TEMA: CONTROL DE CIRCUITOS Y ELECTRÓNICA ÍNDICE

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1 TEA: CONTROL DE CIRCUITOS Y ELECTRÓNICA ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 2 2. INTERRUPTORES 2 a) Interruptor UPUD 2 b) Interruptor UPDD 2 c) Interruptor Final de carrera (FC) 3 3. EL RELÉ 4 4. INVERSOR DEL SENTIDO DE GIRO 5 5. RESISTENCIAS 7 a) El potenciómetro. 7 b) La resistencia variable con la luz (LDR) 8 c) La resistencia variable con la temperatura 8 6. LA ELECTRÓNICA 8 a) El diodo 9 b) El transistor 10 1

2 TEA: CONTROL DE CIRCUITOS Y ELECTRÓNICA 1. INTRODUCCIÓN En los circuitos eléctricos se incorporan distintos elementos que permiten aumentar las posibilidades de circuitos sencillos. Pensemos en un ascensor. Podemos imaginar fácilmente el circuito. Cuando alguien pulsa el interruptor del séptimo piso, un motor se acciona. Este motor hace girar a una polea que recoge la cadena que permite que ascienda la cabina desde el bajo hasta el séptimo piso. Sin embargo, cómo podemos hacer que la cabina vuelva a bajar al piso más bajo. uy fácil, sólo tenemos que conseguir invertir el sentido de giro del motor, para que en vez de recoger la cadena la suelte. Con lo que sabemos podríamos conseguir que el alumbrado público de una calle se encienda tras apretar el interruptor. En este tema veremos cómo conseguir que lo haga de forma automática cuando la luz del día empiece a escasear. Esto lo conseguiremos incorporando un elemento electrónico que modifica su conducta en función de la luz que le llega. 2. INTERRUPTORES Los interruptores son los elementos encargados de regular el flujo de corriente eléctrica de tal forma que funcionen aquellos elementos que queremos que actúen en cada caso. a) Interruptor UPUD Es el interruptor que hemos estado utilizando hasta ahora en el Taller. Es el más utilizado en la mayoría de los aparatos eléctricos de casa para el encendido y apagado de los mismos. Podemos utilizar interruptores normalmente abiertos o interruptores normalmente cerrados, según la utilidad que queramos dar al interruptor. Un ejemplo de un interruptor normalmente cerrado es el que se utiliza para parar una máquina como sistema de seguridad. Por ejemplo una caladora tiene dos interruptores; uno el normal de apagado y encendido y otro, que sólo presionas si quieres que la máquina se apague por una emergencia. b) Interruptor UPDD Con este interruptor podemos conseguir que funcionen dos elementos con un mismo generador de forma alterna; o funciona uno o funciona el otro. Podemos tener el siguiente circuito. El interruptor tiene dos posiciones A y B, en la A funcionará la bombilla y en la B funcionará el motor. A B 2

3 EJERCICIO 1: Utiliza el interruptor UPDD para conseguir que un circuito encienda y apague un zumbador. EJERCICIO 2: En tu dormitorio tienes una lámpara en el techo, con una bombilla. Para controlar el funcionamiento de la bombilla tienes dos interruptores UPDD; uno al lado de la puerta y otro en la cabecera de la cama. Dibuja el esquema eléctrico del circuito de tal forma que permita que la lámpara se encienda o apague desde cualquiera de los dos puntos. Cuando utilizamos los interruptores de UPDD para encender un mismo dispositivo desde dos puntos diferentes decimos que actúa como conmutador. c) Interruptor Final de carrera (FC) Estos interruptores son frecuentes en la mayor parte de los circuitos utilizados para abrir una puerta, elevar una carga hasta un punto concreto,etc. Consiste en un interruptor de UPUD pero que se encuentra normalmente cerrado. Cuando la puerta llega al final del recorrido presiona al interruptor abriéndolo y abriendo al tiempo del circuito. El esquema más sencillo sería el siguiente aunque en este mismo tema veremos un circuito con finales de carrera más cercano a los que se utilizan en la realidad. FCC FCA FCC = Final de carrera cerrado FCA = Final de carrera abierto 3

4 3. EL RELÉ El relé es un elemento electromagnético que se utiliza en muchas ocasiones como interruptor. Tiene dos partes bien diferenciadas: la bobina y los contactos unidos por medio de una pequeña palanca de metal. La bobina: esta parte del relé es un electroimán. Un electroimán consiste en un hilo de cobre enrollado alrededor de un núcleo de hierro. Cuando por el cobre pasa electricidad el núcleo de hierro se convierte en un imán capaz de atraer los objetos metálicos de alrededor. La palanca: cuando el núcleo de hierro de la bobina se convierte en u imán atrae a esta palanca. Al moverse la palanca cambia los contactos. Contactos: son finas láminas metálicas. En un comienzo se encuentran unidas las placas 2-3 y cuando la bobina está imantada se unen las placas 1-2. Circuito de control Circuito actuador Circuito de control Circuito actuador Figura A Figura B En la Figura A el circuito del electroimán está abierto. Esto quiere decir que por la bobina no pasan electrones y, por tanto, el núcleo de hierro no es aún un imán. La palanca metálica está en una posición tal que las placas que están en contacto son la 2 y la 3. En la figura B, se ha cerrado el interruptor de la bobina. Esto hace que empiecen a recorrer los electrones la bobina y por tanto que se produzcan una imantación del núcleo convirtiéndolo en un imán. La palanca metálica entonces se siente atraída por el imán y en su moviendo empuja a la placa 2 haciéndola tocar con la placa 1. La placa 2 es el polo del circuito de actuador. Por ello, siempre tendremos que conectarlo a un polo de la pila. El resto de las uniones las haremos según la función que queramos que tenga el circuito. 4

5 EJERCICIO 3: Copia en tu cuaderno el circuito eléctrico de un relé. EJERCICIO 4: Explica en qué consiste el circuito de control y el circuito actuador. Cuál crees que es la ventaja de tener dos circuitos distintos en el relé?. EJERCICIO 5: Qué es un electroimán?. Qué función tiene el electroimán en un relé?. EJERCICIO 6: En el esquema de explicación del relé, qué funcionaría en la Figura A y qué en la Figura B?. 4. INVERSOR DEL SENTIDO DE GIRO Es muy frecuente utilizar el relé para conseguir invertir el sentido de giro de un motor. En el apartado anterior únicamente vimos relés con un circuito actuador. Sin embargo, los relés que con más frecuencia se utilizan están constituidos por dos o tres circuitos. El funcionamiento es exactamente el mismo que el que ya hemos visto sólo que, en lugar de tener únicamente tres placas metálicas, tienen seis (dos circuitos actuadores) o nueve (tres circuitos actuadores). Vamos a ver a continuación cuáles son las conexiones a realizar en el caso de querer invertir el sentido de giro de un motor. Necesitamos un relé de dos circuitos (6 placas metálicas). Este circuito se utilizará en el Taller para el control del movimiento de un ascensor. CIRCUITO DE CONTROL a FCS FCI LEYENDA IPB = interruptor planta baja IPP = Interruptor planta primera FCS = Final de carrera superior (1ª planta) FCI = Final de carrera inferior (planta baja) RELÉ b 2 5 IPB IPP a b Figura C CIRCUITO ACTUADOR En la Figura C el circuito de control, es decir, el que regula si el relé está o no activado, está abierto. Por ello, el relé no está activado y las conexiones se encuentran tal y como se muestran en el esquema eléctrico. El motor estará conectado con el polo positivo de la pila por su conexión inferior, a través del 5

6 contacto 2-3, y con el polo negativo de la pila por su parte superior, a través del contacto 5-6. Imaginemos el siguiente convenio de signos: - + El motor gira de tal forma que el ascensor baja + - El motor gira de tal forma que el ascensor sube En la Figura C el ascensor se encontraría bajando hasta que se abra el FCI. En este momento, el circuito del motor queda abierto y, por tanto, el motor se detendrá. Veamos qué ocurre cuando alguien cierra el circuito de control, es decir, alguien presiona cualquiera de los dos interruptores. En este caso, el circuito del relé se cerrará por lo que el relé será activado. La bobina del relé estará imantada y los contactos del relé habrán modificado su posición. a b Figura D EJERCICIO 7: En la Figura D, escribe las siguientes anotaciones: 1. Posición de los contactos del relé. 2. Numeración de los contactos del relé. 3. Recuadra el Circuito de control, el circuito actuador y el relé. 4. Nombra el FCS y el FCI. 5. Polaridad del motor. 6. Según el convenio de signos que venimos utilizando, qué hará el ascensor subir o bajar?. 7. Cuándo se parará el motor?. 8. Escribe la leyenda de todos los elementos nombrados con siglas. 6

7 5. RESISTENCIAS La resistencia eléctrica es la dificultad que ofrece un elemento al paso de los electrones. Existen en el mercado una amplia gama de resistencias con valores fijos que se utilizan para condicionar la intensidad de corriente que recorre un determinado circuito o una determinada rama del mismo. Además de estas resistencias que tienen un valor fijo existen otras cuya oposición al paso de la corriente varía en función de varios aspectos que vamos a ver a continuación. a) El potenciómetro Es una resistencia cuya oposición al paso de los electrones se puede variar manualmente. Los potenciómetros tienen un rango de uso. Se pueden comprar potenciómetros de 10 Ω, 100 Ω, 1k Ω, 10 Ω k, etc. Si compramos un potenciómetro de 10 Ω podemos modificar la resistencia que ofrecerá al paso de los electrones desde 0 Ω a 10 Ω y éste será su rango de uso. Para modificar la resistencia basta con mover una hendidura situada en la cara superior del potenciómetro tal y como se observa en la Figura E Figura E El símbolo eléctrico del potenciómetro es: El potenciómetro tiene tres conexiones. Aunque, como se observa en el símbolo eléctrico, realmente sólo se conecta a dos puntos. Hay que conectarlos al contacto 1 y elegir entre el 2 y el 3. El potenciómetro se utiliza en multitud de circuitos como por ejemplo, en las lámparas en las se puede graduar la intensidad de la luz. Así, si queremos poca intensidad de luz aumentaremos la resistencia del potenciómetro disminuyendo la intensidad de corriente eléctrica. EJERCICIO 8: Dibuja el esquema eléctrico del circuito de una lámpara en la que se puede regular la intensidad de luz. La lámpara se alimenta con una pila de 12 V. 7

8 b) La resistencia variable con la luz (LDR) Es una resistencia que permite que el circuito modifique su conducta en función de la luz que le llega a esta resistencia. Cuanta mayor es la cantidad de luz que le llega, menor es la resistencia que ofrece. Es el elemento que se encarga de abrir las puertas del ascensor cuando alguien está entrando, el utilizado en las puertas de apertura automática de los centros comerciales, en muchas alarmas. Normalmente suelen ir asociadas a un pequeño rayo de luz que incide directamente sobre la LDR. Cuando algo o alguien se interpone entre el rayo y la LDR ésta captará menos luz y aumentará su resistencia, modificando el funcionamiento del circuito asociado. La LDR tiene el siguiente aspecto y símbolo eléctrico. Aspecto real de una LDR Símbolo eléctrico de la LDR EJERCICIO 9: Dibuja el esquema eléctrico de un circuito que encienda una bombilla de forma automática al llegar la noche. Puedes utilizar todos los componentes vistos hasta ahora en el tema. c) La resistencia variable con la temperatura Son resistencias que varían su valor en función de la temperatura ambiente. Se utilizan mucho en alarmas contra incendios ya que al detectar determinada temperatura modifican su resistencia modificando el funcionamiento del circuito asociado. Podemos hablar de dos tipos. Las resistencias NTC que disminuyen su resistencia cuando aumenta la temperatura y las resistencias PTC que aumentan su resistencia según aumenta la temperatura. Sus símbolos eléctricos son: NTC PTC 6. LA ELECTRÓNICA Los elementos electrónicos están fabricados con materiales semiconductores. Estos materiales fundamentalmente Silicio, Selenio y Germanio, no siempre conducen la electricidad, sino que dependiendo de las condiciones en las que llegue la electricidad se comportan como materiales conductores o como aislantes. 8

9 La electrónica ha supuesto toda una revolución permitiendo el diseño y fabricación de multitud de dispositivos que nos hacen la vida más fácil y nos abren un campo muy amplio de posibilidades que sería imposible sin los elementos electrónicos. Por ello, a hay quien llama a nuestros tiempos la Era del Silicio. Dos son los elementos electrónicos que vamos a estudiar y que utilizaremos en el Taller para el montaje de nuestros proyectos; el diodo y el transistor. a) El diodo El diodo es un elemento electrónico que dejará pasar la corriente eléctrica sólo si está polarizado directamente. Esto quiere decir que el polo positivo de la pila deberá estar conectado al polo positivo del diodo. El símbolo eléctrico del diodo es el siguiente: + - El lado del triángulo deberá estar conectado al polo positivo de la pila en caso contrario el diodo se comporta como u interruptor abierto. Los diodos se utilizan para fijar el sentido de la corriente. EJERCICIO 10: En el siguiente circuito, explica cuando estará encendido el motor y cuando estará apagado. Uno de los diodos más frecuentemente utilizados son los diodos LED. Son diodos emisores de luz. Se utilizan mucho es los aparatos eléctricos para indicar si están o no conectados a la corriente eléctrica o si están encendidos o apagados. Son esas lamparitas de color rojo, naranja, amarillo que indican si la tele o la cadena de música están o no conectadas a la red o en funcionamiento. Símbolo eléctrico de un LED + - Aspecto real de un LED Cuando montemos los LED en el Taller hay que tener en cuenta una precaución importante. Los LED no admiten tensiones superiores a 2V. Por ello, en ocasiones, es necesario montar en serie con el LED una resistencia y así perder potencial antes de que la electricidad pase por el diodo. 9

10 EJERCICIO 11: Qué valor deberá tener la resistencia conectada en el circuito si sabemos que la tensión de la pila es de 12 V y la intensidad que queremos que circule es de 2 A?. b) El transistor El transistor es el más importante de todos los componentes electrónicos. Gracias a él se consiguen dispositivos cada vez más pequeños y sus diseñadores Shockley, Brattain y Bardeen fueron premiados con el Nóbel de Física en Existen dos tipos de transistores; NPN y PNP.Cada uno de ellos está compuesto por tres capas de material. Los NPN tienen dos capas N (los electrones No pasan ) y una P (los electrones Pasan ) y los PNP tienen dos capas P y una capa N. Externamente tienen tres terminales la base, el colector y el emisor. Su símbolo eléctrico es el siguiente: Emisor Colector Base Base Colector Emisor Transistor PNP Transistor NPN El comportamiento del transistor es el siguiente. Cuando por la base no le llega corriente eléctrica el transistor no permite el paso de corriente entre el emisor y el colector. Sin embargo, cuando por la base llega una pequeña intensidad de corriente el transistor permite la circulación de una gran intensidad de corriente entre el emisor y el colector. Colector Base Emisor Transistor NPN 10

11 Tiene una doble misión; por una parte actúa como interruptor de la circulación entre el emisor y el colector y además multiplica la intensidad de corriente eléctrica que circula entre ellos. Lo que controla realmente el circuito será la intensidad de corriente que llega a la base del transistor. Cunado no llega corriente a la base del transistor se dice que éste funciona en corte. Imaginemos que queremos controlar el funcionamiento del alumbrado público de una calle con el uso de una LDR. Aunque vimos un circuito más sencillo para hacerlo el que realmente se utiliza es el siguiente, puesto que permite un mayor control de las operaciones. Posición A: relé activado Cuando incide mucha luz sobre la LDR la resistencia que ofrece al paso de los electrones es muy poca. Por ello, la intensidad que pasa hacia la base es grande. AL llegar intensidad por la base el transistor abre la circulación del colector al emisor poniendo en funcionamiento al relé. El relé activado se transforma en un imán que hace que los contactos pasen a la posición A y la bombilla estaría apagada. Este tipo de circuitos permiten que el circuito de control se alimente con tensiones pequeñas, una pila de 9V y sin embargo, el circuito actuador pueda estar alimentado por la red eléctrica a 220 V. EJERCICIO 12: Dibuja el esquema eléctrico del circuito del alumbrado público y explica cuál sería el funcionamiento del circuito de control y del circuito actuador en el estado en el que estaría de noche. 11

12 c) Corrientes del transistor Al estudiar con detenimiento el siguiente esquema observamos que existen dos intensidades distintas; la intensidad de la base (I base ) y la del colector(i colector ). La intensidad del emisor I emisor será la suma de ambas. Base Colector Ie = Ib + Ic Emisor Transistor NPN La ganancia (β) es la proporción que existe entre la Intensidad del colector y la de la base. β = Ic/Ib Ejercicio 13: Un transistor con corriente de colector de 10 ma, corriente de base de 40 microa, qué ganancia de la corriente se tiene? Ejercicio 14: Un transistor tiene una ganancia de corriente de 175. Si la corriente de base es de 0.1 ma, cuál es el valor de la corriente del colector? Ejercicio 15: Un transistor trabaja con corriente de colector de 2 ma y con una ganancia de 135. Cuál es el valor de la corriente de base? d) Par Darlington Se compone de dos transistores. La base del segundo se conecta al emisor del primero, de tal forma que amplificamos enormemente la señal. Este sistema se utiliza para circuitos de alta sensibilidad porque conseguimos actuar ante pequeñas variaciones de la corriente de base del primer transistor. 12