Metodología de diseño electrónico dentro de prácticas obligatorias de laboratorio

- 19 - Pixel-Bi . Re is a de Medios y Educación METODOLOGIA DE DISEÑO ELECTRÓNICO DENTRO DE PRÁCTICAS OBLIGATORIAS DE LABORATORIO ELECTRONIC DESIGN METHODOLOGY IN LAB EXPERIMENTS Ca los J. Jiménez Fe nández [email p o ec ed] An onio López Ojeda [email p o ec ed] Ca los León de Mo a [email p o ec ed] Uni e sidad de Se illa. Escuela Uni e si a ia Poli écnica. c/ Vi gen de Á ica, 7 41011 Se illa En la me odología de diseño de ci cui os elec ónicos iene mucha impo ancia el uso de he amien as so wa e. En el caso de diseño con ci cui os disc e os, és as se usan pa a la e i icación del compo amien o an es de la cons ucción del mismo. Es a me odología, que di ícilmen e puede enseña se en clases de aula, puede e se en las p ác icas de labo a o io. En es a comunicación p esen amos el diseño de las p ác icas de labo a o io de la asigna u a Elec ónica Analógica, en la que se in eg an he amien as in o má icas de simulación an es del mon aje de un sis ema elec ónico de o ma que el alumno enga un conocimien o del lujo de diseño analógico. Palab as Cla e: P ác icas de labo a o io, ap endizaje basado en p oyec os. TSo wa e ools a e e y impo an in he design me hodology o elec onic ci cui s. In he case o disc e e ci cui design, he so wa e ools a e used o e i y he beha iou be o e i s implemen a ion. This me hodology, which can ha dly be augh in class oom lessons, can be seen de eloped in he labo a o y. In his pape we p esen he design o labo a o y p ac ices by he Analog Elec onics subjec . Those p ac ices in eg a e simula ion ools be o e he implemen a ion o an elec onic sys em so ha he s uden ge s knowledge o he analog design low. Keywo ds: Labo a o y p ac ices, p ojec -based lea ning. ISSS: 1133-8482 - Nº 37 Julio - Diciemb e 2010 pp. 19 - 27 1. In oducción. Las asigna u as elacionadas con la enseñanza de la elec ónica suelen ene una pa e de eo ía y p oblemas y o a pa e de p ác icas obliga o ias de labo a o io. Las p ác icas son una pa e impo an e de la docencia, y deben se i pa a que los alumnos ap endan des ezas y p oblemá icas que sólo apa ecen en los labo a o ios, pe o ambién se i como e ue zo de los con enidos enseñados en las clases de aula ( an o eó icas como de p oblemas). Po o o lado, es muy di ícil in oduci en - 20 - Jiménez,C.J., López, A. y León, C. las clases de aula la me odología de diseño de ci cui os elec ónicos que se sigue en la p ác ica. En gene al es a me odología no sólo equie e del diseño y análisis a mano, sino que se in oducen he amien as in o má icas de e i icación. Es a me odología sí puede se p esen ada y u ilizada en las p ác icas de labo a o io Sin emba go, las p ác icas obliga o ias se encuen an con di e sos p oblemas. Uno de ellos iene dado po la co a du ación de las sesiones (en nues o caso de dos ho as), lo que hace que las a eas que se puedan hace sean muy sencillas y que el alumno no le ea la u ilidad p ác ica a lo que es á haciendo. Es o a su ez lle a a un segundo p oblema, la al a de mo i ación del alumno. En es e a ículo desc ibi emos el diseño de las p ác icas de la asigna u a de Elec ónica Analógica pa a consegui dos obje i os: en p ime luga que el alumno ap enda de o ma p ác ica la me odología de diseño de ci cui os analógicos y en segundo luga que el alumno mon e un sis ema de mediana complejidad en el que ea una u ilidad p ác ica. Es o además debe incidi en la mejo a de la mo i ación del alumno (Jiménez, 2009). El sis ema a mon a debe ene unas ca ac e ís icas especiales pues o que se iene que i cons uyendo en dis in as ases, que se co esponde án con las sesiones de labo a o io. O a ca ac e ís ica es que debe cub i el mayo núme o de emas de la asigna u a. El mejo sis ema que eúne es as ca ac e ís icas es un ampli icado de audio, pues puede di idi se en dis in os módulos y con él se cub e g an pa e de ema io de la asigna u a. 2. Me odología de Diseño Elec ónico. El diseño elec ónico iene como obje i o la ob ención de un ci cui o uncionalmen e co ec o, lo más sencillo y e icien e posible y en el meno plazo de iempo. Po ello, la me odología de diseño debe ga an iza que se minimicen los e o es, y que, caso de que se p oduzcan, és os se de ec en en la ase más emp ana posible. Po ello la ase de diseño se in oducen pun os de e i icación en dis in as e apas del diseño y caminos de uel a a ás an es de comenza el mon aje del ci cui o. La he amien a undamen al pa a la e i icación del compo amien o es el simulado . No se puede conside a que el ci cui o es á co ec amen e diseñado has a que la simulación dé como esul ado el compo amien o deseado. Pa a los ci cui os analógicos se u ilizan simulado es eléc icos a ni el de ansis o es, en su mayo ía basados en SPICE (Nagel 1973). En nues o caso se ha escogido PSPICE, pues iene un en o no g á ico sencillo de maneja y se dispone de una e sión lib e que pe mi e ealiza odas las simulaciones necesa ias. El lujo de diseño ípico de un ci cui o analógico se mues a en la igu a 1. El p ime paso consis e en gene a unas especi icaciones de diseño, las cuales desc iben la uncionalidad espe ada así como o as p opiedades, como el consumo de po encia, espacio máximo que puede ocupa , e c. En gene al, las especi icaciones del diseño dejan bas an e libe ad al diseñado en aspec os como la opología del ci cui o, la colocación de dis in os componen es, e c. El mé odo habi ual de desc ibi el diseño a ni el de ansis o es y ope acionales es median e la “cap u a de esquemas”, que p opo cionan una o ma g á ica, sencilla e in ui i a de coloca e in e conec a los componen es pa a así ealiza el diseño. El ci cui o debe inclui las uen es de alimen ación, la ie a y los conec o es de - 21 - Pixel-Bi . Re is a de Medios y Educación en ada y salida. Después de comple a la desc ipción del ci cui o u ilizando la he amien a de cap u a de esquemas, el uncionamien o eléc ico y la uncionalidad del ci cui o deben se e i icados u ilizando un simulado eléc ico. La simulación de allada a ni el de ansis o es es el p ime paso en la alidación de la ope ación, en ella no sólo se de ec an e o es espec o a las especi icaciones, sino que ambién se de ec an e o es en la c eación de los esquemá icos. En es e paso es ex emadamen e impo an e que los esul ados de simulación sean los co ec os an es de segui con los siguien es pasos de diseño. Una ez que los esul ados de simulación indican que el ci cui o unciona co ec amen e se pasa a la e apa de mon aje. T as la ealización del mon aje hay que p ocede a la e i icación del uncionamien o, aho a en un labo a o io, an es de p ocede a su uso en su ubicación de ini i a. 3. Asigna u a Elec ónica Analógica. Elec ónica Analógica es una asigna u a oncal, de ca ác e anual, de segundo cu so, Especi icaciones de diseño Simulación Eléc ica Tes Tipo de simulación Base de da os de com p onen es C eación de esquemá icos Mon aje Figu a 1. Flujo de diseño analógico. - 22 - Jiménez,C.J., López, A. y León, C. co espondien e a la i ulación de Ingenie ía Técnica Indus ial, especialidad en Elec ónica Indus ial (Plan 2001) que se impa e en la Escuela Uni e si a ia Poli écnica de la Uni e sidad de Se illa. La asigna u a iene 12 c édi os LRU que se co esponden con 11 c édi os ECTS (5.5 eó icos y 5.5 p ác icos). Es os c édi os se o ganizan en cua o ho as de clase semanales, de las cuales 3 son de aula (2 eó icas y 1 de p oblemas) y 1 de labo a o io (que se ag upan en sesiones de dos ho as, po lo que el alumno ealiza una p ác ica cada dos semanas). El núme o medio de alumnos po cu so es de 100 en los úl imos cu sos. La asigna u a iene como obje i os gene ales es ablece los concep os básicos pa a el es udio de los ci cui os analógicos, como son la ampli icación, la espues a en ecuencia, la ealimen ación y la es abilidad, así como desc ibi los ci cui os básicos de aplicación (ampli icado es, il os, oscilado es, ci cui os basados en diodos y ansis o es, e c.). En la base de la mayo ía de las aplicaciones es á el Ampli icado Ope acional. La asigna u a pa e de los componen es básicos ( ansis o es, diodos, ope acionales, e c.) a ni el de elemen os de ci cui o y se en oca hacia el análisis de ci cui os en ensión al e na y con inua en égimen senoidal es aciona io. Al se una asigna u a de segundo cu so de ca e a, se asume que el alumno posee conocimien os básicos de eo ía de ci cui os y análisis ma emá ico adqui idos en asigna u as del p ime cu so de ca e a. Respec o al labo a o io, el alumno ya ha adqui ido cie a des eza en el manejo del ins umen al de un labo a o io de elec ónica. La me odología que se emplea pa a impa i la asigna u a se compone de dis in os pasos. En cada ema se comienza con la exposición de los undamen os eó icos aplicables, p osiguiéndose con aplicaciones p ác icas de los mismos (p oblemas). En aquellas si uaciones en las que se conside a adecuado, se in e calan algunas sesiones p ác icas den o de los conocimien os eó icos, con el obje o de a ianza conocimien os. Una ez cumplido es e ciclo pa a cada ema, se ealizan p ác icas obliga o ias de labo a o io, en las que se expe imen a con los concep os adqui idos. También se emplean ecu sos in o má icos (simulado es), u o ías pe sonalizadas y la pla a o ma de enseñanza i ual de la Uni e sidad de Se illa pa a omen a la elación en e p o eso y alumnos y a o ece el acceso a los con enidos. El ema io a impa i se es uc u a en sie e g andes emas más uno de in oducción: 1.In oducción a la elec ónica analógica. 2.Ci cui os con diodos y ansis o es. 3.E apas ampli icado as básicas. 4.Ampli icado es ope acionales. 5.Respues a en ecuencia de los ampli icado es y il os. 6.Ampli icado es ealimen ados. 7.Es abilidad y oscilado es. 8.Aplicaciones de los ampli icado es ope acionales. Como ma e ial de apoyo, además de una amplia bibliog a ía po cada ema, se dispone de bole ines de p oblemas con más de 100 eje cicios, casi odos con su co espondien e solución. En elación a las p ác icas, se ealizan 10 a lo la go del cu so. 4. Obje i os globales en el diseño de las p ác icas. El diseño de las p ác icas de labo a o io debe ene en cuen a alguno de los obje i os adicionales: ·Que el alumno adquie a des ezas en el - 23 - Pixel-Bi . Re is a de Medios y Educación mon aje de ci cui os analógicos disc e os, median e la ealización de ci cui os sencillos y su mon aje con placas de p o o ipado. ·Que el alumno consolide los conocimien os adqui idos en las clases de aula ( an o de eo ía como de p oblemas). Pe o ambién hemos pe seguido o os obje i os, como son: ·Que el alumno ap enda la me odología de diseño de ci cui os analógicos con el empleo de he amien as de simulación con las que comp oba , p e iamen e al mon aje, el adecuado uncionamien o del ci cui o. ·Que el alumno ealice, con el conjun o de odas las p ác icas, un sis ema de mediana complejidad, con una uncionalidad muy cla a y e i icable. Es os dos nue os obje i os es án muy ligados, pues o que es di ícil la aplicación de la me odología eal de diseño de ci cui os elec ónicos (en es e caso de ci cui os analógicos) en ci cui os muy sencillos. Sin emba go, el mon aje de un sis ema elec ónico de mediana complejidad iene una di icul ad añadida en las p ác icas obliga o ias: el mon aje ha de ealizado en sesiones de p ác icas de dos ho as de du ación. Po ello, dicho mon aje ha de se obliga o iamen e modula , es deci , debe pode mon a se en dis in os pasos. El hecho de que el mon aje sea modula in oduce en es as p ác icas de una o ma simpli icada de ap endizaje basado en p oyec os (Galena 2006). Como sis ema a ealiza se ha escogido un ampli icado de audio. Es e sis ema iene nume osas en ajas den o de la asigna u a Elec ónica Analógica. Po un lado los ampli icado es de audio ep esen an uno de los sis emas analógicos más u ilizados en la ac ualidad. Además es un sis ema modula , que puede di idi se en subsis emas que pueden i mon ándose en di e en es pasos. Es e aspec o es esencial en nues o plan eamien o, pues o que es e p oyec o ha de lle a se a cabo en sesiones obliga o ias de p ác icas, que se ealizan en sesiones de dos ho as de du ación. Finalmen e des acamos que es e p oyec o cub e p ác icamen e odos los aspec os eó icos de la asigna u a: egulado es de ensión, ampli icación en pequeña señal y en g an señal median e el uso de ansis o es y ampli icación y il os median e el uso de ampli icado es ope acionales. La ealización de es e sis ema iene una di icul ad impo an e: los alumnos deben i comple ando su mon aje paso a paso, man eniendo lo que han ido mon ando. Pa a ello, el ma e ial eque ido pa a la ealización de las p ác icas es mucho mayo al eque ido habi ualmen e, donde una ez e minada la p ác ica el alumno desmon a lo ealizado pe mi iendo su eu ilización po pa e de o os alumnos. En es a p ác ica cada alumno debe man ene los mon ajes ealizados, pa a i cons uyendo en sucesi as p ác icas el sis ema comple o. Es o hace que se necesi e ma e ial pa a cada alumno que ealice las p ác icas y no po cada pues o de que se disponga en el labo a o io. Ha de ene se en cuen a que el núme o ap oximado de alumnos que anualmen e ealizan es as p ác icas es de 80. Po odo es o, se necesi a án como ma e ial ex a, además de los componen es, placas de p ueba, cables de conexiones simples (de dis in os colo es y longi udes), cables de conexiones con e minales ipo bananas y pinzas de cocod ilo (en dis in os colo es), con o mado es de componen es, alica es de co e y pines de p ueba. - 24 - Jiménez,C.J., López, A. y León, C. 5. P opues a de las p ác icas a ealiza . Todas las p ác icas cons an de dos ases: la p ime a, denominada es udio eó ico, consis e en el análisis del ci cui o p opues o. Es a ase la lle a a cabo el alumno como abajo pe sonal en casa. Dicho análisis se ealiza de acue do con los concep os y me odologías desa ollados p e iamen e en las clases de eo ía y p oblemas. Los alumnos deben dispone de los esul ados del es udio eó ico an es de ealiza la segunda ase, denominada desa ollo expe imen al. Es a se lle a a cabo en el labo a o io bajo la supe isión de un p o eso y su con enido puede se de dos ipos, en unción del abajo a ealiza po el alumno en el labo a o io: ·P ác icas de simulación: el alumno iene que c ea el esquemá ico del ci cui o, de ini los análisis que hay que ealiza le y e alua los esul ados de la simulación, con as ándolos con los co espondien es del es udio eó ico, comen ando las p incipales di e encias obse adas. Los esul ados ob enidos en la simulación se emplean pa a comple a el es udio eó ico de una p ác ica de mon aje. ·P ác icas de mon aje: hay que mon a ísicamen e el ci cui o en una egle a de p o o ipos, ealiza dis in os ipos de medidas sob e el mismo, lle a a cabo los cálculos necesa ios pa a comp oba los esul ados del es udio eó ico y comen a las di e encias más signi ica i as obse adas con indicación de sus causas p incipales. Todas las p ác icas se ealizan de o ma indi idual. Cada sesión de labo a o io iene una du ación de 2 ho as, a cuya inalización, el alumno en ega al p o eso el es udio eó ico jun o con las medidas y cálculos ealizados en el desa ollo expe imen al. Una ez cali icados son de uel os al alumno en la siguien e sesión de labo a o io. En las p ác icas en las que se enga el ampli icado de audio comple o, además se lle a a cabo una comp obación “acús ica” de la unción ealizada po el ci cui o co espondien e. Pa a ello se u iliza como uen e de sonido, la a je a de audio del PC. La salida p ocesada es aplicada al ampli icado de po encia clase B (p ác ica 5) y la salida de és a se lle a a un al a oz. La Figu a 2 mues a una de las egle as de p o o ipo una ez comple adas odas las p ác icas po pa e del alumno. 5.1. B e e desc ipción de las p ác icas. Pa a alcanza el obje i o undamen al se ha p og amado un conjun o de 10 p ác icas que se lle an a cabo a lo la go de odo el cu so. El lis ado de las mismas, jun o con el obje i o especí ico de cada una de ellas, se p esen an en la Tabla 1. La empo ización de las p ác icas es á coo dinada con las clases de eo ía y de p oblemas, de modo, que cada p ác ica se ealiza después de que los concep os y me odologías necesa ios hayan sido desa ollados. Figu a 2. Regle a de p o o ipo con los mon ajes ealizados po el alumno. - 25 - Pixel-Bi . Re is a de Medios y Educación En la p ime a p ác ica se enseña al alumno a maneja las unciones básicas de un p og ama de simulación de ci cui os elec ónicos. Es a he amien a se á de u ilidad al alumno a lo la go de odo el cu so, no sólo pa a comp ende el uncionamien o de los dis in os mon ajes que ealiza á en el labo a o io, sino pa a comple a la comp ensión de los di e sos ci cui os que se es udian en la asigna u a y comp oba los esul ados de muchos de los Tabla 1. Obje i o especí ico de cada p ác ica. P ác ica Obje i os 1. Análisis de un ci cui o analógico usando Pspice Desc ipción de ci cui os analógicos y análisis en el dominio del iempo usando un p og ama de simulación 2. Rec i icado de onda comple a Es udio de las ca ac e ís icas eales del ec i icado de onda comple a 3. Regulado de ensión Es udio de las ca ac e ís icas eales del egulado de ensión 4. E apa ampli icado a básica con ansis o bipola Mon aje de una e apa ampli icado a básica, es udio de sus ca ac e ís icas y u ilización como e apa de en ada en un ampli icado de audio 5. Ampli icado de po encia clase B Mon aje de un ampli icado de po encia clase B, es udio de sus ca ac e ís icas y u ilización como e apa de salida en un ampli icado de audio 6. Ca ac e ís icas es á icas del ampli icado ope acional Es udio de algunas de las ca ac e ís icas eales del ampli icado ope acional: ensión de o se , co ien e de pola ización e in ensidad de o se 7. Ca ac e ís icas dinámicas del ampli icado ope acional Es udio de algunas de las ca ac e ís icas eales del ampli icado ope acional: iempo de subida, sob edispa o y elocidad de espues a. U ilización como con ol de olumen en un ampli icado de audio. 8. Simulación de un il o ac i o Análisis en el dominio de la ecuencia de un il o ac i o usando un p og ama de simulación 9. Fil o ac i o Mon aje de un il o ac i o, es udio de su espues a en ecuencia y u ilización como con ol de ono en un ampli icado de audio. 10. Simulación del Oscilado puen e Wien Es udio de un oscilado senoidal basado en ampli icado ope acional. - 26 - Jiménez,C.J., López, A. y León, C. ci cui os que se plan ean en los bole ines de p oblemas. En la segunda y e ce a p ác ica se es udian los dos bloques básicos necesa ios pa a consegui una ensión con inua a pa i de o a al e na: el ec i icado y el egulado de ensión. Es os dos mon ajes pod ían emplea se pa a gene a las ensiones de alimen ación necesa ias pa a los ci cui os de las siguien es p ác icas. La cua a p ác ica cons i uye la e apa de en ada del ampli icado de audio. El ci cui o elegido in eg a, además, el con ol de olumen. La p ác ica quin a se co esponde con la e apa de salida del ampli icado de audio, de modo que, conec ada con la de la p ác ica an e io , nos da una p ime a e sión del ampli icado de audio, pudiéndose comp oba acús icamen e su uncionamien o. En la p ác ica sex a se es udian las ca ac e ís icas es á icas del ampli icado ope acional. La sép ima p ác ica es una a ian e de la e apa de en ada, basada en ampli icado ope acional. Se in eg a en el ampli icado de audio sus i uyendo a la e apa de en ada ealizada en la p ác ica cua a. En la oc a a p ác ica se simula un il o ac i o empleado como e apa de con ol de ono del ampli icado de audio. Se ap ende a ealiza un análisis ecuencial a un ci cui o analógico. En la no ena, se ealiza el mon aje de la e apa de con ol de ono y se in eg a en el ampli icado de audio. Finalmen e, en la décima p ác ica se simula un oscilado iendo como se lle a a cabo un análisis de Fou ie de la señal gene ada. 5.2. Sa is acción de los alumnos. En la úl ima sesión de labo a o io del cu so, se pasó una encues a a los alumnos pa a conoce su opinión espec o al conjun o de p ác icas ealizadas. Como aspec os mejo alo ados, des acan el apoyo p es ado po el p o eso du an e la sesión en el labo a o io, el iempo disponible pa a la ealización de los mon ajes y el ma e ial disponible pa a el desa ollo de las p ác icas. Algunas de las cues iones menos alo adas ue on la exis encia de solapamien o en los con enidos con p ác icas de o as asigna u as, y la conside ación de si lo ap endido se ía alioso pa a su u u o p o esional. 6. Conclusiones Se ha p esen ado el diseño de las p ác icas de labo a o io de la asigna u a Elec ónica Analógica con el obje i o de que los alumnos ayan mon ando, en dis in as ases, un ampli icado de audio, que es un sis ema analógico de media complejidad. Con es e diseño se han conseguido dis in os obje i os: po un lado in oduci en las p ác icas de labo a o io la me odología de diseño de ci cui os elec ónicos, y po o o mejo a la mo i ación de los alumnos con el mon aje de un sis ema del que pueden comp oba de o ma expe imen al su co ec o uncionamien o. Desde el pun o de is a de los alumnos, ha supues o una mejo a muy impo an e en su mo i ación. No sólo po la necesidad de consegui que el mon aje “ uncione de e dad”, sino po que la p ueba expe imen al de escucha el sonido de un al a oz y sabe que ese sonido p ocede de un ci cui o que ellos han cons uido iene un alo insus i uible. Pa a los alumnos supone una p ueba de ini i a de que los ci cui os uncionan. C een po que han is o (en es e caso po que han escuchado). Desde la pe spec i a del p o eso y los ayudan es de labo a o io ha supues o un aumen o de abajo. Cuando en o as p ác icas - 27 - Pixel-Bi . Re is a de Medios y Educación se p epa a ma e ial pa a nue e alumnos (núme o de pues os de abajo de los que dispone el labo a o io), en es as p ác icas hemos enido que p epa a ma e ial pa a ochen a. Se han enido que soluciona p oblemas de almacenamien o an o de los componen es como, sob e odo, de odos los mon ajes que los alumnos han ido ealizando, con sus co espondien es e ique as. 7. Re e encias bibliog á icas Jiménez, C.J.; López, A. y León, C. (2009). Aplicación de una Me odología de Ap endizaje Basada en P oyec os en P ác icas Obliga o ias de Labo a o io. 17º Cong eso Uni e si a io de Inno ación en Enseñanzas Técnicas: Valencia. Galena, L. (2006). Ap endizaje basado en p oyec os. Re is a CEUPROMED. (h p:// ceup omed.ucol.mx/ e is a/Pd A /1/27.pd ) (2/11/2009). Nagel, L.W. y Pede son, D.O. (1973). SPICE (Simula ion P og am wi h In eg a ed Ci cui Emphasis), Memo andum No. ERL-M382. Uni e si y o Cali o nia: Be keley. Fecha de ecepción: 04-03-09 Fecha de e isión: 24-03-10 Fecha de acep ación: 20-04-10 Fecha de publicación: 01-07-10