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

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=92020107 Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Sistema de Información Científica Antonio García-Carmona El diodo como operador elemental en circuitos electrónicos. Una propuesta para su enseñanza enel 2º ciclo de ESO Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, vol. 2, núm. 1, 2005, pp. 64-78, Asociación de Profesores Amigos de la Ciencia: EUREKA España ¿Cómo citar? Fascículo completo Más información del artículo Página de la revista Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias, ISSN (Versión electrónica): 1697-011X [email protected] Asociación de Profesores Amigos de la Ciencia: EUREKA España www.redalyc.org Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 64 EL DIODO COMO OPERADOR ELEMENTAL EN CIRCUITOS ELECTRÓNICOS. UNA PROPUESTA PARA SU ENSEÑANZA EN EL 2º CICLO DE ESO Antonio García Carmona Departamento de Ciencias. Colegio Luisa de Marillac de Sevilla E-mail: [email protected] RESUMEN En este trabajo se expone la necesidad de impulsar el estudio de la Electrónica en la ESO, con el fin de contribuir en la formación básica e integral de los alumnos de este nivel, que están inmersos en una sociedad tecnológicamente avanzada. Y, como consecuencia de esto, presentamos una propuesta didáctica orientada al estudio del diodo en el 2º ciclo de ESO, en el marco de los currículos de Ciencias (Física y Química) y de Tecnología. Palabras clave: Circuito Electrónico, Diodo, Electrónica, ESO, Rectificador INTRODUCCIÓN En los últimos tiempos, hemos experimentado un gran desarrollo científico/tecnológico propiciado, principalmente, por los importantes avances logrados en el campo de la Electrónica. Unos avances que han condicionado, de manera significativa, nuestro estilo de vida (Jolly, 1998; Setzer, 2000). Este hecho no ha pasado inadvertido a nuestro Sistema Educativo y en la reciente reestructuración del curriculum de Tecnología se contempla el estudio de contenidos básicos de Electrónica. Concretamente, para el 2º ciclo de ESO, dentro del bloque temático referido a Electricidad y Electrónica, se establece el estudio y montaje de circuitos electrónicos sencillos, con elementos básicos como diodos, condensadores, relés, LED’s, fuentes de alimentación, etc. Sin embargo, la integración de estos contenidos requiere de un tratamiento didáctico, que debe ser coherente con las características cognitivas del alumnado de esta etapa educativa. Desde hace dos décadas, en países como Francia o el Reino Unido, la Electrónica tiene una presencia notoria en los currículos de Ciencias y Tecnología de las etapas de enseñanza obligatoria. A consecuencia de esto, han surgido diversos estudios dedicados a la enseñanza/aprendizaje de esta materia en estos niveles educativos (Summers, 1983, 1985; Desmarais, 1986; Polev, 1989; Boyes, 1990). Entre las conclusiones más importantes de estos trabajos, se destaca que las dificultades de aprendizaje de la Electrónica, en la etapa 12-16 años, son similares a las del resto de contenidos de Física y Tecnología establecidos para esta misma etapa. En España, sin embargo, son escasos los estudios sobre enseñanza de la Electrónica en los niveles básicos de educación (Rosado, 1995; Rosado y García Carmona, 2002). Por este motivo, y con objeto de impulsar el estudio de la Electrónica en la ESO, Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 65 presentamos una propuesta didáctica destinada al estudio del diodo como dispositivo electrónico elemental. La propuesta está dirigida al alumnado de 2º ciclo de la ESO, y tiene como finalidad servir de base y de guía a otros profesores y profesoras en el diseño de sus propios materiales didácticos sobre la temática. FUNDAMENTO DE LA PROPUESTA La Electrónica, además de poseer una parte tecnológica importante, es una ciencia experimental; con lo cual, a la hora de abordar su enseñanza/aprendizaje, se hace necesario recurrir a las bases teóricas que proponen las tendencias actuales en Didáctica de las Ciencias Experimentales (Perales y Cañal, 2000). El paradigma fundamental de estas tendencias es el constructivismo, que concibe el aprendizaje como un proceso que debe partir de la estructura cognitiva del alumno, a fin de que éste construya su propio conocimiento (Marín, 2003). En consecuencia, el conocimiento previo del alumnado se establece como “punto de anclaje” para el proceso de instrucción educativa. En el caso que nos ocupa, será preciso que el alumnado posea unos conocimientos mínimos sobre Circuitos Eléctricos; en concreto, los conocimientos básicos sobre esta temática, establecidos en los currículos de Física y Química y de Tecnología para el nivel de ESO. La propuesta que hacemos se desarrolla en forma de programa-guía de actividades, que tienen por objeto favorecer que los alumnos y alumnas puedan construir y afianzar los conocimientos de Electrónica Básica propuestos, al tiempo que se familiaricen con las características básicas del trabajo científico (Gil et al., 1991). Por ello, la propuesta se debe concebir como un material dinámico, abierto y flexible a las necesidades educativas del alumnado; es decir, como un material “auto-correctivo”, que favorezca el aprendizaje de los alumnos y alumnas en diferentes situaciones educativas. PROPUESTA DIDÁCTICA La propuesta didáctica se enmarca dentro de los currículos de Tecnología y Física y Química para 2º ciclo de ESO. Concretamente, en los bloques de Electricidad y Electrónica, del área de Tecnología, y Electricidad, del área de Ciencias (Física y Química). La atención a la diversidad se planteará de acuerdo con las necesidades educativas que se detecten durante el proceso de enseñanza/aprendizaje; por tanto, su regulación supondrá un aspecto importante de la evaluación de la propuesta didáctica. Objetivos Con el estudio de la propuesta, se espera que los alumnos y alumnas desarrollen las capacidades siguientes: 1. Reconozcan la importancia del diodo en el desarrollo de la Electrónica. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 66 2. Asuman la necesidad de abordar el estudio del diodo, con el fin de comprender algunos de los aspectos del entorno científico/tecnológico en que se desenvuelven, dominado por la Electrónica. 3. Conozcan y distingan el comportamiento de un diodo en polarización directa e inversa. 4. Interpreten la característica I-V ideal de un diodo. 5. Describan el comportamiento de los diodos en circuitos sencillos. 6. Conozcan las aplicaciones del diodo como protector de circuitos y en circuitos de rectificación elementales. Contenidos La propuesta se desarrolla mediante los contenidos del cuadro 1: Cuadro 1 Con el propósito de ofrecer una visión global y estructurada de los conceptos propuestos, mostramos el diagrama conceptual de la figura 1. Evaluación El proceso de evaluación estará orientado a obtener información sobre la validez de la propuesta didáctica, sobre la utilidad que tiene para el profesorado en su práctica Conceptos Procedimientos Actitudes • Polarización directa e inversa de un diodo. Tensión umbral. • Característica I-V aproximada de un diodo. • Algunas aplicaciones del diodo. El diodo como protector de circuitos. • El diodo en los circuitos de rectificación. • Identificación de situaciones cotidianas en las que se pone de manifiesto la presencia del diodo. • Realización de experiencias sencillas que permitan comprobar el comportamiento de un diodo. • Análisis e interpretación de resultados experimentales que ponen de manifiesto algunas propiedades del diodo. • Búsqueda de información (prensa, bibliotecas, Internet...) sobre aspectos relacionados con el diodo. • Análisis de circuitos sencillos que contienen diodos. • Fomento de hábitos de trabajo basados en el método científico. • Valoración de la importancia del diodo semiconductor en el desarrollo de la Electrónica. • Fomento de actitudes positivas y de interés por el estudio de la Electrónica. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 67 docente y sobre la medida en que los alumnos y alumnas desarrollan las capacidades previstas en los objetivos (Cañal et al., 1997). Los resultados obtenidos en la evaluación permitirán reformular los objetivos y, consecuentemente, introducir las modificaciones oportunas, tanto en las actividades como en la metodología empleada. DIODO SEMICONDUCTOR se utiliza su símbolo es si está en como Polarizado – + Circuitos Protector de rectificadores circuitos Directamente Inversamente transforman evitan la se comporta como Corriente Circulación Interruptor Interruptor alterna (c.a.) incorrecta cerrado abierto en de la en serie con Corriente Corriente Fuente de No conduce continua (c.c.) eléctrica tensión igual a Tensión umbral Figura 1.- Comportamiento y utilidad de un diodo en un circuito electrónico. Los criterios de evaluación que proponemos, a la hora de valorar el grado de consecución de los objetivos, son los siguientes: 1. Valora la importancia del diodo en el desarrollo de la Electrónica. 2. Explica el comportamiento de un diodo polarizado, y distingue los estados de polarización directa e inversa. 3. Describe el comportamiento de los diodos en circuitos sencillos y comprende su aplicación como protector de circuitos, así como el papel que desempeñan en los circuitos rectificadores elementales. Los instrumentos de evaluación que proponemos, a la hora de valorar el aprendizaje de los alumnos y alumnas, son los siguientes: • La observación del trabajo individual, del trabajo en grupo y en las puestas en común, donde se valorará la participación, el esfuerzo, la cooperación, etc. • Dado el carácter de las actividades propuestas, se valorará la realización de las mismas, en cuanto a la emisión de hipótesis, el análisis de los resultados y elaboración de conclusiones, a través del cuaderno de clase. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 68 • Realización de una prueba objetiva basada en diversos ejercicios y cuestiones, que serán valorados de acuerdo con los criterios de evaluación establecidos. También será interesante que el profesorado haga la evaluación de la secuencia de actividades. Esto le permitirá tomar decisiones sobre futuras sesiones, sobre su labor como docente, sobre el clima detectado durante su desarrollo y sobre las orientaciones que se deben dar al alumnado para reconducir su aprendizaje (Fernández et al., 2002). Para ello, utilizaremos los siguientes indicadores: a) Idoneidad de las actividades respecto a los objetivos previstos (¿son oportunas y están bien formuladas las actividades?). b) Idoneidad de la planificación: - La temporalización prevista y la real. - La idoneidad de los materiales empleados. c) Valoración del diseño por parte de los alumnos y alumnas: - Interés y actitudes mostradas por los alumnos y alumnas. - Dificultades de comprensión. - Dificultades de manipulación. Actividades de enseñanza/aprendizaje A.1. ¿Quién fue el inventor del diodo? Busca información sobre ello, y haz una descripción del primer diodo. El propósito de esta primera actividad es introducirnos en la historia de la Electrónica, con el fin de introducir el tema. Se trata de que el alumnado encuentre información sobre el primer diodo, basado en la válvula de vacío, que fue inventado por J. A. Fleming en 1904. Fleming utilizó el efecto de emisión termoiónica, descubierto por Edison en 1833, para construir su válvula diodo. En sus investigaciones sobre la comunicación inalámbrica, Fleming vio la necesidad de un dispositivo que rectificara la corriente de alta frecuencia, y diseñó la lámpara diodo; la cual es, esencialmente, una bombilla de incandescencia de Edison con un electrodo extra (Fig.2). En tal dispositivo la corriente sólo fluye en un sentido cuando el electrodo extra, denominado ánodo, es positivo respecto al filamento o cátodo. Figura 2.- Diodo de Fleming. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 69 A.2. En 1940, aparece el primer diodo semiconductor. Busca información sobre ello, e indica cuáles fueron las modificaciones y las principales ventajas con respecto al primer diodo. La actividad enlaza con la anterior, y tiene por objeto destacar la importancia de los materiales semiconductores en el desarrollo de la Electrónica. Hacia 1940, durante la segunda guerra mundial, surgió el diodo semiconductor, que relegó al diodo de válvula de vacío de Fleming. Supuso un desarrollo vertiginoso en la industria electrónica, que vino dado por el empleo de técnicas de miniaturización y de materiales más ligeros y robustos (semiconductores) en los dispositivos electrónicos. Las válvulas eran grandes y poco fiables —tarde o temprano se quemaba el filamento—, lo que imposibilitaba el desarrollo de máquinas electrónicas más pequeñas y duraderas (Macaulay y Ardley, 1989). El diodo semiconductor tiene una vida más larga y un tamaño mucho menor; asimismo, no necesita un filamento consumidor de potencia, por lo que su eficiencia es mayor. A.3. El aspecto comercial de un diodo se muestra en la figura 3. Busca información sobre las técnicas que se emplean en su fabricación. Raya que señala el terminal negativo del diodo Cápsula que encierra la unión pn Conexiones eléctricas externas Figura 3.- Aspecto de un diodo comercial. La actividad muestra el aspecto de un diodo de unión pn comercial (Fig.3), con objeto de que los alumnos y alumnas se familiaricen con el aspecto real del dispositivo, y no piensen que éste tiene el aspecto del símbolo que lo representa en los circuitos (Fig.5). Asimismo la búsqueda de información les permitirá entrar en contacto con las técnicas básicas de construcción de circuitos electrónicos, como la fabricación de circuitos integrados a partir de materiales semiconductores. Y, más concretamente, con la técnica plana epitaxial utilizada en la fabricación de diodos semiconductores. Son aspectos que se contemplan dentro del bloque temático Materiales de uso técnico y procesos de fabricación para la Tecnología de 4º curso de ESO. A.4. Se pretende investigar el funcionamiento de un diodo y, para ello, se dispone de una pila, una bombilla, cables y el propio diodo. Realiza el montaje de la figura 4 y conecta el diodo de dos formas: a) conectando el polo positivo del diodo al polo negativo de la pila, y b) conectando el polo negativo del diodo al polo negativo de la pila. Explica lo que observas en cada caso. Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 70 Es una actividad práctica con la que el alumnado podrá comprobar el comportamiento eléctrico/electrónico de un diodo. Cuando se conecta el polo negativo de la pila al polo negativo del diodo la bombilla se enciende, dado que la pila polariza directamente al diodo y éste conduce la electricidad. Mientras que al invertir las conexiones, la pila polariza inversamente al diodo y no deja pasar la corriente eléctrica; por tanto, la bombilla no se encenderá. Es conveniente que los alumnos y alumnas realicen esta experiencia, ya que la manipulación directa de aparatos y dispositivos favorece el aprendizaje de los fenómenos que se observan con ellos. Asimismo, la experiencia les situará en una posición idónea para comprender la característica I-V ideal de un diodo, que se introduce en la siguiente actividad. Figura 4.- Comprobación del comportamiento de un diodo. A.5. El símbolo que se le asigna al diodo, como componente de un circuito electrónico, es el de la figura 5. Si se mide la intensidad (I) que atraviesa un diodo, para distintos valores de tensión (V) aplicada, se obtiene, de forma aproximada, la gráfica I–V de la figura 6. Interpreta, a partir de esa gráfica, el comportamiento del diodo para valores de V. I + – V o V Figura 5.- Símbolo electrónico del diodo. Figura 6.- Característica I-V aproximada de un diodo La actividad presenta, mediante la característica I-V aproximada, el comportamiento de un diodo polarizado con una tensión externa. Se trata de que los alumnos y Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 71 alumnas interpreten la gráfica de la figura 6, y concluyan que, en polarización directa (los bornes de la tensión aplicada coinciden con los del diodo), el diodo se comporta como un interruptor cerrado en serie con una fuente de tensión, de valor igual a la tensión umbral; de tal forma que cuando la tensión de polarización es superior a la tensión umbral, el interruptor se cierra. Y si es polarizado inversamente, el diodo se comportará como un interruptor abierto. En relación con la característica aproximada del diodo (Fig.6), conviene puntualizar que, si bien no es la característica I-V real de un diodo, supone una buena aproximación a la hora de resolver circuitos con diodos, sin que, por ello, se cometan imprecisiones significativas. Además, su empleo se justifica más aún si consideramos que el alumnado al que nos dirigimos, aún no posee, en su mayoría, una capacidad cognitiva adecuada para una mayor profundización. De ahí el nivel básico y de iniciación que se ha establecido en los objetivos didácticos de la propuesta didáctica. A.6 En la gráfica I-V de la actividad A.4, se tiene que existe un valor de tensión mínima a partir de la cual un diodo conduce la corriente eléctrica. A este valor se le denomina tensión umbral. De este modo, cuando el diodo es polarizado directamente se comporta como un interruptor cerrado en serie con una fuente de tensión, cuyo valor es el de la tensión umbral (Vo) (Fig.7a). Por el contrario, cuando se polariza inversamente, el diodo se comporta como un interruptor abierto (Fig.7b). De acuerdo con esto, realiza lo siguiente: a) Sustituye, en cada circuito de la figura 8, el diodo por su esquema equivalente. b) Indica en cuál de los circuitos de la figura 8 se encenderá la bombilla. + – + – V o + o o – + o o – a) b) Figura 7.- a) Diodo polarizado directamente y su esquema equivalente. b) Diodo polarizado inversamente y su esquema equivalente. + – + – + + – – a) b) Figura8.- ¿En qué circuito se encenderá la bombilla? Revista Eureka sobre Enseñanza y Divulgación de las Ciencias (2005), Vol. 2, Nº 1, pp. 64-78 ISSN 1697-011X Experiencias, recursos y otros trabajos 78 MACAULAY, D. y ARDLEY, N. (1989). ¿Cómo funcionan las cosas? Barcelona: Círculo de Lectores. MARÍN, N. (2003). Visión constructivista dinámica para la enseñanza de las Ciencias. Enseñanza de las Ciencias, nº extra, pp. 43-55. PERALES, F. J. y CAÑAL, P. (2000). 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