COMPONENTES ELECTRÓNICOS

Transcripción

1 ELECTRÓNICA La Electrónica es la parte de las Ciencias Físicas que se dedica a la conducción eléctrica en elementos SEMICONDUCTORES, pero no solo de ellos. La diferencia con la otra rama denominada Electricidad es pequeña, y ambas ramas están profundamente relacionadas. En la practica, podemos decir que un circuito es electrónico, y no eléctrico, cuando funciona con tensiones e intensidades bajas (unos pocos voltios y con un consumo de pocos miliamperios), cuando se destina a aplicaciones de cálculo (informática), control automático o manejo de señales de radio.

2 ELECTRÓNICA A diario hacemos uso de un gran número de aparatos electrónicos como el televisor, el ordenador, el teléfono, relojes La electrónica ha cambiado el modo en el que nos comunicamos, ha acelerado y ampliado las posibilidades de realizar cálculos y ha permitido controlar automáticamente el funcionamiento de máquinas y aparatos. La electrónica es la ciencia que permitió un mayor desarrollo de la sociedad en los últimos 50 años.

3 ELECTRÓNICA Definimos la electrónica como el campo de la técnica que se ocupa de los sistemas en los que tiene lugar la conducción de electrones a través de un material semiconductor ( silicio: Si, o germanio: Ge). El gran avance en los últimos años en el estudio de materiales semiconductores desarrolló la microelectrónica permitiendo disponer de aparatos mejores y de menor tamaño. Los circuitos electrónicos comparten principios de funcionamiento con los eléctricos pero tienen por finalidad el procesamiento de información en lugar del aprovechamiento de energía eléctrica. Los circuitos electrónicos utilizan los voltajes, corrientes y ondas electromagnéticas para transformar la información.

4 COMPONENTES ELECTRÓNICOS RESISTORES RESISTORES DE VALOR ÓHMICO FIJO. RESISTORES DE VALOR ÓHMICO VARIABLE. RESISTORES DE VALOR ÓHMICO DEPENDIENTE DE ALGUNA MAGNITUD. CONDENSADORES BOBINAS DIODOS TRANSISTORES

5 RESISTORES DE VALOR ÓHMICO FIJO Resistor o resistencia; son componentes eléctricos y electrónicos que forman parte de los circuitos y que como su nombre indica presentan un valor de resistencia al paso de la corriente eléctrica a su través que se mantiene siempre constante. Ese valor de resistencia se mide en Ohmios (Ω). Se clasifican en función de su potencia por tamaños: de 1 W, de 1/2 W y de 1/4 W. Su valor está indicado mediante un código de colores sobre su superficie. El símbolo con el que vamos a representar las resistencias es el siguiente:

6 RESISTORES DE VALOR ÓHMICO FIJO Gran parte de los resistores son demasiado pequeños como para escribir su valor óhmico en su superficie, por lo que codificamos esa información mediante un código de colores que consiste en tres franjas de colores seguidas de otra franja metalizada. El color de las dos primeras franjas representa las dos cifras del valor de la resistencia. La tercera franja nos da el multiplicador, es decir, el número por el que tenemos que multiplicar la cifra anterior para obtener el valor de la resistencia en ohmios. Y por último, la cuarta franja representa la tolerancia de ese valor óhmico (es decir, el porcentaje de error que puede tener ese valor).

7 RESISTORES DE VALOR ÓHMICO VARIABLE. Las resistencias variables son resistencias cuyo valor puedo cambiar a voluntad. Las hay de tamaño grande o pequeño, horizontales o verticales, lineales y logarítmicas. En general, una resistencia variable, por ejemplo de 10 KΩ, tendrá tres contactos y actúa como dos resistencias en serie. Entre el contacto central y uno de los contactos laterales tendrá un valor menor de 10 KΩ y entre la central y el otro contacto lateral un valor complementario. Por ejemplo, si entre el centro y el contacto izquierdo pongo 3KΩ, entre el centro y el derecho tendré 10 KΩ- 3KΩ = 7KΩ. Son usadas como reguladores de los distintos parámetros de un circuito (Por ejemplo para regular el volumen de sonido de un equipo de música). Aquellas de vástago largo al que se le puede aplicar un mando se suelen denominar potenciómetro. Símbolo de la resistencia variable.

8 RESISTORES DE VALOR ÓHMICO VARIABLE. Potenciómetros Variables Símbolo s:

9 RESISTORES DE VALOR ÓHMICO AJUSTABLE. Símbolo de

10 RESISTORES DEPENDIENTES Los resistores dependientes son resistores cuyos valores dependen de parámetros externos al circuito. Pondremos de ejemplo las resistencias que dependen de la temperatura exterior (NTC y PTC) y de las resistencias que dependen de la luz (LDR). De las dependientes de la temperatura decir que NTC significa coeficiente de temperatura negativo y PTC, coeficiente de temperatura positivo. En las primeras, al aumentar la temperatura disminuye la resistencia, y en las segundas, al aumentar la temperatura la resistencia aumenta. Se utilizan como controles de temperatura por ejemplo en una instalación de calefacción (para controlar el encendido y apagado), protección de circuitos (por aumento de temperatura y causar posibles daños), etc. Las LDR (resistencias dependientes de la luz), aumenta la resistencia al aumentar la cantidad de luz que inciden sobre ellas. Sirven como elementos de control de circuitos (por ejemplo el encendido automático de la iluminación urbana), alarmas Otro tipo de resistor dependiente es la VDR (resistores dependientes del voltaje)

11 RESISTORES DEPENDIENTES NTC Y PTC LDR VDR

12 RESISTORES DEPENDIENTES

13 EJEMPLO DE CIRCUITO CON SENSOR LDR Vemos en el circuito que al disminuir la cantidad de luz (al hacerse de noche), la resistencia de la LDR aumenta y por lo tanto la caída de tensión en ella será mayor y con un valor suficiente para activar el transistor que conducirá y provocará el encendido de la lámpara. Al aumentar la cantidad de luz (hacerse de día), la resistencia de la LDR disminuirá provocando una bajada de tensión en la misma, la cuál ya no es suficiente para activar el transistor, por ello éste se corta dejando de circular corriente a su través y apagando como consecuencia la lámpara.

14 EJEMPLO DE CIRCUITO CON SENSOR NTC Vemos en el circuito que al disminuir la temperatura, la resistencia del NTC aumenta y por lo tanto la caída de tensión en el será mayor y con un valor suficiente para activar el transistor que conducirá y provocará el encendido del diodo LED. Al aumentar la temperatura, la resistencia del NTC disminuirá provocando una bajada de tensión en el mismo, la cuál ya no es suficiente para activar el transistor, por ello éste se corta dejando de circular corriente a su través y apagando como consecuencia el LED.

15 CONDENSADORES Los condensadores son elementos indispensables en los circuitos. Su misión principal es la de almacenar carga eléctrica ( almacenan un numero determinado de electrones). Consisten en dos placas o armaduras metálicas separadas entre si por un aislante al que se le suele denominar dieléctrico. Los terminales del condensador van soldados a las placas metálicas. Sirven para almacenar carga de forma temporal. Una vez cargados, se descargan al cerrar sus terminales sobre un circuito cerrado. La cantidad de carga que puede almacenar un condensador, se llama Capacidad y se mide en Faradios, pero debido a que esta unidad es excesivamente grande, en la práctica se utiliza submúltiplos de ésta: Microfaradios ( F) 10-6 F Nanofaradio (nf) 10-9 F Picofaradio (pf) F

16 TIPOS DE CONDENSADORES En cuanto a los tipos de condensador que existen básicamente son dos: polarizados o no polarizados. En los no polarizados no existen diferencias entre los terminales. Cualquier armadura puede ser positiva o negativa. Pueden ser de plástico, de papel o cerámico según sea el aislante. Para saber su valor o bien viene impreso, o bien viene con un código de colores. Los otros tipos posibles son los polarizados. En estos hay que diferenciar la armadura negativa de la positiva. Son cilíndricos, y en ellos viene su valor (normalmente en microfaradios μf -) y bien señalizado el terminal negativo. En la imagen puedes ver los del tipo electrolítico. Importante: estos condensadores tienen polaridad (+ y -) y deben conectarse adecuadamente.

17 TIPOS DE CONDENSADORES SÍMBOLOS:

18 CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR Circuito de carga En este circuito, el condensador se está cargando a través de la R1 hasta alcanzar el valor total de la pila Vcc t1= tiempo de carga Circuito de descarga En este circuito, el condensador se está descargando a través de la R2 hasta descargarse completamente. t2= tiempo de descarga

19 EJEMPLO DE CIRCUITO DE CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR: SEMÁFORO En el circuito de carga, cuando pulsamos el interruptor 1, la corriente circula por el circuito, encendiendo la luz roja y cargando el condensador. Una vez que el condensador está totalmente cargado con la tensión máxima que le proporciona la pila deja de circular corriente por el circuito y la lámpara roja se apaga. En el circuito de descarga, cuando pulsamos el interruptor 2, la corriente generada por el condensador que ahora está cargado, circula por el circuito, encendiendo la luz verde. Una vez que el condensador se descarga deja de circular corriente por el circuito y la lámpara verde se apaga.

20 BOBINAS Las bobinas son arrollamientos de conductores sobre piezas metálicas. Tienen la propiedad de crear campos magnéticos al paso de la corriente eléctrica. Su capacidad de generación de campos magnéticos se mide en Henrios (H) y comúnmente en mh. Los motores eléctricos suelen constar de mas de un bobinado. Hay bobinas de núcleo de ferrita, de núcleo solido, toroidales, etc. También se pueden hacer directamente en una placa electrónica. Símbolo de la bobina

21 DIODOS Este es el primer componente electrónico propiamente dicho. Se caracteriza por permitir el paso de la corriente sólo en una dirección. Existen varios tipos, siendo el más conocido el que emite luz (LED), que puedes ver en la fotografía inferior. Para poder entender el funcionamiento del diodo, debemos estudiar primero su constitución y para ello es imprescindible comenzar por la definición de los materiales semiconductores.

22 Material semiconductor Los dos materiales semiconductores que se utilizan en electrónica son: el Silicio (Si) y el Germanio (Ge). Ambos tienen propiedades intermedias entre los materiales conductores y aislantes. El Silicio es el material de la Naturaleza mas parecido al Carbono. Tiene cuatro electrones de valencia, y forma enlaces covalentes con otros cuatro Silicios que tenga alrededor.

23 Material semiconductor Semiconductor tipo N En ellos introduzco átomos de Fosforo (P), Arsénico (As) o Antimonio (Sb). Estos átomos no tienen cuatro electrones de valencia como el Silicio sino cinco. Al introducir estos átomos dentro de la estructura molecular del Silicio, los meto de forma forzada, lo cual resulta que un electrón se queda suelto, sin enlace. Es decir, el semiconductor se queda cargado negativamente. (tiene electrones en exceso). Introducir un átomo en la estructura molecular de otro se llama dopaje.

24 Material semiconductor Semiconductor tipo P De forma parecida, puedo introducir átomos de Boro (B), Galio (Ga) o Indio (In). Estos átomos solo poseen tres electrones de valencia. En este caso, al introducir un átomo con un sitio libre donde debería haber un electrón, se queda un hueco. Es decir, el semiconductor se queda cargado positivamente. (tiene huecos (cargas positivas en exceso).

25 Material semiconductor

26 El primer dispositivo electrónico: Diodo Se denomina diodo (diodo de unión PN) a la unión de dos semiconductores, uno de tipo P y otro de tipo N. Cuando se unen, el material N tiene electrones móviles, descolocados, mientras el material P tiene huecos donde pueden ir electrones...

27 El primer dispositivo electrónico:diodo Los electrones de la zona N se mueven (recombinan) con los huecos del material P. Pero no todos los electrones del material N pasan al material P. Solo los que están cerca de la frontera, en una estrecha zona. Esta zona se conoce como zona de deplexión. También se mantiene una diferencia de potencial llamada tensión umbral del diodo.( Vᴽ = VD cuyo valor suele variar entre 0,2 y 0,6 voltios según sea un diodo de silicio o germanio)

28 El primer dispositivo electrónico: Diodo Diodos led Diodos de unión de silicio y germanio Fotodiodos Símbolos Diodos Zéner

29 Polarización directa del diodo El polo positivo de la pila lo conecto a la zona P del diodo y el negativo a la zona N. Los electrones del polo negativo de la pila se ven atraídos por la zona de carga positiva, (P) y salen del polo negativo, saturando la zona N de electrones y rellenan los huecos de la zona P ya que se ven atraídos por el terminal positivo de la pila y se marchan hacia ella provocando así corriente eléctrica. (Para que esto ocurra, el valor mínimo de la tensión de la pila debe ser igual o superior a la tensión umbral del diodo, Vᴽ =VD (0,20,6 V)) Este proceso se repite continuamente, mientras no se agote la pila. Como se ve en el esquema, el sentido de la corriente se representa siempre del polo positivo al negativo aunque realmente el sentido de circulación de los electrones sea el contrario. Polarización directa: el diodo conduce, se comporta como un interruptor cerrado

30 Polarización inversa del diodo El polo negativo de la pila lo conecto a la zona P del diodo y el positivo a la zona N. Los electrones de la pila, del polo negativo, salen para ocupar los huecos presentes en el material P. Por otra parte, los electrones de la zona N se sienten atraídos por el polo positivo de la pila y se van hacia allí, dejando la zona N sin electrones. En esta situación, la zona umbral se amplía quedando desierta y evitando así la circulación de corriente eléctrica, lo que diríamos: un circuito abierto, el diodo se bloquea, se comporta como un interruptor abierto. Polarización inversa: el diodo no conduce, se comporta como un interruptor abierto

31 TIPOS DE DIODOS Hay muchos tipos de diodos: podemos definir los diodos de potencia o diodos de unión, que aguantan tensiones altas, los de Silicio (referencia comercial 1N4001-1N4007, por ejemplo, de tensión umbral 0.6 a 0.8 voltios aprox.) para propósitos de rectificación, los de Germanio (1N4148) con una tensión umbral de 0.2 o 0.3 Voltios, para propósitos generales. Los LED's (abreviatura inglesa de Light Emitting Diodes Diodos emisores de luz) que son como bombillas cuando se les polariza en directa. El diodo LED lleva dos flechitas indicando que da luz. Los diodos LED deben llevar una resistencia en serie de unos Ohmios para poder iluminar. Si se le pone una menor se pueden quemar y si mayor, no dan luz. Los diodos LED's son muy usados en aparatos electrónicos corrientes: (Luz de disco duro, luces de stand-by, infrarrojos del mando, etc.) Diodos de silicio y germanio Diodos LED

32 TIPOS DE DIODOS Los diodos Zéner, que tienen la característica de que pueden conducir en polarización inversa y sirven para propósitos de estabilización de señales continuas. (Lo veremos un poco más adelante) Los diodos Zéner se representan con el triangulo del diodo y una Z. Y los fotodiodos que a la inversa que los led son receptores de señales luminosas. Algunos ejemplos los tenemos aquí:

33 TRANSISTORES Los transistores son los dispositivos electrónicos capaces de realizar dos tareas básicas distintas: amplificar señales y servir de interruptores controlados (y por lo tanto capaces de dar soporte a toda la electrónica digital). El desarrollo tecnológico del siglo XX en cuanto a telecomunicaciones, informática y automatización de múltiples tareas no hubiese sido posible si no se hubiese inventado este pequeño dispositivo. Televisores, radios, ordenadores, electrodomésticos, maquinarias varias y hasta juguetes lo usan de una u otra forma. Si comparáramos el cuerpo humano con cualquier circuito electrónico el equivalente de una neurona (célula cerebral) seria un transistor. Quizá podría afirmarse que es el invento mas importante de la era de las telecomunicaciones. Hay tres tipos de transistores: el BJT (Bipolar Juction Transistor Transistor de unión bipolar), el transistor FET (Field Effect Transistor Transistor de efecto campo) y el CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Semiconductor metal oxido complementario). Nosotros solo vamos a aprender algunas nociones del primero, el BJT. El segundo, el FET, es poco relevante y el CMOS es el transistor básico usado en la construcción de microchips.

34 TRANSISTORES Este es el primer componente que tiene tres terminales y no dos. Funciona como un interruptor controlado por la corriente que entra por una de sus patas Los más utilizados son los de unión o BJT, cuyos terminales se llaman base (b), emisor (e) y colector (c) En la imagen puedes ver uno de media potencia.

35 TRANSISTORES Un transistor BJT está formado por tres cristales semiconductores. Por lo tanto habrá dos tipos: si dos de los cristales son tipo P y uno tipo N, el transistor será PNP. Si utilizo dos cristales tipo N y uno tipo P, tendré un transistor NPN. En ambos a cada cristal se le denomina con un nombre: colector, base y emisor. Símbolos: NPN (no pincha en la base) PNP(pincha en la base)

36 TRANSISTORES

37 Transistor, tipos y símbolos Existen en forma de pastilla, cilíndricos, etc., pero lo más conveniente para su identificación es consultarlo en los manuales de transistores, donde figura desde su descripción física hasta las características técnicas de todos ellos.

38 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR Vamos a explicar el funcionamiento del transistor con una analogía, con una situación idéntica más fácil de comprender. Vamos a suponer que tengo un transistor hidráulico, es decir, un transistor que trabajaría con agua en vez de electricidad. 1ª Situación: En este transistor hidráulico tengo dos entradas de agua: Una tubería pequeña (B) y una mayor (C ). La pequeña se controla con una llave de paso. El agua no puede pasar ni por la tubería pequeña ni por la grande, con lo que no pasaría por la salida E.

39 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR 2ª Situación: Si ahora abro la llave de paso B un poquito, pasaría algo de agua, desplazando la palanca. El tapón de la cañería C se abre un poco. La cantidad de agua que pasaría por la tubería E sería la que pasaría por la abertura de C más un poquito de agua que viene de B. Agua de E = Agua de C + Agua de B.

40 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR 3ª Situación: Si ahora abro del todo el grifo B, la palanca se desplazaría totalmente. El tapón de C se abre del todo. El agua que sale por E sería el agua que pasa por C más una pequeña cantidad de agua que viene del grifo B.

41 FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR En un transistor normal ocurre lo mismo, pero en vez de pensar en agua, pensaremos en electrones pasando, en intensidades. En primer lugar, siempre ocurre lo mismo. Al igual que el agua que salía por E era la suma del agua que venia de C y del agua que venia de B, en un transistor ocurre algo idéntico. La intensidad que sale por el emisor es la intensidad que viene del colector mas la que viene por la base. I E=I B+I C Por otra parte, podemos distinguir tres formas de funcionar el transistor: 1ª Situación: Corte. Se denomina así cuando por la base no circula intensidad suficiente. I B 0 A, entonces ocurre que I C 0 A. e I E 0 A.

42 Transistor en corte, activa y saturación 2ª Situación: Zona Activa. En este caso la intensidad que sale por el Emisor es casi igual a la que entra por el Colector. Esta zona se utiliza para amplificar señales de baja potencia. I C = β I B donde β es la ganancia del transistor. 3ª Situación: Saturación. En esta situación, por mucha intensidad que pase por la base, por el Emisor sigue pasando prácticamente lo mismo y en el Colector igual. Se expresa matemáticamente de esta forma: I C <= β I B

43 Transistor, polarización, circuitos equivalentes Equivalente de diodos

44 Transistor polarización Corriente base-emisor corriente colector-emisor

45 Polarización con una sóla fuente

46 Función del transistor Los transistores son capaces de amplificar señales eléctricas, es decir, conseguir corrientes de salida mayores que las de entrada. Esta relación de corrientes se llama ganancia del transistor. Se pueden conseguir ganancias mayores mediante dos transistores, conectando la corriente que sale de uno a la base del siguiente. En los aparatos de radio, por ejemplo, los transistores amplifican la débil señal eléctrica, que procede de la antena, aumentando su voltaje; este ligero aumento se amplifica en otro circuito, y así sucesivamente, hasta que sea capaz de hacer vibrar el altavoz. Ocurre lo mismo en los aparatos de teléfono.

47 Montajes Amplificador de sonido Control de velocidad de un mot

48 Montajes Control de temperatura con NTC

49 Montajes Control de intensidad luminosa con LDR

50 CIRCUITOS INTEGRADOS Hasta aquí hemos venido hablando de componentes discretos (individuales), como son las resistencias, diodos, transistores..., pero si conseguimos reunir gran cantidad de estos componentes, a nivel microscópico, formaremos los llamados chips o circuitos integrados. Cada chip se instala en una funda de plástico y conectado a un juego de patillas (pines ). Un microchip hoy en día es un prodigio tecnológico. Los elementos del circuito son tan pequeños que se necesita un buen microscopio para verlo. En un microchip de un par de centímetros de largo por un par de centímetros de ancho pueden caber millones de transistores además de resistencias, condensadores, diodos, etc. Un ejemplo muy bueno seria el microprocesador de un ordenador.

51 Fuente de alimentación (cargador del móvil)

52 Transformador El transformador se encarga de transformar el valor de la tensión de la corriente, en este caso lo reduce desde 230 V a 12V, 9V, 5 V, etc. P1 = P2 (potencia del devanado1 = potencia del 2) o lo que es lo mismo: Ve I1 = Vs I2 Ve / Vs = I2 / I1 También se cumple: N1 / N2 = Ve / Vs = m (relación de transformación) Donde: N1 = número de espiras del devanado 1 N2 = número de espiras del devanado 2

53 Rectificador El rectificador rectifica la semionda negativa de la señal de alterna y la anula (en el caso del rectificador de media onda y la convierte a positiva (en el caso del rectificador de doble onda) De media onda De onda completa

54 Filtro y estabilizador EL filtro consigue filtrar y alisar un poco la señal de salida del rectificador mediante la carga y descarga del condensador. Y el estabilizador consigue alisar por completo esta señal, estabilizándola y convirtiéndola así en una señal de corriente continua. Esto lo hace gracias a un diodo Zéner que mantiene la señal de salida en un valor constante. Filtro Estabilizador

55 Fuente de alimentación real

56 ACTIVIDADES Contesta a las siguientes cuestiones: Indica los nombres y los símbolos de los siguientes dispositivos: Dibuja utilizando los símbolos normalizados un circuito con una resistencia de 10 kω en serie con una LDR, alimentados por una pila de 9 V.

57 ACTIVIDADES Dibuja los símbolos de los siguientes componentes electrónicos: Resistor fijo VDR Potenciómetro Diodo de unión Condensador Diodo led Bobina Diodo Zéner LDR Fotodiodo PTC Transistor NTC

58 ACTIVIDADES Responde a las siguientes preguntas: a) Describe lo que ocurre en los siguientes circuitos: b) Calcula el tiempo de carga y descarga si sabemos que R 1 = 1 KΩ vale, R2 = 2 KΩ vale, y la capacidad del condensador es de : 33 µf

59 ACTIVIDADES -Explica el funcionamiento del siguiente circuito: - Calcula el tiempo de carga y de descarga del condensador si sabemos que la capacidad del condensador es de 33µF, R1= 10KΩ y R2= 5KΩ

60 ACTIVIDADES Cómo están conectados los diodos en cada uno de los circuitos? Con qué estado del interruptor se corresponde cada uno?

61 ACTIVIDADES Por qué el LED del circuito del medio no luce tanto como el de la izquierda? Y Por qué el LED el circuito de la derecha no luce?

62 ACTIVIDADES Explica por qué unas lámparas se encienden y otras no en el siguiente circuito.

63 ACTIVIDADES En el siguiente circuito, responde a las siguientes preguntas: Por qué no se ilumina el LED si está conectado a la pila? Qué ocurre cando pulsamos P1? Por qué cuándo dejamos de pulsar P1, el LED continúa iluminado durante unos instantes? Durante cuánto tiempo más se mantendrá el LED encendido?

64 ACTIVIDADES Analiza los siguientes circuitos e indica en cada caso si el LED se iluminará o no.

65 ACTIVIDADES Indica para qué sirve cada uno de los siguientes circuitos y explica uno de ellos:

66 ACTIVIDADES Explica el funcionamiento de una fuente de alimentación indicando el nombre de cada uno de los circuitos que la forman y su función. Explica cómo cambia la señal en cada uno de los circuitos.