Tema 1. ELECTRÓNICA ANALÓGICA

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1 Tema 1. ELECTRÓNICA ANALÓGICA 1.- INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA Desde que en 1904 el físico británico John Ambrose Fleming inventara el diodo de vacío, y el año 1956 los grandes científicos: Shockley, Bardeen y Brattain inventaran el transistor de silicio (semiconductor) considerado como el mayor desarrollo tecnológico del siglo XX, se inició la carrera por la miniaturización de los dispositivos tecnológicos que aún no ha terminado en nuestros días. Los electrodomésticos, los medios de transportes, los sistemas de comunicación o los generadores de energía, por citar solo algunos ejemplos, están controlados por circuitos electrónicos. Por su importancia, la electrónica es una de las ciencias con mayor proyección en el futuro, y ha hecho posible que las tecnologías de las comunicaciones y la informática hayan alcanzado los niveles de desarrollo actuales. 2.- DEFINICIÓN DE ELECTRÓNICA La electrónica estudia los circuitos formados por componentes que están fabricados con materiales semiconductores. Estos materiales tienen un comportamiento intermedio entre los llamados aislantes (conducen muy mal, como el plástico o la madera) y los llamados conductores (conducen muy bien, como el cobre o la plata). Un circuito electrónico puede emplearse para fines muy diversos, pero nos centraremos en aquellos circuitos electrónicos que sirven para controlar automáticamente el funcionamiento de algunas máquinas u operaciones Diferencia entre electricidad y electrónica Existe una clara diferencia entre electricidad y electrónica. Mientras que en la primera son frecuentes tensiones de 220 V (electricidad doméstica) ó 380 V (electricidad industrial), y en pocos casos inferiores a los 12 V, así como intensidades del orden o superiores al amperio, en la electrónica hablamos de tensiones máximas precisamente de 12 voltios, e intensidades típicas del orden de los miliamperios (ma). 3.- CONCEPTOS BÁSICOS Corriente eléctrica Definición: Es el paso de electrones a través de un conductor Tipos de corriente: Corriente continua: los electrones circulan siempre en el mismo sentido. Este tipo de corriente es generada por pilas o baterías. Es la empleada en electrónica. Corriente alterna: los electrones cambian periódicamente el sentido de circulación. Este tipo de corriente es generada por alternadores. Este tipo de corriente es la utilizada en el consumo doméstico y la generada por las distintos tipos de centrales eléctricas

2 3.2.- Fuerza electromotriz o voltaje (V) Definición: Es la fuerza que hace que los electrones se muevan dentro de un conductor. Es decir, indica el valor de las pilas o de los alternadores que generan la corriente eléctrica. Su unidad es el Voltio(V) Intensidad de Corriente (I): es la cantidad de carga (electrones) transportada por unidad de tiempo. Su unidad es el Amperio(A) Resistencia (R): es la oposición que opone un cuerpo al paso de la corriente. Su unidad es el Ohmio(Ω) Ley de Ohm. La ley de Ohm permite relacionar las tres magnitudes fundamentales de un circuito eléctrico o electrónico entre sí: V I R V = Voltaje (voltios) I = Intensidad de corriente (amperios) R = Resistencia eléctrica (ohmios) Para calcular cualquiera de las magnitudes, conocidas las otras dos, basta con despejar Potencia eléctrica. Ley de Joule. En un circuito electrónico tiene también interés conocer la energía que se está consumiendo en cada instante (potencia). Pues bien, para tal efecto, tenemos la ley de Joule, que afirma lo siguiente: P V I P = Potencia (watios) V = Voltaje (voltios) I. = Intensidad de corriente (amperios) Es decir que la potencia consumida por un operador eléctrico/electrónico es igual al producto de la tensión que hay en sus extremos y la intensidad que lo atraviesa. 4.- COMPONENTES BÁSICOS EN LA ELECTRÓNICA Los principales componentes electrónicos son: resistencias, condensadores, diodos y transistores. A continuación se explica cada uno de ellos Resistencias Definición: Es la oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. Si un material ofrece mucha resistencia, se comportará como un aislante y si, por lo contrario, permite fácilmente el paso de corriente (tiene poca resistencia) se tratará de un material conductor. Sus principales funciones son el limitar y regular la cantidad de corriente que circula por un determinado circuito; y proteger algunos componentes por los que no debe circular una intensidad de corriente elevada. Por ejemplo, si a una pila de 9 V le conectamos directamente una bombilla de 3 V, esta se fundira (Figura 3A). Para evitar que se funda, podemos poner una resistencia en serie con la bombilla para que se quede con al menos los 6 V que nos sobran. Así solo le llegaran 3 V a la bombilla. A mayor valor de la resistencia, menor intensidad atravesará el circuito. Recíprocamente, a menor valor de resistencia, mayor intensidad circulará por el circuito

3 Medida La resistencia se mide en ohmios (Ω). Se utilizan también múltiplos del ohmio: Kiloohmio: 1 KΩ = Ω Megaohmio: 1 MΩ = Ω Tipos A) Resistencias fijas. Código de colores Son aquellas cuyo valor no varía. Para la construcción de circuitos electrónicos, se emplean unas resistencias construidas de carbón. El exterior está formado por plástico pintado con unas bandas colores, estas bandas nos indican el valor en de la resistencia. de Su símbolo es el siguiente: Para conocer los valores de una resistencia se emplean habitualmente cuatro bandas de color. Cada una de ellas tiene un significado claro, y se corresponde con un código adoptado de forma internacional para que todos podamos conocer al instante el valor. Cada color se corresponde con un número preestablecido. Las dos primeras bandas nos indican las dos primeros cifras del valor de la resistencia. La tercera banda nos indica el número de ceros que siguen a los dos números anteriores. La cuarta banda nos indica la tolerancia, en tanto por ciento. Tabla del Código de colores Colores 1ª Cifra 2ª Cifra Multiplicador Tolerancia Negro 0 0 Marrón 1 1 x 10 1% Rojo 2 2 x % Naranja 3 3 x 10 3 Amarillo 4 4 x 10 4 Verde 5 5 x % Azul 6 6 x 10 6 Violeta 7 7 x 10 7 Gris 8 8 x 10 8 Blanco 9 9 x 10 9 Oro x % Plata x % Sin color 20% Ejemplo 1 cifra: rojo (2) 2 cifra: morado (7) Multiplicador: verde (100000) Tolerancia: Plata (±10%) Resistencia de valor Ω y tolerancia de ±10%, es decir, el valor de la resistencia está entre : Ω y Ω

4 B) Resistencias variables o potenciómetros. Toman cualquier valor entre 0 Ω y el valor nominal que aparece indicado sobre ellas. El valor se puede seleccionar accionando una palanca o un mando que lleva a este efecto. Se representan con el símbolo que aparece a la derecha, indicando sobre la figura el valor máximo que puede alcanzar la resistencia. Se emplean como reguladores de intensidad. Nos permiten ajustar valores de resistencia en determinados circuitos, con lo cual conseguir diferentes efectos: nivel de luminosidad, de sonido, etc. Símbolo potenciómetro C) Resistencias dependientes de un parámetro físico. C.1).-Resistencias dependientes de la luz (L.D.R.) LDR son las iniciales de "Light Dependent Resistor" (resistencia dependiente de la luz). Son resistencias cuyo valor cambia al ser iluminadas por luz (visible o no, como la infrarroja o la ultravioleta). Tienen las siguientes características: o Su valor de resistencia depende de la luz que incide sobre ellas. Si la luz aumenta, el valor de su resistencia disminuye. o Se fabrican a partir de sulfuro de cadmio. Este material, si se mantiene en la oscuridad, no tiene apenas electrones libres, con lo que su resistencia es elevada. Sin embargo, si se ilumina, se libera cierto número de electrones, y así disminuye el valor de resistencia. Se dice entonces que el material es un fotoconductor. o Pueden emplearse en sistemas detectores de luminosidad. Símbolo LDR C.2).- Termistores N.T.C. NTC son las iniciales de Negative Temperatura Coefficient. Tienen las siguientes características: o Si su temperatura aumenta, el valor de su resistencia disminuye. o Se fabrican a partir de óxidos de semiconductores de cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, etc. o Pueden emplearse como sensores de temperatura. Símbolo NTC Símbolo PTC C.3).- Termistores P.T.C. PTC son las siglas de Positive Temperature Coefficient. Tienen las siguientes características: o Si su temperatura aumenta, el valor de su resistencia aumenta

5 o o Para su fabricación se utilizan materiales como carbonato de bario, óxido de estroncio u óxido de titanio. Pueden emplearse, al igual que los NTC, como sensores de temperatura. C.4).- Resistencias VDR o varistores. Son resistencias cuyo valor depende de la tensión que se le está aplicando. Por lo tanto, no cumplen la ley de Ohm Asociación de resistencias Las resistencias se pueden unir en serie o en paralelo formando grupos de resistencias que a su vez, a la hora de la resolución matemática de circuitos, se pueden sustituir por una resistencia total o equivalente (R eq ) a todas ellas. En Serie En Paralelo Caso particular: Dos Resistencias en Paralelo R eq = R 1 + R R n 1/R eq = 1/R 1 + 1/R /R n R 1 x R 2 R eq = R 1 + R Condensadores Definición: Es un operador destinado a la acumulación de carga eléctrica. Se caracteriza por: o La capacidad eléctrica, es decir, por la cantidad de carga eléctrica que puede almacenar. (Puede decirse que es como un depósito de agua, solo que en lugar de contener agua contiene electrones). Cuanto mayor sea la capacidad del condensador (la cantidad de electrones que puede almacenar), mayor será el voltaje (ó tensión) que hay entre las placas del condensador. La capacidad del condensador se expresa en faradios (F). o La tensión nominal: Es la máxima tensión (ó voltaje) que soporta el condensador sin peligro de perforarse. Básicamente consiste en dos placas metálicas enfrentadas entre sí, y entre las que se introduce un determinado material aislante, que se llama dieléctrico, que aumenta la capacidad de almacenamiento de carga eléctrica. Existen condensadores polarizados y no polarizados. Los condensadores polarizados tienen polo positivo y negativo, y deben conectarse a la fuente de alimentación atendiendo a la polaridad. Igual que un depósito de agua puede llenarse y vaciarse, el condensador eléctrico puede cargarse y descargarse: - Carga de un condensador: El condensador se carga (se llena de electrones) al pasar corriente por él. Importante: El condensador se comporta de manera totalmente distinta si está cargado o descargado (lleno o vacío). Condensador descargado: Se comporta como un conductor normal, conduce perfectamente la corriente eléctrica. A medida que se va llenando, va aumentando su resistencia al paso de la corriente. Condensador cargado: Cuando el condensador está totalmente cargado, su resistencia al paso de corriente es infinita, es decir, se comporta como un interruptor abierto, y no circulará corriente a través de él ni del circuito en el que se encuentre. Debido a que al principio el condensador conduce perfectamente la corriente, nunca se puede conectar un condensador directamente a una pila, por que se produciría un cortocircuito. Por tanto, siempre hay que colocar una resistencia que limite el paso de la corriente. - Descarga de un condensador: Una vez que el condensador está completamente cargado, se comporta como una pila, y puede utilizarse para producir corriente eléctrica. Para descargar el condensador hay que desconectarlo de la pila y conectarlo en un circuito en el que haya algún receptor para consumir esa energía eléctrica

6 Capacidad de un condensador El condensador queda caracterizado por la cantidad de carga que puede almacenar, es decir, por la magnitud conocida como capacidad, y que se escribe habitualmente con la letra C. La capacidad del condensador es igual a la carga almacenada en una de las placas dividida por la diferencia de tensión entre las placas (que se puede medir con un polímetro). Medida Q C V C= Capacidad (Faradios) Q= Carga eléctrica (Culombios) V= Voltaje (voltios) La capacidad del condensador se mide en faradios (F). Pero el faradio es una unidad demasiado grande. Por ello, se utilizan habitualmente unidades más pequeñas: o milifaradio (1mF = 10-3 F) o microfaradio (1μF = 10-6 F) o nanofaradio (1 nf = 10-9 F) o picofaradio (1 pf = F) Tiempo de carga y de descarga El tiempo que tarda un condensador en cargarse (a la tensión del circuito en paralelo con él) o descargarse responde a la siguiente expresión: t 5 R C R = resistencia equivalente en serie con el condensador (ohmios) C = capacidad del condensador (faradios) Asociación de condensadores. Al igual que las resistencias, los condensadores también se pueden disponer tanto en serie como en paralelo, resultando entonces que dos o más condensadores resultan iguales a cierto condensador o capacidad equivalente (observa que el cálculo es el mismo que para las resistencias, sólo que invirtiendo los términos) - 6 -

7 En Serie Caso particular: Dos condensadores en Serie En Paralelo 1/C eq = 1/C 1 + 1/C /C n C 1 x C 2 C eq = C 1 + C 2 C eq = C 1 + C C n - 7 -

8 4.3.- Diodos Definición: Es un elemento formado por la unión de un cristal semiconductor tipo N (cátodo) y un cristal semiconductor tipo P (ánodo) Su principal característica es que deja pasar la corriente solo en un sentido, de ánodo a cátodo, y siempre que la tensión en el ánodo sea mayor que en el cátodo. Se trata, por tanto, de un elemento unidireccional, es decir, no es lo mismo colocarlo en un sentido que en otro. El diodo D1 está polarizado directamente (polarización directa) por lo que permite el paso de corriente y su bombilla luce. Por el contrario, el diodo D2 está polarizado inversamente (polarización inversa) y no permite el paso de corriente; su bombilla no luce. La identificación de los terminales se realiza mediante una raya que lleva dibujada, y que se corresponde con el lado N. Aparte de los diodos convencionales explicados anteriormente, existe algunos diodos que presentan características especiales. A).- Diodo LED Diodo LED, o simplemente LED(Light emmiting diode). Es en esencia un elemento idéntico al diodo, sólo que la composición interior es la adecuada para que se emita luz de diferentes colores: amarilla, roja, verde, blanca, anaranjada, infrarroja, ultravioleta, etc. Se emplean en pilotos de señalización luminosa. Combinaciones adecuadas de distintos LED nos permitirán presentar datos. Un ejemplo es el visualizador o display de siete segmentos utilizado en las calculadoras o en los marcadores electrónicos. Para identificar cuál es el cátodo se observa que las patillas del LED son de distinta longitud, siendo el cátodo la menor Hoy en día también se usan para iluminación, en linternas, bombillas, focos, etc. Características: es un diodo muy delicado que necesita aproximadamente 2 V de tensión y unos 30 ma para lucir normalmente, mayores voltajes o intensidades lo pueden dañar. Por esto, normalmente se coloca en serie con él una resistencia que reduce la intensidad de la corriente y el voltaje. Símbolo Diodo LED - 8 -

9 4.4.- Transistores Los transistores son componentes electrónicos formados por tres capas de material semiconductor, que conectados de forma adecuada en un circuito, pueden funcionar como interruptores y amplificadores de señales eléctricas. Todo transistor tiene 3 patillas: base, colector emisor. Existen 2 tipos principales de transistores: NPN y PNP. Hay que saber identificar las patillas del transistor así como la manera en la que se deben de conectar las patillas al circuito: - Si es un transistor NPN, se coloca el polo + al colector y a la base. - Si es un transistor PNP, se coloca el polo al colector y a la base. Funcionamiento: Los transistores pueden funcionar de tres formas distintas: en corte, en activa, y en saturación. Analizaremos su funcionamiento a través de un símil con un circuito de agua: Imaginemos una tubería que dispone de una llave de paso B con un muelle de cierre cuya resistencia se vence al presionar sobre su base B que actúa como una llave de paso. El agua intentará pasar del emisor E al colector C. En esta situación puede ocurrir lo siguiente: 1. Si no hay presión en B (base), no puede abrir la válvula y no se produce el paso de fluido de E a C (funcionamiento en corte). 2. Si llega algo de presión a B (base), ésta abrirá más o menos la válvula y dejará pasar más o menos fluido de E a C (funcionamiento en activa). En este caso el transistor permitirá un paso de corriente proporcional a la abertura de la válvula y siempre superior a la corriente que llega a la base. A la relación entre ambas corrientes se le llama amplificación o ganancia. 3. Si llega suficiente presión a B (base) de forma que abre totalmente la válvula, se comunica E con C y el fluido pasa sin dificultad (funcionamiento en saturación)

10 ZONA DE CORTE. La corriente de base es aproximadamente cero. V BE <0,7V. La corriente de colector es cero. ZONA ACTIVA o de AMPLIFICACIÓN. La corriente de base es suficiente para activar el transistor. V BE >=0,7V. La corriente de colector es amplificada según la fórmula del transistor. ZONA DE SATURACIÓN. Llega un momento que aunque siga entrando más corriente a la base, la corriente de colector a llegado a su valor máximo y ya no puede ser amplificada, por lo que ya no se cumple la fórmula del transistor. Veamos este funcionamiento en un circuito de ejemplo: Si el interruptor T está abierto no entra corriente por la base y el transistor no deja pasar la corriente. La bombilla no luce. Si el interruptor T está cerrado entra corriente por la base, el transistor conduce y la lámpara está encendida

11 4.5.- Aparatos de medida Amperímetro: Mide la intensidad de corriente. Se conecta en serie con el elemento a medir. Voltímetro: Mide la tensión entre los terminales de un elemento. Se conecta en paralelo con dicho elemento

12 5.- FUENTE DE ALIMENTACIÓN Una fuente de alimentación es un dispositivo que transforma la tensión alterna de la red en una tensión continua de valor adecuado y estable. Toda fuente de alimentación consta de 4 bloques: transformación, rectificación, filtro y estabilizado

13 6.- SOPORTES ELECTRÓNICOS Son los materiales o elementos donde se conecta los distintos componentes electrónicos Circuitos impresos Un circuito impreso es un circuito cuyas conexiones, en vez de estar formadas por cables, están formadas por pistas de cobre dibujadas sobre una placa de material aislante. Al sustituir los cables por las pistas de cobre, se reduce el tamaño de los circuitos y resulta más sencillo el montaje

14 6.2.- Circuitos integrados Es la combinación en un único soporte de varios miles de elementos electrónicos miniaturizados para realizar determinadas funciones. Los circuitos integrados o microchips son componentes electrónicos complejos. Están constituidos por un variado número de componentes electrónicos que se han formado e interconectado sobre un mismo bloque de material semiconductor, formando así circuitos microscópicos completos. Tienen la gran ventaja de que cada circuito integrado realiza una función completa, de modo que se pueden combinar como módulos funcionales, conectándose con otros componentes para conseguir funcionamientos más complejos en un espacio reducido. Hay toda una gama de circuitos integrados, que según la escala de integración o número de componentes por chip, va desde los de baja escala de integración (SSI), que tienen menos de cien componentes, a los de muy alta escala de integración (VLSI), con varios millones de componentes. Uno de los circuitos integrados más complejos es el microprocesador de un ordenador. Este chip es el principal de un ordenador. Cómo se fabrican los circuitos integrados?

15 ANEXO: CÓMO SE FABRICA UN CIRCUITO IMPRESO Ejercicios: 1.- Calcula entre qué valores podrá estar el valor de las resistencias que tienen la siguiente serie de colores: Resistencia 1: Negro-Marrón-Negro-Rojo Resistencia 2: Naranja-Negro-Negro-Plata Resistencia 3: Gris-Verde-Naranja-Marrón Resistencia 4: Rojo-Morado-Marrón-Dorado Resistencia 5: Amarillo-Verde-Azul-Marrón 2.- Calcula que colores tendrán que tener las resistencias que tienen el siguiente rango de valores: Resistencia 6: 60 Ω 10% Resistencia 7: Ω 5% Resistencia 8: 7,5 KΩ 75 Ω Resistencia 9: 780 MΩ Ω Resistencia 10: Entre Ω y Ω 3.- Aplicando la Ley de Ohm que ya conoces (V = I R), calcula que intensidad circulará por los siguientes circuitos (recuerda que cuando una cifra aparece con una k significa que está multiplicada por y si aparece con una M significa que está multiplicada por ): (a (b (c d) e) f) 4.- Calcula cuánto tiempo tardarán en cargarse las siguientes asociaciones de condensadores y resistencias. (Revisa los prefijos micro-, nano- y pico-, y recuerda que K es Kilo = x1.000 y que M es Mega = x ) Resistencia Condensador Tiempo F 10 K 100 F 1000 K 100 F M 10 nf M 1 nf M 100 F

16 5. Dibuja a continuación un circuito en el que se pueda cargar y descargar un condensador. 6.- Rodea con un círculo las bombillas que brillarán en los siguientes circuitos cuando se cierre el interruptor: 7.- El tiempo que está encendida una luz tras desconectar el suministro eléctrico es de 2 s. Dicho tiempo viene controlado por un condensador conectado a un reostato fijado 200 Ω. Si quisiéramos emplear el mismo condensador para que el LED ilumine durante 5 s..a que valor de la resistencia debemos fijar el reostato? Razona la respuesta. 8.- De las siguientes frases indica cuales son verdaderas y cuales falsas: a) Un diodo conduce la corriente en un único sentido b) Para que permita el paso de la corriente, debemos conectar la zona P al terminal positivo de la pila. c) Para que permita el paso de corriente, el debemos conectar el cátodo del diodo al ánodo de la batería. d) Un diodo universal permite el paso de la corriente cuando esta polarizado inversamente

17 9.- Observa el siguiente circuito y contesta a las siguientes preguntas: a) Identifica todos los elementos del circuito. b) Qué tipo de transistor es el empleado? Razona la respuesta. c) A baja temperatura se ilumina el LED?. Por qué? d) Qué ocurre cando aumenta la temperatura?. Por qué? e) Cómo varia a resistencia dependiente da temperatura? f) Cuál es la función del potenciómetro? g) Cuál es la misión de la resistencia de 5 kω? 10.- Observa el siguiente circuito y contesta a las siguientes preguntas: a) Identifica todos los elementos del circuito. b) Qué tipo de transistor es el empleado? Razona la respuesta. c) Qué tipo de resistencia dependiente se empleo en este circuito?. d) En condiciones de poca luminosidad se ilumina el LED? Por qué? e) Qué ocurre cando aumenta la luminosidad? Por qué? f) Cómo varia el valor óhmico de la LDR con la luz? g) Cuál es la función del potenciómetro? h) Cuál es la misión de las resistencias fijas? 11.- Analiza el circuito de la figura y contesta a las siguientes preguntas: a) Identifica todos los elementos del circuito. b) Qué tipo de transistor es el empleado? Razona la respuesta. c) Tal y como está representado el circuito, el LED está conectado a la pila. Se iluminará el LED?. Razona la respuesta. d) Qué ocurre cando pulsamos P1? Razona la respuesta. e) Qué pasa cuando dejamos de pulsar P1?. Razona la respuesta

18 12.- Deseamos encender un diodo LED con una pila de petaca de 6 V, qué resistencia deberemos conectar en serie con él para que funcione en condiciones óptimas? Dibuja el circuito. (Datos: el voltaje e intensidad nominales del LED son, respectivamente, 2 V y 20 ma.) 13.- Explica detalladamente el funcionamiento de cada parte de una fuente de alimentación, que transforme una corriente alterna de 220V en otra corriente continua de 12V. Dibuja la forma de la onda a la salida de cada componente a) En el siguiente circuito explica detalladamente para que sirve cada componente y cuál es el funcionamiento general del circuito. b) Calcula la corriente de colector del segundo transistor y en qué zona de funcionamiento está en los tres casos siguientes: I) Hay oscuridad. II) Hay luz media, entonces por la base del primer transistor entra una corriente de 0,03 ma. III) Hay mucha luz, entonces por la base del primer transistor entra una corriente de 0,30 ma. Datos de los transistores: Ic máx =0,5 A Ganancia=

19 PRÁCTICAS 0) La placa de montajes protoboard. La placa protoboard (prototipe board) se utiliza para realizar montajes de circuitos de manera rápida, sencilla y no permanente (los componentes se pueden insertar y extraer fácilmente). Presenta un aspecto similar al siguiente: Las patillas de conexión de los componentes se insertan en las ranuras de la placa protoboard. Ojo, las ranuras están conectadas eléctricamente (cortocircuitadas) como se indican en la siguiente figura:

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21 3 Regulación con potenciómetro 4 Polarización de diodos

22 6 7 8 Cambio de giro de un motor con señalización por Leds de colores

23 Par Darlington

24 13 Regulación mediante potenciómetro y transistor 14 Detector de oscuridad 15 Detector de luminosidad 16 Retardo al encendido 17 Retardo al apagado

25 18 Detector de oscuridad