El diodo como operador elemental en circuitos electrónicos. Una propuesta para su enseñanza en 2º ciclo de eso

Disponible en: h p://www. edalyc.o g/a iculo.oa?id=92020107 Red de Re is as Cien í icas de Amé ica La ina, el Ca ibe, España y Po ugal Sis ema de In o mación Cien í ica An onio Ga cía-Ca mona El diodo como ope ado elemen al en ci cui os elec ónicos. Una p opues a pa a su enseñanza enel 2º ciclo de ESO Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias, ol. 2, núm. 1, 2005, pp. 64-78, Asociación de P o eso es Amigos de la Ciencia: EUREKA España ¿Cómo ci a ? Fascículo comple o Más in o mación del a ículo Página de la e is a Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias, ISSN (Ve sión elec ónica): 1697-011X [email p o ec ed] Asociación de P o eso es Amigos de la Ciencia: EUREKA España www. edalyc.o g P oyec o académico sin ines de luc o, desa ollado bajo la inicia i a de acceso abie o Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 64 EL DIODO COMO OPERADOR ELEMENTAL EN CIRCUITOS ELECTRÓNICOS. UNA PROPUESTA PARA SU ENSEÑANZA EN EL 2º CICLO DE ESO An onio Ga cía Ca mona Depa amen o de Ciencias. Colegio Luisa de Ma illac de Se illa E-mail: [email p o ec ed] RESUMEN En es e abajo se expone la necesidad de impulsa el es udio de la Elec ónica en la ESO, con el in de con ibui en la o mación básica e in eg al de los alumnos de es e ni el, que es án inme sos en una sociedad ecnológicamen e a anzada. Y, como consecuencia de es o, p esen amos una p opues a didác ica o ien ada al es udio del diodo en el 2º ciclo de ESO, en el ma co de los cu ículos de Ciencias (Física y Química) y de Tecnología. Palab as cla e: Ci cui o Elec ónico, Diodo, Elec ónica, ESO, Rec i icado INTRODUCCIÓN En los úl imos iempos, hemos expe imen ado un g an desa ollo cien í ico/ ecnológico p opiciado, p incipalmen e, po los impo an es a ances log ados en el campo de la Elec ónica. Unos a ances que han condicionado, de mane a signi ica i a, nues o es ilo de ida (Jolly, 1998; Se ze , 2000). Es e hecho no ha pasado inad e ido a nues o Sis ema Educa i o y en la ecien e ees uc u ación del cu iculum de Tecnología se con empla el es udio de con enidos básicos de Elec ónica. Conc e amen e, pa a el 2º ciclo de ESO, den o del bloque emá ico e e ido a Elec icidad y Elec ónica, se es ablece el es udio y mon aje de ci cui os elec ónicos sencillos, con elemen os básicos como diodos, condensado es, elés, LED’s, uen es de alimen ación, e c. Sin emba go, la in eg ación de es os con enidos equie e de un a amien o didác ico, que debe se cohe en e con las ca ac e ís icas cogni i as del alumnado de es a e apa educa i a. Desde hace dos décadas, en países como F ancia o el Reino Unido, la Elec ónica iene una p esencia no o ia en los cu ículos de Ciencias y Tecnología de las e apas de enseñanza obliga o ia. A consecuencia de es o, han su gido di e sos es udios dedicados a la enseñanza/ap endizaje de es a ma e ia en es os ni eles educa i os (Summe s, 1983, 1985; Desma ais, 1986; Pole , 1989; Boyes, 1990). En e las conclusiones más impo an es de es os abajos, se des aca que las di icul ades de ap endizaje de la Elec ónica, en la e apa 12-16 años, son simila es a las del es o de con enidos de Física y Tecnología es ablecidos pa a es a misma e apa. En España, sin emba go, son escasos los es udios sob e enseñanza de la Elec ónica en los ni eles básicos de educación (Rosado, 1995; Rosado y Ga cía Ca mona, 2002). Po es e mo i o, y con obje o de impulsa el es udio de la Elec ónica en la ESO, Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 65 p esen amos una p opues a didác ica des inada al es udio del diodo como disposi i o elec ónico elemen al. La p opues a es á di igida al alumnado de 2º ciclo de la ESO, y iene como inalidad se i de base y de guía a o os p o eso es y p o eso as en el diseño de sus p opios ma e iales didác icos sob e la emá ica. FUNDAMENTO DE LA PROPUESTA La Elec ónica, además de posee una pa e ecnológica impo an e, es una ciencia expe imen al; con lo cual, a la ho a de abo da su enseñanza/ap endizaje, se hace necesa io ecu i a las bases eó icas que p oponen las endencias ac uales en Didác ica de las Ciencias Expe imen ales (Pe ales y Cañal, 2000). El pa adigma undamen al de es as endencias es el cons uc i ismo, que concibe el ap endizaje como un p oceso que debe pa i de la es uc u a cogni i a del alumno, a in de que és e cons uya su p opio conocimien o (Ma ín, 2003). En consecuencia, el conocimien o p e io del alumnado se es ablece como “pun o de anclaje” pa a el p oceso de ins ucción educa i a. En el caso que nos ocupa, se á p eciso que el alumnado posea unos conocimien os mínimos sob e Ci cui os Eléc icos; en conc e o, los conocimien os básicos sob e es a emá ica, es ablecidos en los cu ículos de Física y Química y de Tecnología pa a el ni el de ESO. La p opues a que hacemos se desa olla en o ma de p og ama-guía de ac i idades, que ienen po obje o a o ece que los alumnos y alumnas puedan cons ui y a ianza los conocimien os de Elec ónica Básica p opues os, al iempo que se amilia icen con las ca ac e ís icas básicas del abajo cien í ico (Gil e al., 1991). Po ello, la p opues a se debe concebi como un ma e ial dinámico, abie o y lexible a las necesidades educa i as del alumnado; es deci , como un ma e ial “au o-co ec i o”, que a o ezca el ap endizaje de los alumnos y alumnas en di e en es si uaciones educa i as. PROPUESTA DIDÁCTICA La p opues a didác ica se enma ca den o de los cu ículos de Tecnología y Física y Química pa a 2º ciclo de ESO. Conc e amen e, en los bloques de Elec icidad y Elec ónica, del á ea de Tecnología, y Elec icidad, del á ea de Ciencias (Física y Química). La a ención a la di e sidad se plan ea á de acue do con las necesidades educa i as que se de ec en du an e el p oceso de enseñanza/ap endizaje; po an o, su egulación supond á un aspec o impo an e de la e aluación de la p opues a didác ica. Obje i os Con el es udio de la p opues a, se espe a que los alumnos y alumnas desa ollen las capacidades siguien es: 1. Reconozcan la impo ancia del diodo en el desa ollo de la Elec ónica. Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 66 2. Asuman la necesidad de abo da el es udio del diodo, con el in de comp ende algunos de los aspec os del en o no cien í ico/ ecnológico en que se desen uel en, dominado po la Elec ónica. 3. Conozcan y dis ingan el compo amien o de un diodo en pola ización di ec a e in e sa. 4. In e p e en la ca ac e ís ica I-V ideal de un diodo. 5. Desc iban el compo amien o de los diodos en ci cui os sencillos. 6. Conozcan las aplicaciones del diodo como p o ec o de ci cui os y en ci cui os de ec i icación elemen ales. Con enidos La p opues a se desa olla median e los con enidos del cuad o 1: Cuad o 1 Con el p opósi o de o ece una isión global y es uc u ada de los concep os p opues os, mos amos el diag ama concep ual de la igu a 1. E aluación El p oceso de e aluación es a á o ien ado a ob ene in o mación sob e la alidez de la p opues a didác ica, sob e la u ilidad que iene pa a el p o eso ado en su p ác ica Concep os P ocedimien os Ac i udes • Pola ización di ec a e in e sa de un diodo. Tensión umb al. • Ca ac e ís ica I-V ap oximada de un diodo. • Algunas aplicaciones del diodo. El diodo como p o ec o de ci cui os. • El diodo en los ci cui os de ec i icación. • Iden i icación de si uaciones co idianas en las que se pone de mani ies o la p esencia del diodo. • Realización de expe iencias sencillas que pe mi an comp oba el compo amien o de un diodo. • Análisis e in e p e ación de esul ados expe imen ales que ponen de mani ies o algunas p opiedades del diodo. • Búsqueda de in o mación (p ensa, biblio ecas, In e ne ...) sob e aspec os elacionados con el diodo. • Análisis de ci cui os sencillos que con ienen diodos. • Fomen o de hábi os de abajo basados en el mé odo cien í ico. • Valo ación de la impo ancia del diodo semiconduc o en el desa ollo de la Elec ónica. • Fomen o de ac i udes posi i as y de in e és po el es udio de la Elec ónica. Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 67 docen e y sob e la medida en que los alumnos y alumnas desa ollan las capacidades p e is as en los obje i os (Cañal e al., 1997). Los esul ados ob enidos en la e aluación pe mi i án e o mula los obje i os y, consecuen emen e, in oduci las modi icaciones opo unas, an o en las ac i idades como en la me odología empleada. DIODO SEMICONDUCTOR se u iliza su símbolo es si es á en como Pola izado – + Ci cui os P o ec o de ec i icado es ci cui os Di ec amen e In e samen e ans o man e i an la se compo a como Co ien e Ci culación In e up o In e up o al e na (c.a.) inco ec a ce ado abie o en de la en se ie con Co ien e Co ien e Fuen e de No conduce con inua (c.c.) eléc ica ensión igual a Tensión umb al Figu a 1.- Compo amien o y u ilidad de un diodo en un ci cui o elec ónico. Los c i e ios de e aluación que p oponemos, a la ho a de alo a el g ado de consecución de los obje i os, son los siguien es: 1. Valo a la impo ancia del diodo en el desa ollo de la Elec ónica. 2. Explica el compo amien o de un diodo pola izado, y dis ingue los es ados de pola ización di ec a e in e sa. 3. Desc ibe el compo amien o de los diodos en ci cui os sencillos y comp ende su aplicación como p o ec o de ci cui os, así como el papel que desempeñan en los ci cui os ec i icado es elemen ales. Los ins umen os de e aluación que p oponemos, a la ho a de alo a el ap endizaje de los alumnos y alumnas, son los siguien es: • La obse ación del abajo indi idual, del abajo en g upo y en las pues as en común, donde se alo a á la pa icipación, el es ue zo, la coope ación, e c. • Dado el ca ác e de las ac i idades p opues as, se alo a á la ealización de las mismas, en cuan o a la emisión de hipó esis, el análisis de los esul ados y elabo ación de conclusiones, a a és del cuade no de clase. Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 68 • Realización de una p ueba obje i a basada en di e sos eje cicios y cues iones, que se án alo ados de acue do con los c i e ios de e aluación es ablecidos. También se á in e esan e que el p o eso ado haga la e aluación de la secuencia de ac i idades. Es o le pe mi i á oma decisiones sob e u u as sesiones, sob e su labo como docen e, sob e el clima de ec ado du an e su desa ollo y sob e las o ien aciones que se deben da al alumnado pa a econduci su ap endizaje (Fe nández e al., 2002). Pa a ello, u iliza emos los siguien es indicado es: a) Idoneidad de las ac i idades espec o a los obje i os p e is os (¿son opo unas y es án bien o muladas las ac i idades?). b) Idoneidad de la plani icación: - La empo alización p e is a y la eal. - La idoneidad de los ma e iales empleados. c) Valo ación del diseño po pa e de los alumnos y alumnas: - In e és y ac i udes mos adas po los alumnos y alumnas. - Di icul ades de comp ensión. - Di icul ades de manipulación. Ac i idades de enseñanza/ap endizaje A.1. ¿Quién ue el in en o del diodo? Busca in o mación sob e ello, y haz una desc ipción del p ime diodo. El p opósi o de es a p ime a ac i idad es in oduci nos en la his o ia de la Elec ónica, con el in de in oduci el ema. Se a a de que el alumnado encuen e in o mación sob e el p ime diodo, basado en la ál ula de acío, que ue in en ado po J. A. Fleming en 1904. Fleming u ilizó el e ec o de emisión e moiónica, descubie o po Edison en 1833, pa a cons ui su ál ula diodo. En sus in es igaciones sob e la comunicación inalámb ica, Fleming io la necesidad de un disposi i o que ec i ica a la co ien e de al a ecuencia, y diseñó la lámpa a diodo; la cual es, esencialmen e, una bombilla de incandescencia de Edison con un elec odo ex a (Fig.2). En al disposi i o la co ien e sólo luye en un sen ido cuando el elec odo ex a, denominado ánodo, es posi i o espec o al ilamen o o cá odo. Figu a 2.- Diodo de Fleming. Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 69 A.2. En 1940, apa ece el p ime diodo semiconduc o . Busca in o mación sob e ello, e indica cuáles ue on las modi icaciones y las p incipales en ajas con espec o al p ime diodo. La ac i idad enlaza con la an e io , y iene po obje o des aca la impo ancia de los ma e iales semiconduc o es en el desa ollo de la Elec ónica. Hacia 1940, du an e la segunda gue a mundial, su gió el diodo semiconduc o , que elegó al diodo de ál ula de acío de Fleming. Supuso un desa ollo e iginoso en la indus ia elec ónica, que ino dado po el empleo de écnicas de minia u ización y de ma e iales más lige os y obus os (semiconduc o es) en los disposi i os elec ónicos. Las ál ulas e an g andes y poco iables — a de o emp ano se quemaba el ilamen o—, lo que imposibili aba el desa ollo de máquinas elec ónicas más pequeñas y du ade as (Macaulay y A dley, 1989). El diodo semiconduc o iene una ida más la ga y un amaño mucho meno ; asimismo, no necesi a un ilamen o consumido de po encia, po lo que su e iciencia es mayo . A.3. El aspec o come cial de un diodo se mues a en la igu a 3. Busca in o mación sob e las écnicas que se emplean en su ab icación. Raya que señala el e minal nega i o del diodo Cápsula que encie a la unión pn Conexiones eléc icas ex e nas Figu a 3.- Aspec o de un diodo come cial. La ac i idad mues a el aspec o de un diodo de unión pn come cial (Fig.3), con obje o de que los alumnos y alumnas se amilia icen con el aspec o eal del disposi i o, y no piensen que és e iene el aspec o del símbolo que lo ep esen a en los ci cui os (Fig.5). Asimismo la búsqueda de in o mación les pe mi i á en a en con ac o con las écnicas básicas de cons ucción de ci cui os elec ónicos, como la ab icación de ci cui os in eg ados a pa i de ma e iales semiconduc o es. Y, más conc e amen e, con la écnica plana epi axial u ilizada en la ab icación de diodos semiconduc o es. Son aspec os que se con emplan den o del bloque emá ico Ma e iales de uso écnico y p ocesos de ab icación pa a la Tecnología de 4º cu so de ESO. A.4. Se p e ende in es iga el uncionamien o de un diodo y, pa a ello, se dispone de una pila, una bombilla, cables y el p opio diodo. Realiza el mon aje de la igu a 4 y conec a el diodo de dos o mas: a) conec ando el polo posi i o del diodo al polo nega i o de la pila, y b) conec ando el polo nega i o del diodo al polo nega i o de la pila. Explica lo que obse as en cada caso. Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 70 Es una ac i idad p ác ica con la que el alumnado pod á comp oba el compo amien o eléc ico/elec ónico de un diodo. Cuando se conec a el polo nega i o de la pila al polo nega i o del diodo la bombilla se enciende, dado que la pila pola iza di ec amen e al diodo y és e conduce la elec icidad. Mien as que al in e i las conexiones, la pila pola iza in e samen e al diodo y no deja pasa la co ien e eléc ica; po an o, la bombilla no se encende á. Es con enien e que los alumnos y alumnas ealicen es a expe iencia, ya que la manipulación di ec a de apa a os y disposi i os a o ece el ap endizaje de los enómenos que se obse an con ellos. Asimismo, la expe iencia les si ua á en una posición idónea pa a comp ende la ca ac e ís ica I-V ideal de un diodo, que se in oduce en la siguien e ac i idad. Figu a 4.- Comp obación del compo amien o de un diodo. A.5. El símbolo que se le asigna al diodo, como componen e de un ci cui o elec ónico, es el de la igu a 5. Si se mide la in ensidad (I) que a a iesa un diodo, pa a dis in os alo es de ensión (V) aplicada, se ob iene, de o ma ap oximada, la g á ica I–V de la igu a 6. In e p e a, a pa i de esa g á ica, el compo amien o del diodo pa a alo es de V. I + – V o V Figu a 5.- Símbolo elec ónico del diodo. Figu a 6.- Ca ac e ís ica I-V ap oximada de un diodo La ac i idad p esen a, median e la ca ac e ís ica I-V ap oximada, el compo amien o de un diodo pola izado con una ensión ex e na. Se a a de que los alumnos y Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 71 alumnas in e p e en la g á ica de la igu a 6, y concluyan que, en pola ización di ec a (los bo nes de la ensión aplicada coinciden con los del diodo), el diodo se compo a como un in e up o ce ado en se ie con una uen e de ensión, de alo igual a la ensión umb al; de al o ma que cuando la ensión de pola ización es supe io a la ensión umb al, el in e up o se cie a. Y si es pola izado in e samen e, el diodo se compo a á como un in e up o abie o. En elación con la ca ac e ís ica ap oximada del diodo (Fig.6), con iene pun ualiza que, si bien no es la ca ac e ís ica I-V eal de un diodo, supone una buena ap oximación a la ho a de esol e ci cui os con diodos, sin que, po ello, se come an imp ecisiones signi ica i as. Además, su empleo se jus i ica más aún si conside amos que el alumnado al que nos di igimos, aún no posee, en su mayo ía, una capacidad cogni i a adecuada pa a una mayo p o undización. De ahí el ni el básico y de iniciación que se ha es ablecido en los obje i os didác icos de la p opues a didác ica. A.6 En la g á ica I-V de la ac i idad A.4, se iene que exis e un alo de ensión mínima a pa i de la cual un diodo conduce la co ien e eléc ica. A es e alo se le denomina ensión umb al. De es e modo, cuando el diodo es pola izado di ec amen e se compo a como un in e up o ce ado en se ie con una uen e de ensión, cuyo alo es el de la ensión umb al (Vo) (Fig.7a). Po el con a io, cuando se pola iza in e samen e, el diodo se compo a como un in e up o abie o (Fig.7b). De acue do con es o, ealiza lo siguien e: a) Sus i uye, en cada ci cui o de la igu a 8, el diodo po su esquema equi alen e. b) Indica en cuál de los ci cui os de la igu a 8 se encende á la bombilla. + – + – V o + o o – + o o – a) b) Figu a 7.- a) Diodo pola izado di ec amen e y su esquema equi alen e. b) Diodo pola izado in e samen e y su esquema equi alen e. + – + – + + – – a) b) Figu a8.- ¿En qué ci cui o se encende á la bombilla? Re is a Eu eka sob e Enseñanza y Di ulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Expe iencias, ecu sos y o os abajos 78 MACAULAY, D. y ARDLEY, N. (1989). ¿Cómo uncionan las cosas? Ba celona: Cí culo de Lec o es. MARÍN, N. (2003). Visión cons uc i is a dinámica pa a la enseñanza de las Ciencias. Enseñanza de las Ciencias, nº ex a, pp. 43-55. PERALES, F. J. y CAÑAL, P. (2000). Didác ica de las ciencias expe imen ales. Alcoy: Ma il. POLEV, N. M. (1989). Base physique d’élec onique dans l’enseignemen secondai e: module mé hodologique. Enseignemen scien i ique e echnique, Se ie documen s nº 34. UNESCO, Pa ís. ROSADO, L. (1995). Mic oelec ónica pa a P o eso es de Ciencias y Tecnología. Mad id: UNED. ROSADO, L. y GARCÍA CARMONA, A. (2002). Diseño de un módulo didác ico sob e el Diodo de unión pn en la Elec ónica de la ESO. En Rosado, L. y Cols., Didác ica de la Física y sus Nue as Tendencias (Manual 2002), pp. 847-892. Mad id: UNED. SETZER, V. W. (2000). La misión de la Tecnología. Con ex o Educa i o, 4. En línea en h p://con ex o-educa i o.com.a /2000/4/no a-8.h m. SUMMERS, M. K. (1983). Elec onics in he School Physics Cu iculum? Physics Educa ion, 18 (5), pp. 201-203. SUMMERS, M. K. (1985). Elec onics 11-18: a coo dina ed p og amme o he school physics cu iculum. Physics Educa ion, 20 (2), pp. 55-61.