1.- Componentes electrónicos pasivos: resistores y condensadores.

Transcripción

1 1.- Componentes electrónicos pasivos: resistores y condensadores. Los componentes electrónicos son dispositivos o piezas utilizados en los circuitos electrónicos y se pueden clasificar en: Pasivos. No modifican la amplitud de las señales de tensión o intensidad que llegan a ellos. Como por ejemplo los resistores y los condensadores. Activos. Son capaces de modificar las señales de corriente o tensión que llegan a ellos, como por ejemplo los transistores. Resistores Un resistor es un componente pasivo diseñado y fabricado para ofrecer una determinada resistencia al paso de la corriente. La resistencia, R, es una característica de los materiales que mide su oposición al paso de la corriente eléctrica. Se mide en ohmios (Ω). Los resistores pueden ser fijos o variables, según se comporte el valor de su resistencia. Su función principal en los circuitos es limitar la intensidad que atraviesa un componente, y así protegerlo de sobretensiones. Los resistores fijos tienen un valor definido por un código de colores. Resistores variables Potenciómetro o reóstato. Es un componente de tres terminales que permite el cambio manual del valor de la resistencia, de cero a un valor máximo. Se usa como resistencia variable en un circuito y como potenciómetro para variar de forma continua una tensión de salida. LDR (Light Dependent Resistor). Es un resistor cuya resistencia depende de la luz que recibe. Se suele usar como sensor en sistemas de control; por ejemplo en el encendido automático de luces. Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient). Es un resistor cuya resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Se utiliza como sensor en circuitos donde se controla la temperatura. Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient). Es un resistor cuya resistencia aumenta al aumentar la temperatura. Tiene igual uso que el NTC. Condensadores Un condensador es un componente pasivo diseñado para almacenar carga eléctrica. Esta formado por dos placas conductoras denominadas armaduras conductoras, separadas por un aislante llamado dieléctrico. La capacidad C es una característica de los condensadores que relaciona la carga eléctrica, Q, que almacena y la diferencia de potencial entre sus 1

2 armaduras, V 1 V 2. Se mide en faradios F, aunque habitualmente se emplean submúltiplos como el µf (microfaradio) 10-6 F y el pf (picofaradio) F. Tipos de condensadores Condensador cerámico. Utiliza una oblea plana de material cerámico como dieléctrico, cuyas caras se metalizan formando armaduras. Carecen de polaridad. Condensador electrolítico. Tiene como dieléctrico una fina capa de óxido metálico, posee polaridad. Condensador variable. Se compone de unas armaduras móviles que al desplazarse hacen variar la capacidad. El dieléctrico es aire o mica. Un condensador situado en un circuito eléctrico de corriente continua no deja pasar la corriente eléctrica. Sin embargo, durante unos breves intervalos de tiempo (tiempo de carga y tiempo de descarga) sí circula corriente. Proceso de carga y descarga de un condensador. Carga. Al conectar un condensador descargado de capacidad C a una pila a través de una resistencia R, la carga adquirida por el condensador varía con el tiempo hasta un máximo Q 0. El producto = R.C se denomina constante de tiempo del condensador. La carga completa se consigue con 5. Descarga. Si una vez cargado se cambia el conmutador y se desconecta el condensador de la pila, el condensador se descarga a través de la resistencia R, La velocidad de descarga también es variable y disminuye con el tiempo. La descarga completa se consigue con Semiconductores. Diodos de unión. Los semiconductores son materiales que tienen una resistividad intermedia a la de los conductores metálicos y a la de los aislantes. Estos materiales permiten el control de la corriente eléctrica, por lo que son la base de la fabricación de los componentes electrónicos. Se clasifican en: Semiconductores intrínsecos. Son materiales como el Silicio, el Germanio o el Galio, en estado puro. Su conductividad aumenta mucho con la temperatura. Semiconductores extrínsecos. Se obtienen añadiendo a los anteriores determinados átomos, denominados impurezas dopantes, en pequeñas cantidades, para mejorar su conductividad. Pueden ser tipo N si tiene electrones libres o tipo P si lo que le sobra es huecos. 2

3 Unión PN Si se ponen en contacto un material tipo P con un material tipo N, se formará una unión semiconductora PN. En la zona de la unión se difunden electrones desde N hasta P, y huecos desde P hasta N, formando una delgada capa denominada zona de transición o región de carga espacial. En esta zona se recombinan los pares electrón-hueco y se producen cargas eléctricas netas que crean una tensión de 0,7 V. en los semiconductores de silicio, que impide que continúe la difusión. Polarización de la unión PN Polarización directa. La zona N se une al negativo de la pila y la zona P, al positivo. Si la tensión aplicada en el Si es superior a 0,7 V, desaparecerá la zona de carga espacial, y el material conducirá inyectando huecos desde P hasta N y electrones desde N hasta P. Polarización Inversa. En este caso, la zona N se une al positivo de la pila y la zona P al negativo. La tensión de la pila hace que se refuerce la región de carga espacial y no pase corriente a través de la zona de unión. Diodos de unión. Un diodo de unión es un componente semiconductor que contiene una unión PN. Tiene dos terminales denominados ánodo, unido al material P, y cátodo, unido al material N. Esta unión permite el paso de corriente cuando está polarizado directamente, y lo impide cuando se encuentra polarizado inversamente. Tipos de diodos. LED (Light Emiting Diode). Son diodos que emiten luz cuando conducen. Generalmente soportan un máximo de 20 ma y deben conectarse en serie con una resistencia para protegerlos. Diodos Zener. Son diodos diseñados para funcionar con una tensión inversa determinada. Se usan para prevenir sobretensiones en los circuitos. Fotodiodos. Conducen cuando reciben luz. Se utilizan co- 3

4 mo sensores de iluminación, como por ejemplo las células fotoeléctricas. En la imagen siguiente se representan sus símbolos. 3.- Transistores bipolares. Un transistor bipolar es un componente activo formado por dos uniones PN opuestas y una delgada región tipo P o N entre ellas. Tiene tres terminales, emisor, base y colector, que están unidos a regiones de semiconductores P o N. El emisor proporciona los portadores de carga eléctrica (electrones o huecos) y el colector los recoge; la base controla este flujo de portadores y hace de llave de paso. La región de base es muy estrecha en relación con las otras regiones; por ello, casi todos los portadores que salen del emisor llegan al colector. La corriente de base es unas cien veces menor que la del colector o emisor. Tipos de transistores. Transistor NPN. El terminal de base está unido a una región tipo P. Los portadores de carga mayoritarios son los electrones, que van del emisor al colector. Transistor PNP. El terminal de base está unido a una región tipo N. Los portadores de carga mayoritarios son los huecos, emitidos desde el emisor y recogidos por el colector. Polarización de un transistor: modos de trabajo. Polarizar un transistor es aplicar las tensiones adecuadas a sus terminales para que el dispositivo realice una determinada función. Modo de corte. Ambas uniones, base-emisor y base-colector, están polarizadas inversamente. El transistor se comporta como un interruptor abierto. V EB> 0,7V. Modo activo. La unión base-emisor está polarizada directamente, y la unión basecolector, inversamente. El transistor amplifica la corriente de base. V EB< 0,7V. Modo de saturación. Ambas uniones, base-emisor y base-colector están polarizadas directamente. El transistor se comporta como un interruptor cerrado. V EB< 0,7V. 4

5 Conexión de un transistor en un circuito. Como los transistores tienen tres terminales, su utilización en circuitos para amplificar señales exige que uno de los terminales sea común al circuito de entrada de la señal y al de salida de la señal amplificada. La forma de conectar un transistor puede ser en emisor común, en base común o en colector común. Un transistor funcionando en modo activo, en un montaje en emisor común, tiene una corriente de colector que amplifica la corriente de base según la expresión I C = β. I B, siendo β una constante característica del transistor denominada ganancia de corriente. 4.- Amplificación mediante transistores. Un transistor en modo activo y montado en emisor común amplifica la señal que llega a su base. La amplificación de tensión es una característica importante de los transistores, por lo que son imprescindibles en los montajes electrónicos. Esta amplificación se calcula como la relación entre el voltaje en la resistencia de carga R L (salida) y la tensión aplicada entre la base y el emisor R B (entrada). = β. Para que los transistores puedan trabajar con señales pequeñas (menores de 0,7 V. propios del V BE del transistor de silicio), y además sean estables ante los cambios de temperatura, se les añade unas resistencias y unos condensadores adecuados para conseguir que estén autopolarizados y estabilizados. Cuando se quieren conseguir grandes amplificaciones se utilizan los amplificadores multietapa, que están formados por amplificadores conectados en cascada, de forma que la salida del primero se acopla a la base del segundo, etc. 5.- Circuitos multivibradores. Los circuitos multivibradores son circuitos que disponen de salidas que cambian alternativamente su tensión entre un nivel alto y un nivel bajo. Se denomina estado a la situación a la que tiende un circuito como consecuencia de una nueva entrada que produce una transición. Circuitos multivibradores aestables. En estos circuitos los dos estados son inestables. Por ejemplo, el circuito de intermitencia de un vehículo que cambia alternativamente entre el encendido y el apagado sin permanecer de forma definitiva en ninguno de los dos estados. 5

6 Circuitos multivibradores monoestables. Temporizadores. Estos circuitos tienen un solo estado estable. Por ejemplo, en la iluminación del rellano de la escalera, después de accionar el pulsador (nueva entrada), la lámpara permanecerá encendida un cierto tiempo (estado inestable) y después vuelve a apagarse (estado estable). Un temporizador es un caso sencillo de circuito monoestable. En estos circuitos se usan transistores y condensadores, gobernados por la constante de tiempo del condensador =R.C Circuitos multivibradores biestables. Tienen dos estados estables y así permanecen en el tiempo en su estado actual (alto o bajo) hasta que llega una señal de entrada que los hace cambiar. Son muy usados en sistemas digitales para almacenar información. Con ellos se construyen los registros de memoria de los ordenadores: si la salida es alta se asocia a un 1 y si es baja se asocia a un 0, almacenando un bit de información. Ocho biestables almacenan un byte, etc. 6.- Circuitos integrados. Los circuitos integrados son componentes electrónicos complejos que contienen en su interior gran cantidad de componentes más simples (transistores, diodos, etc.) muy miniaturizados. Se fabrican mediante técnicas de litografía óptica. Se encapsulan dentro de una carcasa de plástico o cerámica y se conectan mediante unos terminales metálicos a zócalos situados en circuitos impresos. Como ejemplos de circuitos integrados más utilizados en electrónica analógica están los amplificadores operacionales y el circuito integrado 555. Amplificador operacional. Es un amplificador de ganancia muy elevada. Posee dos entradas (una en fase y otra inversora) y una salida de ganancia proporcional a la diferencia entre las tensiones aplicadas en la entrada. Suele tener varias etapas de amplificación, pero se trata como un bloque cerrado. Existen en el mercado una gran variedad de amplificadores operacionales que sirven para desempeñar diversas funciones específicas. Circuito integrado 555. Está compuesto por 23 transistores, 2 diodos y 16 resistores, (todos encapsulados). Su uso principal es como temporizador en diversos circuitos, siendo más eficaz que los temporizadores de condensadores. 6

7 7.- Electrónica digital. Álgebra de Boole. El funcionamiento de todos los dispositivos electrónicos se basa en el tratamiento e interpretación de señales eléctricas, que en realidad son corrientes y tensiones. Estas señales pueden ser analógicas o digitales. Analógicas. Son aquellas en las que existe una variación continua en el tiempo de las magnitudes eléctricas consideradas. Digitales. En el caso más sencillo, las magnitudes eléctricas toman dos posibles valores, alto y bajo, que se pueden asociar con la presencia o ausencia de tensión en un punto de un circuito. Estos dos estados se pueden asociar a los dígitos 0 y 1. La electrónica digital se ocupa de la generación, tratamiento e interpretación de las señales digitales. El sistema de representación más adecuado de las señales digitales es el binario que incluye dos dígitos, el 0 y el 1, y asocia el valor alto al 1 y el bajo al 0. Las unidades aritmético-lógicas de los microprocesadores operan con números binarios. En electrónica digital, las cifras 0 y 1 tienen su equivalencia física con transistores que funcionan en corte y en saturación. Cuando un ordenador está funcionando, en su interior, los millones de transistores que forman su microprocesador, sus registros y su memoria están pasando de corte a saturación y viceversa, simulando la realización de las operaciones aritméticas y lógicas mediante cambios entre 0 y 1. Algebra de Boole Los sistemas digitales (ordenadores, procesadores industriales, etc.) se caracterizan por su capacidad para tomar decisiones ante situaciones ya previstas. Como operan en sistema binario a esto se la llama lógica binaria. Ésta obedece al mismo conjunto de normas y leyes que unas estructuras algebraicas denominadas álgebra de Boole. El álgebra de Boole es cualquier conjunto de elementos o variables capaces de adoptar dos valores (0 o 1, verdadero (V) o falso (F), abierto o cerrado, etc.) entre los cuales se definen dos operaciones, la suma lógica (+) y el producto lógico (.). Operaciones y propiedades del álgebra de Boole. Las operaciones lógicas entre dos dígitos binarios se expresan en una tabla que muestra todas las posibilidades que se pueden dar, denominada tabla de verdad de la operación. Operaciones lógicas básicas. Producto lógico. La salida o resultado de esta operación es 1 si las dos entradas son 1. a b a.b Suma lógica. La salida o resultado de esta operación es un 1 si al menos una entrada también es 1. a b a+b Inversión lógica. Es el cambio entre uno y otro valor. a a

8 El álgebra de Boole contiene además, un conjunto de propiedades que facilitan la simplificación de las expresiones con variables booleanas. Propiedad conmutativa a + b = b + a a b = b a Propiedad asociativa a+(b+c) = (a+b)+c a (b c) = (a b) c Propiedad distributiva a (b+c) = a b + a c a + b c = (a+b) (a+c) Elementos neutros a + 0 = a a 1 = a Elementos simétricos a + a = 1 a a = 0 Ley de idempotencia a + a = a a a = a Ley de absorción a + a b = a a (a+b) = a Teoremas a + a. b = a + b a.(a + b) = a. b Leyes de Morgan (a + b) = a. b (a. b) = a + b Funciones booleanas Una función booleana es una expresión formada por variables que están relacionadas mediante sumas y productos. Las funciones booleanas pueden adoptar dos valores de salida, al igual que las variables, que están reflejados en su tabla de verdad. 8.- Puertas lógicas Las puertas lógicas son dispositivos electrónicos que realizan operaciones lógicas sencillas mediante señales eléctricas en sus entradas y salidas. Cada operación lógica (suma, multiplicación, ) tiene una puerta lógica que la realiza. Aunque el funcionamiento de las puertas lógicas se puede simular mediante interruptores y relés, la aparición de los diodos y transistores dio un gran impulso a la producción de estos dispositivos. A continuación se presentan las puertas lógicas básicas, las funciones que representan, su tabla de verdad, su símbolo y su equivalencia con un circuito eléctrico. puerta AND La señal de salida se activa sólo cuando se activan todas las señales de entrada. Equivale al producto lógico S = A B y se corresponde con la siguiente tabla de la verdad (para dos entradas) y al siguiente circuito eléctrico. puerta OR La señal de salida se activa si se enciende cualquiera de las señales de entrada. Equivale a la suma lógica S = A + B y se corresponde con la siguiente tabla de la verdad (para dos entradas) y al siguiente circuito eléctrico. A B S A B S

9 puerta NOT La señal de salida se activa al apagarse la de entrada. Es la inversa. Equivale a la negación o inversión S = A' y se corresponde con la siguiente tabla de la verdad (para una entrada) y al siguiente circuito eléctrico: puerta NAND La señal de salida se activa siempre que no se activen todas las de entrada. Equivale a combinar una puerta AND y una NOT. Equivale al inverso del producto lógico S = (AB)' y se corresponde con la siguiente tabla de la verdad y al siguiente circuito eléctrico: A S A B S puerta NOR La señal de salida se activa cuando todas las señales de entrada están inactivas. Equivale a combinar una puerta OR y una NOT. Equivale al inverso de la suma lógica S = (A+B)' y se corresponde con la siguiente tabla de la verdad y al siguiente circuito eléctrico: A B S

10 9.- Circuitos combinacionales. Son circuitos digitales en los que la señal de salida depende solamente de las señales de las entradas. La relación entre la salida y las entradas se expresa mediante una función booleana. Las funciones booleanas son una forma de expresar el funcionamiento de los circuitos electrónicos digitales, donde las variables son las señales de entrada, y la función es la señal de salida. Se pueden definir mediante una expresión o mediante una tabla de verdad. Las funciones booleanas se simplifican siguiendo las reglas del álgebra de Boole para que el circuito sea lo más económico posible Circuitos combinacionales integrados. En el mercado se pueden encontrar circuitos combinacionales fabricados en un solo chip, lo que facilita mucho su utilización. Entre los más usados se encuentran los circuitos conversores de código y los circuitos selectores de flujo. Conversores de código. Traducen el lenguaje humano formado por numeración decimal, lenguaje latino, etc., al lenguaje de la máquina formado por ceros y unos, propios del lenguaje binario. También pueden hacerlo a la inversa. Pueden ser codificadores o descodificadores. Selectores de flujo. Funcionan como conmutadores, ya que eligen un camino entre varios posibles por el que dirigen la información. Pueden ser multiplexores o demultiplexores. Los multiplexores son circuitos combinacionales con varias entradas y una sola salida. Los demultiplexores tienen una entrada y varias salidas. 10