Introducción
En la Educación Superior actual, se promueven
nuevos enfoques para la formación universitaria, integrando dimensiones
instructivas, educativas y de desarrollo, con énfasis en la combinación de
conocimientos teóricos y habilidades prácticas para la preparación profesional
de los estudiantes. El uso de las tecnologías de la información y comunicación
(TIC) se reconoce como fundamental en el proceso de enseñanza-aprendizaje,
facilitando la adquisición de conocimientos. En Cuba, la educación superior
prioriza la integración de la informática en todas las disciplinas, fomentando
la colaboración entre docentes y alumnos, y adaptando los planes de estudio a
las demandas actuales y futuras de la sociedad. La inclusión de habilidades en
herramientas digitales en el currículo potencia la adquisición de competencias
informáticas e informacionales esenciales para la competitividad laboral en un
entorno digital en constante evolución. (Gual Ramos, 2023)
La Electrónica de Potencia es una asignatura
fundamental en el currículo base de la carrera de Ingeniería Eléctrica,
impartida en todos los centros universitarios del país donde se ofrece esta
carrera. En la Universidad de Oriente, esta asignatura se enseña desde 1976 y
forma parte del plan de estudios "E" para el curso regular diurno en
el tercer año. Actualmente, en la carrera de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad de Oriente, la falta de componentes impide la realización de
prácticas de laboratorio físicas en Electrónica de Potencia, lo que dificulta
que los estudiantes adquieran habilidades prácticas esenciales. Además, la
escasez de computadoras y la obsolescencia tecnológica en los laboratorios de
computación de la Facultad de Ingeniería Eléctrica limitan su utilización por
parte de los estudiantes.
La tecnología educativa ha experimentado un rápido
avance, incorporando recursos tecnológicos con fines educativos, destacando la
creciente adopción de dispositivos móviles en el proceso de aprendizaje
(Rodríguez Vallejo et al., 2020). La integración de las TIC en la educación ha transformado
los métodos tradicionales de enseñanza y aprendizaje, mejorando la comprensión
de los contenidos y estimulando la motivación y el interés por aprender. El
aprendizaje móvil (m-learning), definido por la UNESCO, se basa en el uso de
tecnología móvil para facilitar el aprendizaje en cualquier momento y lugar,
caracterizado por dispositivos digitales portátiles, con acceso a Internet,
capacidades multimedia y versatilidad para diversas tareas (Medina López et
al., 2018).
La UNESCO resalta el potencial enriquecedor de las
tecnologías móviles en la educación, siendo los teléfonos móviles y las
tabletas herramientas innovadoras que facilitan el acceso a la información y
mejoran el proceso de aprendizaje (Yturralde Villagómez et al., 2020). Estos
dispositivos, como menciona (Medina López et al., 2018), ofrecen ventajas significativas
como la autonomía del estudiante, el desarrollo cognitivo integral, la
interacción mejorada entre estudiantes y profesores, la flexibilidad horaria,
la mejora en la calidad y creatividad de los materiales didácticos, y el
empoderamiento del estudiante en su aprendizaje (Lázara Rodríguez et al.,
2022). Los teléfonos inteligentes, inicialmente destinados a la comunicación,
han evolucionado para desempeñar un papel fundamental como herramientas
educativas.
El uso eficiente de las tecnologías es fundamental
para desarrollar habilidades teóricas y prácticas en la resolución de
problemas, siendo el docente un agente clave en la integración de recursos
digitales con fines pedagógicos y en la promoción de la innovación educativa (Martínez
Rodríguez et al., 2018; Díaz Companioni et al., 2020). Los dispositivos
móviles, ampliamente utilizados en la vida diaria debido a la variedad de
aplicaciones disponibles, se han vuelto casi indispensables para la juventud
(Rodríguez Vallejo et al., 2020). Por ello, se fomenta que los estudiantes
utilicen aplicaciones para simular circuitos, ya que las simulaciones son
útiles para promover cambios conceptuales, permitiendo modificar parámetros y
entornos experimentales sin las limitaciones asociadas a la manipulación de dispositivos
físicos (Castellano Sánchez et al., 2022; Carralero et al., 2023). Cuando el
docente sigue de manera completa las fases de ciertos procesos, el teléfono
inteligente puede convertirse en una herramienta poderosa para alcanzar
objetivos pedagógicos, como mejorar el rendimiento de los estudiantes (Basilio
Carrasco, 2021).
El objetivo de este artículo es proponer una
práctica de laboratorio sobre rectificadores no controlados en la asignatura de
Electrónica de Potencia utilizando la aplicación móvil EveryCircuit. Se busca
mitigar los efectos de la falta de componentes en el laboratorio de Electrónica
de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Oriente, para
permitir a los estudiantes aplicar de forma práctica los conceptos teóricos, mejorando
así su formación. La asignatura es parte del currículo base de la carrera de
Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Oriente. En el plan de estudios
actual "E" para el curso regular diurno, se imparten Electrónica de
Potencia 1 y Electrónica de Potencia 2 en el primer y segundo semestre del
tercer año. La práctica de laboratorio virtual propuesta se centra en el
análisis de rectificadores no controlados que se imparte en Electrónica de
Potencia 1, que son fundamentales para comprender los rectificadores
controlados y otras configuraciones de circuitos estudiadas en la asignatura.
Materiales y métodos
Los materiales utilizados son dispositivos móviles con
sistema operativo iOS o Android, versión 4.4 KitKat o superior, similar a (Santana
Garriga & Prieto Rodríguez, 2021), y la aplicación móvil EveryCircuit, un
simulador de circuitos electrónicos disponible gratuitamente en las tiendas de
aplicaciones de Google y Apple. Los métodos aplicados, de manera similar a (Hernández
Hernández & López Collazo, 2021), fueron el analítico-sintético para
establecer conexiones y analizar estudios sobre el uso de dispositivos móviles
y aplicaciones educativas en la enseñanza de la electrónica. La observación, como
método empírico según (Quetglas Pérez, 2022), para evaluar la asimilación y el
impacto de los dispositivos móviles y la aplicación EveryCircuit en el proceso
de enseñanza-aprendizaje a través de la interacción entre docentes y estudiantes,
centrándose en la experimentación práctica mediante simulación virtual de
circuitos y una evaluación basada en la observación del docente sobre la
interacción de los estudiantes, su comprensión y aplicación de conceptos, así
como su participación activa en discusiones grupales sobre los temas abordados
en la práctica.
Resultados y discusión
Según (Arroba Arroba & Acurio Maldonado, 2021), la vinculación
teoría-práctica en asignaturas universitarias puede lograrse a través de
laboratorios reales o virtuales, siendo estos últimos utilizados para
complementar los conocimientos de los estudiantes; en este contexto, la
práctica de laboratorio "Simulación de Rectificadores no controlados con
EveryCircuit" permite a los estudiantes implementar, modificar parámetros
y comprobar el funcionamiento de varias topologías de circuitos rectificadores
no controlados, empleando la aplicación móvil EveryCircuit, lo que contribuye a
vincular la teoría con la práctica en la asignatura de Electrónica de Potencia.
Procedimiento
para la simulación en EveryCircuit
Una vez instalada la
aplicación, se ejecuta. En la Figura 1 (a) se
visualiza el icono de la aplicación en el dispositivo móvil. La ventana de
carga de la aplicación se presenta brevemente Figura 1 (b), primero
se muestran ejemplos en la pestaña "Examples" ubicada en la barra
superior, que incluyen simulaciones de circuitos y sus explicaciones de
funcionamiento, tal como se indica en la Figura 1 (c).
Figura 1. (a) Icono de la aplicación EveryCircuit, (b) Pantalla
de inicio de la aplicación, (c) Ventana principal de la aplicación. (Fuente:
Elaboración propia)
Montaje del circuito rectificador monofásico de media
onda no controlado
El estudiante comienza creando un nuevo proyecto al seleccionar la
pestaña "Workspace" en la ventana principal de la aplicación Figura 2 (a). Al optar por "Create new circuit", se accede a la ventana
de trabajo Figura 2 (b) que muestra los componentes disponibles para la simulación en la
barra superior. Al elegir un componente, este se agrega al área de trabajo Figura 2 (c). En este caso, se selecciona una fuente de corriente alterna, un
diodo y una resistencia para representar la carga del circuito en la
simulación.
Figura 2. (a) Creación de un nuevo proyecto en EveryCircuit, (b) Ventana de
trabajo, (c) Selección de los componentes del circuito
Configuración de
los componentes del circuito
El estudiante puede modificar los parámetros de cada componente
seleccionando el componente deseado, el cual se resalta en color amarillo, y
aparece una barra en la parte inferior de la aplicación Figura 2 (c). Al presionar el icono de una llave de tuercas en esta barra, se
despliega un menú donde el usuario puede ajustar ciertos parámetros del
componente. En la Figura 3 (a) se muestra el menú de configuración de la fuente de corriente
alterna que alimentará el circuito, permitiendo modificar la tensión de DC, la
amplitud, la frecuencia, el ángulo de desfase y el tipo de señal. Este proceso
de ajuste de parámetros es similar para el diodo Figura 3 (b) y la resistencia Figura 3 (c). Para efectuar la simulación se ajusta la amplitud de la fuente con
un valor Vm =110 V (amplitud máxima de la señal), una
frecuencia de f = 60 Hz, un desfasaje φ = 0⁰ (por
defecto), al diodo no se le modifica ningún parámetro y a la resistencia se le
asigna un valor de RL = 1 kΩ.
Figura 3. (a) Ajuste de los parámetros de la fuente de CD, (b) Ajuste de los
parámetros del diodo, (c) Ajuste del valor de la resistencia
Simulación e
interpretación de los resultados
El esquema del circuito se presenta en la Figura 4 (a), donde se han incluido dos voltímetros identificados por un círculo
con la letra "V" y un amperímetro representado por un círculo con la
letra "A". En la parte inferior de la ventana, se encuentra un botón
con un triángulo amarillo y la letra "t" que inicia la simulación.
Antes de ejecutar la simulación, para visualizar las señales de tensión de la
fuente y de la resistencia, se debe seleccionar cada voltímetro Figura 4 (b), cambiando su color al hacerlo.
Al seleccionar un voltímetro, aparece un icono de un ojo en la barra
inferior, que activa el osciloscopio al presionarlo. Durante la simulación Figura 4 (c), se puede observar la señal de tensión de la fuente (azul), la
tensión en la resistencia (verde) y la corriente representada por puntos
móviles en el circuito. La simulación se detiene al presionar el botón con una
barra y dos triángulos apuntando hacia ella en la parte inferior.
Figura 4. (a) Circuito terminado, (b) Selección de los voltímetros y activación
de sus osciloscopios, (c) Ejecución de la simulación, señales de tensión de la
fuente (azul) y en la resistencia (verde)
Una vez que se detiene la simulación, para poder observar la señal de la
corriente en la resistencia a través del amperímetro, primeramente, se
desactivan los osciloscopios de los voltímetros, se seleccionan nuevamente, Figura 5 (a), y en la parte inferior se presiona sobre el botón del ojo el
cual aparecerá con una x en el centro, esto indica que el osciloscopio
está activado en el elemento seleccionado, al presionar sobre el botón, queda
desactivado el osciloscopio, en el caso del amperímetro, Figura 5 (b) la activación/desactivación de su osciloscopio se realiza de la
misma manera que para los voltímetros, la simulación se ejecuta presionando
sobre el botón de un triángulo amarillo con la letra t en la parte inferior de
la ventana y automáticamente en la parte superior de la ventana, Figura 5 (c) se muestra la señal de la
corriente (azul) que circula por la resistencia.
Figura 5. (a) Desactivación de los osciloscopios en los voltímetros, (b)
Selección del amperímetro y activación de su osciloscopio (c) Señal de
corriente (azul) en la resistencia
Simulación del
circuito rectificador monofásico de onda completa no controlado
En la Figura 6 (a) se muestra el esquema del circuito rectificador monofásico de onda
completa no controlado o puente de diodos con dos voltímetros y el amperímetro,
siguiendo el mismo procedimiento descrito en los epígrafes anteriores, una vez
que se activan los osciloscopios de los voltímetros y se ejecuta la simulación,
Figura 6 (b) se muestra en la parte superior el osciloscopio con la señal de la
tensión de la fuente (azul), la tensión rectificada en la resistencia (verde) y
la circulación de la corriente sobre el circuito.
Si el usuario desea ver la señal de corriente, se detiene la simulación,
se desactivan los osciloscopios de los voltímetros, se activa el del
amperímetro y se ejecuta nuevamente la simulación, Figura 6 (c), mostrándose en la parte superior de la ventana la señal de la
corriente que circula por la resistencia.
Figura 6. (a) Esquema
del circuito rectificador monofásico de onda completa no controlado, (b)
Señales de tensión de la fuente (azul) y en la resistencia (verde), (c) Señal
de corriente (azul) del amperímetro
Simulación
del rectificador trifásico
En la Figura 7 (a) se muestra el rectificador trifásico de onda completa, este circuito
se alimenta de una fuente trifásica (tres fuentes monofásicas). Los
instrumentos empleados son un amperímetro y un voltímetro para observar la
señal de la tensión y la corriente en la resistencia. Para graficar la señal de
tensión de la fuente trifásica, se activa el osciloscopio en las fases de la
fuente, las cuales aparecen coloreadas según se muestra en la Figura 7 (a).
Al ejecutar la simulación la señal de tensión, Figura 7 (b), aparece en la parte superior de la ventana, nótese que los colores
de las señales se corresponden con los elementos del circuito en los que se
activó el osciloscopio. Para observar la señal de la corriente en la
resistencia, se desactivan los osciloscopios anteriores y se activa el del
amperímetro, al ejecutar la simulación se muestra la señal de la corriente que
circula por la resistencia en la parte superior de la ventana, Figura 7 (c).
Figura 7. (a) Esquema del circuito rectificador trifásico, (b) Señales de tensión
en cada una de las fases de la fuente (azul, verde y mandarina) y en la
resistencia (rojo), (c) Señal de corriente (azul) en el amperímetro
Es fundamental que el docente aclare a los estudiantes las diferencias
entre los instrumentos de medición utilizados en el laboratorio real.
El voltímetro y el amperímetro proporcionan lecturas
numéricas de magnitudes específicas: en el caso de la corriente alterna, ambos
miden el valor eficaz, mientras que, en la corriente continua, miden
el valor medio. En contraste, el osciloscopio no solo muestra
valores numéricos, sino que ofrece una representación gráfica que ilustra cómo
varían las señales eléctricas a lo largo del tiempo, permitiendo un análisis
visual y dinámico de su comportamiento. Es importante evitar la idea errónea de
que el voltímetro y el amperímetro pueden generar gráficos de señales, ya que
solo presentan números. Por lo tanto, el docente debe aclarar estas diferencias
antes de iniciar la práctica virtual.
Tareas a
realizar por los estudiantes en la práctica
- Implementar y simular los circuitos del:
rectificador monofásico de media onda, el rectificador monofásico de onda
completa con puente de diodos y el rectificador trifásico.
- Modificar los parámetros de los elementos que
conforman el circuito en cada simulación e interpretar los resultados.
- Cambiar la carga en cada circuito, colocar un
diodo emisor de luz, observar la forma de onda de la señal en cada caso.
Preguntas de
comprobación efectuadas por el docente
- ¿Cuál es la diferencia entre un voltímetro, un
amperímetro y un osciloscopio?
- ¿En qué tipo de corriente se utilizan las
mediciones de valor eficaz y valor medio?
- ¿A qué se le denomina circuito rectificador
controlado y no controlado?
- ¿A qué se le denomina Rectificado de una señal
de alterna?
- ¿Qué sucede con la tensión y la corriente a
medida que la resistividad de la carga aumenta?
Ejercicio
propuesto como estudio independiente
El ejercicio de estudio independiente se titula: “Análisis de
Rectificador de Media Onda con Transformador Reductor”. Como parte del proceso
de aprendizaje, se propone un ejercicio de estudio independiente que permita a
los estudiantes profundizar en los conceptos y habilidades adquiridos durante
la práctica de laboratorio sobre rectificadores no controlados. En este
ejercicio, los estudiantes deberán simular un circuito rectificador de media
onda, pero con la adición de un transformador reductor entre la fuente y el
circuito, tal como se muestra en la Figura 8. Se espera que los estudiantes realicen un análisis similar al efectuado
en la práctica de laboratorio, pero enfocándose en investigar la razón por la cual
la señal de corriente en el primario del transformador presenta distorsión. El
objetivo de este ejercicio es que los estudiantes puedan ejercitar y consolidar
las habilidades adquiridas en el manejo de la aplicación de simulación
EveryCircuit, a la vez que profundizan en su comprensión de los fenómenos que
provocan la distorsión de las señales de corriente en circuitos rectificadores
no controlados. Al finalizar el ejercicio, el docente evaluará el desempeño de
los estudiantes mediante una calificación promedio, considerando el
cumplimiento de las tareas asignadas y la calidad de los análisis e
investigaciones realizados.
Figura 8. Rectificador de media onda alimentado con un transformador.
Elementos
didácticos e impactos en el proceso de enseñanza-aprendizaje de la aplicación
EveryCircuit
La aplicación EveryCircuit, como herramienta de simulación móvil en la
enseñanza de la Electrónica de Potencia, presenta diversos elementos didácticos
que permiten abordar las problemáticas relacionadas con la tecnología, los
usuarios y el profesorado, descritas por (Álvarez Medina & Medina Ocampo, 2021).
En cuanto a las dificultades tecnológicas, EveryCircuit ha sido diseñado para
funcionar en una amplia gama de dispositivos móviles con sistemas operativos
iOS y Android, minimizando problemas de compatibilidad. Además, la aplicación
no requiere una conexión a Internet, permitiendo su uso offline una vez
descargada, lo que la hace menos dependiente de la conectividad. Para abordar
las dificultades relacionadas con los usuarios, EveryCircuit ofrece una interfaz
intuitiva y amigable, reduciendo la curva de aprendizaje y evitando la
frustración ante problemas técnicos.
Al ser una aplicación gratuita y de fácil acceso, contribuye a disminuir
las brechas de exclusión digital, democratizando el acceso a herramientas de
simulación. En cuanto a las dificultades del profesorado, EveryCircuit
proporciona recursos didácticos y guías de uso que facilitan la elaboración de
nuevos materiales y la integración de la aplicación en el proceso de
enseñanza-aprendizaje. Asimismo, su diseño intuitivo y la disponibilidad de
tutoriales y documentación en línea, ayudan a reducir la inseguridad del
profesorado en el manejo de la tecnología. En resumen, la aplicación
EveryCircuit, al ser una herramienta móvil de simulación, ofrece soluciones a
diversas problemáticas que pueden surgir en la integración de las TIC en la
educación, convirtiéndose en un recurso valioso para la enseñanza de la
Electrónica de Potencia
Conclusiones
La implementación de la aplicación móvil
EveryCircuit en la práctica de laboratorio de rectificadores no controlada en
el grupo de tercer año de Ingeniería Eléctrica ha demostrado ser altamente
beneficiosa. Se ha observado un mayor protagonismo de los estudiantes, quienes
han logrado una mejor comprensión del funcionamiento de los circuitos
analizados, eliminando la incertidumbre y el estrés asociados a la
conceptualización teórica. La facilidad de uso y la disponibilidad de
EveryCircuit han motivado a los jóvenes estudiantes, facilitando el análisis de
los circuitos rectificadores y fomentando un aprendizaje más activo y
participativo. Esta práctica no solo ha enriquecido la experiencia de
aprendizaje, sino que también se presenta como una herramienta efectiva para
evaluar y consolidar los conocimientos adquiridos en la asignatura de
Electrónica de Potencia, especialmente en lo referente a los rectificadores no
controlados.
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