyectos de innovación técnica ......... 149

Ventajas de la tecnología digital .................178

Conversión digital-analógico (D/A) o decodificación ...........................................149

Bibliografía ................................................182

Integración de conceptos ..........................181

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Pedagógicos

Apoyos

1

Contenido Presenta la información desglosada del programa de estudio de la Secretaría de Educación Pública.

2

Propósitos Se refiere a los saberes-conocimientos, habilidades-destrezas, capacidades y competencias que el alumno desarrollará y que le permitirán ser productivos en la sociedad en la que vive.

3

Aprendizajes esperados Son aquellos expresados en objetivos o competencias, que se espera que el estudiante logre durante como al final del proceso de capacitación.

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En este bloque... Representa una referencia rápida del contenido.

5

Actividad individual

El alumno pone en práctica lo aprendido en la lección inmediata anterior con el objetivo de reforzar el conocimiento adquirido.

6

Actividad grupal

El alumno colabora con sus compañeros de clase en la solución de un problema con el propósito de desarrollar habilidades de cooperación, delegación de responsabilidades y trabajo en equipo.

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Laboratorio. Actividad grupal Laboratorio. Actividad individual Presenta

trabajos

prácticos

que

fomentan

Definición Aporta el significado específico de un término poco común en el lenguaje coloquial con el fin de que el alumno comprenda todos los términos que se utilizan en la lección.

una

enseñanza más activa y participativa que impulsa el método científico y el espíritu crítico. El alumno de sarrolla habilidades, aprende técnicas elementales y se familiariza con el manejo de instrumentos y aparatos.

9

Complemento

10

Añade información de utilidad y cultura general con el propósito de incrementar los conocimientos generales del alumno sobre el tema que se está estudiando.

Biografía Profundiza en el conocimiento de algunas personalidades cuyas aportaciones fueron decisivas para la ciencia y la tecnología.

11 Recuerda que:

Repaso de conceptos aprendidos en cursos anteriores.

12

integración

de conceptos

Constituye un repaso al final de cada bloque que resume los conceptos estudiados.

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BLOQUE

Tecnología, información e innovación

I

Contenido del bloque: 1 Tecnología, información e innovación 1.1

Innovaciones técnicas a lo largo de la historia.

1.2 Características y fuentes de la innovación técnica: contextos de uso y de reproducción. 1.3 Uso de conocimientos técnicos y las TIC para la innovación. 1.4 El uso de los conocimientos técnicos y de las TIC para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos, en los procesos productivos.

Propósitos • Reconocer las innovaciones técnicas en el contexto mundial, nacional, regional y local. • Identificar las fuentes de la información en contextos de uso y de reproducción para la innovación técnica de productos y procesos. • Utilizar las TIC para el diseño e innovación de procesos y productos. • Organizar la información proveniente de diferentes fuentes para utilizarla en el desarrollo de procesos y proyectos de innovación. • Emplear diversas fuentes de información como insumos para la innovación técnica.

Aprendizajes esperados. El alumno: • Identifica las características de un proceso de innovación como parte del cambio técnico. • Recopila y organiza información de diferentes fuentes para el desarrollo de procesos de innovación. • Aplica los conocimientos técnicos y emplea las TIC para el desarrollo de procesos de innovación técnica. • Usa la información proveniente de diferentes fuentes en la búsqueda de alternativas de solución a problemas técnicos.

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ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

En este bloque... Se promueve el uso de medios para acceder y usar la información en procesos de innovación técnica, con la finalidad de que te incorpores de manera responsable a los procesos de intercambio cultural y económico. Con respecto al énfasis, estudiarás las propiedades del amplificador operacional y la fuente de poder simétrica que lo alimenta.

1.

Tecnología, información e innovación El siglo xxi es la Era de la Información porque gracias a la ciencia, en particular la matemática y la física, la tecnología ha encontrado la forma de representar todo lo existente en unidades de información llamadas bit, que significa dígito binario y proviene del término inglés binary digit.

El término fue introducido por CLAUDE ELWOOD SHANNON, matemático e ingeniero eléctrico estadounidense, en su libro Una teoría matemática de la comunicación, publicado en 1948, con el que estableció los principios de lo que hoy se conoce como Teoría de la información. Esta teoría, junto con un trabajo posterior del mismo Shannon (Un análisis simbólico sobre la regulación y conmutación de circuitos, 1940), estableció el apuntalamiento teórico del funcionamiento de los circuitos integrados y su relación con la transmisión de información; con ello colocó los cimientos teóricos de los actuales dispositivos digitales que están sustituyendo con gran rapidez a los analógicos: radio, televisión, telefonía, videoconferencias, redes de computadoras como Internet, libros electrónicos, fotografía digital; generación, distribución y almacenamiento de música; videojuegos individuales y colectivos; prácticamente todas las innovaciones actuales sientan sus bases en la tecnología digital que estudiarás en este último curso.

Biografía CLAUDE ELWOOD SHANNON (1916 - 2001). Ingeniero

electrónico y matemático estadounidense. Es recordado como “el padre de la teoría de la información”. Foto: Internet

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

1.1

Innovaciones técnicas a lo largo de la historia Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas: A. ¿Qué entienden por el término innovación? B. ¿Sobre qué bases se construye la innovación? C. Citen ejemplos de innovación en electrónica.

La civilización, tal y como la conocemos en la actualidad, depende en esencia de la electricidad: economía, finanzas, comunicación personal y masiva, salud, investigación científica y desarrollo tecnológico, por mencionar los más importantes, actividades que basan su desempeño y progreso en el uso de aparatos electrónicos, digitales y analógicos; todos funcionan con electricidad.

El concepto de innovación y sus características La INNOVACIÓN implica incrementar la EFICACIA y EFICIENCIA de un dispositivo, con el fin de realizar una tarea con mayor precisión o rapidez. En términos generales es posible distinguir las siguientes características: 1. El concepto. El desarrollo tecnológico depende en gran medida del conocimiento científico, porque éste nos indica con exactitud cómo funciona la Naturaleza. La comprensión clara de los fenómenos naturales y sus relaciones conforman las ideas científicas, que posteriormente deben ser comprobadas con el método científico. Pero en el proceso de gestación de la idea, el concepto encapsula el fenómeno, sus causas y la relación que guarda con otros fenómenos. 2. Materiales y energéticos. Toda innovación tecnológica se representa en un objeto material, en otras palabras, es la materialización del concepto. Para construir una herramienta efectiva es necesario contar con materia prima que se transformará en dicho objeto y con los energéticos que la pondrán en funcionamiento. 3. Recursos financieros. Como la materialización del concepto implica trabajo humano, materiales, energéticos y otras herramientas para su

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ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

desarrollo y construcción, es indispensable contar con el capital que cubra los gastos del proceso.

innovación De manera coloquial significa nuevas propuestas, inventos y su implementación económica.

4. Necesidad. Toda innovación tecnológica satisface una necesidad, ya sea de la sociedad en su conjunto o de un grupo social en particular.

Complemento eficacia es la capacidad de lograr con exactitud y precisión el efecto que se espera. eficiencia es la facultad de realizar las mismas o más acciones en menos tiempo.

Las innovaciones técnicas en los procesos productivos y sociales a lo largo del tiempo La innovación científica y tecnológica se construye sobre conocimientos ya existentes, formulados a partir del método científico y comprobados por la experimentación. Como aprendiste en el primer curso de esta serie, en 1831 Michael Faraday demostró experimentalmente el fenómeno de inducción electromagnética; James Clerk Maxwell lo sintetizó en sus cuatro Leyes del Electromagnetismo en 1861. Con base en esos conocimientos, Nikola Tesla inventó en 1886 los generadores de corriente alterna y a partir del estudio de las ondas electromagnéticas resultantes creó la radio en 1894, que entró en funcionamiento público en la década de 1920. Sentó así las bases de todas las telecomunicaciones actuales. Consulta el cuadro correspondiente en Electrónica 1, Bloque I, pág. 36. • Innovación técnica en los sistemas de comu­ nicación en los procesos de producción. El circuito integrado (CI) fue la innovación que marcó un gigantesco progreso en la industria electrónica y el posterior desarrollo de la tecnología digital que hoy conocemos como informática, y es la

parte medular de todos los sistemas de comunicación modernos, incluidos los que se utilizan en la industria. La invención del circuito integrado se le atribuye a Jack Kilby y Robert Noyce, el primero galardonado con el Premio Nobel de Física en el año 2000, y el segundo, fundador de las empresas Fairchild (1957) e Intel (1968).

Fotos: Internet

Actividad 1 individual

Investiga en Internet las biografías de los inventores del circuito integrado y escribe un breve resumen sobre sus logros tecnológicos.

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

El circuito integrado es una pieza de silicio que contiene el equivalente microscópico de los com­ ponentes necesarios para realizar una determi­ nada función electrónica: amplificar o generar una señal electromagnética, filtrarla, modificar su forma, dirigir la corriente a través de compuertas para realizar operaciones lógicas (que estudiarás más adelante), por citar algunos ejemplos.

nes de transistores y la cantidad aumenta con cada generación. En la fabricación de los circuitos integrados (incluyendo los microprocesadores) se utilizan cinco productos: silicio, dióxido de silicio, dopantes, resina fotosensible y máscaras de circuitos. A continuación se explica la función de cada uno.

Circuito integrado

Estructura y fabricación de los CI

Materiales semiconductores, conductores y aislantes

Silicio-policristalino

1. Silicio. Los cristales de silicio puro se procesan a través de medios industriales para formar obleas de aproximadamente una centésima de milímetro de espesor. El diámetro de las obleas varía de un fabricante a otro, pero cada una de ellas contiene decenas de miles de cuadrados microscópicos que serán la base del circuito integrado.

Base de silicio

Los circuitos integrados se fabrican por capas, una sobre otra, de materiales semiconductores, conductores y aislantes. La imagen es una representación simplificada de las capas de un circuito integrado en un corte transversal. Las capas de materiales van formando los equi­ valentes microscópicos de cuatro componentes discretos: TRANSISTORES, DIODOS, CONDENSADORES Y RESISTORES. Todos los circuitos integrados, incluyendo los microprocesadores de las más grandes computadoras, funcionan con base en esos cuatro componentes básicos; lo que varía es la cantidad que contienen: las computadoras personales más avanzadas de la actualidad cuentan con 731 millo-

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2. Dióxido de silicio. Se forma cuando el silicio se combina con oxígeno y forma los materiales aislantes. 3. Dopantes. Son los elementos que añaden electrones o huecos positrónicos al silicio (Electrónica 2). Se aplican en diferentes etapas del proceso, de acuerdo con las partes de los componentes que se vayan a fabricar en determinada capa. 4. Resina fotosensible. Se utiliza para cubrir determinadas superficies de los materiales. Existen dos tipos de resinas: las positivas, que desaparecen cuando se les aplica luz intensa, y las negativas, que se endurecen en presencia de luz y permanecen en la oblea. 5. Máscaras de circuito. Son cristales que tienen impresas cada una de las capas de las que está fabricado el circuito integrado. Las máscaras son


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

las encargadas de bloquear o permitir el paso de la luz sobre la resina fotosensible y delimitar de esta manera el área precisa que requiere cada parte de cada uno de los componentes. El proceso de fabricación consta de seis pasos repetitivos: 1. Aplicar una capa de dióxido de silicio sobre el silicio puro. 2. Aplicar una capa de resina fotosensible. 3. Colocar la máscara y filtrar luz sobre la resina.

Finalmente, el circuito integrado se coloca dentro de un encapsulado plástico, cerámico o metáli­ co, con el fin de protegerlo del ambiente externo. Las terminales del encapsulado reciben el nombre de pines, para diferenciarlos de las terminales de los componentes discretos. Los pines son los canales que conectan los componentes microscópicos con el exterior. Básicamente se dividen en pines de entrada (in) y salida (out); los primeros reciben la señal original (in) y los segundos transfieren la señal ya modificada (out) hacia otro componente; por ejemplo, en un amplificador de audio, la señal de salida se puede transferir a un circuito de filtrado, a uno mezclador o directamente a las bocinas.

4. Disolver el dióxido de silicio que no esté protegido por la resina. 5. Eliminar la resina restante.

Actividad 2 grupal

6. Pulir la oblea resultante. Al finalizar el último paso, el proceso se repite con una nueva capa de dióxido de silicio y una nueva máscara, tantas veces como sea necesario hasta completar todos los componentes que requiere el circuito integrado. Al concluir el proceso se obtiene un conjunto de capas superpuestas con canales internos, verticales y horizontales (como la imagen de silicio-poli cristalino de la página anterior), que conectan los diferentes materiales para formar transistores, diodos, condensadores y resistores.

Pines

CI

Encapsulado

Busquen en Internet algunos videos documentales sobre la fabricación de circuitos integrados o microprocesadores. Escriban un breve resumen, dibujen un cuadro sinóptico sobre el tema y expónganlo al grupo.

Familias de circuitos integrados Los circuitos integrados se dividen en dos grandes grupos o familias: analógicos y digitales. En los primeros, la señal de entrada (in) es analógica (sonido, por ejemplo) y la señal de salida (out) también (sonido amplificado, siguiendo el ejemplo). En los segundos, la señal de entrada es analógica y la señal de salida son variaciones de voltaje que representan números binarios. Estudiarás la tecnología digital más adelante, por el momento basta con que conozcas la diferencia. Cada una de las familias tiene miembros base que realizan tareas fundamentales; entre los más utilizados destacan los que aparecen en el siguiente cuadro:

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Analógico

Comparadores de voltaje

Interruptores

Amplificadores

Conmutadores

Operacionales

Diferenciales

Aditivos

Temporizadores (relojes) Digital

Flip­Flops

Compuertas lógicas

Multivibradores (relojes)

Registro de desplazamiento

Sumadores binarios

Búfer de datos

Celdas de memoria

Divisores binarios

Estos miembros base se combinan entre sí, dentro de su respectiva familia, para formar circuitos integrados más complejos. Por ejemplo, el temporizador (timer) 555 es un circuito integrado muy utilizado que estudiarás más adelante, y está compuesto por dos comparadores de voltaje, resistores y transistores. Aunque no es un miembro básico de la familia analógica, se incluye en la ilustración por su popularidad y como una derivación de los comparadores. Lo mismo sucede con los sumadores binarios de la familia digital: están compuestos por flip-flops y compuertas lógicas, pero se les considera miembros base porque se fabrican como circuitos integrados especializados.

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Actividad 3 individual

Busca en Internet la función básica, sin entrar en detalles técnicos, de los siguientes circuitos integrados: amplificadores operacionales, diferenciales y aditivos; comparadores de voltaje; temporizadores (timers); flip-flops; compuertas lógicas (logical gates); multivibradores (relojes) y registro de desplazamiento (shift register). Escribe un breve resumen de cada uno en tu libreta.


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

Diagrama esquemático equivalente Por tanto, el circuito integrado contiene en su interior los materiales equivalentes de un circuito convencional completo. En la ilustración aparece el diagrama esquemático equivalente del circuito integrado LM386, cuya función es amplificar señales de audio.

IC-LM386

Vs 15K BYPASS

7 15K

GAIN 8

GAIN 1

Como puedes ver, el circuito con1.35K tiene transistores tipo N y tipo 150 2 P, diodos y resistores. Pero el -INPUT circuito integrado no contiene los encapsulados en miniatura 50K de los componentes discretos tal y como los conoces, incluye únicamente los materiales de los que están hechos los componentes, distribuidos en capas unos sobre otros, como ya se explicó. El diagrama es simplemente una referencia visual para conocer su estructura interna y suele aparecer en la hoja de datos del componente.

Diagrama de conexión Otro esquema de gran importancia es el dia­ grama de conexión, donde aparece la in­ formación sobre los pines (las terminales) del circuito integrado: cantidad, ubicación, numeración y nombre. En la hoja de datos aparece la función de las terminales y del circuito completo, así como las especificaciones eléctricas de cada parte. La imagen de ejemplo corresponde también al circuito integrado LM386.

6

5

15K

Vout

3 +INPUT 50K

4

GAIN (Ganancia)

1

8

–INPUT (V-Entrada–)

2

7

+INPUT (V-Entrada+)

3

6

GND (Tierra)

4

5

GND

GAIN (Ganancia) BYPASS (Transferencia)

Vs (Voltaje operativo) VOUT (Voltaje de salida)

Nota: Una regla de oro para trabajar con circuitos integrados es consultar siempre la hoja de datos del circuito con el que estás trabajando y nunca dar por hecho la función de cierto pin en una posición dada. Sigue esta regla de oro y evitarás estropear tus circuitos.

EDICIONES

®

19


BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Combinación del CI con componentes discretos Aunque el circuito integrado es en sí un circuito completo, para poder fabricar un dispositivo funcional es necesario añadir componentes discretos que controlen la entrada, salida y magnitud de la corriente y el voltaje que se aplica, así como auxiliares para el procesamiento de la señal (onda electromagnética) que se está procesando. Este conjunto de tales elementos externos recibe el nombre de red de componentes y se unen al circuito integrado en la tarjeta impresa a través de los pines, con el fin de fabricar un dispositivo que ejecute una tarea determinada. Más adelante construirás circuitos con circuitos integrados y su respectiva red de componentes; por el momento sólo debes saber que funcionan en conjunto dentro del mismo dispositivo.

1.2

Características y fuentes de la innovación técnica: contextos de uso y de reproducción Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas: A. ¿Por qué el circuito integrado forma parte de una innovación? B. ¿Cuál creen que sea la función de un circuito amplificador operacional? C. ¿Por qué la innovación electrónica busca incrementar la eficacia y la eficiencia de los dispositivos?

La innovación técnica es producto de la experimentación con materiales y energéticos en un ambiente controlado, por lo general, un laboratorio. El objetivo de la experimentación es incrementar la eficacia y eficiencia de un producto, en busca de cierto beneficio social, como pueden ser un menor precio, disminuir los efectos nocivos en el ambiente, mejorar el desempeño laboral, etc.

20

EDICIONES

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ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

La aceptación social, elemento fundamental para la consolidación de los procesos de innovación en tecnología La aceptación social significa que una gran cantidad de personas están dispuestas a consumir y utilizar un nuevo producto. Así como el transistor sustituyó al bulbo y permitió que los dispositivos electrónicos redujeran su tamaño e incrementaran su eficacia, el circuito integrado incrementó la eficiencia de los mismos. Por ejemplo, los radios portátiles analógicos con circuitos integrados podían captar señales de AM, FM, onda corta y frecuencias de UHF, sin incrementar el tamaño del aparato ni su precio. A partir del circuito integrado se desarrolló el actual microprocesador digital, presente en prácticamente todos los aparatos de comunicación. Para comprender el funcionamiento de la tecnología digital, primero es necesario estudiar la analógica, cuya importancia es igualmente importante en la sociedad actual. Nos concentraremos en el estudio de los amplificadores operacionales, considerados un bloque fundamental de la electrónica moderna, por su gran versatilidad, bajo costo y la enorme cantidad de aplicaciones que hacen uso de ellos.

Ampliicadores operacionales (Op Amps) Los amplificadores operacionales son circuitos integrados que se conocen como op amps (por su nombre en inglés: operational amplifiers) o sencillamente operacionales. Su función básica consis­ te en tomar una señal e incrementar su voltaje. El tamaño de este incremento, o mejor dicho, la ganancia (Electrónica 2) de los operacionales se cuenta por decenas de miles y puede alcanzar hasta un millón, es decir, ofrecen una ganancia exorbitante.

Voltaje positivo (Vcc) (Alimentación) Entrada inversora (Señal)

Salida

Entrada directa (no inversora) (Alimentación) Voltaje negativo (VEE)

El símbolo esquemático del operacional de propósitos generales presenta cinco pines, la explicación completa de cada uno aparece en apartados posteriores, lo que sigue es sólo una breve descripción: Dos pines de entrada para la señal. Entrada inversora y entrada directa o no inversora. Cualquiera de ellas puede recibir la señal que será procesada. Dos pines de alimentación. Son los que reciben la energía que hace funcionar el circuito. Uno recibe voltaje positivo (VCC) y el otro voltaje negativo (VEE). Un pin de salida. A través de éste, la señal ya modificada abandona el circuito integrado y se dirige hacia otro componente. Para que el operacional funcione, los cinco pines básicos deben estar conectados, ya sea a una fuente, a una carga, o a tierra. Es muy importante diferenciar los pines de entra­ da y los de alimentación. Los primeros reciben la señal, los segundos la energía proveniente de la fuente de alimentación. Si llegas a intercambiarlos, el operacional sufrirá un daño irreparable. La ubicación de los pines de entrada, alimentación y salida en el encapsulado varía de un fabricante a otro. Además, existen operacionales especializados con más de cinco pines funcionales y encapsulados de seis, ocho, catorce y hasta cuarenta pines. Por ello, es indispensable consultar la hoja de datos del circuito integrado que estés utilizando y nunca dar por hecho la función de un pin en de­ terminada ubicación.

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

En el siguiente apartado estudiarás la estructura de estos circuitos integrados.

La estructura y las funciones de los componentes de la electrónica aplicados a diversos productos y su evolución La evolución de los circuitos integrados, incluyendo los microprocesadores, se mide en escalas de integración de componentes electrónicos, es decir, la cantidad de componentes microscópicos que contiene el circuito. Como se explicó anteriormente, el circuito integrado contiene el equivalente en materiales de los componentes discretos que lo constituyen, organizados capa sobre capa. Las etapas evolutivas reconocidas de los circuitos integrados son las siguientes: 1. Integración a pequeña escala (SSI). Se ubica a inicios de la década de 1960. Los circuitos integrados contienen 100 componentes. Se utilizan en la fabricación de las primeras computadoras para instituciones educativas y gubernamentales. 2. Integración a escala media (MSI). Finales de la década de 1960. Los integrados contienen de 100 a 3,000 componentes. Se aplican en aparatos de consumo general: radios y televisores de transistores, grabadoras de audio con cinta magnética, calculadoras portátiles, entre otros. 3. Integración a gran escala (LSI). Mediados de la década de 1970. Los integrados contienen de 3,000 a 100,000 componentes. Aparecen las grandes computadoras, llamadas mainframes, y se aplican a investigaciones científicas, sistemas de control industrial y dispositivos de uso militar. En aparatos de consumo general aparecen los estéreos de alta fidelidad con grabadoras de cinta magnética y doble casete, televisores a color con sonido envolvente, las calculadoras portátiles con funciones científicas.

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EDICIONES

®

4. Integración a escala muy grande (VLSI). Mediados de la década de 1980. Los integrados tienen de 100,000 a 20,000,000 de componentes y al circuito integrado comienza a llamársele microprocesador. Aparecen las primeras computadoras personales, los primeros teléfonos celulares, el disco compacto, reproductores y grabadoras de video caseras. Se estandarizan los sistemas de control industrial y las líneas de producción controladas por robots. 5. Integración a escala ultra grande (ULSI). Desde la década de 1990 a la fecha. Los microprocesadores tienen centenas de millones de componentes (731 millones de transistores en los más avanzados, más una cantidad similar de condensadores, resistores y diodos). Se aplican en todos los dispositivos digitales existentes: computadoras portátiles, tabletas digitales, teléfonos inteligentes, televisores de alta resolución, servidores de Internet, radio y televisión digitales y en prácticamente todas las actividades administrativas de la sociedad contemporánea, incluyendo los sistemas financieros y gobiernos en todo el mundo. Los amplificadores operacionales modernos se ubican en la integración a escala muy grande (VLSI), lo cual explica su capacidad para funcionar como un circuito electrónico complejo a pesar de su reducido tamaño. A continuación estudiarás su estructura interna.


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

Estructura del operacional La función que realiza el amplificador operacional es compleja y por ello se lleva a cabo en diferentes etapas, tal y como lo hiciste en el proyecto final del curso anterior, sólo que en este caso todos los componentes son microscópicos y están dentro de un solo encapsulado, porque es un circuito integrado. Como se muestra en el esquema, la función del operacional de propósitos generales se desarrolla en tres etapas, muy semejantes a las del amplificador de audio que construiste el curso anterior (Electrónica 2). VCC

Entradas

Etapa 1

Etapa 2

Etapa 3

Amplificador diferencial

Amplificador de voltaje

Amplificador de potencia

Salida

VEE

La primera etapa (diferencial) presenta una alta impedancia. Como se explicó en Electrónica 2, la impedancia es un tipo especial de resistencia que se opone al flujo de electrones, pero no disipa calor. Esto bloquea la mayor parte de la corriente (I) proveniente de las entradas y deja pasar las diferentes variaciones de voltaje de la señal que contiene el mensaje. En la segunda etapa (voltaje) la señal obtiene la ganancia, es decir, donde el voltaje se amplifica y se envía a la última etapa. En la tercera etapa (potencia) la señal gana corriente; recuerda que la potencia es la corriente multiplicada por el voltaje (P=I*E, Electrónica 1); dado que el voltaje ya fue amplificado en la etapa anterior, en esta última requiere incrementar sólo la corriente. Por esa misma razón, la tercera etapa debe tener una impedancia cercana a cero, con el fin de que la mayor parte de la corriente pase a la carga y no se pierda en el mismo amplificador.

Actividad 4 individual

Busca en Internet la definición del amplificador operacional y sus principales funciones. Escribe un breve resumen en tu cuaderno y exponlo al grupo.

La información y sus fuentes como insumos para la innovación técnica Para generar una INNOVACIÓN TÉCNICA es indispensable conocer a fondo el funcionamiento de los dispositivos existentes: los componentes que contienen, la función de cada uno, la manera como se relacionan entre sí, la respuesta que ofrecen. Para ello, se deben consultar fuentes de información confiables; en el caso de los circuitos integrados y cualquier otro componente electrónico, la fuente de información más confiable es su respectiva hoja de datos, porque está respaldada por el fabricante y contiene toda la información necesaria para conocer el comportamiento del componente en las condiciones de uso recomendables. A continuación estudiarás una característica distintiva del amplificador operacional: el uso de dos voltajes para realizar su tarea.

Complemento Las innovaciones en tecnología se dan una tras otra y tan rápidamente en diferentes campos de la industria, que una empresa no tendría ni el tiempo ni el dinero para actualizar sus procesos productivos a ese mismo ritmo. Sin embargo, el objetivo de la innovación es precisamente la mejora en los procesos para el incremento de la productividad. Actualmente, el panorama en este campo hace hincapié en implementar prácticas menos agresivas con la Naturaleza.

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23


BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Polaridad inversa o voltaje negativo Como todo componente y dispositivo electrónico, los amplificadores operacionales requieren de energía eléctrica proveniente de una o varias fuentes externas para realizar su trabajo. La mayoría están diseñados para recibir dos voltajes: uno positivo y uno negativo. El concepto de voltaje negativo o polaridad inversa suele causar confusiones, sobre todo en las primeras etapas del aprendizaje de la electrónica, por lo que es necesario explicarlo claramente. En el primer curso de esta serie (Electrónica 1) se explicó que el nombre de los polos eléctricos —positivo y negativo— es un mero acuerdo que no responde a las características naturales de las cargas eléctricas. Los nombres convencionales se utilizan sólo para distinguir una carga de otra. También se expuso que, de acuerdo con la Ley de atracción magnética, la corriente eléctrica se desplaza del polo negativo al positivo, y esa es la dirección que se considera en el ámbito académico. Pero en el ámbito industrial se aplica el concepto de corriente convencional, el cual estipula que la corriente se desplaza en sentido contrario: del polo positivo al negativo. Nuevamente se trata de una convención sin relación directa con el comportamiento natural de la electricidad, pero es la que se utiliza en muchos libros de texto, manuales y en la construcción de aparatos eléctricos, electrónicos y digitales, por lo que es indispensable seguir esta convención. En Electrónica 1 también se explicó que la fuerza que imprime movimiento a los electrones para generar corriente (I) recibe el nombre de voltaje (V), fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de potencial. Para medir la magnitud de esta fuerza se utiliza un elemento que sirve como referencia: la tierra, cuyo valor ideal en voltios es cero y cuya resistencia ideal es infinita (corriente cero). En este sentido, cuando se toma una pila de 9V y se aplica el multímetro en función de voltios con el borne rojo (+) conectado a su polo positivo y el

24

EDICIONES

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v 9v

borne negro (-, común o tierra) conectado a su polo negativo, el multímetro marcará 9V.

Esto significa que la pila es capaz de inyectar nueve voltios de fuerza electromotriz por encima de la tierra (voltaje cero), de acuerdo con el concepto de corriente convencional, el cual considera que los electrones se desplazan del polo positivo al polo negativo.

v

Ahora bien, cuando se intercambian los cables del multímetro: rojo al polo negativo y negro al positivo, el multímetro marcará -9V (menos nueve voltios). No significa que sean nueve voltios por debajo de cero (tierra), lo cual es imposible porque una fuente no puede extinguir su propia energía. De hecho, es la misma fuerza electro­ motriz, capaz de inyectar nueve voltios por en­ cima de la tierra, pero se dice que está invertida con respecto al concepto de corriente conven­ cional; por esa razón se le llama polaridad inversa o voltaje negativo, y para distinguirla se coloca el signo de sustracción que antecede al valor del voltaje: ­9V. -9v

Laboratorio. Actividad individual OBJETIVO

Comprobar que el voltaje

negativo es la misma fuerza electromotriz en sentido inverso. MATERIALES

1 Fuente de poder de

3V, que pueden ser 2 pilas de 1.5V y 1 portapilas. 1 Motor eléctrico de juguete de 3V o superior. Protoboard. Multímetro. PROCEDIMIENTO

Realiza las medicio-

nes descritas en los ejemplos anteriores con la pila de 9V, pero utiliza la fuente de poder de 3V. El multímetro marcará 3V y -3V, dependiendo de la ubicación de los bornes.


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

Continuación Laboratorio. Actividad individual

Después, conecta la fuente de poder en el protoboard como siempre lo has hecho: cable de corriente en el riel positivo y cable de tierra en el riel negativo. Tiende los puentes correspondientes a cualesquiera de las

La innovación y el cambio técnico como fuentes de crecimiento en la electrónica La INNOVACIÓN electrónica busca la manera de incrementar la eficacia y la eficiencia de los dispositivos que actualmente satisfacen determinada necesidad social (Electrónica 2, Bloque IV). Cuando lo consigue se genera un cambio técnico, es decir, aquella necesidad se satisface por medio de nuevos dispositivos más amigables y cómodos para el usuario.

filas en el área de trabajo del protoboard y conecta el motor eléctrico de juguete. En el vástago del motor coloca un pedazo de papel a manera de bandera para que observes con mayor facilidad la dirección de la rotación. Al inyectar el voltaje, la corriente comenzará a circular y el vástago del motor girará en cierta dirección (izquierda-derecha o derechaizquierda). Ahora invierte los cables de alimentación en el protoboard: corriente en el riel negativo y tierra en el positivo. El vástago del motor girará en dirección contraria,

Por ejemplo: la comunicación interpersonal a larga distancia es una necesidad social que el correo ordinario satisfizo durante siglos, hasta la aparición del telégrafo, que fue superado por la telefonía fija. Décadas después entró al mercado la telefonía móvil, que evolucionó hasta los teléfonos inteligentes con más funciones que sólo la transmisión de voz. Actualmente, las redes sociales de Internet y las videoconferencias en tiempo real pueden realizarse desde un televisor inteligente, con funciones de teléfono, computadora, televisor, reproductor de video, radio, entre otras. Se trata, por tanto, de una innovación que provocó un cambio técnico.

con respecto a la primera. En la segunda configuración se dice que el motor está alimentado con voltaje negativo o conectado en polaridad inversa, nuevamente: inversa con respecto al flujo de

Debes tener presente que las funciones de los dispositivos más avanzados se realizan por medio de circuitos integrados y microprocesadores, por lo que es indispensable comprender las bases de su funcionamiento.

corriente convencional. Este sencillo experimento demuestra que el voltaje negativo inyecta la misma fuerza electromotriz que el voltaje convencional o positivo (simplemente se invierten los

Recuerda que:

La innovación técnica siempre se basa en un conocimiento previo que sirve de fundamento al que mejora.

polos) y que ambos se encuentran por encima del nivel cero marcado por la tierra; de no ser así, el motor no se pondría en marcha.

Actividad 5 grupal

En equipos de 4 o 6 integrantes, elijan un objeto o servicio que satisfaga una necesidad social y expliquen su innovación técnica; cómo era antes, cómo es ahora y cómo evolucionó; expongan ante el grupo. EDICIONES

®

25


BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Ampliicadores operacionales: fuente de alimentación simétrica Para hacer funcionar la mayoría de los operacionales es necesario contar con una fuente de alimentación simétrica o dual, que inyecte la mis­ ma cantidad de voltaje positivo (VCC) y voltaje negativo (VEE) a las respectivas entradas de alimentación. La mejor opción es utilizar una de fabricación industrial, pero también es posible construir una con pocos componentes y resultados estables para tus propios experimentos. En el siguiente laboratorio construirás una muy sencilla. El curso anterior (Electrónica 2, Bloque III) construiste una fuente de poder regulada variable, por lo que no es necesario repetir la función de los componentes. Si tienes dudas, consulta el bloque correspondiente.

Laboratorio. Actividad individual D2 V1

T1 2

120 Vrms 60 Hz 0º

1N4004 U1 LM7815CT

D1 1

4

VREG LINE VOLTAGE

3N246

COMMON

3 Transformador 24 Voltios de corriente alterna

Salida positiva

C1 4.7mF D3

C2 4.7mF

1N4004 U2 LM7915CT VREG LINE VOLTAGE

Salida negativa

COMMON

OBJETIVO

Construir una fuente de alimentación

simétrica o dual con regulación intercambiable. MATERIALES

1 Transformador de 24 voltios de

Nota: Los amplificadores operacionales más uti-

corriente alterna y 1.2 amperios. 1 Puente rectificador

lizados funcionan en un rango de ±18V a ±24V;

3N246 o equivalente (KBP005M, KBP10M, 3N252).

los reguladores utilizados en este laboratorio

2 Condensadores electrolíticos de 4.7mF (equivalentes

tienen una salida de ±15V, que es un buen vol-

a 4700μF). 1 Regulador de voltaje positivo LM7815.

taje para realizar experimentos sin estresar los

1 Regulador de voltaje negativo LM7915, 2 diodos

componentes. Sin embargo, en futuros niveles

1N4004. Protoboard. Tarjeta perforada y equipo de

académicos es posible que requieras una fuente dual de mayor potencia; por tal motivo la

soldadura.

26

EDICIONES

®


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

Continuación Laboratorio. Actividad individual Cuando todo funcione correctamente en el protoconstruirás de tal manera que el transformador

board, construye el circuito permanente en la tarjeta

sea independiente del circuito regulador, como

perforada, pero no sueldes las terminales del

se explica más adelante.

transformador al puente rectificador; en lugar de ello, estaña los cables de salida del transformador y suelda las terminales correspondientes del puente

PROCEDIMIENTO

Diseña en el simulador el circuito

que aparece en la ilustración. Antes de construirlo en el protoboard consulta las hojas de datos de los tres componentes semiconductores: puente rectificador 3N246, regulador de voltaje positivo LM7815, regulador de voltaje negativo LM7915. Pon mucha atención al número de parte de los reguladores positivo y negativo, si los intercambias por error el circuito sufrirá

rectificador a conectores eléctricos, de manera que la tarjeta del circuito y el transformador sean dos unidades independientes. Existe una gran variedad de conectores eléctricos; consulta con tu profesor para seleccionar los más apropiados para este proyecto. Cuando lo hayas hecho, simplemente conecta el transformador a los conectores y tendrás un circuito funcional.

un daño irreparable. Observa con mucha atención la ubicación y la función de los pines en cada componente

Con esta técnica, el transformador será un compo-

y conéctalos correctamente en el circuito.

nente independiente del circuito y cuando necesites una fuente simétrica de mayor o menor voltaje, cons-

Es recomendable utilizar componentes de la marca Fairchild, que son estables, seguros y de precio estándar. En particular, los reguladores de esta marca

truye un nuevo circuito con reguladores de diferente valor, el resto de los componentes permanece con los mismos valores.

ofrecen un amplio rango de salida, entre ±5V hasta ±24V y soportan un voltaje de entrada entre 35V y 40V, por lo que no se corre el riesgo de dañarlos con el transformador de 24V.

Nota: Se podría utilizar un potenciómetro para regular las salidas o sockets para intercambiar sólo los reguladores, pero ambas opciones pre-

Por último, el número de serie de estos componentes

sentan problemas innecesarios: para utilizar el

se divide en dos partes: los primeros dos dígitos 78 y

potenciómetro tendrías que construir un circuito

79 hacen referencia a la polaridad (positiva y negativa,

independiente que mida y presente los volta-

respectivamente) y los dos últimos (05, 06, 08, 09, 10,

jes de salida en un display dual de siete leds,

12, 15, 18, 24) representan el voltaje de salida que generan. En este sentido, el componente LM7909 es un regulador de voltaje negativo con salida de -9V.

que aún no aprendes a utilizar. Los sockets, por otra parte, limitarían el uso del circuito al tipo de encapsulado. Dada la sencillez del circuito y el bajo costo de los componentes, además de la

Construye el circuito en el protoboard y prueba las

estabilidad que se consigue fijándolos con sol-

salidas con un multímetro o en el osciloscopio, si tu

dadura, la mejor opción es aplicar esta técnica

profesor está de acuerdo. Tendrán que presentar un

y construir los circuitos reguladores que vayas

voltaje estable de 15V en la salida positiva y -15V en la

requiriendo. Por otra parte, es importante que

negativa.

practiques la técnica de soldadura para adquirir más experiencia.

EDICIONES

®

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Fuente de alimentación simétrica opcional 9V

9v C1 220uF

9v

C2 220uF -9V

Polarización del ampliicador operacional

Una técnica opcional para construir una fuente de alimentación simétrica consiste en conectar en serie dos pilas y dos condensadores que regulen en lo posible las salidas, como se muestra en la ilustración.

VCC B1

B2 VEE

El voltaje que se obtiene es suficiente para comprobar los principios que se muestran en los laboratorios, pero no es el ideal para hacer funcionar el operacional a su verdadera capacidad; por la misma razón, no se utiliza en aplicaciones del mundo real.

Los operacionales están diseñados para funcio­ nar con dos voltajes: uno positivo y uno nega­ tivo; o bien con dos polarizaciones: una directa (VCC, +) y una inversa (VEE, ­). En la ilustración aparecen simbolizadas por dos baterías, para su mejor comprensión, pero en las prácticas debes polarizarlos con la fuente dual que construiste en el laboratorio anterior.

La electrónica en la sociedad y su relación con el crecimiento económico

A este tipo de configuración se le llama alimentación simétrica, porque la terminal positiva del operacional recibe la misma fuerza electromotriz (voltaje) que la terminal negativa.

En la actualidad, el desarrollo tecnológico es la principal fuente de riqueza para los países desarrollados. Las naciones con mayor crecimiento económico son aquellas que diseñan, fabrican y exportan productos elaborados: cualquier aparato tecnológico que cumple una función determinada, desde dispositivos de comunicación interpersonal hasta robots para la industria pesada.

Los operacionales se distribuyen en diferentes encapsulados, el más recomendable para tus proyectos es el de doble línea, donde los pines vienen distribuidos equitativamente en los costados largos de la pastilla.

El desarrollo de la MICRO y NANO electrónica digital representa, sin duda, el futuro del crecimiento económico mundial.

OFFSET NULL 7 2

LM 741

Micro Del griego μικρó, pequeño; significa una millonésima parte de la unidad.

T

®

8

2

OUTPUT

EDICIONES

NON-INVERTING INPUT _ V

1

Nano Del griego νάνος, enano; se utiliza como prefijo para calificar a dimensiones muy pequeñas.

3 4

INVERTING INPUT

6 4

3

28

Salida

Entradas (señal)

7 +

6 5

1

8

NC

2

7

V+

3

6

OUTPUT

4

5

OFFSET NULL


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

En la ilustración aparece el símbolo esquemático del operacional LM741, su respectivo diagrama de conexión encapsulado en doble línea, donde se muestra el número de pin y su función (se conservan los nombres en inglés porque así los encontrarás en todas las hojas de datos) y una tercera imagen donde aparece la relación entre los dos anteriores. Estudia con cuidado esta ilustración, es indispensable que relaciones los conectores del símbolo esquemático con los pines del encapsulado, con el fin de que pases sin problemas del diagrama a la construcción del circuito en el protoboard.

Recuerda que:

La característica técnica más importante del protoboard es su capacidad para construir circuitos electrónicos compuestos (en serie y paralelo), utilizando cualquier componente.

Laboratorio. Actividad individual OBJETIVO

Polarizar

el

amplificador

operacional sin señal.

Como aprendiste en Electrónica 2, Bloque I, los pines en los circuitos integrados tienen un orden y una numeración específica. Comienzan con el Pin 1, señalado en el encapsulado por una perforación circular a un lado de la muesca central y continúan en secuencia numérica progresiva, como se muestra en la ilustración.

MATERIALES

1 Fuente de alimentación

simétrica de ±15V. 1 Amplificador operacional modelo LM741. Protoboard. Multímetro. Obtén la hoja de datos del operacional en Internet y verifica los voltajes de alimentación máximos y mínimos que soporta. PROCEDIMIENTO

Lo más importante es ubicar los cinco pines básicos del símbolo esquemático en el diagrama de conexión para conocer su función:

Coloca el operacional

en el protoboard. Conecta la salida positiva de la fuente simétrica al pin 7 (VCC+), la salida negativa al pin 4 (VEE-) y el multímetro al pin 6 (salida).

Número de pin

Función

Diagrama de conexión

2

Entrada inversora

Inverting input

El multímetro marcará menos de 15V, en

3

Entrada directa (no inversora)

Non-inverting input

polaridad positiva o negativa. La cantidad

4

Alimentación negativa (V-)

V-

7

Alimentación positiva (V+)

V+

6

Salida

Output

de voltaje de salida inferior al de la alimentación (±15V), se debe a las caídas de voltaje de los componentes internos del operacional. Recuerda que es un circuito integrado y dentro tiene los materiales equivalentes a transistores, resistores, condensadores y diodos (aunque el 741 no

En Electrónica 2, Bloque I, también aprendiste que en el protoboard el circuito integrado se coloca sobre el canal, de manera que una hilera de pines queda conectada a un bloque de columnas y la otra hilera en el bloque contrario, como aparece en la imagen. A partir de esta configuración elemental se comienzan a colocar los demás componentes del circuito, de acuerdo con el diagrama.

incluye estos últimos). Busca el diagrama esquemático del operacional en la hoja de datos y observa la cantidad de componentes microscópicos que contiene. La polaridad positiva o negativa, por otra parte, es indiferente y depende de la construcción particular de cada fabricante. Mientras aparezca un voltaje inferior al de

EDICIONES

®

29


BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Continuación Laboratorio. Actividad individual la alimentación, en cualquier polaridad, significa que el operacional funciona correctamente. Conserva el operacional en el protoboard con sus respectivas conexiones de

1.3

Uso de conocimientos técnicos y las TIC para la innovación

polarización porque lo necesitarás en el siguiente laboratorio.

Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas:

Los nuevos materiales: la fibra óptica, el rayo láser La fibra óptica es un canal de transmisión que se ha perfeccionado desde mediados de la década de 1960. La primera transmisión comercial telefónica a través de este medio fue realizada por la compañía norteamericana General Telephone and Electronics, en California durante 1977. La fibra óptica utiliza pulsos de luz para transmitir información, de manera semejante a los pulsos eléctricos que transporta el cable de cobre, con la ventaja de que la luz no sufre interferencias electromagnéticas durante el recorrido. En la actualidad se utiliza en redes digitales que transmiten voz y datos. Estudiarás estas características más adelante, junto con la modulación de señales y su transmisión a larga distancia. El rayo láser de rubí, por otra parte, fue desarrollado por el norteamericano Theodore Maiman en 1960. Su trabajo se basó en los descubrimientos de los científicos rusos Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov, quienes compartieron el premio Nobel de Física 1964 con Charles H. Townes, por el desarrollo del oscilador cuántico que dio origen a todas las modalidades y aplicaciones del rayo láser, incluyendo la transmisión de datos como fuente y la fibra óptica como canal.

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EDICIONES

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A. ¿Qué son las TIC? B. Expliquen cómo las TIC han revolucionado las comunicaciones. C. Comenten la diferencia entre los dispositivos analógicos y los digitales.

Tic son las siglas de Tecnologías de la Información y Comunicación, y hacen referencia a los dispositivos digitales capaces de procesar información conforme a las instrucciones del usuario, y enviar el resultado obtenido en forma de impulsos electromagnéticos a través de un canal preestablecido (redes telefónicas o de computadoras) a prácticamente cualquier parte del mundo donde se encuentre el receptor.

Complemento Las tic están integradas por dos conjuntos, uno representado por los medios de comunicación masiva tradicionales como la radio, la televisión y la telefonía convencional. El otro, por las tecnologías informáticas que se caracterizan por la digitalización de los mensajes e incluye todos los sistemas informáticos, no sólo las computadoras, aunque éstas sean el medio más versátil, no son el único; también se


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

continuación complemento consideran las redes de telecomunicaciones, telemática, los teléfonos celulares, los periódicos digitales, faxes, dispositivos portátiles, por mencionar los más comunes. Todas estas herramientas electrónicas juegan un papel determinante en la vida de la sociedad, pues están relacionadas con todas las actividades cotidianas: trabajo, entretenimiento, relaciones interpersonales y grupales, estudio y enseñanza, entre otras.

Las grabadoras de sonido convencionales tienen componentes de grabación y reproducción llamados cabezas: una cabeza para la grabación y otra para la reproducción en sonido MONOAURAL y dos en cada caso para sonido ESTÉREO (ver pág. 32). Las cabezas son bobinas de cobre con núcleo de material ferromagnético que se energizan con la fuente de poder de la grabadora.

Cabeza de grabación Partículas de metal Tira de plástico

Los productos electrónicos como medios para el registro, análisis y uso de la información

Cinta magnética vista de canto

Los dispositivos de registro, análisis y uso de la información se dividen en dos grandes grupos: vo­ látiles y permanentes. Los primeros son aquellos que requieren un flujo constante de energía para almacenar información, como la memoria RAM de las computadoras. Una vez que el flujo desaparece, la información se pierde.

Cinta magnética vista de frente

Los medios de almacenamiento permanente conservan la información aun cuando el flujo de energía cesa. Éstos se dividen en dos grandes grupos: de almacenamiento electromagnético, como los discos duros de las computadoras, memorias flash y USB, entre otros; y los discos ópticos CD, DVD y BluRay, cuya información es almacenada y leída por medio de un rayo láser, infrarrojo o ultravioleta. El almacenamiento electromagnético permanente de los dispositivos digitales está relacionado con un tipo especial de transistores llamados Mosfet, que estudiarás en el siguiente bloque. El segundo grupo, los dispositivos analógicos, utiliza principalmente registros magnéticos para almacenar y reproducir información, como las cintas magnéticas de los casetes y los discos de acetato. Analicemos como ejemplo las primeras.

Onda sonora

Copia analógica de la onda sonora

La cinta magnética es una tira de plástico magnetizado (como los globos de los primeros experimentos en Electrónica 1), con partículas microscópicas de metal repartidas en su superficie, que pueden ser de acero, níquel, cobalto o una aleación de aluminio-níquel-cobalto llamada alnico. La cabeza grabadora magnetiza las partículas de metal en la cinta de acuerdo con las variaciones de voltaje provocadas por la señal, en este caso, una onda sonora amplificada proveniente de un micrófono o de otro dispositivo de reproducción, como una tornamesa con un disco de acetato. Se crea así una forma lineal única y distintiva, que es una versión electromagnética muy parecida a la señal original: una copia analógica. Por su parte, la cabeza de reproducción sigue la forma trazada por las partículas magnetizadas, las convierte en una señal eléctrica y las envía a un circuito amplificador y éste a las bocinas. Los circuitos amplificadores, y en particular los amplificadores operacionales, tienen un papel relevante en las tareas que ejecutan los dispositivos tanto analógicos como digitales.

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Coniguración de entradas en el ampliicador operacional Los operacionales tienen dos entradas para la señal: entrada inversora y entrada directa o no inversora. En Electrónica 2, Bloque V, pág. 159, estudiaste las características básicas de las ondas electromagnéticas, en particular la onda sinusoidal y su composición básica de crestas y valles, así como los conceptos de fase y desfase. Si no recuerdas estos conceptos, repásalos en el libro y bloque citados.

sonido monoaural Está definido por un canal y origina un sonido semejante al escuchado con un solo oído.

La entrada inversora del operacional desfasa 180° la señal original: donde entran crestas salen valles y viceversa.

Se llama sonido estereofónico o estéreo al grabado y reproducido en dos canales.

La entrada directa (no inversora) conserva la misma fase de la señal original: donde entran crestas salen crestas y lo mismo para los valles. Estas dos entradas proporcionan tres modos de operación: 1. Modo directo (no inverso): utiliza la entrada directa para la señal y la inversa se conecta a tierra. La señal de salida está en fase con la de entrada. 2. Modo inverso: utiliza la entrada inversora para recibir la señal y la directa se conecta a tierra. La señal que entra sale desfasada 180° grados.

VCC Entrada inversora Salida

Entrada directa (no inversora)

VEE

3. Modo diferencial: utiliza las dos entradas para dos señales que deben estar desfasadas 180° entre sí. La señal de salida está en fase con la señal que se aplica en la entrada directa (no inversora) y es la diferencia —la resta— de las frecuencias de onda de señal directa menos las frecuencias de la señal inversa. Se utiliza, entre otras tareas, para filtrar determinadas frecuencias en señales complejas, como audio o video.

Recuerda que: La onda sinusoidal está compuesta por tres elementos fundamentales: longitud, amplitud y frecuencia. Para comprenderlos mejor se dibujan en ejes cartesianos: uno horizontal (X) y otro vertical (Y) (Electrónica 2,

pág. 159). 32

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ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

Laboratorio. Actividad individual OBJETIVO

Observar el comportamiento del operacional en modo directo y comprobar su enorme ganancia.

1 Fuente de alimentación simétrica de ±15V. 1 Amplificador operacional modelo LM741; aseMATERIALES gúrate de que el modelo del operacional sea LM741 o simplemente 741, porque existen otros modelos como el LM741CH, LM741CJ, LM741CM, con características diferentes. Protoboard. Osciloscopio. Generador de señales.

Nota: Para éste y otros experimentos futuros se

tonos, analizador de espectros electromagnéti-

requiere un generador de señales sinusoidales,

co, entre otros. Como estos softwares se ofre-

triangulares y cuadradas. Los generadores más

cen en inglés, realiza la búsqueda con frases

comunes son dispositivos electrónicos de labo-

como: sound card multiinstrument; realtime sig-

ratorio ya fabricados. En caso de no contar con

nal generator for Windows; visual analizer; o bien

uno en el laboratorio (o si requieres uno para tus

realiza una búsqueda general como: convierte tu

propios experimentos) tienes dos opciones: la

ordenador en un laboratorio de electrónica. Con-

primera consiste en descargar de Internet un

sulta con tu profesor las mejores opciones de

software gratuito que utilice la tarjeta de sonido

software.

de una computadora para funcionar como generador de señales y utilizar la salida de audífonos para inyectar las señales al circuito. Existe un software para utilizar la computadora como osciloscopio, contador de frecuencias, generador de

La segunda opción consiste en utilizar los instrumentos virtuales de tu simulador y observar los resultados sin construir el circuito físico. No es lo más recomendable y sólo se justifica por no tener acceso a ningún dispositivo real.

PROCEDIMIENTO Configura el generador de señales a una frecuencia de

Generador señales

Canal 1 osciloscopio

500Hz y un voltaje muy bajo: 20mVp. Las siglas mVp

VCC

15V

indican veinte milivoltios pico, lo cual significa que la 7

señal alcanzará 20 milivoltios en el punto más alto

1

5

3

Canal 2 osciloscopio

de la cresta y -20 milivoltios en el punto más bajo del

6 2

valle, en cada ciclo o hercio; la señal tendrá un valor

LM741 4

total de 40mV, que se representa como 40mVPk-Pk

VEE -15V

o 40mVp-p (pick to pick) o pico a pico. Dependiendo del generador de señales que utilices, el voltaje se

20mVp

puede indicar como Vp, VPk-Pk o Vp-p; asegúrate de seleccionar el voltaje correcto. 40mVPk-Pk

Con el operacional polarizado en el protoboard, conecta la salida positiva del generador de señales a la entrada directa (no inversora), pin 3 en el LM741; conecta la entrada inversora (pin 2) a tierra y la salida

-20mVp

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33


BLOQUE

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

I

Continuación Laboratorio. Actividad individual

(pin 6) al canal 2 del osciloscopio. Para tener un punto

energía de la que se le inyecta, en este caso ±15V.

de comparación, conecta el canal 1 del osciloscopio

Es por ello que la señal de salida tiene las puntas

en paralelo con la salida del generador de señales.

recortadas y forma una señal casi rectangular. Es una

Sigue el diagrama de ejemplo.

indicación de que la señal original está distorsionada por falta de voltaje, es decir: el voltaje que se le inyecta es insuficiente para reproducir con fidelidad la

Salida 28Vp

señal original y se está perdiendo información. Esto es natural, porque se está utilizando el operacional

Entrada 20 mVp

sin otros componentes que regulen su función. Más adelante estudiarás el modo correcto de añadirle una red de componentes para controlarlo; por el momento sólo estás probando sus características. El aspecto más importante de este experimento es que muestra el comportamiento típico del amplificador operacional:

Los resultados pueden variar dependiendo de la marca

EL GRAN VOLTAJE DE SALIDA ES CONSECUENCIA DE LA

del operacional y de la exactitud del generador de

DIFERENCIA QUE EXISTE ENTRE LOS VOLTAJES APLICADOS A LAS

señales. Es probable que la señal de salida no aparezca

TERMINALES DE ENTRADA (INVERSORA Y DIRECTA ).

totalmente en fase como la del ejemplo, lo cual es

Es por ello que una de las terminales de entrada

normal dado que el operacional está funcionando única-

debe recibir menos voltaje que la otra, para que el

mente con la polarización y la señal, sin ningún otro

operacional trate de compensar esa diferencia con

componente que lo regule.

el voltaje de alimentación (VCC y VEE), tal y como lo

En esta configuración y en términos generales, el

demuestra el experimento.

operacional presentará enormes cantidades de ganan-

De hecho, en la mayoría de las configuraciones una

cia, como se muestra en el ejemplo.

terminal de entrada se conecta a tierra (0V), como en el

En Electrónica 2, Bloque V aprendiste que la ganancia

experimento, o con una serie de componentes externos

es la relación entre el voltaje de entrada con el de

que reducen el voltaje al valor más cercano a cero. La

V salida

salida, determinado por la fórmula Av= , que V entrada V out , en este caso también se representa como G= V in 28 =1,400, es decir, se obtiene una ganancia de

configuración más aplicada es la retroalimentación

mil cuatrocientos. Las medidas en tu experimento

Por el momento, toma las medidas de entrada y salida

pueden ser diferentes a las del ejemplo.

de tu experimento y anótalas en tu libreta. Conserva el

Debes tener en cuenta que esta ganancia no es

circuito en el protoboard, lo necesitarás en el siguiente

real, porque el operacional no puede generar más

laboratorio.

0.02

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negativa, que estudiaste en Electrónica 2, Bloque V y utilizarás en los operacionales más adelante.


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

La innovación en el empleo de materiales para la elaboración de productos electrónicos funcionales y de calidad

Las diferencias entre conocimiento técnico e información para la creación de innovaciones en electrónica y sistemas de control

Los nuevos materiales para controlar señales electromagnéticas se enfocan hacia la NANOTECNOLOGÍA. En la actualidad, la comunidad científica experimenta con computadoras moleculares y computadoras cuánticas, que sustituyen los semiconductores de silicio por moléculas de carbono.

En los negocios, la innovación es el acto de aplicar el conocimiento en la creación de nuevos procesos, productos o servicios. Este conocimiento se ha obtenido, como ya estudiaste anteriormente, a través de la búsqueda, análisis y uso de la información.

El tamaño de los microprocesadores con estos nuevos materiales es del orden de 10-9 centímetros, por lo que un encapsulado como el que hoy conocemos podría llegar a contener cientos de millones de microprocesadores en su interior, con una capacidad de cómputo que sobrepasa lo imaginable.

Nanotecnología Campo de las ciencias aplicadas dedicado al control y manipulación de la materia a una escala menor que un micrómetro, es decir, a nivel de átomos y moléculas.

Ampliicador operacional: efectos de la frecuencia La ganancia total de un amplificador operacional está limitada por la frecuencia de las señales que procesa y por el ancho de banda del operacional mismo, que es determinado por el fabricante. El ancho de banda será explicado con detalle posteriormente, cuando estudies la transmisión de información a largas distancias; por el momento basta con que lo entiendas como la cantidad de hercios que utiliza un canal para transmitir una

En cada una de las fases de la innovación se entreteje la nueva información obtenida a través de la experiencia junto con los conocimientos anteriores, creando así nuevos aprendizajes que sustentan el proceso de innovación. Toda innovación tecnológica se representa en un objeto material, en otras palabras, es la materialización del concepto. Para construir una herramienta efectiva es necesario contar con materia prima que se transformará en dicho objeto y con los energéticos que la pondrán en funcionamiento.

señal, y se miden regularmente en kilohercios y megahercios. Revisa la relación entre frecuencia, longitud de onda y bandas de frecuencia en Electrónica 2, Bloque V. Todo operacional tiene un ancho de banda máximo, que se encuentra en la hoja de datos como bandwidth, y la relación entre éste, la frecuencia y la ganancia se expresa en la fórmula: fc= Bw G Donde fc significa frecuencia de corte y hace referencia a la máxima frecuencia (en hercios) que el operacional puede transmitir para una ganancia dada. Bw (bandwidth) es el ancho de banda máximo del operacional. El ancho de banda típico del operacional LM741 es de 1.5 MHz, consulta la hoja de datos. G es la ganancia, que como sabes es un número absoluto. EDICIONES

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

Supongamos que quieres fabricar un circuito amplificador de audio con el LM741. Como sabes, las frecuencias captadas por el oído humano oscilan entre 20Hz y 20kHz (Electrónica 2, Bloque V), por lo que la frecuencia de corte que buscarías sería la máxima audible por los humanos: fc= 1,500,000 =20,000 hercios=20kHz 75 De acuerdo con la fórmula, podrías construir un dispositivo amplificador con una ganancia de 75. Sin embargo, los componentes reales, fabricados

en serie, suelen presentar variaciones, por ello es una buena práctica considerar sólo 80% del total. En este caso, una ganancia nada despreciable de 60. Por ejemplo, un voltaje inicial de salida de 1V, como el de las guitarras eléctricas, y una ganancia de 60 representan 60V totales; combinados con 2 amperios de corriente ofrecerían una salida de 120 watts (recuerda la fórmula de la potencia: P=I*E=2*60=120W). Un amplificador con tales características combinado con una bocina de 18 pulgadas sería suficiente para un concierto en un auditorio, con un solo amplificador operacional.

Laboratorio. Actividad individual Canal 1 osciloscopio

Generador señales

VCC 7

15V 1

5

3

Canal 2 osciloscopio 6

LM741

2 4

VEE -15V OBJETIVO

Comprobar los efectos de la frecuencia en el amplificador operacional.

MATERIALES Los mismos del labo ratorio anterior. PROCEDIMIENTO Con la misma configuración que el laboratorio anterior, incrementa progresivamente la fre cuencia de la señal y anota en tu libreta el voltaje de salida en cada cambio: 1KHz [ [

], 2KHz [

], 3KHz [

], 1.5KHz

] y 4KHz.

Responde la siguiente pregunta: ¿Cómo podrías sintetizar la relación entre la frecuencia de entrada y el voltaje de salida en esta configuración?

36

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ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

1.4

El uso de los conocimientos técnicos y de las TIC para la resolución de problemas y el trabajo por proyectos en los procesos productivos Activación de conocimientos En grupo, y con ayuda de su maestro, reflexionen y respondan las siguientes preguntas: A. ¿Cuál es el objetivo de una investigación? B. ¿A qué tipo de fuentes recurre un investigador para recopilar información? C. ¿Qué se hace con la información obtenida?

Todo proyecto debe partir de una investigación que recopile la información existente sobre el dispositivo que se pretende desarrollar. Recuerda que los nuevos conocimientos sientan sus bases sobre los ya existentes. Por esa razón es importante consultar fuentes de información confiables. Por ejemplo, la incorporación de las computadoras a la industria y a la investigación ha generado un enorme cambio desde finales del siglo XX ; la gran mayoría de estas innovaciones se debe a dos características básicas: velocidad y precisión. Las computadoras no tienen capacidad propia de pensamiento, pero pueden procesar datos a muy altas velocidades sin cometer errores; de hecho, realizan actividades que a muchos humanos les resultarían imposibles; de esa manera aceleran el de sarrollo tecnológico, como en el caso de las Tecnologías de Información y Comunicación (TIC).

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

El uso de la información estratégica para la innovación y la resolución de problemas

hecho aportes importantes a la materia que se investiga.

El investigador recurre a fuentes informativas para conocer el estado actual del desarrollo científico y los avances tecnológicos, así como para conocer las bases del funcionamiento de la herramienta que le interesa desarrollar. Las fuentes informativas se dividen en dos grandes grupos: documen­ tales y presenciales.

Analizar significa dividir en partes, y eso es precisamente lo que se hace una vez que hemos recopilado suficiente información sobre el tema que investigamos. Es posible que encontremos datos curiosos o interesantes, pero si no aportan algo significativo para cumplir con el objetivo predeterminado, los dejaremos a un lado o los reservaremos para futuras investigaciones.

Las documentales se refieren a todos los documentos escritos o audiovisuales referentes a un tema específico, como libros, revistas especializadas, filmes, videos e información digital como la que aparece en Internet. Las fuentes presenciales son aquellas que se reciben directamente de personas por medio de entrevistas, encuestas, conferencias, cursos académicos, etc. • Recopilación de datos En ambos casos, lo más importante es contar con una fuente de información confiable que aporte datos precisos y comprobables, pero sería imposible que el investigador corroborara cada dato obtenido de diversas fuentes, por ello sólo se consideran fuentes de información confiables aquellas que están respaldadas por una institución especializada en la materia que se investiga. Esta regla se aplica a todas las fuentes informativas, y en particular a Internet, por ser un medio de difusión sin control. En este caso, la regla básica para la búsqueda de información es consultar fuentes que sean respaldadas por una institución sólida y comprobada, como las páginas oficiales de universidades, institutos de investigación reconocidos internacionalmente, periódicos y revistas especializados que cuenten con el sustento de una versión impresa y bibliotecas en línea; evitar las páginas personales de individuos a quienes no respalda ninguna institución reconocida. En las fuentes presenciales, se debe seleccionar a personas con una carrera reconocida que hayan

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• Análisis e interpretación

En el análisis de la información interviene nuestro criterio de selección, es decir, nosotros decidimos qué datos tomamos y cuáles desechamos. Por ello, es importante tener muy claro tanto el objetivo como la base científica que sustenta la herramienta que deseamos mejorar, pues de eso depende el éxito de nuestra investigación. • Propuestas de mejoramiento en los productos Uso de la información. Consiste en ordenar y comprender la información recopilada para transformarla ahora en un objeto material, en una herramienta que realice una tarea mejor que su antecesora. De no llevarla al mundo real, los conocimientos adquiridos quedan sólo en teoría, y no pueden considerarse como una innovación tecnológica.

Ampliicador operacional: modo de operación inverso Como ya se explicó, el modo inverso utiliza la entrada inversora para recibir la señal, con la directa conectada a tierra. La señal de salida queda desfasada 180° con respecto a la de entrada. Dado que el resultado es prácticamente el mismo del laboratorio anterior, con la salida desfasada, se aprovechará la siguiente práctica para experimentar con los tipos de onda electromagnética.


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

Laboratorio. Actividad individual Generador señales

Canal 1 osciloscopio VCC 15V 7

1

5 Canal 2 osciloscopio

3

6 LM741CH

2 4

VEE -15V

OBJETIVO

Observar el comportamiento del opera-

cional en modo inverso y experimentar con ondas triangulares, cuadradas y sinusoidales. MATERIALES

1 Fuente de alimentación simétrica

de ±15V. 1 Amplificador operacional modelo LM741.

Salida invertida Señal de entrada

Protoboard. Osciloscopio. Generador de señales. PROCEDIMIENTO

Intercambia la señal de entrada

en los pines del operacional: la salida positiva del generador de señales a la entrada inversora (pin 2); la entrada directa (no inversora), pin 3 a tierra; la salida

Lo importante es notar que independientemente de la

(pin 6) al canal 2 del osciloscopio y el canal 1 del osci-

forma de la señal de entrada, en este caso triangular,

loscopio en paralelo con la salida del generador de

el operacional presenta la misma salida amplificada y

señales. Es la misma configuración del labo -

desfasada 180° porque la señal está ingresando por su

ratorio anterior, sólo se intercambian la señal de

entrada inversora.

entrada y la tierra en el operacional. Finalmente,

Cambia el tipo de señal a una señal cuadrada con la

configura el generador de señales para que salga una

misma frecuencia y voltaje. ¿Qué sucede con la señal

onda triangular a 500Hz y 20mVp.

de salida? [

En el osciloscopio aparecerá una gráfica semejante

A continuación estudiarás la manera de configurar el

a la ilustración, aunque es posible que no desfasada

amplificador operacional con una red de componentes

completamente porque el operacional está funcio-

externos.

]

nando sin componentes auxiliares.

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BLOQUE

I

TECNOLOGÍA, INFORMACIÓN E INNOVACIÓN

La integración de los contenidos para el trabajo por proyectos en la electrónica y los sistemas de control

• La señal ya digitalizada entra en un modulador, circuito electrónico que combina la señal (el mensaje) con una onda portadora, que le permite viajar grandes distancias a través de un canal.

En este bloque estudiaste las propiedades del amplificador operacional y la fuente de poder simétrica que lo alimenta. En el siguiente, lo pondrás en funcionamiento, probarás sus características y construirás un amplificador de audio que será parte del proyecto final, donde integrarás los conocimientos adquiridos durante los tres cursos.

• La señal modulada llega a un demodulador, circuito que separa la onda portadora de la señal digital (mensaje).

Las técnicas para procesar y difundir información en el ámbito de la electrónica. Las tecnologías de la información para almacenar, difundir y recuperar información Las actuales técnicas para procesar y difundir información se basan por completo en la tecnología digital. El siguiente diagrama de bloques presenta un modelo simplificado del proceso de comunicación basado en dicha tecnología. Más adelante estudiarás con detenimiento cada módulo, lo que sigue es sólo una visión panorámica. Emisor 100101 señal digitalizada

Convertidor analógico/digital

Señal analógica

Modulador

Canal Receptor Demodulador

Convertidor digital/analógico

100101 señal digital

Señal analógica

• La señal analógica ingresa a un dispositivo convertidor analógico-digital, que es un circuito electrónico que contiene compuertas lógicas, flip-flops, multivibradores, registros de desplazamiento, entre otros componentes que estudiarás más adelante. Su función es transformar las variaciones de voltaje en dígitos binarios.

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• L a señal en formato digital llega al convertidor digital-analógico, un circuito que transforma los dígitos binarios en las variaciones de voltaje originales. En este momento no es necesario que comprendas el proceso con toda precisión, porque la explicación anterior contiene conceptos que aún no estudias. Lo importante es saber que cada etapa del proceso es ejecutada por un circuito electrónico que contiene circuitos integrados y componentes discretos como los que has estudiado hasta el momento y algunos que estudiarás en los siguientes bloques. Al finalizar este curso comprenderás perfectamente el proceso de comunicación digital y el funcionamiento de los circuitos que lo hacen posible.

Los recursos electrónicos para el establecimiento de redes informáticas: componentes básicos e información compartida Una de las aplicaciones más útiles del proceso de comunicación digital es el establecimiento de redes de computadoras, como Internet. Estas redes siguen el proceso descrito en el apartado anterior para almacenar, transmitir y recuperar información desde cualquier parte del mundo y en tiempo real, es decir, en el momento mismo que se publica. La tecnología digital ha contribuido considerablemente a formar la sociedad humana actual, como la conocemos, donde las telecomunicaciones juegan un papel fundamental.


ELECTRÓNICA, COMUNICACIÓN Y SISTEMAS DE CONTROL 3

integración de conceptos bloque I Tecnología, información e innovación El circuito integrado es una pieza de silicio que contiene el equivalente microscópico de los componentes necesarios para realizar una determinada función electrónica.

Ver página 16

En los circuitos integrados, las capas de materiales van formando los equivalentes microscópicos de cuatro componentes discretos: TRANSISTORES, DIODOS, CONDENSADORES Y RESISTORES.

Ver página 16

El circuito integrado se coloca dentro de un encapsulado plástico, cerámico o metálico, con el fin de protegerlo del ambiente externo. Las terminales del encapsulado reciben el nombre de pines.

Ver página 17

En el diagrama de conexión aparece la información sobre los pines del circuito integrado: cantidad, ubicación, numeración y nombre.

Ver página 19

Los amplificadores operacionales son circuitos integrados cuya función básica consiste en tomar una señal e incrementar su voltaje.

Ver página 21

La polaridad inversa o voltaje negativo es la misma fuerza electromotriz, capaz de inyectar nueve voltios por encima de la tierra, pero se dice que está invertida con respecto al concepto de corriente convencional.

Ver página 24

La fuente de alimentación simétrica o dual inyecta la misma cantidad de voltaje positivo (VCC) y voltaje negativo (VEE) a las respectivas entradas de alimentación del operacional.

Ver página 26

La polarización estándar del operacional utiliza una fuente de poder simétrica.

Ver página 28

La entrada inversora del operacional desfasa 180° la señal original: donde entran crestas salen valles y viceversa. La entrada directa (no inversora) conserva la misma fase de la señal original: donde entran crestas salen crestas y lo mismo pasa con los valles.

Ver página 32

Modo de operación directo (no inverso): Utiliza la entrada directa para la señal y la inversa se conecta a tierra. La señal de salida está en fase con la de entrada.

Ver página 32

Modo de operación inverso: Utiliza la entrada inversora para recibir la señal y la directa se conecta a tierra. La señal que entra sale desfasada 180° grados.

Ver página 32

La ganancia total de un amplificador operacional está limitada por la frecuencia de las señales que procesa y por el ancho de banda del operacional mismo.

Ver página 35

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