MANUAL DE LABORATORIO INEL-4076: ELECTRÓNICA BÁSICA

MANUAL DE LABORATORIO
INEL-4076: ELECTRÓNICA BÁSICA
Versión :
Julio 29 del 2009
UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO
RECINTO UNIVERSITARIO DE MAYAGUEZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y COMPUTADORAS
2009
LABORATORIO N° 1
INTRODUCCION A LOS AMPLIFICADORES DE AUDIO Y MANEJO DE SEÑALES
OBJETIVO GENERAL
-Adquirir experiencia en el uso de diferentes equipos de laboratorio como
generadores de señales.
osciloscopios y
OBJETIVO ESPECIFICO
-Montar un circuito de audio el cual se realizarán variaciones en los tipos de señal, frecuencia,
amplitud y forma, verificar salida con el osciloscopio y comparar con los resultados escuchados
Elementos Requeridos:
1 Osciloscopio
1 Generador de Señales
1 Transistor 2n3904
1 Transistor 2n3904
1 Fuente de Voltaje
2 Resistencias de 1Kohm a ¼ W
1 speaker pequeño de 8 ohm
2 Diodos 1n4004
Contenido Teórico:
El Generador de señales:
Un Generador de Señales es un instrumento de laboratorio que permite crear electrónicamente
diferentes tipos de señales a diferentes frecuencias y diferentes amplitudes.
Señal Sinusoidal
Señal Triangular
Señal Cuadrada.
En donde:
T = Periodo de la señal.
Vs+ = Voltaje positivo Máximo
Vs- = Voltaje negativo Máximo
A0 = Amplitud de la señal.
Es importante recodar que la frecuencia de la señal (en Hz) está dada por :
F= 1/T
Y que el Voltaje Pico a Pico o Vpp está dado por:
Vpp= (Vs+) – (Vs-)
Los generadores de señales tienen un rango de frecuencia y amplitudes de funcionamiento y
permiten entre otras funciones, calibración de equipos, pruebas a sistemas de audio, pruebas a
servo motores.
En el laboratorio trabajaremos con el generador de señales de Hewlett Packard 33120A
Oscilloscopios
El Osciloscopio es un aparato de medición que es capaz de mostrar señales eléctricas variantes en
el tiempo. Además de la observación de estas señales con el osciloscopio es posible realizar
análisis de frecuencia de la señal, determinar transitorios o cambios dinámicos en una señal.
En el laboratorio trabajaremos con osciloscopios Agilent.
Ejemplo de la pantalla del osciloscopio:
Cada línea horizontal representa un voltaje que puede ser variado con las perillas del osciloscopio (
Volts per Division)
Cada línea Horizontal representa una escala de tiempo que puede ser variada con la perilla del
osciloscopio ( Time per Division)
Figura 1..1 Generador de Señales
Variación de
parámetros
Funciones
Selección de Frecuencias o Amplitudes
Figura 3.2 Osciloscopio
Variador del tiempo
por división
Canal 1
Variador de voltios por
división
Canal 2
Práctica:
1) Conexión entre el generador de señales y osciloscopio. Verificar los tipos de onda, aprender a
medir frecuencias, periodo y amplitudes, contenido espectral.
a) Genere una señal sinusoidal de:
- 60 Hz de frecuencia y 5 Vpp de amplitd.
- Periodo de 0.1 ms y 10Vpp de amplitud
Visualizarlas en el osciloscopio.
Figura 1.3 Conexión entre Osciloscopio y Generador de Señales
Generador de Señales
Osciloscopio
b) Ajuste el Generador de Señales en una señal triangular de 4 Vpp y una frecuencia de 500 Hz.
2) Realice las conexiones del siguiente circuito amplificador de potencia.
Figura 1.4 Circuito Amplificador de Potencia
Figura 1.5 Montaje Físico del Circuito
Conecte en la entrada el generador de señales y genere una señal sinodal de 1 KHz a 2 Vpp.
a) Conecte el canal A osciloscopio en el nodo 1, para observar la señal enviada por el generador.
b) Conecte el canal B del osciloscopio en el nodo 2,para observar la señal a la salida del circuito.
c) Realice variaciones en frecuencia, amplitudes y formas de onda y escuche los cambios en l
salida.
3) Conecte el micrófono al circuito amplificador e lugar del generador.
a) Cual es la amplitud máxima de la señal de voz en la salida y en la entrada.
b) Puede escuchar su voz en el speaker?
c) Que se puede hacer si no es el caso.
Figura 1.6 Pines del 2n3906 y del 2N3904
LABORATORIO N° 2
CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRÓNICA
OBJETIVO
Repasar conceptos de electrónica básica .
Objetivos específicos:
-
Reafirmar conceptos teóricos referentes a Ley de Ohm, divisores de voltaje, divisores de
corriente.
Verificar el funcionamiento de amplificadores operacionales.
Introducir al uso de fotorresistencias.
Elementos requeridos:
1) Divisor de voltaje y Divisor de Corriente.
Dentro del análisis de circuitos eléctrico los divisores de corriente o de voltaje permiten realizar
cálculos rápidos sobre la corriente o voltaje en un circuito específico. Este concepto se puede
generalizar para capacitores e inductores, pero sólo se trabajará con resistencia para este
laboratorio.
Contenido Teórico:
Un Divisor de voltaje es una configuración de circuito eléctrico lineal, que produce un voltaje de
salida (Vout) que es una fracción del voltaje de entrada (Vin).
Figura 2.1. Divisor de voltaje resistivo.
Donde :
Vout =
Principalmente se usa para atenuar voltajes y obtener voltajes de referencia.
Divisor de Corriente.
Es un circuito lineal que da una corriente de salida que es una proporción de la corriente de
entrada.
Figura 2.2 Divisor de Corriente
Donde :
Iout=
2) Foto resistencias.
Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de
intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula
fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuya siglas, LDR, se originan de su nombre en
inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está formado por una célula o celda y dos patillas. En la
siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico.
El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede
descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohms).
Figura 2.3. ímbolo eléctrico foto resistencia
Figura 2.4. Foto resistencias
3) Amplificadores Operacionales:
Un Amplificador operacional es un circuito integrado (IC) empleado para incrementar la amplitud,
o la potencia, de una señal eléctrica. Es usado para amplificar una señal débil de de audio que
venga de un cd player o mp3 player o de un micrófono o muchas otras aplicaciones, una señal
débil de un electrodo en un electrocardiógrafo por ejemplo, entre otras.
En un amplificador, pequeñas variaciones de la señal de entrada producen variaciones mucho
mayores en la salida. La ganancia de un amplificador determina el coeficiente de la medida de la
amplificación.
El OPAMP es como se conoce común mente a este dispositivo. Su símbolo esta dado en la figura
2.5. La entrada V+ es la entrada no inversora y la V- la entrada Inversora Vs+ y Vs- son las entradas
para las fuentes de voltaje para la polarización del OPAMP. El valor de estas fuentes limita la salida
del OPAMP , es decir este no puede amplificar un voltaje superior al proveído por dichas fuentes.
Figura 2.5 Símbolo del Amplificador Operacional
Los terminales son:


V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora

VOUT: salida

VS+: alimentación positiva

VS-: alimentación negativa
Para nuestras prácticas utilizaremos un OPAMP cuya referencia es LM741N. En la Figura 2.6 se
muestra su forma física y como deben realizarse sus conexiones.
Figura 2.6 LM741N OPAMP
Para las prácticas a realizarse no utilizaremos el pin 1 y el pin 5.
Teóricamente la amplificación de un voltaje de entrada puede ser infinita si se utiliza un OPamp y
se conecta directamente sin ninguna configuración de resistores externa, sin embargo debido a
que la salida del Op amp está limitada por su voltaje de polarización, se hace necesario y además
deseado tener un control sobre el nivel de la amplificación.
La Ganancia está dada por:
Av= Vout/Vin
Figura 2.6 Configuración Amplificador Inversor
Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la
fase invertida 180 grados.
Figura 2.7 Configuración Como NO inversor
b) Existe otra aplicación del OPAMP al utilizarlo como comparador. Es una aplicación sin la
realimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea
mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.
Donde Vs+ y Vs- son los voltajes de polarización
De acuerdo a la anterior en el siguiente circuito, ¿ el voltaje a la salida del OPAMP
es?:______________
Prácticas:
1) Monte el siguiente circuito divisor de voltaje:
+
IR1
VR1
+
IR2
VR2
-
Con una fuente de V1= 12V. Para los valores de R1 y R2 . Llene la siguiente tabla.
R1
1K
1K
2K
2K
R2
1K
2K
1K
1K
VR2
IR2
VR2 Calculado
2) Monte el Siguiente Circuito divisor de Corriente
IR1
IR2
LLene la siguiente tabla:
R1
1K
1K
2K
2K
R2
1K
2K
1K
1K
VR2
IR2
IR2 Calculado
4) Análisis de un Comparador.
Monte el siguiente circuito.
Varíe la intensidad de luz en la foto resistencia R2 hasta que los Leds intercambien encendido.
Anote el valor del voltaje en el nodo 2 ( entrada no inversora del OPAMP) usando el multímetro y
usando el concepto de divisores de voltaje , encuentre el valor de R2 en Ohms en ese momento.
6) Realice la siguiente conexión de la configuración de un Amplificador inversor.
a) Cual es la ganancia teórica del circuito?
b) Cual es la Ganancia medida (Av = Vo/Vin) ?
7) Aplicación del amplificador no inversor
a) Cual es la ganancia teórica del circuito?
b) Cual es la Ganancia medida (Av = Vo/Vin) ?
LABORATORIO N°3
AMPLIFICADOR DE AUDIO PARA UN MP3 PLAYER
OBJETIVO GENERAL
Aplicar los conocimientos adquiridos en el uso de amplificadores para el desarrollo de circuitos
electrónicos.
Analizar los principios de operación de los filtros y mezcladores.
OBJETIVO ESPECIFICO
-Analizar cada una de las etapas de de un amplificador de audio.
-Realizar un montaje completo de un amplificador de audio.
Contenido Teórico:
En las prácticas anteriores hemos considerado el uso de amplificadores para poder escuchar una
señal de audio con una mayor potencia o poder visualizarla mejor en el osciloscopio, es decir, a
señales de muy pequeño nivel de voltaje hemos podido amplificarlas. El uso de amplificadores de
este tipo lo vemos en la vida diaria en el uso de sistemas de audio y en otras aplicaciones como
amplificación de señales de comunicación de radio, de televisión entre otras.
Sin embrago antes de ser amplificada en potencia, una señal debe ser tratada, es decir, pasar por
un proceso de mezclado, pre amplificación y filtrado con el fin de obtener una señal sin distorsión
o con el menor grado de distorsión en la salida.
El esquema general que vamos a estudiar para la amplificación de una señal de audio en el
presente laboratorio es el siguiente:
Figura 3.1 Circuito Amplificador de Audio
Mixer:
Una de las múltiples operaciones matemáticas que se pueden realizar con el uso de amplificadores
operacionales es la adición. Mediante el circuito de la figura 3.2 podemos sumar dos señales
eléctricas distintas.
Figura 3.2 Mixer con Opamp
Si R2= R3=R4 =R1, entonces:
Preamplificador
El pre amplificador es una configuración de amplificación inversora como la vista en el segundo
laboratorio.
Responda la siguiente pregunta:
En la configuración presentada del preamplifier en la figura 3.1, ¿cual es la ganancia del
amplificador?
Active Filter Low pass
En este punto se tiene una señal mezclada y amplificada en voltaje, sin embargo es necesario
filtrar esta señal para eliminar componentes de alta frecuencia en la salida de audio.
Los filtros en un sistema de audio permiten lo que comúnmente se denomina ecualización.
Power Amplifier
Muchos amplificadores de audio tiene un amplificador de potencia como etapa final. Esta etapa
consiste en un amplificador de voltaje en configuración inversora y un amplificador de corriente
construido con un transistor.
Práctica:
La práctica consistirá en realizar el montaje del amplificador de audio mostrado en la figura… Sin
embargo realizaremos pruebas de funcionamiento a cada etapa a medida que vayamos
construyendo el circuito para verificar y entender mejor su funcionamiento.
1) Mixer: Monte el Circuito 1 en la parte izquierda del bread board
Figura 3.3 Circuito 1
2) Verifique el funcionamiento de esta primera etapa del circuito Conecte como V12 una de las
salidas del generador de señales con una señal sinodal a 1 KHz y una amplitud pico a pico de 10
mV. Posteriormente conecte como V11 otra salida del generador de señales con una amplitud
pico a pico de 5 mV y una frecuencia de 1 KHz.
Visualice con el osciloscopio la señal en la salida del OPAMP, es decir en el nodo 6 . Que puede
observar? Grafique sus resultados.
3) Preampllifier :
Figura 3.4 Circuito 2
4) Compruebe la ganancia del circuito es igual al valor que en teoría debería tener. Para esto
conecte una señal sinodal de 10 mVpp a 1 KHz en la entrada y observe el voltaje pico a pico a la
salida. En Cuanto fue amplificada?
5) Después de verificar que el amplificador está funcionando correctamente conecte la entrada
del amplificador a la salida del mixer .
6) FIlter :
Hasta el momento tenemos el mixer y el pre amplifier montado en el bread board, ahora
procederemos a montar el active filter. Nuevamente verificaremos su funcionamiento por
separado para luego si unirlo al resto del sistema.
Monte el circuito del filtro activo mostrado en la figura 3.5
Figura 3.5 Circuito 3
Conecte el generador de señales en la entrada (nodo B) con una señal sinusoidal de 10Hz y
observe en el osciloscopio la salida. Varíe la frecuencia de la señal de entrada y determine en que
frecuencia la señal de salida empieza a atenuarse.
Anote este valor de frecuencia.
Para señales de entrada con frecuencias superiores a esta, la salida no podrá ser observada ya que
será filtrada.
7) Power Amplifier.
Ya tenemos todas las etapas casi listas solo falta la etapa final del amplificador de potencia o
power amplifier.
Monte el circuito del amplificador de Potencia mostrado en la figura 3.6
Figura 3.6 Circuito 4
Coloque como carga en el nodo D, el speaker de 8 ohms.
Conecte el generador de señales a la entrada del circuito , nodo C y escuche los sonidos
producidos al variar las frecuencias y los tipos de señales justo como lo realizó en la primera
práctica.
Integre el circuito al resto del sistema.
Conecte ahora como V12 la salida de audio del MP3 Player y como V11 el micrófono.
Coloque una canción y escuche el nivel de la amplificación.
Realice variaciones en el potenciómetro del filtro y observe lo que está ocurriendo.
Realice variaciones en el potenciómetro del power amplifier y observe los cambios a la salida.