Tutorial para el análisis y diseño de circuitos ...

Tutorial para el análisis y diseño de circuitos electrónicos con

Amplificador Operacional

Autor: Yerandy Hernández Alvarez

Tutores: Dr. Carlos Roche Beltrán

, Junio 2018

Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones

, Junio 2018

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria

“Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica

de la mencionada casa de altos estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

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Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

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i

PENSAMIENTO

“No intentes convertirte en un hombre de éxito. Intenta convertirte en un

hombre de valor”

Albert Einstein

ii

DEDICATORIA

A mis padres: por su apoyo, paciencia y comprensión durante toda mi vida para la

realización de mis metas.

iii

AGRADECIMIENTOS

A mis padres por apoyarme durante toda mi vida, encaminarme hacia la vida profesional

y seguirme hasta el fin del mundo.

A mis amigos Adrián M., Adrián P., Wilber, Andy, Roberto, Sergio por ser

incondicionales durante los 5 años de la carrera y haberme apoyado durante estos

últimos tiempos en la universidad; a mi prima Lisbet por nunca decirme “no”; a mi

hermana Yenisleidy (Tata) por darme tanto cariño toda mi vida.

A mis compañeros del aula, mis compañeros de la universidad: los que ya no veo

frecuentemente; a los profesores que con su ejemplo pudieron contribuir a mi

superación profesional y personal; a todas las personas que me apoyaron y me fallaron,

gracias por darme una gran lección en la vida, a todos, mis sinceros agradecimientos.

iv

TAREA TÉCNICA

Para la confección del informe se tuvo en cuenta una serie de tareas técnicas, para así darle

cumplimiento a los objetivos trazados. Las tareas fueron las siguientes:

Selección y/o elaboración de recursos que formen parte del tutorial.

Profundización en las tendencias más actuales sobre la utilización de las

herramientas de simulación en las universidades a nivel mundial.

Identificación de tutoriales confeccionados anteriormente por universidades para el

estudio de Electrónica Analógica.

Firma del Autor Firma del Tutor

v

RESUMEN

Los manuales forman parte del proceso de enseñanza-aprendizaje en todo el mundo, ya

sean organizados, en guías de estudio o en los propios libros. En el presente trabajo se

elabora un tutorial que incluye ejercicios resueltos para la asignatura Electrónica Analógica

I. Para ello, primeramente se identifican las principales tendencias asociadas a la aplicación

de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) en la enseñanza

universitaria y específicamente en la enseñanza de la Electrónica, en segundo lugar se

realiza el diagnóstico de la situación actual de la asignatura. Finalmente se argumenta el

proceso de elaboración del tutorial, para el cual se utiliza la simulación y la selección de

ejemplos representativos.

.

vi

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i

DEDICATORIA .................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv

RESUMEN ............................................................................................................................. v

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

CAPÍTULO 1. LAS TIC Y SUS RECURSOS PARA LA ENSEÑANZA DE LA

ELECTRÓNICA 5

1.1 Aplicación de las Tecnologías de la Información y la Comunicación

(TIC) en la docencia universitaria ...................................................................................... 5

1.1.1 Concepto ........................................................................................................... 6

1.1.2 Tendencias actuales ......................................................................................... 8

1.1.3 Ventajas de las TIC .......................................................................................... 8

1.2 Tutoriales para el aprendizaje de la Electrónica .................................................... 10

1.2.1 ¿Qué es un tutorial y cómo se emplea en universidades del mundo? ....... 11

1.3 Multisim ................................................................................................................. 13

1.3.1 Características del Multisim ....................................................................... 15

1.3.2 Multisim para dispositivos móviles .............................................................. 16

CAPÍTULO 2. DIAGNÓSTICO DE LAS NECESIDADES ........................................... 17

2.1 Electrónica Analógica en el plan de estudio E: contenidos y recursos .................. 17

2.1.1 Amplificadores Operacionales en los libros de Electrónica ....................... 19

2.2 Diagnóstico ............................................................................................................ 23

vii

2.3 Encuesta a los estudiantes ........................................................................................... 24

2 l i n o l or i n los r ursos p r l on orm i n l tutori l ............ 26

CAPÍTULO 3. CARACTERÍSTICAS DEL TUTORIAL ............................................... 29

3.1 Estructura del tutorial ............................................................................................. 29

3.2 Ejemplos resueltos ................................................................................................. 31

3.2.1 Ejemplo 1 ........................................................................................................ 31

3.2.2 Ejemplo 2 ........................................................................................................ 34

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 39

Conclusiones ..................................................................................................................... 39

Recomendaciones ............................................................................................................. 39

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 40

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

El surgimiento de los amplificadores operacionales (AO) abrió un abanico de posibilidades

y de aplicaciones en el campo de la electrónica analógica. Un elemento estrella en los

sistemas electrónicos analógicos es sin duda el amplificador operacional, con él se puede

amplificar señales, atenuarlas, filtrarlas, etc. Los sistemas de control analógico encuentran

en el amplificador operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso

años atrás fue empleado para el diseño de computadoras analógicas (de ahí el nombre de

operacionales).

El concepto original del AO (amplificador operacional) procede del campo de los

computadores analógicos, en los que comenzaron a usarse técnicas operacionales en una

época tan temprana como en los años 40. En esta década, las calculadoras analógicas

utilizaban circuitos electrónicos analógicos para realizar ciertas operaciones. La

complejidad que presentaban se solucionaba al tomar una parte de la señal de salida e

introducirla en la entrada (realimentación). El nombre de amplificador operacional proviene

precisamente de ser usado inicialmente para realizar operaciones analógicas.

Este nombre se deriva del concepto de un amplificador dc (amplificador acoplado en

continua) con una entrada diferencial y ganancia extremadamente alta, cuyas características

de operación estaban determinadas por los elementos de realimentación utilizados.

Cambiando los tipos y disposición de los elementos de realimentación, podían

implementarse diferentes operaciones analógicas; en gran medida, las características

globales del circuito estaban determinadas sólo por estos elementos de realimentación.

De esta forma, el mismo amplificador era capaz de realizar diversas operaciones, y el

desarrollo gradual de los amplificadores operacionales dio lugar al nacimiento de una nueva

era en los conceptos de diseño de circuitos. El amplificador, que era un sistema formado

INTRODUCCIÓN 2

antiguamente por muchos componentes discretos, ha evolucionado para convertirse en un

componente discreto él mismo, una realidad que ha cambiado por completo el panorama

del diseño de circuitos lineales. Con componentes de ganancia altamente sofisticados

disponibles al precio de los componentes pasivos, el diseño mediante componentes activos

discretos deja de tener la importancia que tenía pasando a segundo plano para la mayoría de

las aplicaciones dc y de baja frecuencia [1].

Claramente, el amplificador operacional integrado ha redefinido las "reglas básicas" de los

circuitos electrónicos acercando el diseño de circuitos al de sistemas. Los fundamentos

básicos del amplificador operacional ideal son relativamente fáciles. Quizás, lo mejor para

entender el amplificador operacional ideal es olvidar todos los pensamientos

convencionales sobre los componentes de los amplificadores, transistores u otros

cualesquiera.

En lugar de pensar en ellos, piensa en términos generales y considere el amplificador como

una caja con sus terminales de entrada y salida. Por medio de redes de componentes

pasivos (resistencias, condensadores, bobinas) se consigue una gran variedad de

funcionalidades (inversor, no inversor, seguidor, sumador, integrador, etc.), respondiendo

el sistema a la configuración adoptada y a los valores de los componentes, sin que afecten

las variaciones en las características del AO. Es decir, el sistema es independiente de la

dispersión de las características del AO debido a los procesos de fabricación.El

conocimiento de principios y técnicas apropiadas constituye una riqueza invaluable en el

diseño de circuitos integrados, tanto digitales como analógicos. Aunque las tendencias

actuales son hacia el predominio de la tecnología digital en la industria, siempre existirá la

necesidad de los circuitos analógicos que condicionen señales físicas, como las que se

asocian con transductores, así como para convertir la información de analógica a digital

para su procesamiento, y de nuevo de digital a analógica para reutilizarla en diversas

aplicaciones [2].

En la disciplina Electrónica de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica

en la Universidad Central de las Villas (UCLV), tradicionalmente los docentes de esta

asignatura se han caracterizado por seleccionar y/o desarrollar recursos de aprendizaje, que

apliquen adecuadamente las TIC. En esta dirección y tratándose de la problemática se ha

INTRODUCCIÓN 3

trabajado en la elaboración de diferentes objetos de aprendizaje (mapas conceptuales,

páginas Web, manuales, programas entrenadores, etc.) que unido a la creación de un curso

de la asignatura en la plataforma Moodle y el uso de las herramientas de simulación

contribuye a mejorar el aprendizaje de los alumnos.

Por otra parte, se ha insistido en la necesidad de que el alumno asuma un rol más activo en

el proceso de enseñanza aprendizaje, que sea más creativo, que sea capaz de producir y no

quedarse estancado en un proceso de aprendizaje reproductivo y utilizando la simulación,

además de proporcionar al alumno conocimientos sobre los programas de actualidad de

diseño electrónico muy utilizados en el mundo laboral, tiene muchas ventajas desde el

punto de vista formativo: favorece la adquisición de capacidades a la hora de resolver un

problema, mejora la traslación a un caso diferente a los estudiados, ofrece mecanismos de

rutina para conseguir que la respuesta a un problema sea cada vez más inmediato, y muestra

las dificultades que un diseño complejo puede conllevar. En este sentido el desarrollo de la

habilidad de diseño es fundamental, por lo que se insiste en su formación desde las clases

planificadas (laboratorios, seminarios) hasta la realización del examen final escrito.

Por los problemas presentados en la disciplina en cuanto al aprendizaje del diseño de

amplificadores se define como problema de investigación:

¿Cómo contribuir al desarrollo de recursos que faciliten la preparación profesional de los

estudiantes de Ingeniería en Telecomunicaciones Electrónica, en el tema de amplificadores

operacionales?

Para dar solución al problema anterior se define como Objetivo General:

Elaborar un tutorial que facilite los procesos de análisis y diseño sobre aplicaciones del

amplificador operacional, de utilidad para la asignatura Electrónica Analógica II.

De ese objetivo general se derivan los objetivos específicos siguientes:

Identificar tendencias asociadas al diseño de los sistemas electrónicos y al

desarrollo de recursos apoyados en las TIC para el aprendizaje del amplificador

operacional.

Diagnosticar la situación actual relacionada con el aprendizaje de aplicaciones del

amplificador operacional.

INTRODUCCIÓN 4

Elaborar los recursos que forman parte del tutorial.

Diseñar el tutorial sobre análisis y diseño de aplicaciones del AO.

El informe de la investigación se estructura en introducción, capitulario, conclusiones,

referencias bibliográficas, bibliografía y anexos. En la introducción se deja definida la

importancia, actualidad y necesidad del tema que se aborda y se dejan explícitos los

elementos del diseño teórico.

En el capítulo 1 se realiza un estudio que permita identificar las tendencias asociadas con

el desarrollo de recursos y aplicación de las TIC en la enseñanza de la Electrónica. Se

concreta en el caso de tutoriales sobre el tema de AO, tomando como referencia

universidades de prestigio internacional.

En el capítulo 2 se hace un diagnóstico de las situaciones que presentan los estudiantes con

respecto al aprendizaje del AO, partiendo de los tópicos que se abordan desde la asignatura

Circuitos Eléctricos y haciendo un barrido por Electrónica Analógica II del plan de estudio

D. Además, se hace un análisis del nuevo plan de estudio E por implementarse en la

Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE) de la Universidad Central Marta Abreu de las Villas

(UCLV) y se hace la selección de las herramientas de simulación a emplear.

En el capítulo 3 se escogen los recursos necesarios para la elaboración del tutorial, se

confecciona el diseño y la estructura del tutorial. Finalmente se establecen comparaciones

de los resultados obtenidos para algunos ejemplos ilustrativos.

CAPÍTULO 1. LAS TIC Y SUS RECURSOS PARA LA ENSEÑANZA DE LA ELECTRÓNICA 5

CAPÍTULO 1. LAS TIC Y SUS RECURSOS PARA LA ENSEÑANZA

DE LA ELECTRÓNICA

En el siguiente capítulo se realiza un estudio que permita identificar la importancia y

tendencias actuales relacionadas con el uso de recursos vinculados a la enseñanza de la

Electrónica Analógica. Se concreta con el uso de tutoriales para el tema de AO, tomando

como referencia universidades de prestigio a nivel mundial.

1.1 Aplicación de las Tecnologías de la Información y la Comunicación

(TIC) en la docencia universitaria

“A m i os l siglo XX on l ll g un nu v R volu i n In ustri l, mu hos

conceptos que se consideraban básicos en la educación se vieron en la necesidad de ser

modificados. Luego, en los años 90, con el avance de la sociedad de la información y el

conocimiento, las herramientas creadas amenazaban con la desaparición del modelo

tradicional de la educación, pero estas tecnologías que en un momento se pensaron que iban

a sustituir al profesor, en realidad han venido a complementar su labor. Este grupo de

tecnologías han sido agrupadas, al estar íntimamente relacionadas, en un concepto llamado

T nologí s l In orm i n l Comuni i n (TIC)” [3].

Las TIC juegan un papel decisivo en el proceso de enseñanza‐aprendizaje de las

universidades europeas a la hora de alcanzar los retos planteados en el proyecto de

convergencia de los diferentes sistemas nacionales (Espacio Europeo de Educación

Superior–EEES) referidos a la innovación en las formas de generación y transmisión del

conocimiento y a la apuesta por una formación continuada a lo largo de toda la vida [4].


La innovación tecnológica en materia de TIC ha permitido la creación de nuevos entornos

comunicativos y expresivos que abren la posibilidad de desarrollar nuevas experiencias

formativas, expresivas y educativas, posibilitando la realización de diferentes actividades

no imaginables hasta hace poco tiempo. Así, en la actualidad a las tradicionales

modalidades de enseñanzas presencial y a distancia, se suma la enseñanza en línea, que usa

redes telemáticas a las que se encuentran conectados profesorado y alumnado para conducir

las actividades de enseñanza‐aprendizaje y ofrece en tiempo real servicios administrativos

[4] [5].

Esta educación en línea permite utilizar diferentes técnicas como: (a) uno solo, apoyándose

en la técnica de recuperación de la información y en la relación cliente/servidor; (b) uno a

uno, donde la comunicación se establece entre dos personas (profesor‐alumno o

alumno‐alumno); (c) uno a muchos, basado en aplicaciones como el correo electrónico y

los servidores de listas o sistemas de conferencia en la comunicación asincrónica y

sincrónica; y (d) muchos a muchos, caracterizada porque todos tienen la oportunidad de

participar en la interacción [4], [6].

Otras de las tendencias actuales para la educación en línea es la web semántica, esta es una

extensión del web cuya idea básica es tener los datos definidos y relacionados para que su

uso sea más efectivo y sea posible su automatización, integración y re-utilización por

medio de diferentes aplicaciones, es decir, pretende proporcionar una infraestructura que

permita que las páginas web, las bases de datos, los programas y aplicaciones, los

dispositivos personales puedan consumir y producir datos, sin los problemas causados por

los diferentes protocolos de acceso a la información [7], [8].

También tenemos el empleo del denominado Blended Learning (blearning) o Formación

Combinada que en la práctica formativa se puede traducir en una enseñanza con tutorías

personalizadas, videoconferencias, chats, clases presenciales normalmente en grupo [9].

1.1.1 Concepto

Las TIC se conciben como el universo de dos conjuntos, representados por las tradicionales

Tecnologías de la Comunicación (TC), constituidas principalmente por la radio, la

televisión y la telefonía convencional y por las Tecnologías de la Información (TI),


caracterizadas por la digitalización de las tecnologías de registros de contenidos

(informática, de las comunicaciones, telemática y de las interfaces) [10].

Existen muchas definiciones sobre las TIC. Atendiendo al grado de profundidad con que

son tratadas por los diferentes autores se pueden clasificar en los grupos siguientes [11]:

Las que enfatizan en los componentes materiales de las TIC. En este grupo se

puede mencionar a Manuel Área Moreira del Departamento de Didáctica e

Investigación Educativa y del Comportamiento de la Universidad de La Laguna,

Esp ñ , s gún l s TIC son: “r s or n or s, s télit s, t l visi n por l ,

multim i , t l oní m vil, vi o on r n i ”

L s qu solutiz n l in orm i n Don s n u ntr l “Grupo R r D´

Hipermedia Distribuida de la Univ rsi Rovir i Virgili” qu l s define como un

conjunto de herramientas, soportes y canales para el tratamiento y acceso a la

información.

Las que se refieren tanto al hardware como al software, donde se destaca González

oto: “… nuevas tecnologías de la información y la comunicación como el

conjunto de procesos y productos derivados de las nuevas herramientas (hardware

y software), soportes de la información y canales de comunicación relacionados

con el almacenamiento, procesamiento y transmisión digitalizados de la

in orm i n”

Buscando integración de los conceptos anteriores, se definen las TIC como [11]:

Dispositivos tecnológicos (hardware y software) que permiten editar, producir,

almacenar, intercambiar y transmitir datos entre diferentes sistemas de información

que cuentan con protocolos comunes. Estas aplicaciones, que integran medios de

informática, telecomunicaciones y redes, posibilitan tanto la comunicación y

colaboración interpersonal (persona a persona) como la multidireccional (uno a

muchos o muchos a muchos). Estas herramientas desempeñan un papel sustantivo

en la generación, intercambio, difusión, gestión y acceso al conocimiento.


1.1.2 Tendencias actuales

Los procesos pedagógicos han evolucionados en las últimas décadas con la incorporación

de TIC dentro y fuera del aula, de esta forma ofreciendo una mirada retrospectiva refiere la

incursión de la computadora en los procesos de enseñanza-aprendizaje, el empleo de

internet, así como, el uso de plataformas tecnológicas, la utilización de pizarrones digitales,

laptops, usbs, scanner, proyectores, entre otros artefactos tecnológicos, el uso de eBooks y

recursos digitalizados, como también de dispositivos móviles, la incursión en la Web 3.0, la

implementación de redes sociales y la incorporación de las tablets [12].

En cuanto a los centros o instituciones educativas la tendencia se dirige a utilizar, cada vez

más herramientas de OpenSource, en lugar de crear contenidos específicos y sistemas de

gestión del aprendizaje exclusivo. El aprendizaje tiende a realizarse en plataformas que

fomentan el intercambio y la creatividad, en lugar de aplicaciones específicas. La práctica y

la investigación teórica acerca de los llamados entornos virtuales de aprendizaje han

demostrado que no basta con el uso y aplicación de la tecnología, si no se desarrollan

modelos educativos que combinen medios, métodos y formas de enseñanza, y que

aprovechen las ventajas para la colaboración humana. De esta forma, las personas que estén

aprendiendo estarían al mismo tiempo ayudando a otras a aprender, en un contexto en el

que unas personas pueden saber lo que otras no saben; pero también unas pueden resolver

el problema que las otras no resuelven, o alguna parte de ese problema. Se requiere

entonces de organizaciones que respalden estos procesos virtuales desde una nueva

perspectiva académica [13].

La introducción de la computadora personal y su impresionante desarrollo tecnológico,

específicamente de multimedia digital y la generalización del World Wide Web fueron los

que dieron impulso a la expansión de la educación en línea como proceso y modalidad

educativa [14].

1.1.3 Ventajas de las TIC

El sistema educacional se ha visto obligado a experimentar nuevas técnicas que faciliten el

módulo enseñanza-aprendizaje, tanto es así que se han direccionado a favor de las

tecnologías de la información, específicamente las TIC. La puesta en práctica de este

recurso ha evidenciado disimiles ventajas, a continuación se muestran algunas de las


ventajas de las TIC según profesores españoles, este resultado se evidencia de forma

concisa en la figura 1.1 [2]:

Ruptura de las barreras espacio-temporales en las actividades de enseñanza y

aprendizaje.

Procesos formativos abiertos y flexibles.

Mejora la comunicación entre los distintos agentes del proceso enseñanza-

aprendizaje.

Enseñanza más personalizada.

Acceso rápido a la información.

Posibilidad de interactuar con la información.

Eleva el interés y la motivación de los estudiantes.

Mejora de la eficacia educativa.

Permiten que el profesor disponga de más tiempo para otras tareas.

Actividades complementarias de apoyo al aprendizaje.

Variedad de recursos que se pueden seleccionar o elaborar para cubrir las

necesidades de aprendizaje del estudiante.

Otras de las ventajas atribuidas al uso de las TIC en la docencia universitaria se han

apuntado, entre otras, la familiarización del alumno con su uso, la visualización de

fenómenos abstractos o poco habituales, la resolución de problemas más complejos, la

rápida actualización de los contenidos formativos publicados, la reducción de material

docente convencional, el equilibrio entre clases presenciales y aprendizaje individual, la

mejora del control del tiempo dedicado por el alumno a sus trabajos [4].


Figura 1.1: Ventajas de las TIC valorada por docentes universitarios españoles [4].

1.2 Tutoriales para el aprendizaje de la Electrónica

El sistema de tutorías es un método de enseñanza universitaria en el que el enfoque

principal se centra en las sesiones de enseñanza en grupos pequeños y regulares. Fue

establecido y sigue siendo practicado por la Universidad de Oxford y la Universidad de

Cambridge en el Reino Unido. Un beneficio del sistema tutorial es que los estudiantes

reciben comentarios directos sobre sus ensayos semanales o trabajan en un entorno de

discusión pequeño. La Universidad de Buckingham también practica el sistema de tutorías

semanales desde que se estableció como la primera universidad privada de Inglaterra en la

década de 1970 [15].

Los tutoriales para estudiantes generalmente son más desafiantes y rigurosos

académicamente que los cursos estándar de formato de prueba y conferencia, porque

durante cada sesión se espera que los estudiantes comuniquen, defiendan, analicen y

critiquen oralmente las ideas de los demás y las suyas en conversaciones con el tutor y


compañero-estudiantes. Como modelo pedagógico, el sistema tutorial tiene un gran valor

porque crea oportunidades de aprendizaje y evaluación que son muy auténticas y difíciles

de falsificar [15].

Fuera del Reino Unido, un pequeño número de universidades tiene un sistema de tutorías

influenciado por el sistema Oxbridge: Williams College en Massachusetts, Honors Tutorial

College of Ohio University, y New College of Florida. Estos tutoriales a menudo son

limitados, ya sea restringiéndolos a aquellos en un "programa de honores" u ofreciéndolos

como una sola clase en lugar de ser la característica central de la enseñanza de las

universidades [16].

1.2.1 ¿Qué es un tutorial y cómo se emplea en universidades del mundo?

Un tutorial es un recurso que facilita la transferencia de conocimiento y se puede utilizar

como parte de un proceso de aprendizaje. Más interactivo y específico que un libro o una

conferencia, un tutorial busca enseñar mediante ejemplos ilustrativos y proporcionar la

información para completar una determinada tarea. Un tutorial se puede tomar de muchas

formas, que van desde un conjunto de instrucciones para completar una tarea hasta una

sesión interactiva de resolución de problemas (generalmente en el mundo académico) [17].

En el lenguaje académico británico, un tutorial es una clase pequeña de uno o de pocos

estudiantes, en la que el tutor, un profesor u otro miembro del personal académico presta

atención individual a los estudiantes. El sistema de tutorías en Oxford y Cambridge es

imprescindible para los métodos de enseñanza en esas universidades, pero de ninguna

forma es particular para ellos; Heythrop College (Universidad de Londres), por ejemplo,

también muestra un sistema de tutorías con enseñanza personalizada. Es raro que las

universidades más nuevas en el Reino Unido dispongan de los recursos para ofrecer clases

individuales; una clase de seis a ocho (o incluso más) estudiantes es un tamaño de tutorial

mucho más común. Sin embargo, en el New College of the Humanities, establecido en

2011, los tutoriales uno a uno son parte integral de su método educacional. En Cambridge,

un tutorial se conoce como supervisión [15], [18].

En las universidades de Australia, Nueva Zelanda y Sudáfrica, un tutorial (coloquialmente

llamado a tute o tut) es una clase de 10-30 estudiantes. Dichos tutoriales son muy similares


al sistema canadiense, aunque los tutoriales suelen estar dirigidos por estudiantes de honor

o posgrado, conocidos como "tutores".

En los dos campus de St. John's College, EE. UU. Y algunos otros colegios

estadounidenses con una versión parecida del programa Great Books, un "tutorial" es una

clase de 12-16 estudiantes que se reúnen regularmente con la orientación de un tutor. El

tutorial se centra en una determinada área temática y generalmente procede a una lectura

cuidadosa de textos primarios seleccionados y a ejercicios asociados. Dado que las

conferencias formales no juegan un papel importante en el plan de estudios de St. John's

College, el tutorial es el método principal mediante el cual se estudian ciertas asignaturas.

Sin embargo, en St. John's el tutorial se considera accesorio al seminario, en el cual un

grupo un poco más grande de estudiantes se reúne con dos tutores para una discusión más

amplia de los textos particulares en la lista del seminario [15].

Algunas universidades de EE. UU., Como Williams College en Williamstown,

Massachusetts, ofrecen tutoriales de estructura casi idéntica a la de un tutorial de Oxbridge.

En Williams, los estudiantes en tutoriales generalmente trabajan en parejas junto con un

profesor y se reúnen semanalmente, mientras que presentan alternativamente documentos

de posición o críticas del trabajo de su compañero [15].

Los sistemas educacionales cubanos se han percatado de la utilidad que poseen los

tutoriales en favor de la educación en los diversos niveles, por ende, son usados como hilo

conductor por el usuario para analizar las características y funciones más importantes de

cosas como aplicaciones de software, dispositivos de hardware, procesos, diseños de

sistema y lenguajes de programación por solo citar algunos ejemplos, estas guías van

aumentando el nivel de dificultad y entendimiento, de ahí que resulte más viable el uso

secuencial de estos para su mejor entendimiento. Se usan muchos sitios Web que ofrecen

tutoriales, desde como codificar en html a cómo hacer que una tarjeta gráfica funcione más

rápido (overclocking). Aunque un tutorial también puede presentarse en impreso en papel,

el término se utiliza normalmente para referirse a los programas de aprendizaje online.

Sitios que ofrecen tutoriales destinados al aprendizaje de la Electrónica:

www.comunidadelectronicos.com


https://ar.pinterest.com

www.areatecnologia.com

servicios.educarm.es

Estos sitios ofrecen tutoriales para el aprendizaje de la electrónica tanto para el

conocimiento práctica como teórico de los usuarios, en estos se utilizan como recursos para

la enseñanza simuladores como OrCad, Proteus, Multisim, etc, este último es una de las

herramientas más conocidas a nivel mundial para el diseño y simulación de circuitos

electrónicos. Este software de simulación brinda avanzadas características que permiten ir

desde la fase de diseño a la de producción utilizando una misma herramienta, esta es una de

las principales razones por lo que se integra en el tutorial.

1.3 Multisim

Esta herramienta tiene como principal característica una excepcional combinación de

facilidad de uso, flexibilidad y potencia. Instituciones de todo nivel, desde centros de

formación con programas básicos hasta instituciones tan prestigiosas como el

Massachusetts Institute of Technology (MIT) utilizan con éxito Multisim. Su completa

Interfaz Gráfica de Usuario (GUI) personalizable permite que los instructores puedan

diseñar sus propias interfaces de usuario y configurarlas para que puedan ser utilizadas en

el proceso de enseñanza y evaluación [19].

Es un software que integra una potente simulación SPICE y entrada de esquemáticos

integrándolo en un laboratorio de electrónica sumamente intuitivo sobre una computadora

personal. Basado en herramientas de diseño PCB profesionales, Multisim fue diseñado

pensando en las necesidades de los educadores y con el objetivo de ayudar al estudiante en

su entendimiento y acercamiento a los laboratorios reales.

Este es el único software que proporciona un conjunto completo de instrumentos virtuales

que pueden ser cableados como se conectaría un instrumento en el mundo real. Permite

introducir a los estudiantes en el mundo de la instrumentación electrónica con 20

instrumentos indestructibles que operan de manera semejante a los equipos reales como son

[19]:

http://www.areatecnologia.com/


Analizador lógico de 16 canales.

Amperímetro.

Diagrama de Bode.

Analizador de distorsión.

Puntas de prueba dinámicas.

Contador de frecuencia.

Generador de funciones.

Multímetro.

Analizador de redes.

Osciloscopio (2 y 4 canales).

Analizador de espectros.

Voltímetro.

Vatímetro.

Generador de palabras.

Generador de onda.

Los instrumentos virtuales son completamente interactivos, se puede realizar cambios

durante la ejecución y ver los resultados en tiempo real, incluso algunos de ellos tiene

exactamente la misma apariencia que su contrapartida de instrumento real, como por

ejemplo el osciloscopio.

Para la selección de la herramienta en este escenario se ha basado en los siguientes criterios

de selección:

Facilidad de uso y correspondencia con el laboratorio real.

En la herramienta de simulación de Multisim, su interfaz gráfica, facilita al alumno un

ntorno tr jo (instrum nto) “simil r” l qu s n u ntr n l l or torio r l,

permitiendo al estudiante interactuar con el equipo y ajustar sus parámetros a conveniencia

obteniendo resultados en tiempo real y posibilitando al alumno obtener una panorámica de

cómo desarrollarse en el laboratorio real, así el mismo obtiene una idea de cómo utilizar los

equipos electrónicos sin tener que dañarlos.

Los ficheros son intercambiables con otros programas


También Multisim permite integrarse con otras herramientas como LabVIEW para

visualizar fácilmente la correlación de los resultados reales y simulados y el rendimiento de

la evaluación.

Tipos de análisis que permite efectuar, así como ficheros de simulación y modelos

que se pueden obtener de la propia Red Internet o de los diferentes fabricantes de

componentes.

Además Multisim para visualizar el rendimiento, usa 20 tipos de análisis SPICE en la

industria (como AC, Fourier y ruido) y 20 instrumentos de medida intuitivos. Incluso

visualiza los diseños específicos con una creciente biblioteca de análisis personalizados de

simulación desarrollados en el software NI LabVIEW. El software NI Multisim está

equipado con una base de datos de cerca de 22,000 componentes de los fabricantes líderes

en semiconductores como Analog Devices, National Semiconductor, NXP, ON

Semiconductor y Texas Instruments [20], [21].

Suficiente documentación en cuanto a su uso

Cuenta con una amplia disponibilidad de recursos educativos (cursos on-line, videos,

tutoriales, textos) para apoyar el trabajo docente accesibles en la página de la empresa que

lo desarrolla.

Por lo tanto, se considera a la herramienta Multisim como adecuada para el desarrollo de

los laboratorios debido a las razones expuestas.

1.3.1 Características del Multisim

Algunos de los rasgos más sobresalientes del Multisim se muestran a continuación:

Simulación interactiva y análisis de circuitos.

Los modos de simulación AC, DC y transitorio son combinados con LEDs interactivos,

interruptores, focos, potenciómetros y puntas de prueba para visualizar el rendimiento del

circuito al igual que en el laboratorio.

Resultados precisos y de alta fidelidad en análisis SPICE

La simulación SPICE estándar en la industria está disponible para simular dispositivos

electrónicos de diversa complejidad.


Entorno de diseño intuitivo

Un entorno completamente nuevo que ofrece una interfaz sencilla para que los usuarios

diseñen circuitos y visualicen el comportamiento.

Exporta diseños fácilmente por Dropbox o correo electrónico

Los circuitos pueden ser compartidos con otros usuarios de Multisim Touch o Multisim de

escritorio a través de Dropbox o correo electrónico, permitiendo que sea posible la

colaboración o el análisis avanzado de circuitos [20], [22].

1.3.2 Multisim para dispositivos móviles

Con Multisim Touch, estudiantes, profesores e ingenieros pueden diseñar y simular

circuitos electrónicos en sus Apple iPads en cualquier lado y a cualquier hora (u-learning).

Finalmente, se puede tener acceso a los resultados de una simulación precisa e interactiva

en dispositivos móviles con esta nueva herramienta, que es parte de una solución completa

de Multisim. Un entorno fácil de usar y optimizado al tacto es combinado con un motor de

simulación SPICE estándar en la industria para obtener resultados de simulación de alta

fidelidad. Los usuarios pueden experimentar rápidamente con topologías en el iPad y

después exportar a la PC para análisis posteriores, verificando y diseñando tarjetas de

circuitos [23], [24].

CAPÍTULO 2. DIAGNÓSTICO DE LAS NECESIDADES 17

CAPÍTULO 2. DIAGNÓSTICO DE LAS NECESIDADES

En este capítulo se hace un análisis del nuevo plan de estudio E por implementarse en la

FIE de la UCLV y de la bibliografía de la asignatura, además se hace un diagnóstico de las

situaciones que presentan los estudiantes con respecto al aprendizaje del AO y se hace la

selección de las herramientas de simulación a emplear en el tutorial.

2.1 Electrónica Analógica en el plan de estudio E: contenidos y recursos

La Electrónica Analógica es una materia teórico-práctica, debido a que su desarrollo se

realiza con el fin de lograr un equilibrio entre las actividades teóricas de conferencia y las

actividades prácticas desarrolladas tanto en el aula (clases prácticas)como en los

laboratorios, ya sean simulados o reales. Con el nuevo plan de estudio E próximo a

implementarse en la Facultad de Ingeniería Eléctrica en la UCLV dicha materia pasa de

tener 3 cursos semestrales a solo 2, con un total de 144 horas clases entre ellos.

Para el primer curso de 80 horas clases, denominado Electrónica Analógica I, se han

definido en el plan de estudios [25], los objetivos generales y contenidos siguientes:

Objetivos generales:

Aplicar la física de los dispositivos electrónicos, la caracterización de estos

mediante curvas, parámetros y modelos, y la teoría de los circuitos eléctricos al

análisis y diseño de circuitos electrónicos para la conformación de ondas, la

conmutación, el control y la amplificación de señales.

Aplicar las estrategias curriculares y los valores previstos en el plan de estudio de la

disciplina y la carrera.

Contenidos:


Principios físicos, características, parámetros y modelos de frecuencias baja y alta de los

dispositivos semiconductores: diodos, transistores BJT y FET, y elementos

optoelectrónicos. Circuitos que ilustran la aplicación de tales dispositivos en la

conformación de ondas, la conmutación, el control y la amplificación de señales.

Tipos de amplificadores. Macromodelos. Índices de operación, ganancia, impedancias

de entrada y de salida, distorsión. Análisis en los dominios de la frecuencia y del

tiempo. Diseño, simulación, montaje y medición.

Amplificadores operacionales, funcionamiento, fundamentos de su construcción,

modelos y parámetros que los caracterizan. Respuesta de frecuencia. Análisis, diseño,

simulación, montaje y medición de circuitos para aplicaciones lineales y no lineales.

Realimentación negativa. Propiedades. Análisis en los dominios de la frecuencia y del

tiempo de las topologías básicas con amplificadores operacionales (o cuadripolos)

realimentados. Respuesta de frecuencia. Criterios de estabilidad. Diseño, simulación,

montaje y medición de estos amplificadores realimentados.

Como se puede observar, la temática referida al Amplificador Operacional se incluye en

este primer curso, quedando en la asignatura Electrónica Analógica II por abordar los temas

siguientes:

Amplificadores de señales grandes y frecuencias bajas.

Reguladores de voltajes lineales y conmutados.

Generadores y conformadores de onda.

Circuitos selectivos de frecuencia tales como amplificadores sintonizados y PLL.

Dentro de los Circuitos Integrados analógicos, el Amplificador Operacional constituye un

bloque funcional que integra diferentes funciones: amplificador, etapa de ganancia, etapa

de potencia.

Una de las etapas con mejor acoplamiento directo de que dispone un diseñador de circuitos

integrados (CI) es el amplificador diferencial. Este amplificador es utilizado como etapa de

entrada de un AO y se puede ver en la figura 2.1. Después de que la señal es amplificada

por él, avanza a la etapa intermedia donde recibe más ganancia de voltaje. La etapa final del

AO es generalmente un emisor seguidor con contrafase. Este produce una ganancia de

potencia así como una impedancia de salida pequeña [26].


Figura 2.1: Diagrama de bloques de un amplificador operacional [26].

2.1.1 Amplificadores Operacionales en los libros de Electrónica

Para el estudio de la Electrónica Analógica los estudiantes cuentan con una bibliografía

variada, n ll s in omo li ro t xto ási o “Cir uitos Mi ro l tr ni os” l

autor Muhammad H Rashid, del año 2002; los estudiantes cuentan con este libro en formato

duro y electrónico. Como textos complementarios se dispone de los libros:

“Mi ro l tr ni ” J o Millm n, “T orí ir uitos ispositivos El tr ni os”

Ro rt Bo l st “Prin ipios El tr ni ” Al rt P ul M lvino, to os n orm to

electrónico, ubicados en la carpeta de la asignatura. El tema del amplificador operacional se

estudia en la asignatura (\\10.12.1.68) Electrónica Analógica I y se refleja en los libros de

texto de la siguiente manera:

“Circuitos Microelectrónicos” del autor Muhammad H Rashid, 2002

El estudio del amplificador operacional comienza a partir del Capítulo 6, donde se ofrece

una introducción al AO, destacando sus aplicaciones, en el Capítulo 7 se detallan las

características de los AO reales, luego en el Capítulo 15 se abordan los circuitos internos de

diez AO existentes en el mercado. Se analiza con detalle uno de los amplificadores más

antiguos, pero más populares, el LM741.

Varios circuitos se analizan en ejemplos resueltos con la finalidad de presentar las técnicas

básicas y dar énfasis a los efectos de la variación de parámetros. Las preguntas de repaso y


los problemas que aparecen al final de cada capítulo ponen a prueba el aprendizaje del

estudiante de los conceptos desarrollados en ese capítulo. Las respuestas a los problemas

seleccionados se encuentran en la parte final del libro.

Los objetivos de aprendizaje en este libro, referido a los capítulos mencionados son [27]:

Aprender las características externas de los amplificadores operacionales y cómo

modelarlos.

Analizar y diseñar circuitos con amplificadores operacionales.

Aprender acerca de la utilidad de los amplificadores operacionales en el

acondicionamiento de señales.

Familiarizarse con los parámetros de los amplificadores operacionales reales y su

efecto en el voltaje de salida.

Comprender la estructura interna y los tipos de amplificadores operacionales, así

como los efectos que tienen las configuraciones del amplificador sobre el

desempeño de los amplificadores operacionales.

Aprender los métodos para reducir al mínimo el efecto que tienen los parámetros de

los AO en el voltaje de salida.

Estudiar los parámetros de diseño interno que afectan el desempeño del

amplificador operacional (es decir, el voltaje de offset, la corriente de offset y la

frecuencia de ganancia unitaria).

Conocer los valores normales de los parámetros de desempeño para distintos tipos

de amplificadores operacionales.

Analizar circuitos con amplificadores operacionales para determinar las condiciones

de polarización de cd y los parámetros de desempeño.

En la figura 2.2 se muestra la configuración general de un amplificador operacional

donde se representa su estructura interna, etapa de ganancia y etapa de salida.


Figura 2.2: Configuración general de un amplificador operacional [27].

“Microelectrónica” de Jacob Millman:

El amplificador operacional es el más empleado de los circuitos integrados analógicos. Su

estudio en este libro comienza a partir del capítulo 13, en él se describen las propiedades

de los AO prácticos y se relacionan estas características con las técnicas del diseño de

circuitos integrados analógicos. Siendo el AO un circuito multietapa que casi siempre

emplea la realimentación, las materias tratadas en este capítulo van unidas a muchos de los

conceptos discutidos en los Capítulos 10 a 13. Una parte muy importante la constituyen los

gráficos y esquemas de circuitos que acompañan y ayudan a entender el texto. Cada

capítulo finaliza con temas de repaso que permiten al estudiante comprobar el nivel de

comprensión del tema. Constituye un valioso auxiliar para ingenieros, científicos y

profesionales de campos afines a la ingeniería eléctrica y de computadoras.

Puesto que las etapas del AO básico son amplificadores realimentados, es deseable tener

una ganancia en lazo abierto elevada (y por tanto una relación de retorno alta) para asegurar

una dependencia exclusiva de la ganancia en lazo cerrado respecto a las resistencias de

realimentación, estas son unas de las razones que abonan los valores listados en la tabla 2.1,

los cuales facilitan el análisis de circuitos con AO [28].


Tabla 2.1: Características del Amplificador Operacional [28]

Propiedad Ideal Práctico (típico)

Ganancia en lazo abierto Infinita Muy alta (>>104)

Ancho de banda en lazo abierto Infinita Polo omin nt (≈ 10Hz)

Relación de rechazo del modo

común

Infinita Alt (≥70 B)

Resistencia de entrada Infinita Alt (≥ 10 MΩ)

Resistencia de salida Cero B j (<500 Ω)

Corrientes de entrada Cero Baja (<0,5 µA)

Tensiones y corrientes offset Cero Baja (<10mV, <0,2nA)

“Principios de Electrónica” de Albert Paul Malvino

El amplificador operacional se estudia a partir del capítulo 18, al final del mismo se

encuentran problemas resueltos y propuestos, problemas de repaso y complementos de

temas más avanzados que permiten al profesor ampliar el programa, el estudiante al

terminar el estudio de dicho capítulo debe ser capaz de dominar algunas palabras técnicas

del vocabulario de la asignatura, asociadas a las principales aplicaciones del AO, como

amplificador inversor, amplificador no inversor, amplificador sumador, corriente de salida,

ganancia de tensión en lazo abierto, ganancia de tensión en lazo cerrado, etc., además de

cumplir los siguientes objetivos [26]:

Enumerar las características de los amplificadores operacionales ideales y del 741.

Definir velocidad de respuesta y utilizarla para encontrar el ancho de banda a plena

potencia de un amplificador operacional.

Analizar un amplificador operacional inversor.

Analizar un amplificador operacional no inversor.


Explicar cómo funcionan los amplificadores sumadores y los seguidores de tensión.

Enumerar otros circuitos integrados y comentar como se aplican.

2.2 Diagnóstico

Con el objetivo de reunir criterios sobre la preparación de los estudiantes y sus habilidades

para resolver problemas relacionados con el diseño electrónico se tomó de referencia de

resultados de aplicación de una prueba de conocimientos (prueba parcial número 2 del

curso 17-18) que incluyó una pregunta en la cual se solicitó a los estudiantes que diseñaran

un amplificador para obtener la siguiente salida:

VO = V1 - V2 + 2V3+5

Como se puede observar en la figura 2.3, los resultados evidencian deficiencias en el

desarrollo de las habilidades relacionadas con el diseño electrónico, un 39% de los

estudiantes obtienen calificación de mal, el 32% calificación de regular y solamente el

29% de los estudiantes tienen calificaciones entre bien.

Figura 2.3: Resultados de la prueba de conocimiento.

Es necesario considerar que días antes de la aplicación de la prueba de conocimientos se

desarrolló el seminario número 2 de la asignatura, en el cual todos los equipos (3 o 4

estudiantes) evidenciaron el diseño de aplicación del amplificador operacional y resultados

29%

32%

39%

Diseño electrónico

Bien Regular Mal


obtenidos mediante la simulación electrónica y el 35% de los equipos realizó el montaje

real, por lo que se puede inferir que no todos los estudiantes asumen iguales

responsabilidades en los equipos de trabajo. Además, las preguntas individuales realizadas,

demuestran esta deficiencia.

2.3 Encuesta a los estudiantes

Para realizar la valoración, se seleccionaron una muestra significativa de los estudiantes

que cursaron la asignatura en el curso escolar 17-18, 40 estudiantes de un total de 56. Los

indicadores, valorados en una escala de Likert, entre 2 y 5 puntos, son los siguientes:

1. Facilidades para adquirir los conocimientos mediante el sistema de clases de la

asignatura.

2. Facilidad para adquirir conocimientos mediante el uso del libro de texto.

3. Facilidad para adquirir los conocimientos mediante el uso del Multisim.

4. Empleo de los espacios de comunicación e intercambio que ofrece el curso virtual

de la asignatura en Moodle.

5. Facilidades que se aportan en la asignatura para la autoevaluación del aprendizaje.

6. Habilidades en el montaje de los circuitos.

7. Facilidades para la interpretación de problemas relacionados con el diseño

electrónico.

8. Facilidades para resolver problemas de diseño electrónico.

9. Facilidad para establecer comparaciones entre los resultados teóricos, simulados y

reales.


Figura 2.4: Resultados de la encuesta aplicada a los estudiantes.

Como se observa en la figura 2.4, existen limitaciones apreciables en las posibilidades que

se ofrecen para que los estudiantes se puedan preparar en la asignatura mediante el uso del

libro de texto y el software Multisim (indicadores 2 y 3), pero también los estudiantes

declaran deficiencias en su empleo.

Todos los recursos que disponen los estudiantes para adquirir los conocimientos, a su

juicio, resultan insuficientes. Además, las deficiencias son más pronunciadas cuando se

trata de interpretar y resolver problemas de diseño electrónico y de comparar los resultados

teóricos, simulados y reales. Además, de la observación en clases, continúa siendo

deficiente la cantidad de estudiantes que llegan hasta el montaje real de la mayoría de los

circuitos estudiados.

Para atenuar estas deficiencias es necesario facilitar la orientación de los estudiantes,

ofreciendo los recursos necesarios que guíen y proyecten su preparación y el estudio

independiente. Además, se deben establecer mecanismos de seguimiento a través de las

posibilidades de realimentación que se pueden lograr a través del empleo de los recursos

disponibles en Moodle.

24 28 55

42.5 62.5

21.7 42.5 50

21.7

42 44.5 17.5

25

20

36.6 17.5

30

30

19 15 15 17.5 7.5

25 25 10

25

15 12.5 12.5 15 10 16.7 15 10 23.3

VALORACIÓN DE LOS ESTUDIANTES 2 3 4 5


2.4 elección o elaboración de los recursos para la conformación del tutorial

Dentro de los recursos que deben existir en un tutorial dedicado al aprendizaje de la

Electrónica, en específico para el tema de los amplificadores operacionales se encuentran

los siguientes:

Videos ilustrativos que muestren el diseño con amplificadores operacionales.

Páginas web que incluyen explicaciones prácticas de aplicaciones del amplificador

operacional.

Proyectos de Electrónica.

Documentos PDF que se refieran al amplificador operacional como circuito

integrado.

Libros de texto y materiales complementarios.

Simulaciones.

Mapas conceptuales.

Mapa conceptual para el estudio del diseño del amplificador operacional:

El mapa conceptual mostrado en la figura 2.5 permite instrumentar el procedimiento de

diseño de aplicaciones de los amplificadores operacionales. En él se observa que del

concepto principal se derivan todos los pasos que según Rashid se deben seguir para esta

actividad. Los mismos son:

1. Estudiar el problema de diseño.

2. Identificar las especificaciones de diseño: requerimientos de resistencia de entrada,

resistencia de salida, ganancia y ancho de banda.

3. Identificar y/o establecer una estrategia de diseño y determinar la solución mediante

un diagrama de bloques funcionales. Seleccionar el tipo y número de amplificadores

que se utilizarán. Evaluar algunos métodos alternativos para resolver el problema.

4. Hallar la solución a nivel del circuito con medios como topologías de circuito y

análisis manuales, utilizando modelos ideales de amplificador y criterios de diseños

establecidos. Es posible que se requiera un análisis y una síntesis para determinar

los valores de los componentes.

5. Realizar la simulación del circuito, realizar mediciones y analizar resultados.


6. Realizar el montaje del circuito en el laboratorio utilizando elementos reales, tomar

mediciones para verificarlo. Si es necesario, modificar el diseño [19].

Figura 2.5: Mapa Conceptual para el Diseño de un Amplificador Operacional [19].

Simulaciones:

Las simulaciones sirven de apoyo en la preparación del estudiante debido a que los

alumnos tienen la posibilidad de ejecutar las simulaciones manipulando un instrumento

virtual con el mismo aspecto que el instrumento de medida del que se dispone

físicamente. Ello implica que el alumno puede desarrollar un aprendizaje autónomo en

un doble sentido: por una parte, aprende los mecanismos de funcionamiento de los

circuitos electrónicos mediante la implementación de diversos esquemas y el análisis de

los resultados de simulación y, por otro, profundiza en el conocimiento de la

instrumentación del laboratorio. A todo ello, se debe añadir la ventaja de poder obtener

resultados muy realistas, aprendiendo a usar los instrumentos del laboratorio, sin

requerir la presencia física del alumno en el laboratorio de Electrónica Analógica [29].


Criterios a tener en cuenta para la selección y elaboración de los recursos que

integren un tutorial sobre AO:

Confiabilidad de las fuentes (libros, páginas web, artículos, etc.): para la selección

de la bibliografía a utilizar en la confección del tutorial se revisa que hayan sido

publicados por profesores o especialistas del tema.

Actualidad: Se tiene en cuenta que los recursos utilizados hayan sido publicados en

la última década y que tengan trascendencia y repercusión en universidades e

instituciones a nivel mundial.

Nivel de aplicación en la carrera: algunos de estos recursos (mapas conceptuales,

videos, documentos PDF) se están utilizando en la UCLV como apoyo en la

preparación de los estudiantes en conferencias y prácticas de laboratorio.

Relevancia en universidades de prestigio a nivel mundial.

Posibilidades de implementación en el Multisim y de forma práctica.

CAPÍTULO 3. CARACTERÍSTICAS DEL TUTORIAL 29

CAPÍTULO 3. CARACTERÍSTICAS DEL TUTORIAL

A lo largo de este capítulo se da a conocer la estructura del tutorial sobre el diseño de

amplificadores operacionales para apoyar la preparación en la asignatura Electrónica

Analógica I de los estudiantes de la carrera de Telecomunicaciones y Electrónica.

3.1 Estructura del tutorial

El tutorial es un documento PDF y está estructurado de la siguiente manera:

Portada

Introducción

Índice

Luego se divide el contenido en tres temas:

CAPITULO 1:

Aborda las generalidades, estructura y características de los amplificadores operacionales,

además se utiliza un mapa conceptual donde se explican los pasos a seguir para el diseño de

los mismos de manera general.

CAPITULO 2:

Se mencionan algunas aplicaciones lineales y no lineales de los AO, además se hace un

resumen de las fórmulas más importantes para el diseño separado para cada configuración.

CAPITULO 3:

En este tema se aprecia un ejemplo resuelto para cada configuración con cada circuito

simulado en Multisim con el objetivo de que los estudiantes comparen los resultados

teóricos con los simulados, además se definen los pasos a seguir para diseñar en cada


configuración basadas en los criterios de diseño que se abordan en el libro “Introducción a

los Amplificadores Operacionales” del autor Luces M Faulkenberry.

La figura 3.1 muestra la portada del tutorial realizado para el análisis y diseño de circuitos

con amplificador operacional.


Figura 3.1: Portada del tutorial.

3.2 Ejemplos resueltos

El epígrafe muestra dos de los ejemplos resueltos plasmados en el tutorial donde el

estudiante tiende a asumir como respuesta valores imposibles de obtener. En el primer

ejemplo se pide diseñar un AO no inversor y en el segundo un AO sumador restador, luego

se aprecia el circuito montado en Multisim junto con algunas gráficas de la simulación

donde se refleja el resultado de algunos parámetros de la misma.

3.2.1 Ejemplo 1

Diseñar un amplificador no inversor para que produzca ganancia en voltaje de lazo cerrado

AV = 80. El voltaje de entrada es Vs = 200 mV con una resistencia de fuente RS = 500.

Calcular el valor del voltaje de salida Vo. Los voltajes de alimentación de cd son VCC =

VEE = 15 V.

Solución:

Se selecciona un valor adecuado de R1 sea R1 = 5 k y se calcula el valor de RF [30]

Como:

y

Se calcula el voltaje de salida Vo

el cual excede el máximo voltaje de alimentación de cd VCC = 15 V. De este modo, el

voltaje de salida ideal será (ver figura 3.7):


En este punto del ejercicio el estudiante tiende a asumir como resultado el valor del voltaje

de salida ideal mientras que este debe acudir a la hoja de datos del AO TL082 (ver tabla

3.1) para verificar el voltaje de saturación del mismo.

Figura 3.2: AO no inversor.

Las figuras: 3.3, 3.4 y 3.5 muestran los resultados de simulación del ejemplo resuelto

anteriormente.

Figura 3.3: Ganancia de voltaje del AO no inversor.

TL082CDU1

3

2

48

1

5kΩR1

395kΩR2

200mVpk 1kHz 0° Vsig

VCC

15.0V

VEE

-15.0V

PR1V


Figura 3.4: Voltaje de salida saturado del AO no inversor para .

Tabla 3.1: Hoja de datos del amplificador TL082.

Al cambiar la fuente de entrada por otra , en este caso no existe

saturación por lo que se obtiene un voltaje de salida de 8 V como se muestra en la figura

3.5.

Figura 3.5: Voltaje de salida del AO no inversor para .


La Tabla 3.2 muestra los resultados teóricos y simulados del ejemplo de diseño del AO no

inversor propuesto en el ejemplo anterior.

Tabla 3.2: Resultados del ejemplo de diseño de AO no inversor.

RESULTADOS

Parámetro Teórico(V) Simulado(V)

AV 80 79.96

VO para . 15 13.39

VO para . 8 7.97

3.2.2 Ejemplo 2

Diseñe un circuito que cumpla con la siguiente ecuación:

Como se conoce la expresión de VO:

Solución:

1. Determinar la ganancia de cada fuente

2. upon r l R r lim nt i n (RF) n nt n s kilo ohm (kΩ)

3. Considerar:

4. Calcular cada resistencia en serie con las fuentes del terminal inversor

5.


6. Como y implica . En este caso

colocar una resistencia entre el terminal inversor y tierra de valor:

Figura 3.6: AO sumador restador.

A continuación se observa en las Figuras 3.7, 3.8 y 3.9 el parámetro que se evalúa en el

ejemplo resuelto anteriormente siendo este el voltaje de salida del AO sumador restador.

Figura 3.7: Voltaje de salida del AO sumador restador cuando V2 y V3 son 0.

TL082CDU1

3

2

48

1

33.3kΩR3

50kΩR2

100kΩRFʹ

100kΩRF

1000mVpk 1kHz 0° Vinv

1Vpk 1kHz 0° Vnoninv

1000mVpk 1kHz 0° Vnoninv

25kΩ R1

33.3kΩ R

VCC

12.0V

VEE

-12.0V

PR1V




La tabla 3.3 muestra el resultado teórico, simulado y real del ejemplo resuelto del AO

sumador inversor donde se aprecia poca variación en el voltaje de salida (VO) debido a que

en el montaje real se utilizan resistores con valores comerciales.

Tabla 3.3: Voltaje de salida del ejemplo 6.

Fuente Teórico (VO) Simulado (VO) Real (VO)

V1 4V 3.94V 4.20V


V2 2V 1.99 2.40V

V3 3V 2.9375V 3V

Las fotos que se muestran en las figuras 3.10, 3.11 y 3.12 reflejan la forma de onda del

voltaje pico a pico a la salida del AO sumador restador diseñado en el ejemplo 2.

Figura 3.10: Voltaje pico a pico de salida cuando V2 y V3 son 0.

Figura 3.11: Voltaje pico a pico a la salida cuando V1 y V3 son 0.


Figura 3.12: Voltaje pico a pico de salida de cuando V1 y V2 son 0.

Para el diseño y montaje real se utilizaron los componentes disponibles en el laboratorio de

la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la UCLV. La tabla 3.4 muestra la cantidad de

componentes utilizados y el valor de cada componente según la página web de venta

online disponible en www.amazon.com.

Tabla 3.4: Componentes utilizados en el montaje real del circuito.

COMPONENTES TIPO CANTIDAD PRECIO EN EL

MERCADO(USD)

COSTO TOTAL

DEL

CIRCUITO(USD)

RE I TORE (kΩ) 5.1 1 0.16

22 1 0.57

33.3 2 0.064 8.05

100 4 0.58

AMPLIFICADORES TL082 1 4.90

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 39

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

Con la realización de este trabajo se obtuvieron los siguientes resultados:

1. De acuerdo a la revisión de la literatura científica, se evidencia la utilidad y nuevas

posibilidades de las TIC para apoyar el proceso de enseñanza aprendizaje de la Electrónica.

2. Se realizó una búsqueda de información lo cual permitió elaborar el marco teórico de

la investigación, haciendo énfasis en las tendencias que se presentan en la enseñanza de la

Electrónica Analógica en otras universidades.

3. Luego de la realización del diagnóstico se evidenció que los laboratorios están aptos

tecnológicamente para el uso de las herramientas de simulación.

4. Se seleccionaron las herramientas de simulación de acuerdo al diagnóstico realizado

y de acuerdo a sus posibilidades para emplearlas en el proceso de enseñanza-aprendizaje.

Para la realización de laboratorios virtuales, proyectos de cursos y desarrollo de

investigaciones se seleccionó Multisim.

5. Se evidenciaron las facilidades que brinda la herramienta de simulación Multisim en

el análisis de circuitos relacionados con la Electrónica Analógica y se desarrollaron

ejemplos de simulación utilizando dicha herramienta.

Recomendaciones

1. Continuar con el desarrollo del tema correspondiente a las aplicaciones de los

amplificadores operacionales.

2. Proponer el uso del tutorial de ejercicios resueltos y propuestos de la asignatura

Electrónica Analógica I para la orientación de seminarios y clases prácticas

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 40

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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[30] L. M. Faulkenberry, Introduction to operational amplifiers: with linear IC

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