Circuitos Eléctricos Prácticas de Laboratorio

Esta obra tiene como objetivo proporcionar un conocimiento completo de los conceptos requeridos por los alumnos de ingenierías en mecatrónica, informática y sistemas, electrónica, electricidad y otras afines, quienes en la actualidad deben aprender la teoría y los conceptos con mayor prontitud. Por medio de actividades de aprendizaje, prácticas y ejercicios el alumno aprenderá la conceptualización de leyes, procedimientos y teoremas.

En este documento se hace una introducción al diseño de placas impresas utilizando el software CircuitMaker, así como en el uso del multímetro; se aborda el concepto de resistor, su utilidad y su comportamiento según la temperatura, longitud y diámetro del conductor; se estudian las leyes de Kirchhoff que permiten comprender el comportamiento de corrientes, voltajes y potencia en circuitos en serie y en paralelo, así como el comportamiento del capacitor e inductor durante la fase de carga y descarga para comprender el comportamiento de circuitos eléctricos variantes en el tiempo.

VENTAJAS

• Cada capítulo cuenta con explicaciones puntuales y sencillas de la teoría que debe conocer, así como problemas desarrollados y cuestionarios.

• Esta obra contiene videotutoriales y presentaciones PowerPoint en su página web.

CONOZCA

• Las normas básicas de diseño y en qué consiste una Printed Circuit Board.

• Qué es un multímetro y la manera adecuada de utilizarlo.

• Qué es el resistor, sus subtipos y sus aplicaciones.

APRENDA

• A utilizar CircuitMaker como software de diseño PCB.

• A diferenciar entre voltaje y corriente, así como entre potencia y energía.

• A aplicar la técnica de mallas y nodos para la solución de circuitos eléctricos.

DESARROLLE SUS HABILIDADES PARA

• Efectuar la lectura de un multímetro analógico o digital.

• Utilizar las técnicas de Thévenin y Norton para analizar circuitos complejos.

• Identificar la función del capacitor en un circuito y conectarlo a un circuito AC.

A QUIÉN VA DIRIGIDO

El presente libro está dirigido a estudiantes de ingenierías en Informática y sistemas, Electricidad, Electrónica, Mecatrónica y otras áreas afines.

Introducción ………………………………………………………………………………
Capítulo 1
Diseño de circuitos impresos PCB………………………………………….1
1.1. Introducción………………………………………………………………………………. 2
1.2. ¿Qué es una PCB? ……………………………………………………………………… 3
1.3. Proceso de implementación en PCB de un circuito eléctrico …………….. 5
1.3.1. Fase de diseño. …………………………………………………………………….
1.3.2. Fase de fabricación ………………………………………………………………. 6
1.3.3. Fase de ensamblaje ………………………………………………………………. 8
1.3.4. Fase de test ………………………………………………………………………… 8
1.4. ¿Qué es una norma IPC?…………………………………………………………….. 8
1.5. Empresas de diseño, manufactura e innovación electrónica …………….. 10
1.6. ¿Cuál es la importancia de diseñar de acuerdo
con la manufactura?………………………………………………………………….. 12
1.7. Diseño de una PCB profesional, estándar IPC 2221 ………………………. 13
1.8. Planeación del diseño de la PCB ………………………………………………… 16
1.8.1. Componentes THT y SMT …………………………………………………..16
1.8.2. Conociendo CircuitMaker ……………………………………………………..17
1.9. Simulación y videotutorial …………………………………………………………. 19
1.10. Protoboard…………………………………………………………………………….. 19
1.11. Cuestionario …………………………………………………………………………… 20
Práctica 1. Diseño de una PCB bajo
estándares internacionales …………………………………………………..23
Capítulo 2
El multímetro y conceptos esenciales ……………………………………31
2.1. Introducción…………………………………………………………………………….. 32
2.2. ¿Qué es un multímetro?…………………………………………………………….. 32
2.3. Recomendaciones y cuidados para medir correctamente
con el multímetro……………………………………………………………………… 33
2.4. Medición correcta de corriente y voltaje ………………………………………. 34
2.4.1. Medición de corriente ………………………………………………………….
2.4.2. Medición de voltaje ……………………………………………………………. 35
2.5. ¿Qué es un nodo?……………………………………………………………………… 36
2.6. Diferencias entre circuito en serie y circuito en paralelo…………………. 36
2.7. Efecto de carga en una medición ………………………………………………… 37
2.8. Lo que debemos saber sobre el circuito abierto y cortocircuito ……….. 40
2.8.1. Circuito abierto………………………………………………………………………40

2.8.2. Cortocircuito ………………………………………………………………………40
2.9. Código de colores……………………………………………………………………… 43
2.10. Diferencias entre tierra y neutro ……………………………………………….. 45
2.11. FEM frente a voltaje……………………………………………………………….. 47
2.12. Lo que debemos saber sobre una descarga eléctrica……………………… 47
2.13. Diferencias entre fuente real y fuente ideal …………………………………. 48
2.14. Simulación y videotutorial………………………………………………………… 49
2.15. Cuestionario …………………………………………………………………………… 52
2.16. Problemas del capítulo…………………………………………………………….. 53
Práctica 2. Utilización del multímetro…………………………………..55
Capítulo 3
Resistencia y conductores eléctricos ……………………………………..61
3.1. Introducción…………………………………………………………………………….. 62
3.2. ¿Qué es resistencia? ………………………………………………………………….. 62
3.3. Conductores eléctricos……………………………………………………………….. 63
3.4. Efecto del radio y longitud en la resistencia, ley de Ohm……………….. 64
3.5. Efecto de la temperatura. ………………………………………………………….. 64
3.6. Resistencia y conductancia ………………………………………………………… 65
3.6.1. Tipos de resistores ………………………………………………………………
3.6.2. Tipos de potenciómetros…………………………………………………….. .67
3.6.3. Lectura de un potenciómetro ………………………………………………. .67
3.7. Resistencia equivalente en serie y en paralelo ……………………………….. 69
3.7.1. Circuito en serie ………………………………………………………………… 69
3.7.2. Circuito en paralelo……………………………………………………………. .70
3.7.3. Conductancia ……………………………………………………………………. .71
3.8. Aplicaciones del resistor …………………………………………………………….. 72
3.9. Semiconductores……………………………………………………………………….. 72
3.9.1. Modelo de las bandas…………………………………………………………. 73
3.9.2. Clases de semiconductores…………………………………………………… .74
3.10. Simulación y videotutorial………………………………………………………… 75
3.11. Cuestionario …………………………………………………………………………… 76
Práctica 3. Ley de Ohm………………………………………………………79
Capítulo 4
Voltaje, corriente y potencia ……………………………………………….85
4.1. Introducción…………………………………………………………………………….. 86
4.2. ¿Qué es voltaje y qué es corriente? ……………………………………………… 86
4.2.1. Voltaje ……………………………………………………………………………… 86
4.2.2. Corriente ………………………………………………………………………….
4.3. Corriente, voltaje, magnetismo y movimiento electrónico……………….. 90
4.4. Fuentes reguladas de voltaje ………………………………………………………. 90

4.5. Potencia ………………………………………………………………………………….. 91
4.5.1. Fundamentos, prefijos y sufijos ……………………………………………. 91
4.6. Energía eléctrica y lectura de un medidor de electricidad……………….. 92
4.6.1. Energía …………………………………………………………………………….. 92
4.6.2. Energía eléctrica ………………………………………………………………… 92
4.6.3. Lectura de un medidor de electricidad de agujas ……………………. 95
Actividad de aprendizaje en clase: energía eléctrica …………………………….. 97
4.7. Calcular la energía eléctrica en el hogar ………………………………………. 98
Actividad de aprendizaje en clase: lectura
de contador demandómetro ……………………………………………………………. 101
4.8. Ahorro de energía en el hogar…………………………………………………… 103
4.8.1. Auditoría energética …………………………………………………………..105
Actividad de aprendizaje en clase: auditoría eléctrica en casa……………… 107
4.9. Eficiencia en circuitos eléctricos………………………………………………… 108
4.10. Aplicaciones en la vida real…………………………………………………….. 109
4.11. Simulación y videotutorial………………………………………………………. 109
4.12. Cuestionario …………………………………………………………………………. 111
Capítulo 5
Leyes de Kirchhoff …………………………………………………………… 113
5.1. Introducción…………………………………………………………………………… 114
5.2. Leyes de Kirchhoff…………………………………………………………………… 114
5.3. Primera ley de Kirchhoff: ley de voltajes……………………………………. 115
5.3.1. Divisor de voltaje …………………………………………………………….. 123
5.3.2. Fuentes de voltaje en serie ………………………………………………….124
5.3.3. Notación de tierra y notación de subíndice ……………………………124
5.3.4. Regulación de voltaje …………………………………………………………126
5.4. Aplicaciones de resistencias en serie…………………………………………… 129
Actividad de aprendizaje en clase: circuito en serie……………………………. 130
5.5. Segunda ley de Kirchhoff: ley de corrientes…………………………………. 132
5.5.1. Divisor de corriente ………………………………………………………….. 137
5.5.2. Fuentes de corriente, ¿por qué en paralelo? …………………………. 140
5.6. Circuito abierto y cortocircuito…………………………………………………. 140
Actividad de aprendizaje en clase: circuito paralelo …………………………… 141
5.7. Aplicaciones en la vida real………………………………………………………. 143
5.8. Videotutorial………………………………………………………………………….. 144
5.9. Cuestionario…………………………………………………………………………… 145
5.10. Problemas del capítulo…………………………………………………………… 146
Práctica 4. Leyes de Kirchhoff…………………………………………… 151
Capítulo 6
Análisis de circuitos en serie-paralelos………………………………… 157

6.1. Introducción…………………………………………………………………………… 158
6.2. Resistencia en serie-paralelo equivalente…………………………………….. 158
6.3. Cortocircuito y circuito abierto en redes en serie-paralelo …………….. 162
Actividad de aprendizaje en clase: cortocircuito y circuito abierto
en circuitos en serie-paralelo…………………………………………………………… 167
6.4. Análisis de circuitos en serie-paralelo…………………………………………. 168
6.5. Análisis de circuitos mediante conversión de fuentes ……………………. 177
6.5.1. Fuentes de corriente …………………………………………………………..177
6.5.2. Conversión de fuentes ……………………………………………………….. 177
6.5.3. Fuentes de corriente en paralelo …………………………………………. 178
6.5.4. Fuentes de corriente en serie ……………………………………………… 178
Actividad de aprendizaje en clase: análisis en serie-paralelo y conversión
de fuentes…………………………………………………………………………………….. 182
6.6. Conversión estrella-delta y delta-estrella…………………………………….. 184
Actividad de aprendizaje en clase: conversión estrella-delta………………… 189
6.7. Análisis de mallas …………………………………………………………………… 191
6.8. Análisis de nodos ……………………………………………………………………. 194
Actividad de aprendizaje en clase: análisis de mallas y nodos……………… 198
6.9. Simulación y videotutorial ……………………………………………………….. 199
6.10. Problemas del capítulo…………………………………………………………… 199
Práctica 5. Análisis de redes serie-paralelo en cortocircuito
y circuito abierto …………………………………………………………….. 207
Capítulo 7
Teorema de redes en DC ………………………………………………….. 213
7.1. Introducción…………………………………………………………………………… 214
7.2. Teorema de superposición ………………………………………………………… 214
Actividad de aprendizaje en clase: teorema de superposición………………. 219
7.3. Teoremas de Thévenin y Norton……………………………………………….. 220
7.3.1. Teorema de Thévenin …………………………………………………………220
7.3.2. Teorema de Norton ………………………………………………………….. 221
Actividad de aprendizaje en clase: Teoremas de Thévenin
y Norton ……………………………………………………………………………………… 230
7.4. Máxima transferencia de potencia …………………………………………….. 231
Actividad de aprendizaje en clase: máxima transferencia
de potencia ………………………………………………………………………………….. 236
7.5. Teorema de Millman ……………………………………………………………….. 238
7.6. Simulación y videotutorial ……………………………………………………….. 238
7.7. Cuestionario…………………………………………………………………………… 239
7.8. Problemas del capítulo…………………………………………………………….. 240
Práctica 6. Teorema de superposición ………………………………… 245
Práctica 7. Equivalente de Thévenin ………………………………….. 249

Práctica 8. Equivalente de Norton …………………………………….. 253
Práctica 9. Teorema de máxima transferencia de potencia ……. 257
Capítulo 8
El capacitor…………………………………………………………………….. 263
8.1. Introducción…………………………………………………………………………… 264
8.2. Capacitancia y dieléctricos……………………………………………………….. 264
8.2.1. Capacitancia ……………………………………………………………………. 264
8.2.2. Dieléctrico ………………………………………………………………………. 266
8.2.3. Tipos de capacitores y lectura de códigos ……………………………. 269
8.3. Comportamiento del capacitor en DC ……………………………………….. 272
8.3.1. Análisis transitorio: curva de carga …………………………………….. 273
8.3.2. Análisis transitorio: curva de descarga ………………………………… 276
8.4. Condiciones iniciales en circuito RC ………………………………………….. 280
8.5. Capacitores en serie-paralelo…………………………………………………….. 284
8.5.1. Energía almacenada en un capacitor …………………………………… 285
8.5.2. Análisis de capacitores DC en serie …………………………………….. 286
8.5.3. Análisis de capacitores DC en paralelo ……………………………….. 288
8.6. Aplicaciones de los capacitores …………………………………………………. 292
8.6.1. Corrección del factor de potencia ……………………………………….. 292
8.6.2. Arranque de motores eléctricos ………………………………………….. 292
8.6.3. Filtro de señal (rectificación) …………………………………………….. 293
8.6.4. Limitador de corriente DC ………………………………………………… 294
8.7. Simulación y videotutorial ……………………………………………………….. 295
8.8. Cuestionario…………………………………………………………………………… 296
8.9 Problemas del capítulo……………………………………………………………… 297
Práctica 10. El capacitor, curvas de carga-descarga ……………… 301
Capítulo 9
El inductor……………………………………………………………………… 307
9.1. Introducción…………………………………………………………………………… 308
9.2. Inductancia ……………………………………………………………………………. 308
9.2.1. Construcción del inductor …………………………………………………. 309
9.2.2. Clasificación y diseño de inductores ……………………………………. 311
9.2.3. Energía almacenada en un inductor ……………………………………. 312
9.2.4. Tipos de inductores ………………………………………………………….. 313
Actividad de aprendizaje en clase: inductancia …………………………………. 315
9.3. Introducción a la inducción electromagnética ……………………………… 316
9.3.1. Ley de Faraday ………………………………………………………………… 316
9.3.2. Ley de Lenz …………………………………………………………………….. 317
Actividad de aprendizaje en clase: ley de Faraday
y ley de Lenz………………………………………………………………………………… 319

9.4. Comportamiento del inductor en DC…………………………………………. 320
9.4.1. Análisis transitorio: curva de carga …………………………………….. 320
9.4.2. Análisis transitorio: curva de descarga ………………………………… 322
9.5. Condiciones iniciales en circuito RL ………………………………………….. 327
9.6. Inductor en serie-paralelo…………………………………………………………. 329
9.6.1. Análisis de inductores DC en serie ……………………………………… 330
Actividad de aprendizaje en clase: análisis DC de inductores ……………… 334
9.7. Análisis del inductor mediante simulación ………………………………….. 336
9.8. Aplicaciones de los inductores…………………………………………………… 337
9.9. Cuestionario…………………………………………………………………………… 338
9.10. Problemas del capítulo…………………………………………………………… 338
Práctica 11. El inductor, curvas de carga-descarga ………………. 343

Nota: Los capítulos 10 al 15 se encuentran en la página web del libro