MÓDULO DE FÍSICA ELECTRÓNICA

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1 MÓDULO DE FÍSICA ELECTRÓNICA Elaborado para la UNAD por: Freddy Reynaldo Téllez Acuña 1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD Docente de la Unad. Ingeniero Electricista UIS. Magíster en Potencia Eléctrica UIS.

2 UNIDADES DIDÁCTICAS DEL CURSO El contenido del curso se presenta en la siguiente matriz: UNIDAD CAPÍTULO TEMAS 1. FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD 1.1 NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD 1.2 CIRCUITOS ELÉCTRICOS 1.3 ELECTROSTÁTICA Y ELECTROMAGNETISMO El electrón La corriente eléctrica Fuentes de electricidad Componentes de un circuito eléctrico Fuerza electromotriz Ley de Ohm Resistencia eléctrica Potencia eléctrica Circuitos serie y paralelo Leyes de Kirchhoff Corriente continua y alterna Capacitancia Condensadores Condensadores en serie y paralelo Campos magnéticos Inductancia Inductancias en serie y paralelo El transformador 2. FUNDAMENTOS DE SEMICONDUCTORES 2.1 INTRODUCCIÓN A LOS SEMICONDUCTORES 2.2 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Estructura atómica Aisladores, conductores y semiconductores Tipo de materiales: N y P Unión P-N El diodo Otros tipos de diodos El transistor Circuitos Integrados Otros dispositivos 2

3 3. FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA DIGITAL 3.1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL 3.2 CIRCUITOS COMBINACIONALES 3.3 CIRCUITOS SECUENCIALES Conceptos Introductorios Compuertas lógicas Implementación de funciones lógicas Teoremas Booleanos Circuitos aritméticos Comparadores Codificadores y Decodif Multiplexores y Demux Biestables y flip-flops Registros Contadores 3

4 PRESENTACIÓN Nuestro país progresivamente ha venido entrando en la modernización tecnológica, que hasta hace algunos años era aplicada sólo en países altamente industrializados. Este avance continuo y vertiginoso en la transformación de nuestras industrias, hace imprescindible para muchas personas obtener una información rápida y clara sobre las bases en las que se soporta todo este desarrollo. El presente Módulo, elaborado para el curso de Física Electrónica de la UNAD, tiene entonces como finalidad principal ubicar al estudiante dentro del contexto de la electricidad y la electrónica básica, por medio de una formación de carácter analítico y conceptual, mediante el desarrollo de habilidades y destrezas prácticas, necesarias para que los estudiantes se enfrenten con cierta propiedad ante las situaciones que puedan surgir en esta sociedad tecnificada. Esta formación ha de servir al estudiante para que se familiarice con los pilares físicos en los que, por un lado, se sustenta la actual era de la electrónica y las telecomunicaciones y, por otro, se construye el conocimiento acerca de la ingeniería aplicada y las nuevas tecnologías. El Módulo contiene, entre otras, las siguientes temáticas: Conceptos de electricidad y electrónica. Elementos y tipos de circuitos eléctricos. Leyes básicas de los circuitos eléctricos. Descripción general de los principales elementos electrónicos. Teoría de los elementos semiconductores. Fundamentos de la electrónica digital. Deseo finalmente que este texto sirva para enriquecer sus conocimientos y le permita desempeñarse mejor en nuestra sociedad. Cualquier comentario o sugerencia que nos pueda brindar para el mejoramiento de este material, será gratamente recibido. 4

5 INTRODUCCIÓN Los dispositivos electrónicos y digitales, basados principalmente en componentes semiconductores y circuitos integrados, son los pilares de la tecnología moderna. Teléfonos móviles, computadoras, televisores, equipo de audio, aparatos domésticos y equipo para el control y la automatización industrial, hacen parte de nuestro entorno y nuestro diario vivir. La electrónica se ha convertido tanto en un estímulo como en una parte integral del crecimiento y desarrollo tecnológico actual en los diferentes países. Por tal motivo, el estudio de tópicos relacionados con la electrónica ( fundamentos físicos, características de operación y aplicaciones ), se constituye en un componente esencial para todo profesional de cualquier ingeniería, en especial, para aquellos relacionados con la computación, las redes y las telecomunicaciones. Las décadas que siguieron a la introducción del transistor, en los años cuarenta, experimentaron un cambio sumamente drástico en la industria electrónica; el cual no ha dado tregua hasta nuestros días, evidenciándose en la miniaturización y complejidad de funciones de todos los dispositivos que nos rodean. En la actualidad se encuentran sistemas completos en una oblea miles de veces menor que el más sencillo elemento de las primeras redes electrónicas. En algunos campos, la electrónica juega un papel tan importante, que sin ésta, nunca se hubiera llegado a su desarrollo presente. Como ejemplo podemos citar algunos de los más importantes, Las telecomunicaciones: sin los transmisores y receptores electrónicos sería imposible la comunicación rápida y móvil, tal como se conoce actualmente. La automatización industrial: en este campo la mayor parte de los dispositivos de control y monitoreo son electrónicos. También la computación y el procesamiento de datos son áreas que requieren de la electrónica. 5

6 El mundo actual exige entonces al futuro profesional, familiarizarse con la electrónica analógica y digital, como componente imprescindible de la tecnología y el desarrollo de nuevos campos productivos. Como se ha apreciado hasta el momento, los conceptos a tratar en este curso están íntimamente ligados a su profesión y son de gran importancia dentro del proceso de formación integral de todo ingeniero. El manejo de los diferentes temas y la comprensión de los principales conceptos del curso, le darán una visión más amplia de su carrera y proyectarán sus posibilidades de desempeño profesional. 6

7 UNIDAD 1 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD CONTENIDOS Capítulo 1. Naturaleza de la Electricidad 1. El Electrón 2. La Corriente Eléctrica 3. Fuentes de Electricidad Capítulo 2. Circuitos Eléctricos 1. Componentes de un Circuito Eléctrico 2. Fuerza Electromotriz 3. Ley de Ohm 4. Resistencia Eléctrica 5. Potencia Eléctrica 6. Circuitos Serie y Paralelo 7. Leyes de Kirchhoff 8. Corriente Continua y Alterna Capítulo 3. Electrostática y Electromagnetismo 1. Capacitancia 2. Condensadores 3. Condensadores en Serie y Paralelo 4. Campos Magnéticos 5. Inductancia 6. Inductancias en Serie y Paralelo 7. El Transformador 7

8 CAPÍTULO 1. NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD La electricidad es una de las principales formas de energía usada en el mundo actual. Se emplea en todas partes: en las comunicaciones, en el transporte, en la industria, en el hogar, en nuestro trabajo, etc. Fue descubierta por los griegos cuando observaron que el ámbar al ser frotado se cargaba con una fuerza misteriosa, de tal manera que podía atraer cuerpos livianos como hojas secas y viruta de madera. Los griegos denominaron al ámbar como elektron, de donde se derivó el nombre de electricidad. Posteriormente el señor William Gilbert clasificó los materiales según como se comportaban con el ámbar en eléctricos y no eléctricos. Más tarde Charles Dufay concluyó que existían dos tipos de electricidad, debido a que observó que al cargar un trozo de vidrio, este atraía algunos objetos cargados pero rechazaba a otros. Benjamín Franklin dio los nombres de electricidad positiva y negativa a los dos tipos de electricidad mencionados por Dufay. EVALUACIÓN DE CONCEPTOS PREVIOS Qué partículas atómicas componen un átomo? Qué es electricidad? Qué es electrónica? Qué hace un ingeniero electricista? Y un ingeniero electrónico? Qué equipos, elementos y/o dispositivos asocia con cada ciencia? Qué es la corriente eléctrica? Cómo se puede generar la energía eléctrica? 8

9 1. EL ELECTRÓN Antes de ocuparnos directamente del electrón, demos un breve repaso al concepto de materia. Materia es todo lo que tiene masa y ocupa un lugar en el espacio, puede encontrarse en forma sólida, líquida o gaseosa. Los materiales básicos de toda materia son los elementos de la tabla periódica. Todo lo que nos rodea está formado de elementos y su combinación produce lo que se llama compuestos, los cuáles tienen características muy diferentes a las de los elementos que los constituyen. Ejemplo : el agua ( H 2 O ) es un compuesto de Hidrógeno ( gas ) Oxígeno ( gas ) Los átomos son la parte más pequeña en que se puede reducir un elemento simple sin que se pierdan sus características físicas y químicas, por lo tanto, toda la materia tiene átomos. Ahora bien, si el átomo de un elemento se divide más deja de existir y lo que tendremos serán partículas sub-atómicas. La cantidad de estas partículas son las que hacen que el átomo de un elemento sea diferente al átomo de otro elemento. Todo átomo está formado por las siguientes partículas sub-atómicas: electrones, protones y neutrones. Fuente: 9

10 Los electrones tienen carga negativa y giran en diferentes órbitas alrededor del núcleo. Los electrones de la órbita más externa del átomo se llaman electrones de valencia y son los de mayor interés dentro de este curso. Los protones tienen carga positiva y se encuentran en el núcleo del átomo. Los neutrones, no tienen carga y se encuentran en el núcleo del átomo. En condiciones normales el número de electrones es igual al número de protones, lo cual hace que el átomo sea eléctricamente neutro. El número de protones determina la diferencia entre los átomos y viene dado por el número atómico. Para ilustrar lo anterior, se presenta en la siguiente figura, el átomo del Oxígeno. 8 protones 8 electrones Átomo de Oxígeno Fuente: Cuando un electrón se encuentra en la capa externa de su átomo, la atracción producida por el núcleo será mínima. Si se aplica entonces suficiente energía al átomo, algunos de los electrones situados en la capa externa lo abandonarán. Esos electrones reciben el nombre de electrones libres y su movimiento será el causante de la corriente eléctrica en un conductor. La energía mencionada anteriormente, puede ser producida por fricción, calor, luz, magnetismo, presión, reacciones químicas, fenómenos físicos y hasta nucleares. Así como algunos átomos pueden perder electrones, otros pueden ganarlos. Es posible provocar la transferencia de electrones de un objeto a otro. Cuando esto sucede se altera la distribución de cargas, dando origen a objetos con exceso de electrones, a los que llamaremos con carga negativa ( - ) y a objetos con 10

11 deficiencia de electrones, o lo que es lo mismo, exceso de protones, que serán llamados con carga positiva ( + ) Vale la pena recordar en este momento, la famosa Ley de las Cargas Eléctricas, la cual puede expresarse así : cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen La magnitud de la carga eléctrica que posee un cuerpo, se determina por la relación existente entre el número de electrones y protones que hay en dicho cuerpo. El símbolo para la carga eléctrica es Q, y la unidad para expresarla es el coulomb ( C ). Una carga negativa de 1 coulomb nos indica que el cuerpo contiene 6,25 x más electrones que protones. 2. LA CORRIENTE ELÉCTRICA Podemos definir la corriente eléctrica, como el paso o movimiento de electrones a través de un circuito o trayectoria cerrada. Esto sucede cuando se desprenden los electrones de la órbita de valencia de un átomo y pasan al otro sucesivamente, creando de esta forma un flujo de electrones. La teoría electrónica nos dice que los electrones siempre se desplazan de un potencial negativo hacia un potencial positivo. Entonces, para que exista una corriente eléctrica se necesita, además de la trayectoria cerrada para los electrones, una diferencia de potencial eléctrico que los impulse. ( más adelante definiremos formalmente esta diferencia de potencial y la llamaremos voltaje ) Supongamos que tenemos un material conductor y que en sus extremos aplicamos una diferencia de potencial con una batería. Fuente: Adaptado de 11

12 Los electrones se mantienen en movimiento porque los que son repelidos por el lado negativo de la batería son atraídos por el lado positivo de la misma. Por cada electrón que entre a la fuente, saldrá uno por el otro extremo y esto ocurrirá mientras exista la diferencia de potencial en la fuente. Si la fuente se interrumpe no habrá quién empuje ni atraiga electrones y la corriente desaparecerá. La intensidad ( I ), el amperaje o la corriente en un circuito eléctrico es lo mismo y se define como la cantidad de electrones ( carga negativa ) que circula en un conductor por unidad de tiempo. I = Q / t La unidad de medida de la corriente eléctrica, es el amperio ( A ) y equivale al paso de una carga de un coulomb en un segundo. 3. FUENTES DE ELECTRICIDAD [1] La electricidad puede ser generada por múltiples procesos y formas: por acción química, magnetismo, fricción, calor, luz, presión, entre otras. A continuación se describen algunos de los procesos más interesantes para la producción de la energía eléctrica. 3.1 Acción Química En 1883, Michael Faraday observó que el agua pura era un aislador casi perfecto, mientras que las soluciones acuosas de ciertas sustancias eran conductoras de la electricidad. Una solución que conduce la corriente eléctrica es un electrolito. Este fenómeno va acompañado de efectos químicos secundarios como la electrólisis y la electrosíntesis. La primera es la acción de separar los componentes de una sustancia, como por ejemplo el agua, en oxígeno e hidrógeno y la segunda consiste en depositar en un electrodo, un metal disuelto en forma de sales, por ejemplo el anodizado. Si se introducen dos electrodos de platino en una solución diluida de ácido sulfúrico y se les suministra un voltaje moderado, del electrodo negativo empezaran a salir burbujas de hidrógeno y del electrodo positivo saldrán burbujas de oxigeno y se pueden recoger estos gases en tubos de ensayo invertidos. 12

13 Después de que la electrólisis ha tenido lugar durante algún tiempo, los electrodos pueden ser desconectados del generador y conectados a un galvanómetro o equipo de medición. Se observará entonces una corriente instantánea en sentido opuesto, indicando que durante un instante ha existido un voltaje opuesto, producido por el hecho que un electrodo esta cubierto con hidrógeno y el otro con oxígeno. La combinación de dos sustancias distintas en un electrolito constituye el principio de una pila galvánica. Fuente: Consideremos otro caso en el cual los electrodos reaccionan con las sustancias depositadas sobre ellos. Supongamos dos electrodos de plomo sumergidos en ácido sulfúrico diluido. Se libera hidrógeno en el polo negativo como si el electrodo fuera de platino, pero el oxígeno liberado en el electrodo positivo se combina ahora con el plomo para formar bióxido de plomo PbO 2. Al cabo de un cierto tiempo se suprime el generador y se sustituye por un galvanómetro. Se observará una corriente en sentido inverso que indica la existencia de un voltaje inverso. Las medidas indican que este voltaje es de 2 voltios aproximadamente. En condiciones adecuadas, dos sustancias diferentes y un electrolito pueden disponerse de modo que el voltaje no sea transitorio, sino que puedan permanecer más o menos constante mientras se suministra corriente a un circuito exterior. Tal dispositivo se denomina pila voltaica o pila galvánica en honor de Volta y Galvani, que fueron quienes primero lo estudiaron. Estos principios son los que han venido siendo desarrollados hasta tener los diferentes tipos de pilas y baterías que vemos hoy en día. 13

14 3.2 Magnetismo La generación actual de energía eléctrica a gran escala, no sería factible económicamente si los únicos generadores de voltaje disponibles fueran de naturaleza química tales como pilas secas y baterías. Una opción bastante conveniente para la producción de energía eléctrica, es hacer interactuar un campo magnético con un conjunto de alambres conductores que se encuentren en su interior. La siguiente figura representa un conductor ( espira conductora ), situado dentro de un campo magnético uniforme, el cual es producido por un par de imanes permanentes. Si se pone el conductor en movimiento se producirá un voltaje inducido en los terminales de la espira. Este es el principio del funcionamiento de un generador eléctrico. Fuente: El generador eléctrico, es entonces, una máquina que hace uso de la inducción electromagnética, para producir voltaje por medio de bobinas de alambre que giran en un campo magnético estacionario o por medio de un campo magnético giratorio que pasa por un devanado estacionario. En la actualidad más del 95% de la energía eléctrica del mundo es producida por generadores. 3.3 Células solares Una célula solar es un dispositivo semiconductor que absorbe la energía radiante del sol y la convierte directa y eficientemente en energía eléctrica. 14

15 Las células solares se pueden usar individualmente como detectores de luz, por ejemplo en cámaras, o conectadas una tras otra para obtener los valores requeridos de corriente y voltaje en la generación de energía eléctrica. Fuente: La mayoría de las células solares están hechas de cristal de silicio y han sido antieconómicas para generar electricidad, excepto para satélites espaciales y áreas remotas donde las fuentes de potencia convencionales no se encuentran disponibles. Investigaciones recientes han mejorado el desempeño de estas células y al mismo tiempo han disminuido el costo de manufactura y materiales. Una forma es utilizando concentradores ópticos como espejos y lentes, para enfocar la luz solar en células solares de menor área. La conversión de luz solar en energía eléctrica en una célula solar, involucra tres procesos: la absorción de la luz solar en el material semiconductor; la generación y separación de cargas libres positivas y negativas, las cuales se mueven a diferentes regiones de la célula solar, y la transferencia de esas cargas separadas a través de terminales eléctricos a la aplicación externa en forma de corriente eléctrica. Fuente: 15

16 CAPÍTULO 2. CIRCUITOS ELÉCTRICOS La electricidad, junto con los circuitos eléctricos, hacen parte de nuestro diario vivir y se han constituido en un elemento imprescindible en los hogares e industrias del mundo entero. Sin embargo desconocemos aspectos tan importantes como la forma de transmisión y distribución de la energía eléctrica hasta nuestros hogares, las leyes físicas y matemáticas que rigen su comportamiento y confundimos en algunas ocasiones las magnitudes y unidades relacionadas con ella. Es por esto que en el presente capítulo, estudiaremos, con cierta profundidad, los aspectos más relevantes relacionados con los circuitos eléctricos, sus componentes, magnitudes y leyes de comportamiento, y las aplicaremos en la solución de diversos ejercicios y situaciones en las que se involucran dichos conceptos. EVALUACIÓN DE CONCEPTOS PREVIOS Qué elementos componen un circuito eléctrico? Qué es la resistencia eléctrica? Qué es el voltaje o fuerza electromotriz? De qué depende que un electrodoméstico o equipo electrónico requiera mayor potencia eléctrica que otro? Qué equipos o elementos me permiten medir las anteriores magnitudes eléctricas? Qué características tiene un circuito paralelo? En qué consisten las leyes de Ohm y Kirchhoff? Qué diferencias existen entre la corriente continua y la corriente alterna? 16

17 1. COMPONENTES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico práctico consta por lo menos de cuatro componentes: a. Una fuente de energía eléctrica ( fuente de voltaje ) b. Una carga o elemento de consumo c. Elementos de conexión o conductores d. Un medio de control o interruptor a. c. b. d. Fuente: La corriente eléctrica convencional, a diferencia del flujo de electrones, sale por el terminal positivo de la fuente de voltaje, circula a través de los conductores hasta la carga y regresa nuevamente a la fuente por el otro extremo. Vale la pena aclarar que la carga es simplemente el elemento que aprovecha la energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía, ya sea lumínica, térmica, etc. Todo circuito eléctrico debe tener un interruptor o medio de control, que le permita a la corriente que circule por él, sólo cuando sea necesario. Como consecuencia de esto, un circuito eléctrico puede estar cerrado o abierto. Decimos que tenemos un circuito eléctrico cerrado cuando la corriente eléctrica circula sin inconvenientes desde un terminal de la fuente hasta el otro. Si por el contrario la corriente eléctrica no regresa a la fuente, es porque el interruptor se accionó y el circuito se encuentra ahora abierto. 17

18 2. FUERZA ELECTROMOTRIZ [1] No podemos continuar el desarrollo de la temática del curso, sin incluir una definición de la Fuerza Electromotriz ( F.E.M. ), también conocida como VOLTAJE ( V ) o Diferencia de Potencial. La fuerza electromotriz se define formalmente como la capacidad de efectuar un trabajo, consistente en mover una carga, por atracción o repulsión, desde un polo hasta el otro polo de la fuente de alimentación. Podemos decir también que es la fuerza necesaria para hacer mover los electrones en un circuito eléctrico. Como la fuerza electromotriz es trabajo por unidad de carga, la unidad básica de medida de la F.E.M. en el sistema mks es el Julio por Coulomb, que en su forma abreviada se conoce como el voltio ( V ). Por consiguiente, el voltaje puede expresarse en voltios. F.E.M. = W / Q Para aclarar un poco más este concepto, analicemos el siguiente ejemplo. La F.E.M. de una batería corriente de automóvil es de unos 12 voltios, o sea, de 12 Julios/Coulomb. Esto quiere decir que por cada Coulomb que pasa a través de la batería ( o cruza una sección del circuito en la cual esta conectada la batería ) 12 Julios de energía interna se convierten en energía eléctrica. Los elementos más comunes que nos suministran Fuerza Electromotriz o Voltaje son las baterías, las pilas y los tomacorrientes. 3. LEY DE OHM La ley de OHM establece una relación entre tres magnitudes eléctricas fundamentales y se enuncia de la siguiente manera: el voltaje entre los extremos de muchos tipos de materiales conductores es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de el, siendo la constante de proporcionalidad la resistencia eléctrica de dicho material La ley de OHM se expresa matemáticamente con la siguiente ecuación: Voltaje = Resistencia x Corriente V = R x I 18

19 Esta ecuación trae como consecuencia la definición matemática de la corriente. La corriente eléctrica es igual al voltaje dividido entre la resistencia eléctrica. También que la resistencia eléctrica es igual al voltaje dividido entre la corriente. A continuación se ilustran estas ecuaciones por medio del triángulo de la ley de Ohm. Si se quiere conocer la ecuación para V, I, o R ; sólo debe cubrirse con el dedo la magnitud eléctrica que se desea encontrar. Fuente: V = R x I I = V / R R = V / I Ejemplo. Encuéntrese la corriente eléctrica ( I ) que circula por el circuito, cuando una pila de 1,5 voltios alimenta una carga cuya resistencia eléctrica es de 20 ohmios. Fuente: Para encontrar la corriente eléctrica ( I ) del circuito, conociendo el voltaje y la resistencia, empleamos la siguiente ecuación: I = V / R Sustituyendo los valores, I = 1,5 V / 20 = 0,075 A Tenemos entonces, que por el circuito circula una corriente de 0,075 amperios, es decir, de 75 miliamperios ( ma ) 4. RESISTENCIA ELÉCTRICA En las expresiones anteriores aparece el término resistencia eléctrica. Vamos ahora a definir su significado físico, unidades y comportamiento. 19

20 La resistencia eléctrica es la oposición o dificultad que ofrece un material al paso de los electrones. Entre más resistencia esté presente en un circuito eléctrico, más difícil es la circulación de corriente por el. La unidad de medida de la resistencia eléctrica es el ohmio, el cual se representa por la letra griega omega ( ) Físicamente la resistencia eléctrica se asocia con los resistores, es decir, aquellos elementos cuya resistencia eléctrica al paso de la corriente tiene un valor conocido. Estos resistores representan generalmente al elemento de carga o de consumo en muchos circuitos prácticos. 4.1 Resistores. Los resistores o resistencias eléctricas son los elementos de mayor empleo en el ramo de la electrónica. Su función es controlar o limitar la corriente que fluye a través de un circuito eléctrico, presentando oposición al paso de la corriente eléctrica. Símbolos de Resistores Fijos Símbolos de Resistores Variables Fuente: Fuente: Según su funcionamiento se pueden clasificar en: Resistores Fijos Resistores Variables Resistores Fijos. Los resistores fijos son aquellos cuyo valor óhmico no se puede alterar o variar después de su fabricación. Según su construcción se pueden dividir en: resistores con composición de carbono y resistores de alambre arrollado. 20

21 a. Resistores con composición de carbono. Estos resistores se elaboran con base en una mezcla de grafito ( carbón ) y un aglutinante, generalmente aislante. El valor de la resistencia depende de la relación entre el grafito y el aglutinante. De hecho si el contenido de carbón es alto, el valor óhmico del resistor es bajo y viceversa. La mezcla de los dos materiales se deposita a presión en una pequeña cápsula de vidrio, en cuyos extremos se colocan un par de terminales. Posteriormente se recubre el conjunto por una capa de baquelita sobre la que se imprime, en forma de franjas circulares, un código de colores que más adelante estudiaremos. Fuente: Adaptado de Los resistores con composición de carbono suelen tener empleo en casi todos los circuitos electrónico, incluyendo circuitos de audio y radiofrecuencia de bajo costo y donde la calidad no sea un factor muy determinante. Cabe anotar que su tamaño es pequeño y depende de su potencia de trabajo. b. Resistores de alambre arrollado. Los resistores de alambre arrollado o bobinado, están elaborados por un alambre resistivo de níquel-cromo o de ferro-níquel, enrollado sobre una barra tubular de porcelana o cerámica. Encima se le deposita una capa de esmalte aislante a base de material cerámico vitrificado. Estos resistores son menos comunes en equipos electrónicos debido a su tamaño y a su alta tolerancia. 21

22 Fuente: Resistores Variables. Estos resistores son aquellos cuyo valor óhmico se puede variar dentro de un rango considerable, según necesite el usuario. Reciben también el nombre de potenciómetros o reóstatos. En los potenciómetros el cuerpo resistivo está elaborado con base en carbón depositado sobre una herradura de baquelita, mientras que en los reóstatos el elemento resistivo es alambre. Fuente: Fuente: En el potenciómetro se encuentra un contacto móvil o cursor sobre el elemento resistivo. La posición de dicho cursor determina la resistencia eléctrica en los terminales del potenciómetro. Este valor se establece con un pequeño destornillador o por medio de un eje que se puede girar manualmente. cursor capa de carbón terminales Fuente: 22

23 Los potenciómetros se emplean como controles de volumen y tonos en diferentes equipos: También en algunas fuentes reguladas para variar la tensión de salida y en algunos controles de velocidad. Por lo general las resistencias variables se emplean como potenciómetros y no como reóstatos, y según su variación pueden ser lineales o logarítmicos Código de colores. El código de colores más empleado para resistores, se compone de cuatro franjas de color, que se leen de izquierda a derecha, estando colocado el resistor en la forma que lo muestra la figura, siendo generalmente la cuarta franja dorada o plateada. Mediante la correcta interpretación de este código, podemos conocer el valor en ohmios del resistor. Fuente: Adaptado de Internet Las dos primeras franjas de color en la resistencia, determinan las dos primeras cifras significativas de su valor. La tercera franja de color indica el multiplicador, es decir, la cantidad de ceros que se deben agregar a las dos primeras cifras o dígitos, para obtener el valor nominal del resistor en ohmios. La cuarta franja indica la tolerancia, es decir, el rango de valores, alrededor del valor nominal, dentro del cual el fabricante nos asegura que se encuentra valor real de dicho resistor. 23

24 En la tabla se hacen coincidir los colores en las franjas del resistor con cada una de sus columnas. En la primera columna vemos el número que representa cada color para el primer dígito significativo. En la segunda columna vemos el valor de cada franja de color para el segundo dígito significativo. En la tercera columna vemos el valor del multiplicador o del número de ceros que se deben agregar a los anteriores 2 dígitos significativos para formar el valor nominal de la resistencia. En la cuarta columna, aparece el valor que representa el porcentaje de la tolerancia de cada resistor. Generalmente para este valor se emplean los colores dorado ( 5% ) y el plateado ( 10% ). Cuando el resistor viene sin cuarta franja o sin color, la tolerancia es del 20%. Ejemplo : COLORES: amarillo, violeta, naranja, plateado Fuente: Adaptado de Supongamos que tenemos un resistor con los anteriores colores en sus franjas. Cuál es el valor nominal de este resistor? Dentro de qué rango, el fabricante nos asegura que se encuentra su valor real? Analicemos sus franjas de colores: 1 franja: amarillo ( 4 ), primer dígito significativo. 2 franja: violeta ( 7 ), segundo dígito significativo. 3 franja: naranja ( 3 ), multiplicador ( x1000 ) o número de ceros ( 000 ) 4 franja: plateado, porcentaje de tolerancia de 10% Entonces, valor nominal de este resistor es: ó 47 K El porcentaje de tolerancia del 10%, nos indica el rango entre el cual se debe encontrar el valor real de este resistor. El 10% de 47 K es 4,7 K. 24

25 Entonces: 47 K - 4,7 K < Valor Real del Resistor < 47 K + 4,7 K es decir, que el valor real de este resistor debe estar entre 42,3 K y 51,7 K Nota del autor: si se presenta alguna dificultad en el manejo de la Notación Científica y/o las Unidades y Prefijos utilizados en el ejemplo anterior, se recomienda el repaso o estudio de estos conceptos, ya que son fundamentales para el desarrollo de las temáticas que se seguirán trabajando. El presente texto cuenta en los Apéndices finales ( B y C ) con un contenido que le puede ayudar en el inicio de este estudio Asociación de resistores. En el estudio de los circuitos resistivos, es muy común trabajar con resistores equivalentes. Podemos entonces reemplazar una agrupación de resistores en serie, en paralelo o en configuraciones mixtas ( serie - paralelo ) por un resistor equivalente ; es decir, aquel resistor que puede reemplazar toda una red de resistores, sin que esto afecte el comportamiento del circuito eléctrico en el que se encuentran. a. Montaje en Serie. Se dice que varios resistores o elementos se encuentran en serie, cuando están consecutivos, es decir, uno después del otro. Observamos en la figura un circuito serie con cuatro resistores. Podemos pensar entonces, en reemplazar estos resistores por uno sólo, entre a y b, que conserve el comportamiento general del circuito. 25

26 La resistencia total entre a y b se encuentra sumando los resistores que están en serie. Entonces: R ab = R1 + R2 + R3 + R4 Con lo anterior podemos concluir que la resistencia equivalente o total de un conjunto de dos o más resistencias conectadas en serie es igual a la suma aritmética de todas ellas. Ejemplo: Encuentre la resistencia equivalente en el siguiente circuito. a b Como se puede apreciar, el circuito está compuesto por tres resistores conectados en serie, por lo tanto, el valor de la resistencia equivalente se halla sumando los valores de cada uno de los resistores del circuito. R ab = R1 + R2 + R3 = 2,5 K + 1 K + 3,2 K = 6,7 K Tenemos entonces que la resistencia equivalente en el circuito anterior es de 6,7 K, es decir, de Podemos entonces reemplazar estos tres resistores por uno de 6700, sin que el comportamiento eléctrico del circuito varíe. b. Montaje en Paralelo. Se dice que varios resistores o elementos se encuentran en paralelo, cuando están conectados entre el mismo par de puntos ( nodos ). 26

27 Cuando tenemos varios resistores conectados en paralelo, podemos encontrar la resistencia equivalente empleando la siguiente expresión: 1/R ab = 1/R 1 + 1/R /R n Concluimos entonces que para encontrar la resistencia equivalente o total de un circuito en paralelo, debemos hallarlo tomando el inverso de la suma de los inversos de cada resistor. Ejemplo: Encuentre la resistencia equivalente en el siguiente circuito. a b Como se puede apreciar, el circuito está compuesto por tres resistores conectados en paralelo, por lo tanto, el valor de la resistencia equivalente se halla empleando la siguiente expresión: 1/R ab = 1/R 1 + 1/R 2 + 1/R 3 = 1 / 4K + 1 / 2K + 1 / 4K 1/R ab = ( ) / 4K = 4 / 4K = 1 / 1K Hasta el momento sólo hemos encontrado el inverso de la resistencia equivalente, es decir, 1/R ab. Si se invierte el resultado tenemos entonces que la resistencia equivalente en el circuito anterior es de 1 K, es decir, de Podemos entonces reemplazar estos tres resistores por uno de 1000, sin que el comportamiento eléctrico del circuito varíe. Por último, cabe anotar que en el caso de arreglos mixtos de resistores, cada sección serie o paralela, tendrá su propio tratamiento. 27

28 5. POTENCIA ELÉCTRICA La Potencia Eléctrica se puede definir como la cantidad de energía eléctrica transformada por una carga en un tiempo determinado. Tal carga está conectada a una diferencia de potencial ( voltaje ) y su potencia eléctrica dependerá de la oposición que ofrezca al paso de la corriente eléctrica. La potencia eléctrica se puede producir, consumir o almacenar, dependiendo del tipo de elemento con el que se trabaje. Si el elemento produce potencia eléctrica se dice que es un elemento activo, si por el contrario la consume o almacena decimos que es un elemento pasivo. La unidad de medida de la potencia eléctrica es el Vatio ( W ). Un vatio es igual a la potencia consumida cuando un amperio fluye, con una fuente de un voltio conectada a la carga. Existe una ecuación muy sencilla para el cálculo de potencia eléctrica en los diferentes elementos de un circuito, que además nos relaciona algunas de las magnitudes estudiadas hasta el momento. P = V I Si combinamos la ecuación de potencia eléctrica ( P = V I ) con la ecuación de la Ley de Ohm ( V = I R ), encontramos dos nuevas expresiones de potencia, muy útiles para encontrar la potencia consumida por una carga resistiva. Es importante comprender las anteriores ecuaciones debido a que se usan muy a menudo en ejercicios de circuitos eléctricos. 28

29 6. CIRCUITOS SERIE Y PARALELO Dependiendo de la forma como estén interconectados los diferentes elementos en un circuito, van a tener características propias de voltaje, corriente y resistencia eléctrica. En las siguientes secciones describiremos los principales aspectos relacionados con los circuitos serie, paralelo y mixtos. 6.1 Circuito Serie. Un circuito serie es aquel en el que todos sus componentes están conectados de forma tal que sólo hay un camino para la circulación de la corriente eléctrica. En el circuito serie la corriente eléctrica ( I ) es la misma en todas las partes del circuito, es decir, que la corriente que fluye por R1, recorre R2, R3 y R4 y es igual a la corriente eléctrica que suministra la fuente de alimentación. Con respecto al voltaje ( V ) en un circuito serie, podemos decir que cada elemento del circuito tiene su propio voltaje. Además el voltaje suministrado por los elementos fuente es igual a la suma de los voltajes en los extremos de cada elemento carga. En una próxima sección se dará la ecuación matemática para el comportamiento del voltaje en un circuito serie. Ejemplo: Por el siguiente circuito circula una corriente eléctrica de 2 Amperios. Encuentre el voltaje en cada una de las resistencias y la potencia de cada elemento del circuito. I 29

30 El circuito anterior está compuesto por una fuente de voltaje y tres resistores conectados en serie, por lo tanto, la corriente de 2 Amperios circula por cada uno de estos elementos. Para encontrar el voltaje en cada una de las resistencias, empleamos la Ley de Ohm: V = R x I Entonces, V 30 = 30 x 2A = 60 V V 10 = 10 x 2A = 20 V V 20 = 20 x 2A = 40 V De los anteriores resultados se puede concluir que cada resistor tiene su propio voltaje y además que el voltaje suministrado por la fuente es igual a la suma de los voltajes de los elementos carga, es decir, de los resistores. Para encontrar la potencia eléctrica de cada elemento del circuito, podemos emplear cualquiera de las siguientes expresiones: P = V I P = V 2 / R P = I 2 R Entonces, P fuente = V I = 120V x 2A = 240 W generados P 30 = V I = 60V x 2A = 120 W consumidos P 10 = V 2 / R = ( 20V ) 2 / 10 = 40 W consumidos P 20 = I 2 R = ( 2A ) 2 x 20 = 80 W consumidos De los anteriores resultados se puede concluir que cada elemento del circuito tiene su propia potencia eléctrica, la cual puede ser generada, consumida o almacenada. Además que la potencia generada por la fuente es igual a la suma de las potencias consumidas por los resistores. 6.2 Circuito Paralelo. En un circuito paralelo dos o más componentes están conectados a los terminales de la misma fuente de voltaje. Podemos definir cada terminal como un nodo del circuito y decir entonces que en un circuito paralelo todos sus elementos están conectados al mismo par de nodos. 30

31 Cada camino paralelo es una rama con su propia corriente, en donde la corriente suministrada por los elementos fuente es igual a la suma de las corrientes que circulan por cada elemento carga. El voltaje entre el par de terminales de un circuito paralelo es uno sólo y es igual al voltaje de la fuente de alimentación. Ejemplo: Encuentre la corriente que circula por cada uno de los resistores y la potencia de cada elemento del circuito. El circuito anterior está compuesto por una fuente de voltaje y dos resistores conectados en paralelo, por lo tanto, el voltaje de la fuente es igual al de los resistores. Para encontrar la corriente que circula por cada uno de los resistores, empleamos la Ley de Ohm: I = V / R Entonces, I 1 = 120V / 30 = 4 A I 2 = 120V / 20 = 6 A De los anteriores resultados se puede concluir que por cada resistor circula una corriente eléctrica independiente. 31

32 Además, podemos inferir, que la corriente que suministra la fuente ( I f ) debe ser igual a la suma de las corrientes eléctricas que circulan por cada resistor en paralelo. Para encontrar la potencia eléctrica de cada elemento del circuito, podemos emplear cualquiera de las siguientes expresiones: P = V I P = V 2 / R P = I 2 R Entonces, P fuente = V I f = 120V x ( 4A + 6A ) = 1200 W generados P 30 = V I = 120V x 4A = 480 W consumidos P 20 = I 2 R = ( 6A ) 2 x 20 = 720 W consumidos De los anteriores resultados se puede concluir que cada elemento del circuito tiene su propia potencia eléctrica, la cual puede ser generada, consumida o almacenada. Además que la potencia generada por la fuente es igual a la suma de las potencias consumidas por los resistores. 6.3 Circuito Mixto. Este circuito es especial, ya que combina características de los circuitos en serie y de los circuitos en paralelo. Con un poco de práctica podremos diferenciar que parte del circuito tiene comportamiento serie y cual comportamiento paralelo. Ejemplo: En el siguiente circuito mixto identifique cuáles elementos se encuentran conectados en serie y cuáles en paralelo. Los elementos los conectados en serie son: la fuente de alimentación y el resistor de 1 M. Los elementos conectados en paralelo son: el resistor de 2 M y el resistor de 5,2 M. 32

33 7. LEYES DE KIRCHHOFF El físico alemán Gustav Robert Kirchhoff ( ) fue uno de los pioneros en el análisis de los circuitos eléctricos. A mediados del siglo XIX, propuso dos leyes que llevan su nombre y que facilitan la comprensión del comportamiento de voltajes y corrientes en circuitos eléctricos. a. Primera Ley de Kirchhoff: Ley de Corrientes. Esta ley se puede enunciar de la siguiente manera: La suma de todas las corrientes eléctricas que llegan a un nodo, es igual a la suma de todas las corrientes eléctricas que salen de él. I llegan nodo = I salen nodo Por definición, un nodo es un punto de unión o empalme de un circuito, en donde convergen tres o más conductores. Esta Ley también se puede encontrar como: la suma algebraica de todas las corrientes eléctricas en cualquier nodo de un circuito es igual a cero. De esta manera son de signo positivo las corriente que fluyen hacia un nodo, y negativas las que salen de él. En la figura anterior vemos que al nodo A llega una corriente I 1 y otra I 2 las cuales se unen para formar la corriente I 3. Como en el nodo A no se ganan ni se pierden electrones, I 3 debe ser igual a la suma de I 1 más I 2. En otras palabras, aplicando la 1ª Ley de Kirchhoff, podemos decir que las corrientes que entran a un nodo son iguales a las que salen de el. De acuerdo con la figura tenemos: I 1 + I 2 = I 3 33

34 b. Segunda Ley de Kirchhoff: Ley de Voltajes. Esta ley se puede enunciar de la siguiente manera: En un circuito cerrado o malla, las caídas de tensión totales son iguales a la tensión total que se aplica en el circuito. En otras palabras, en un circuito cerrado o malla la suma de los voltajes de los elementos de consumo ( resistores ) es igual a la suma de los voltajes de las fuentes de alimentación. Esta ley confirma el principio de la conservación de la energía. La energía que tiene una fuente generadora de fuerza electromotriz ( FEM ) se transforma en energía mecánica o eléctrica en cada una de las cargas del circuito eléctrico. En la figura vemos una fuente de voltaje y dos resistores en un circuito eléctrico serie. La suma de las caídas de voltaje en los resistores ( v1 y v2 ) debe ser igual a la FEM proporcionada por la batería ( e1 ) Aplicando la 2ª Ley de Kirchhoff a la figura, tenemos: e1 = v1 + v2 Ejemplo: Encuentre la corriente Ix y el voltaje Vx aplicando las leyes de Kirchhoff. 34

35 Para encontrar la corriente Ix, aplicamos la 1ª Ley de Kirchhoff: La suma de todas las corrientes eléctricas que llegan a un nodo, es igual a la suma de todas las corrientes eléctricas que salen de él. I llegan nodo = I salen nodo Al nodo superior llega la corriente de 6A y sale la corriente Ix y la de 2,5A. Entonces, 6A = Ix + 2,5A Ix = 6A - 2,5A = 3,5A Para encontrar el voltaje Vx, aplicamos la 2ª Ley de Kirchhoff: En un circuito cerrado o malla la suma de los voltajes de los elementos de consumo es igual a la suma de los voltajes de las fuentes de alimentación V consumidores = V fuentes En el circuito cerrado del lado izquierdo tenemos una fuente de alimentación de 18V y dos resistores con sus respectivos voltajes Vx y 12V. Entonces, Vx + 12V = 18V Vx = 18V - 12V = 6V De este ejercicio podemos concluir que las Leyes de Kirchhoff constituyen una poderosa herramienta de sencilla aplicación para el análisis de circuitos eléctricos. 8. SEÑALES CONTINUAS Y ALTERNAS Existen dos tipos de señales íntimamente relacionadas con la electricidad y la electrónica, que debemos aprender a reconocer y diferenciar. Estas son: las señales continuas y las señales alternas. 35

36 8.1 Señales continuas o directas. Las señales de corriente continua son las que producen, en un circuito cerrado, una corriente que se mueve en un solo sentido o dirección, es decir, tienen una polaridad definida. Pueden ser : Señales de corriente continua pura. Señales de corriente continua fluctuante o variable a. La señal de corriente continua pura es la que no cambia ni de sentido ni de magnitud. Por ejemplo, una corriente eléctrica de 3 amperios. b. La señal de corriente continua fluctuante es la que no cambia de sentido, pero si de magnitud. Algunos ejemplos son: 8.2 Señales alternas. Son las que varían tanto en dirección como en amplitud. Es la señal de los tomacorrientes. Este tipo de señal varía a intervalos periódicos. La forma de onda que generalmente se usa para la corriente alterna es la señal senosoidal. 36

37 Como se puede apreciar, una señal de corriente alterna fluye primero en una dirección y luego en otra, es decir alterna su sentido o dirección. En nuestro medio se usa más la corriente alterna que la continua, debido a que sirve para las mismas aplicaciones pero es más fácil de producirla, más barata de transmitirla y tiene aplicaciones para las cuales la corriente continua no sirve. Algunas de las características fundamentales de la señal alterna son : Frecuencia: Es el número de ciclos que se producen en un segundo, se determina por la letra f y se mide en Hertz ( Hz ). Un Hertz equivale a un ciclo por segundo. Entre más ciclos tenga una señal en un segundo, mayor será la frecuencia. En Colombia se usa una frecuencia de 60 Hz, como en el resto de América, pero en Europa se usan desde 25 a 120 ciclos, siendo común los 50 Hz. Periodo: Se representa por la letra T y es el tiempo necesario para que un ciclo se repita. Se mide en segundos y se relaciona con la frecuencia debido a que son inversamente proporcionales. Fase: Es la relación angular que existe entre 2 ondas, independiente de las magnitudes. Cuando se hace la representación en el plano cartesiano se determina como fase cada uno de los puntos a lo largo de la trayectoria senosoidal, los cuales se dan en grados. 37

38 Decimos que dos señales están en fase cuando sus valores máximos y mínimos ocurren en el mismo instante, luego las dos ondas comenzarán y terminarán al mismo tiempo. Se dice que dos señales están desfasadas o que tienen una diferencia de fase cuando sus máximos y mínimos no coinciden, luego las dos señales no comienzan ni terminan al mismo tiempo. 38

39 CAPÍTULO 3. ELECTROSTÁTICA Y ELECTROMAGNETISMO Dos de los temas más interesantes, relacionados con la electricidad y la electrónica, y de los cuáles han surgido grandes aportes a la ciencia y la tecnología son la electrostática y el electromagnetismo. Por una parte la electrostática se preocupa de la medida de la carga eléctrica o la cantidad de electricidad presente en los cuerpos y en general, de los fenómenos físicos asociados a las cargas eléctricas en reposo; mientras que el electromagnetismo se encarga del estudio de los campos magnéticos producidos por corrientes eléctricas y su efecto en los elementos que se encuentran alrededor. En el presente capítulo, estudiaremos entonces, los aspectos más importantes relacionados con la electrostática y el electromagnetismo, así como los componentes eléctricos y electrónicos que aplican las diferentes leyes físicas para el desarrollo de dispositivos de gran utilidad en el campo de la electrónica aplicada. EVALUACIÓN DE CONCEPTOS PREVIOS Cómo podemos almacenar carga eléctrica? Qué es un condensador o capacitor? Cómo podemos generar un campo magnético? Cómo se puede construir un bobina eléctrica y para que sirve? Qué es un transformador y generalmente donde se pueden emplear? 1. CONDENSADORES O CAPACITORES Un condensador es un elemento pasivo que tiene la particularidad de almacenar carga eléctrica. 39

40 Los condensadores están formados por dos superficies metálicas conductoras llamadas armaduras, las cuáles se hallan separadas por un medio aislante denominado dieléctrico. Este dieléctrico puede ser aire, cerámica, papel o mica. En la figura observamos un condensador cuya armadura A se encuentra conectada al polo positivo de una fuente y cuya armadura B se encuentra desconectada. Mientras el interruptor S permanezca abierto las placas del condensador serán eléctricamente neutras, pues el número de protones y de electrones en cada una es el mismo. Decimos entonces que se encuentra en equilibrio de cargas o eléctricamente neutro. Cuando se cierra el interruptor S, la carga negativa de la placa A es atraída por el terminal positivo de la fuente, mientras que la carga positiva de la placa B es atraída por el terminal negativo de la fuente. Este movimientos de cargas continúa hasta que el voltaje en las placas del condensador sea igual al de la fuente, en este momento el condensador está cargado. Como resultado tenemos que en ambas armaduras aparece una carga cuyo valor absoluto es el mismo, pero su polaridad opuesta. Esta carga se acumula por influencia electrostática recíproca de las dos armaduras. La corriente eléctrica que se produce es de poca duración y dependerá de las características del condensador, o sea de su capacitancia. Una vez cargadas las armaduras, la corriente por dicho circuito es nula. Entonces podemos concluir que un condensador no permite el paso de la corriente continua. Sin embargo, la diferencia de potencial entre sus terminales es la misma que la del generador. Por tanto, el condensador a la vez que acumula carga almacena tensión entre sus armaduras. La diferencia de potencial de un condensador cargado no se pierde aunque se desconecte de la fuente que originó la carga. 40

41 En los circuitos electrónicos se suele utilizar básicamente para eliminar la componente continua de una señal eléctrica o para almacenar tensión en un determinado momento ( como batería temporal ) y cederla posteriormente. De acuerdo a su funcionamiento, los condensadores pueden ser: Fijos Variables 1.1 Condensadores fijos. Los condensadores fijos son aquellos cuya capacitancia no se puede alterar. El valor de la capacitancia está determinado desde el momento mismo de la construcción. Sus diferentes formas se pueden apreciar en la figura. Es de tener en cuenta que los condensadores de capacitancia fija, también vienen en dos versiones. No polarizados Polarizados Los no polarizados son aquellos que trabajan con corriente alterna y suelen ser llamados condensadores de paso. Los polarizados, conocidos también como electrolíticos, son aquellos que trabajan únicamente con corriente directa y se emplean en circuitos de filtrado, temporizadores, etc. Estos últimos se reconocen fácilmente porque tienen marcado en su exterior el terminal negativo ( - ) de paso electrolítico 41