UNIDAD DIDÁCTICA: CIRCUITOS ELECTRÓNICOS BÁSICOS

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1 IES PABLO RUIZ PICASSO TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA UNIDAD DIDÁCTICA: CIRCUITOS ELECTRÓNICOS BÁSICOS 1.- INTRODUCCIÓN La electrónica es una parte de la electricidad que estudia el funcionamiento de los circuitos formados por una serie de componentes llamados semiconductores. Los materiales semiconductores tienen un comportamiento intermedio entre los aislantes y los conductores y se construyen básicamente de silicio, selenio y germanio. Gracias a la electrónica se pueden realizar de forma automática procesos muy complejos utilizando pequeños circuitos. Existe en el mercado una gran variedad de circuitos electrónicos que desempeñan diferentes funciones. Todos ellos están formados por un conjunto de componentes que se diferencian por su forma, su función y sus características. Algunos de estos componentes son conocidos porque también intervienen en los circuitos eléctricos (componentes pasivos). Otros son específicos de los circuitos electrónicos (semiconductores). Entre los componentes pasivos podemos destacar las resistencias y los condensadores. Dentro de los componentes electrónicos los más importantes son el diodo y el transistor aunque existen otros como el diodo LED, la LDR, las termorresistencias, etc. Al igual que sucede en los circuitos eléctricos, cualquier circuito electrónico se representa mediante esquemas en los que aparecen los símbolos de los diferentes componentes. 1

2 2.- CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS - Trabaja con corriente continua - Las tensiones de trabajo son bajas. Existe una clara diferencia entre electricidad y electrónica. Mientras que con la primera las tensiones de trabajo oscilan entre los 220 V (doméstica) y 380 (industrial), y en pocas ocasiones inferiores a 12 V, así como las intensidades del orden o superiores a 1 amperio, en la electrónica hablamos de tensiones como máximo de 12 voltios e intensidades típicas del orden de miliamperios (ma). - Combina componentes muy variados, en especial, aquellos construidos con materiales semiconductores. - Su tecnología es previa a la de los sistemas informáticos. 3.- COMPONENTES ELECTRÓNICOS Los componentes electrónicos se pueden dividir en dos tipos: 1) Componentes pasivos. Son aquellos componentes que actúan como meros receptores y consumidores de la señal eléctrica. No generan ni ganancia ni control de la señal eléctrica. Los componentes pasivos son resistores, condensadores y bobinas. 2) Componentes activos. Se trata de componentes capaces de generar, modificar o amplificar la señal eléctrica. Algunos ejemplos de componentes activos son el diodo y el transistor COMPONENTES ELECTRÓNICOS PASIVOS RESISTENCIAS RESISTENCIAS FIJAS

3 Las resistencias eléctricas juegan un papelfundamental en cualquier circuito eléctrico, porque fijado el voltaje y según la Ley de Ohm, las resistencias controlan el paso de la corriente eléctrica por el circuito. Representación esquemática de las resistencias: En el siguiente dibujo se ve el aspecto exterior de alguno de los tipos deresistencias. Las resistencias electrónicas están fabricadas con un conglomerado de grafito o similar, disponen de dos terminales metálicos para su conexión al circuito y están forradas de material cerámico y a veces barnizadas, con una serie de franjas de colores que indican su valor. Cómo se lee una resistencia? Las dos primeras bandas dan una idea del valor base de la resistencia y la tercera banda nos indica por cuanto hay que multiplicar el valor base anterior para obtener el verdadero valor de la resistencia. La cuarta y ultima banda nos da la tolerancia(dorado 5%, Plateado 10%, sin color 20%, rojo 2%, marrón 1%). Resumiendo: La primera banda: valor base Segunda banda: valor base Tercera banda: valor multiplicador Cuarta banda: Tolerancia en porcentaje 3

4 RESISTENCIAS VARIABLES A) RESISTENCIAS AJUSTABLES. POTENCIÓMETROS Las resistencias ajustables son un tipo de resistencias que permiten ser graduadas desde cero a su máxima resistencia. Se utilizan en circuitos que requieren cierta precisión difícil de alcanzar con valores fijos o en circuitos que deban ser ajustados en alguna ocasión para conseguir las máximas prestaciones. Símbolo para representar la resistencia ajustable. Símbolo Girando la ranura del medio, se va obteniendo más o menos resistencia. Los potenciómetros son un tipo de resistencias ajustables que normalmente se gradúan desde el exterior del aparato electrónico por parte del usuario mediante un mando giratorio o deslizante. Podemos clasificarlos en tres tipos: de película de carbón, de película metálica y bobinados. Ejemplos de potenciómetros los tenemos en los mandos de volumen, color, luminosidad de los televisores, en los controles de un equipo de música, etc. B) TERMISTORES (Resistencias Dependientes de la Temperatura). 4

5 Los resistores dependientes de la temperatura o TERMISTORES son resistores cuya resistencia depende de la temperatura a la que se encuentren. Hay dos tipos de termistores: NTC y PTC: -En los NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo) disminuye la resistencia al aumentar la temperatura. -En los PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo) aumenta la resistencia al aumentar la temperatura. Los termistores más habituales son los NTC, y se utilizan como sensores de temperatura en termostatos, termómetros, circuitos de protección de aparatos eléctricos frente a la temperatura, sistemas domóticos, detectores de incendios, etc. Símbolo eléctrico del termistor. Acompañado de t indica que es un NTC. Acompañado de + t indica que es un PTC. C) RESISTENCIAS LDR (Resistencias Dependientes de la Luz). Ciertos materiales como el Selenio varían sus propiedades conductoras cuando varía la intensidad de luz que incide sobre ellos. Este efecto se denomina fotoconductividad. Los resistores dependientes de la luz, foto-resistores o LDR (Light Dependent Resistors) son resistores cuya resistencia depende de la luz incidente: -En condiciones de oscuridad o poca luz, su resistencia es muy alta (deja pasar muy poca corriente). -En condiciones de iluminación, su resistencia es muy baja (deja pasar mucha corriente). Las resistencias LDR, también llamadas fotorresistencias, tienen aplicaciones entre las que destacan puertas automáticas de ascensores, control del alumbrado público, alarmas, máquinas detectoras de luz (visión artificial), etc. 5 D) RESISTENCIAS VDR O VARISTORES (Resistencias Dependientes de la Tensión).

6 extremos. Este tipo de resistencia disminuye el valor óhmico al aumentar el voltaje eléctrico entre sus CONDENSADORES Su funcionamiento se parece al de las pequeñas baterías recargables y, al igual que éstas, son capaces de almacenar y descargar energía eléctrica. Están formados por dos láminas de un material conductor (llamadas armaduras) separadas por un dieléctrico. La función del condensador consiste en almacenar cargas eléctricas y cederlas en el momento deseado. La propiedad de acumular cargas eléctricas de los condensadores se llama capacidad y se mide en faradios, pero resulta una unidad excesivamente grande, por lo que normalmente se emplean submúltiplos. 1 milifaradio = 1mF = 10-3 faradios 1 microfaradio = 1 µf = 10-6 faradios 1 nanofaradio = 1 nf = 10-9 faradios 1 picofaradio = 1 pf = faradios La capacidad expresa la relación existente entre la carga almacenada y la tensión aplicada. En los circuitos, nos podemos encontrar con dos tipos de condensadores: - Condensadores polarizados: son aquellos que tienen indicados sus polos, positivo y negativo, y deben conectarse siguiendo su polaridad, ya que en caso contrario el 6

7 condensador estalla. Además, llevan indicada la capacidad y la tensión máxima a la que puede conectarse. Su símbolo es el siguiente. - Condensadores no polarizados: no llevan ninguna indicación y se pueden colocar sin tener en cuenta la polaridad. También llevan indicada la capacidad, aunque en algunos tipos de condensadores se ha optado por un código decolores parecido al que se emplea para las resistencias. Su símbolo es el siguiente. Otra clasificación: Condensadores fijos: Aquellos cuya capacidad es única y no se puede regular. Condensadores variables: Aquellos cuya capacidad se puede regular de forma manual. FUNCIONAMIENTO DEL CONDENSADOR EN CORRIENTE CONTINUA Frente a la corriente continua el condensador se comporta como un depósito que solamente se abre cuando la presión de alimentación (tensión) varía. Cuando la tensión continua aumenta, la corriente pasa de + hacia el polo -; cuando se estabiliza no hay paso de corriente (se comporta como un interruptor abierto), y cuando disminuye la tensión, la corriente circula en sentido inverso. FUNCIONAMIENTO DEL CONDENSADOR EN CORRIENTE ALTERNA Debido a la tensión alterna U, el condensador resulta cargado, descargado, vuelto a cargar con polaridad opuesta; una vez más descargado, y así sucesivamente. Con ello circula una corriente cuya variación es senoidal. Pero, la corriente no circula a través del condensador, es decir a través de su dieléctrico que es aislante como hemos dicho, la corriente sólo circula de los bornes del generador a las armaduras del condensador y viceversa, es decir, aunque el circuito realmente no está cerrado el efecto es como si lo estuviera; y siendo éste el efecto, se suele decir que por el circuito circula una corriente eléctrica. A) CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR. Para entender el funcionamiento de un condensador lo vamos a someter a la carga y descarga del mismo en serie con una resistencia. 7

8 Cuando cerramos el circuito de carga el condensador se carga hasta alcanzar casi la tensión de alimentación. El tiempo de carga depende de la capacidad del condensador y del valor óhmico de la resistencia que está en serie con él R1, siguiendo la fórmula: t 1 = 5*R 1 *C Cuando cerramos el circuito de descarga, es el condensador el que entrega la corriente a la resistencia hasta agotarse su carga. El tiempo de descarga ahora depende de la capacidad y de la resistencia de descarga R2. t 2 = 5*R 2 *C 8

9 Una de las aplicaciones más comunes para los condensadores son los temporizadores, esperar hasta que el condensador se cargue o descargue. Por ejemplo: Calcula el tiempo que tardará en cargarse un condensador de 4700 µf que está en serie con una resistencia de 1000 Ω. Solución: Otro ejemplo: Cuánto tiempo lucirá una bombilla que se conecta al condensador una vez cargado si la bombilla tiene 2000 Ω de resistencia? Solución: B) ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES. - Condensadores en serie Se montan uno a continuación del otro, como las resistencias, pero la capacidad equivalente se calcula por la siguiente fórmula: - Condensadores en paralelo Se montan colocados unos al lado de los otros, como las resistencias, perola capacidad equivalente es la suma de las capacidades de cada uno de ellos: BOBINAS

10 La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire) almacena energía en forma de campo magnético. El símbolo de una bobina / inductor se muestra en el gráfico: El inductor es diferente del condensador / capacitor, que almacena energía en forma de campo eléctrico. Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha (ver electromagnetismo). Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior. Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior. Este caso se da en forma continua, cuando una bobina o inductor está conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que circula por ella. La autoinducción (L) de una bobina, depende del número de espiras que forman el arrollamiento (N), del flujo magnético que la atraviesa (Φ) y de la intensidad de corriente que la recorre (I). La unidad de autoinducción es el henrio (H), pero, como también se trata de una unidad muy grande, en electrónica, se usan algunos submúltiplos como el milihenrio (mh) y el microhenrio (μh). 1 mh = 10-3 H; 1 μh = 10-6 H COMPONENTES ACTIVOS DIODOS A) DIODOS RECTIFICADORES Es uno de los componentes más empleados en los circuitos electrónicos. Está formado por la unión de dos cristales semiconductores: uno de tipo N, llamado cátodo y otro de tipo P, llamado ánodo. 10

11 Cuando se conecta una fuente de tensión entre los dos terminales, el diodo se polariza. La polarización puede ser directa o inversa. - La polarización directa se produce cuando el polo positivo de la pila se une al ánodo y el negativo al cátodo. En este caso el diodo se comporta como un interruptor cerrado y deja pasar la corriente eléctrica (en realidad presenta una pequeña resistencia). - La polarización inversa se consigue conectando el polo negativo de la pila al ánodo y el positivo al cátodo. En este caso el diodo se comporta como un interruptor abierto y no permite el paso de la corriente (en realidad presenta una resistencia de gran valor). El diodo conduce a partir de una tensión (tensión umbral) entre 0,6 y 0,7 V (silicio). La principal utilización de este tipo de diodos es la rectificación de corriente alterna (transformación de la corriente alterna en continua). Existen diversos tipos de diodos aunque hablaremos tan sólo de algunos de ellos. B) DIODO LED Un diodo que tiene muchas aplicaciones es el diodo emisor de luz o diodo LED. Es como una pequeña bombilla y lo puedes ver en muchos aparatos electrónicos para indicar si el aparato está o no en funcionamiento. El LED tiene, como otros diodos, dos terminales. El más largo es el ánodo y el más corto el cátodo. Al igual que los diodos normales, los LED únicamente dejan pasar corriente cuando están en polarización directa y la impiden en polarización inversa. Una precaución importante a la hora de montar un diodo LED en un circuito, es que la tensión en sus bornes no debe sobrepasar los 2 V, ni la corriente que los atraviesa los 15 ma (intensidad máxima), por lo que, cuando la tensión es superior, se debe poner una resistencia en serie con él para ajustarla. 11

12 No obstante es conveniente consultar la hoja de características de cada led en particular. C) DIODO ZENER Se caracteriza por mantener la tensión estable en polarización inversa, por lo que su principal aplicación es como estabilizador de circuitos TRANSISTORES EL TRANSISTOR BIPOLAR El transistor es otro componente electrónico formado por materiales semiconductores, como el diodo, y es, sin duda, uno de los más importantes. Fue desarrollado por los investigadores Bardeen, Brattain y Shockley a finales de los años cuarenta. Está formado por la unión de tres cristales semiconductores del tipo N y P. Cuando se combinan dos cristales de tipo P con otro de tipo N, tenemos un transistor PNP. Si la unión es dedos cristales del tipo N con uno de tipo P, obtenemos un transistor NPN. Se puede considerar el transistor como la unión de dos diodos. De cada una de las zonas sale un terminal que nos permite conectar el componente al circuito. Por tanto, el transistor tiene tres terminales, que se denominan base, emisor y colector. 12

13 A) FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR BIPOLAR El funcionamiento del transistor está basado en la propiedad de gobernar la intensidad que circula entre el emisor y el colector mediante el paso de una pequeña corriente por la base. El transistor puede funcionar de tres formas distintas: En activa, como amplificador propiamente dicho. La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector base en inversa. En general, y a efectos de cálculo, se considera que se verifica lo siguiente: IC = β * IB donde β es la ganancia del transistor en continua. VBE 0,7 V En corte, cuando por él no pasa casi corriente (se comporta como un interruptor abierto). Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE < 0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido contrario al que llevaría en funcionamiento normal). Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión baseemisor del mismo, es decir, basta con que VBE=0. En saturación, cuando por él circula unas corrientes elevadas (se comporta como interruptor cerrado). En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente: Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: IC = β * IB VCE 0,2 VBE 0,7 V 13

14 Para comprender mejor el funcionamiento del transistor analicemos el siguiente circuito: Cuando el interruptor I está abierto, no hay paso de corriente hacia la base de transistor ypor tanto, el colector y el emisor no están comunicados (la lámpara permanece apagada). Al cerrar el interruptor I, se genera una corriente IB por la base del transistor que lo polariza. La resistencia R evita que esta corriente sea demasiado elevada. En este momento, se produce el paso de corriente entre el colector y el emisor (la lámpara se enciende). Esta corriente IC es mucho mayor que la corriente IB. Al emisor le llega la suma de la corriente de la base (IB) y la del colector (IC). IE = IB + IC Las aplicaciones del transistor son muchas, entre ellas los circuitos sensores que veremos más adelante. TABLA RESUMEN DEL FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISOR BIPOLAR NPN REGIONES NPN IC IB VCE VBE CORTE 0 0 VCC < 0,7 V ACTIVA Β * IB IC/ Β VCC VCE 0,2 V 0,7 V SATURACIÓN Β * IB IC/ Β 0,2 0,7 V EL TRANSISTOR EFECTO CAMPO Los transistores de efecto campo están formados por un sustrato de material semiconductor sobre el que se difunden dos islas de material semiconductor de diferente dopado. Los terminales se denominan surtidor (S), drenador (D) y el tercero que gobierna la conductividad de los 2 anteriores, llamado puerta (G). Existe una amplia variedad de transistores por efecto de campo. Los más abundantes, son los MOS (Metal Óxido Semiconductor). Como los anteriores, también pueden ser de dos tipos: de canal N y de canal P. 14

15 4.5.- EL CIRCUITO INTEGRADO Los circuitos integrados (chips) pueden estar diseñados para alojar millones de transistores, y combinados entre sí para ejecutar miles de trabajos electrónicos. Básicamente, un chip es un circuito eléctrico en miniatura, fabricado sobre material conductor, casi siempre compuesto de silicio. Posee funciones eléctricas específicas, como transistores, resistencias, diodos, condensadores, etc., insertados en un soporte común fabricado de un material semiconductor. En cuanto a su nivel de integración o número de componentes, los circuitos van desde el pequeño SSI (Small Scale Integration) que consta de 10 a 100 transistores, hasta llegar al complejo GLSI (Giga Large Scale Integration) con más de un millón de transistores. 15

16 3.3.- EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL La mayor parte del control y medida de los procesos industriales se realiza mediante circuitos electrónicos, siendo el amplificador operacional (Amp. Op.) un módulo básico de dichos circuitos de control. Aunque cada vez más, el procesado de la información y la toma de decisiones del sistema se realiza con circuitos digitales o sistemas basados en microprocesadores, la conversión de las variables medidas (temperatura, presión, velocidad, etc.) en variables eléctricas: corriente o tensión (en los sensores), o la conversión inversa (en los actuadores analógicos), requiere de circuitos analógicos, donde el amplificador operacional juega un papel fundamental SÍMBOLOS Y TERMINALES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL. Un amplificador operacional es un amplificador diferencial. Desde el punto de vista de una señal, el Amp. Op. tiene tres terminales: dos terminales de entrada y un terminal de salida. La figura 6.1 muestra el símbolo que utilizaremos para representar el Amp. Op. Los terminales 1 y 2 son los terminales de entrada, y el terminal 3 es el de salida. Como el Amp. Op. es un dispositivo activo (está formado por transistores, resistencias y algún condensador), requiere una potencia de continua para funcionar. La mayoría de Amp. Op. de CI requieren dos fuentes de continua, como se muestra en la figura. Los terminales del operacional se conectan a un voltaje positivo, VCC, y a uno negativo, -VCC, respectivamente, siendo habitual que sean iguales en valor absoluto. Las dos fuentes de alimentación de continua presentan una tierra común EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL. Después de haber visto una introducción del amplificador operacional, vamos a centrar nuestro estudio en el amplificador operacional ideal. Este estudio nos permitirá conocer múltiples aplicaciones del amplificador operacional y, ver el porqué es tan importante. El amplificador operacional ideal goza entre otras, de las siguientes características: 1. Impedancia de entrada infinita (Ri = ). El circuito de entrada es un circuito abierto. Por tanto, no hay corriente en ningún terminal de entrada, es decir, las corrientes de polarización son nulas (I B+ = I B- = 0). 16

17 2. Impedancia de salida nula (Ro = 0). 3. Ganancia diferencial de tensión es infinita (Av = ) RESOLUCIÓN DE CIRCUITOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES IDEALES. El AO sin realimentar. El amplificador operacional en bucle abierto (sin realimentar) se comporta como un comparador analógico simple. Si V+ > V- la tensión de salida será Vo = + Vcc, mientras que si V+ < V- la tensión de salida será Vo = - Vcc Resumiendo: I B+ = I B- = 0 Salida sólo dos valores (+Vcc, -Vcc) EL AO con realimentación Para resolver circuitos con amplificadores operacionales, las suposiciones de partida que se emplean son distintas dependiendo del tipo de realimentación que presente el circuito. La realimentación consiste en conectar o inyectar una señal de la salida con alguna de las entradas Una muestra de tensión o corriente en algún punto de la salida la llevamos a la entrada Realimentación positiva. Cuando la realimentación se hace a la entrada no inversora. Circuitos inestables, rápidamente la salida se satura a los valores máximo o mínimo (tensiones de alimentación) Realimentación negativa. Cuando la realimentación se hace a la entrada inversora. La ganancia se reduce respecto al valor en lazo abierto y el circuito es más estable. CASO I.- Realimentación negativa. En este caso la zona lineal ha aumentado al disminuir la ganancia con la realimentación. En esta zona lineal se cumple la ecuación: vo = Av (V+ - V-) V + - V - = vo / Av 17

18 Como vo tiene un valor finito y Av =, esto supone que V+ - V- = 0 Existe un Cortocircuito virtual entre las dos entradas del operacional. V+ = V- Por otra parte, como la impedancia de entrada del operacional es infinita (Ri = ), esto supone que no entra intensidad por los terminales de entrada. I + B = I - B = 0 CASO II.- Realimentación positiva o en lazo abierto. En este caso la zona lineal no existe debido a que la ganancia A es infinita. Por ello, consideraremos que la salida sólo puede tener dos valores posibles VCC y VEE. Se seguirá pudiendo aplicar la condición de la impedancia de entrada es infinita (Ri = ), no entra intensidad por los terminales de entrada. I + B = I - B = EJEMPLOS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS BÁSICOS RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA El diodo sólo permite el paso de la parte positiva de la señal de la fuente de tensión, convirtiendo la señal alterna de la entrada en una señal pulsatoria en la carga RL RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA 18

19 continua. La acción conjunta de D1 y D2 transforma la señal alterna de la entrada en una señal pulsatoria FILTRO CON CONDENSADOR El condensador cargado, al descender la señal V2 descarga sobre RL y suaviza la señal de salida V ESTABILIZADOR DE TENSIÓN Conectado en polarización inversa mantiene estable la tensión en sus extremos con el valor Vz en la salida, o sea, Vz = Vs FUENTE DE ALIMENTACIÓN 19

20 5.6.- TRANSISTOR EN CORTE O SATURACIÓN Los circuitos que se presentan a continuación tienen algo en común. En todos los casos se activará el circuito cuando la corriente de base IB > 0 EJEMPLO: SENSOR DE HUMEDAD Caso 1.- El agua no cubre las dos sondas: IB = 0; IC = 0 Por lo tanto no circula corriente por el led y este no luce. Caso 2.- El agua cubre las dos sondas: IB > 0; IC Por lo tanto el led queda conectado en polarización directa y es atravesado por IC y luce. 20