TEMA: ELECTRÓNICA ANALÓGICA.

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1 TEMA: ELECTRÓNICA ANALÓGICA. INTRODUCCIÓN: La electrónica es una de las herramientas más importantes de nuestro entorno. Se encuentra en muchos aparatos y sistemas como por ejemplo: radio, televisión, ordenador, vídeo, teléfono, etc. SISTEMA ELECTRÓNICO Un sistema electrónico está formado por varios componentes electrónicos, de tal forma que si se le aplica una señal de excitación a la entrada, el sistema proporciona una respuesta a la salida. Se puede representar mediante un diagrama de bloques: ENTRADA SISTEMA ELECTRÓNICO SALIDA 1. COMPONENTES ELECTRÓNICOS La mayoría de los circuitos electrónicos están formados por un gran número de componentes. Se pueden distinguir dos grandes grupos de componentes electrónicos: los componentes pasivos (resistencias, condensadores y bobinas), y los componentes semiconductores (diodos, transistores, circuitos integrados, etc.) Resistencias. Es un operador o componente electrónico que se opone al paso de la corriente eléctrica. Su valor depende de su longitud (l), de su sección (S) y de un parámetro que depende del material con el que se fabrica, llamado resistividad del material (ρ). La fórmula para calcular su valor es: l R = ρ Su símbolo: S Su unidad de medida es el ohmio (Ω), pero como es una unidad muy pequeña, se utilizan algunos múltiplos, como el kiloohmio (kω = 1.000Ω) y el megaohmio (MΩ = Ω). Es muy importante saber la Ley de Ohm, que dice así: La intensidad de corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional a la tensión aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia que éste ofrece al paso de la corriente eléctrica. Su expresión es: I = V R Sus unidades son: I = intensidad de corriente en Amperios (A), miliamperios (ma). V = tensión ó voltaje, en Voltios (V), milivoltios (mv). Para qué sirven las resistencias? Se suelen utilizar para ajustar la tensión que debe soportar un componente o para limitar la intensidad de corriente que circula por él. Página 1

2 1.) Para ajustar la tensión que actúa sobre un componente hay que instalar una resistencia en serie con él. 2.) Para limitar la intensidad de corriente que circula por un componente, hay que instalar la resistencia en paralelo con él. EJERCICIOS PRÁCTICOS: 1.- a.) Calcula el valor óhmico de la resistencia de un conductor de cobre de 500m de longitud y 1 mm 2 de sección (resistividad del cobre: ρ = 1, Ω m). b.) Calcula el valor óhmico de la resistencia de otro conductor de cobre de 1 km de longitud y 2 mm 2 de sección (resistividad del cobre: ρ = 1, Ω m). c.) Cuál de los dos conductores anteriores tiene mayor resistencia? Por qué? 2.- Calcula un posible valor para la resistencia R, de tal forma que en las lámparas, la Vmáx = 10V. Qué ocurriría si la resistencia R tiene un valor de 100Ω?. Justifica tu respuesta. Página 2

3 3.- Calcula un posible valor para la resistencia R, de tal forma que se limite la intensidad de la lámpara 2 a Imáx = 0,05 A. Qué ocurriría si la resistencia R tiene un valor de 600 Ω?. Justifica la respuesta Condensadores. Un condensador es un operador o componente eléctrico formado por dos placas metálicas, denominadas armaduras, que se encuentran separadas por un material aislante, denominado dieléctrico. Condensadores cerámicos. Condensadores electrolíticos. La misión de un condensador es almacenar carga eléctrica para suministrarla en un momento determinado. La capacidad C de un condensador depende: de la superficie de las armaduras (S), de la distancia que las separa (d) y de una constante llamada dieléctrica (ε) que depende del material con el que se hace el dieléctrico (papel, cerámica, aire, etc.), según la expresión: C = ε S d Esta capacidad se define como el cociente entre la carga eléctrica Q que puede almacenar y el voltaje V que existe entre las armaduras. Q C = V Su unidad es el faradio (F), pero al tratarse de una unidad muy grande, en electrónica se usan algunos submúltiplos como: Microfaradio (μf); nanofaradio (nf) y picofaradio (pf) 1 μf = 10-6 F ; 1 nf = 10-9 F ; 1 pf = F. Estructura, símbolos y apariencia de un condensador. Página 3

4 Cómo funciona un condensador? Para conocer su funcionamiento, debemos suponer que está descargado y se conecta en serie con una resistencia y con una fuente de alimentación continua. Tal y como muestra el siguiente circuito: En la posición (1) del conmutador, el condensador se va cargando a través de la resistencia R, hasta alcanzar el valor Vc = Condensador cargado. Si una vez cargado el condensador, ponemos el conmutador en la posición (2), el condensador se descarga a través de la resistencia. Las curvas de carga y descarga de un condensador se representan mediante el siguiente diagrama: De esta curva se deduce que cuanto mayor capacidad tenga un condensador, mayor cantidad de carga eléctrica podrá almacenar. El tiempo que tarda un condensador en cargarse, viene dado por la siguiente expresión: τ = R C t = 5 τ es decir: t = 5 R C c arg a c arg a Página 4

5 EJERCICIOS PRÁCTICOS: (EJERCICIO DE EXAMEN) 4.- En el siguiente circuito R-C serie, se ha insertado un voltímetro y un amperímetro para medir la tensión en el condensador y la intensidad que circula. a.) Calcula estos valores A y V. b.) Qué carga almacenará el condensador? c.) Qué tiempo tardará en cargarse el condensador?. (EJERCICIO DE EXAMEN) 5.- En el siguiente circuito R-C serie, se ha insertado un voltímetro y un amperímetro para medir la tensión en el condensador y la intensidad que circula. a.) Calcula estos valores A y V. b.) Qué carga almacenará el condensador? c.) Qué tiempo tardará en cargarse el condensador?. Página 5

6 6.- En el siguiente circuito RC serie, el voltímetro marca V = 12 voltios. Calcula el valor que marca el amperímetro y la capacidad del condensador. 7.- Calcula la carga capaz de almacenar el condensador del ejercicio 6 y su tiempo de carga. 8.- Calcula la capacidad de un condensador que es capaz de almacenar una carga eléctrica de 6, e - con una tensión entre sus bornes de 10 V. (Debes saber que 1 culombio C = 6, e - ). (Sol.: 10 μf) 9.- Calcula la capacidad de un condensador sabiendo que su constante dieléctrica vale ε = 2, F/m, que su separación entre armaduras es de 0,02 mm, y que la superficie de las mismas es de 0,755 m 2. (Sol.: 1 μf) 10.- Cuánto tiempo tardará en cargarse totalmente el condensador del circuito?. (Sol.: 11 segundos) Página 6

7 1.3. Bobinas. Una bobina es un componente eléctrico formado por un conductor arrollado de forma cilíndrica. En algunos casos, el conductor se arrolla sobre un núcleo magnético; en otros casos, el núcleo es aire. Los hilos de cobre deben estar aislados con esmalte para evitar el contacto entre ellos. La misión de una bobina es almacenar energía eléctrica de forma magnética para cederla en un momento determinado. 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). Su expresión es L = N φ 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 El funcionamiento de una bobina es el siguiente: supongamos un circuito R-L serie como el de la figura, al cerrar el interruptor se produce una circulación de corriente eléctrica que a través de la R carga la bobina y genera un campo magnético. AMPLIACIÓN: Desde principios del siglo XIX se sabe que un campo magnético es capaz de generar una corriente eléctrica en un conductor que se desplaza por su interior. De modo semejante, las corrientes eléctricas en movimiento son capaces de generar un campo magnético. Estos fenómenos constituyen la base del electromagnetismo. En el caso de las bobinas, cuando circula por ellas una corriente eléctrica, se genera un campo magnético cuyas líneas de fuerza pasan por su interior, tal y como se muestra en la figura. Cuando varía la intensidad de corriente varía también el flujo magnético, y esta variación determina la aparición de una corriente inducida que se opone a la variación del campo. A este fenómeno se le conoce con el nombre de autoinducción. Página 7

8 2. COMPONENTES ELECTRÓNICOS SEMICONDUCTORES. Dentro de este grupo de componentes nos encontramos como más importantes: el diodo, los transistores y los circuitos integrados El Diodo. Es uno de los componentes más usados en los circuitos electrónicos. Está formado por la unión de dos cristales semiconductores, uno tipo N, llamado cátodo, y otro de tipo P, llamado ánodo. El semiconductor usado para formar diodos es el Silicio (Si). El símbolo de un diodo es: Cuando se conecta a una fuente de alimentación de corriente continua, el diodo actúa como un componente unidireccional, es decir, deja pasar la corriente sólo en un sentido. Según la forma de conectarlo al circuito, distinguiremos entre polarización directa y polarización inversa. POLARIZACIÓN DIRECTA POLARIZACIÓN INVERSA Se produce cuando el polo positivo de la fuente de alimentación se une al ánodo, y el negativo, al cátodo, y se intercala una resistencia R en serie con el diodo. En este caso, el diodo se comporta como un conductor y deja pasar la corriente eléctrica. El diodo LED Se trata de un diodo emisor de luz. Cuando se encuentra en conducción (polarizado directamente), la energía generada se libera en forma de radiación electromagnética visible. En la figura se puede ver el aspecto real de un diodo LED y su símbolo. Se fabrican como pequeñas lámparas, generalmente de color rojo, amarillo o verde. También constituyen los segmentos luminosos de los números o letras en los displays, empleados en multitud de aparatos electrónicos. Displays 7 segmentos y diodos LED s Se produce cuando el polo negativo de la fuente de alimentación se une al ánodo, y el positivo, al cátodo, y se intercala una resistencia R en serie con el diodo. En este caso, el diodo se comporta como un aislante y no permite el paso de la corriente eléctrica. Diodo LED IMPORTANTE: La tensión umbral o de conducción de un diodo LED suele estar comprendida entre 1,8 y 2 V. Para la protección del diodo se coloca en serie una resistencia encargada de limitar la tensión en el diodo LED. Página 8

9 EJERCICIOS PRÁCTICOS: 11. En el circuito de la figura, calcula la intensidad de corriente que circulará a través del diodo D, sabiendo que su tensión umbral es Vγ = 0,7 v. (Sol.: 10 ma) 12. En el circuito de la figura, calcula la resistencia de protección del diodo LED, así como su potencia, sabiendo que la tensión umbral de éste es de 2 V y que la intensidad que ha de circular por el elemento ha de ser de 12,5 ma. (Sol.: R = 560Ω; P = 87,5 mw). 13. Calcula la resistencia R a colocar en serie con un diodo LED para que circule por él una intensidad de corriente de 20 ma, si la tensión de alimentación del circuito es de 9 V. Considera la tensión umbral del diodo Vγ = 2 v. Determina también la potencia disipada por el diodo y la resistencia. (Sol.: R = 350Ω; P R = 0,14 W; P D = 0,04 W). Página 9

10 14. Calcula las intensidades de corriente por los diodos LED en el siguiente circuito. (Sol.: I = 30 ma). 15. Calcula las intensidades de corriente por los diodos LED en el siguiente circuito. (Sol.: I 1 = I 2 = 20 ma) Transistores. Son los componentes electrónicos más importantes que existen y uno de los más versátiles. Existen 2 clases de transistores: los transistores bipolares y los transistores de efecto campo. (Este curso estudiaremos en más profundidad los primeros, dejando los transistores de efecto campo para cursos posteriores.) Los transistores bipolares están formados por la unión de 3 cristales semiconductores. Según la combinación de éstos, pueden ser de dos clases: NPN Y PNP. De cada uno de los cristales sale un terminal que permite conectar físicamente el componente al circuito. Los 3 terminales se denominan base (B), emisor (E) y colector (C). Imagen Real Símbolo de un NPN Página 10

11 Imagen Real Símbolo de un PNP 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. Imagen Real Símbolo: Imagen Real Símbolo: REGIONES DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSISTOR BIPOLAR. Básicamente, el transistor podrá trabajar en tres regiones de funcionamiento, llamadas CORTE, ACTIVA y región de SATURACIÓN. Región de CORTE. Se caracteriza porque tanto la unión base-emisor como la unión base-colector están polarizadas inversamente. En estas condiciones, las intensidades de corriente por el transistor son prácticamente nulas y se dice, entonces, que el transistor no conduce. I B = I C = I E = 0 Página 11

12 Región ACTIVA. En esta región se debe polarizar en directo la unión B-E y en inverso la unión B-C. En este caso las intensidades de corriente no son nulas y la tensión C-E está comprendida entre 0,2v y la tensión de alimentación. I = β Ecuación Fundamental del Transistor. C I B Región SATURACIÓN. En esta región de trabajo el transistor conduce plenamente y la tensión C-E está en torno a 0,2 v. Para que esto ocurra las uniones B-E y B-C deben estar polarizadas en directo. En esta zona no se cumple la ecuación fundamental del transistor, sino que se cumple: I C β I B En la siguiente tabla, se muestra un resumen de las características más importantes de las diferentes regiones de funcionamiento del transistor NPN, en lo que concierne a tensiones e intensidades de corriente. Página 12

13 ESTUDIAR RAZONADAMENTE: I C I B V CE V BE Corte 0 0 V CC < 0,7 v Activa β I B I C / β V CC V CE 0,2 v 0,7 v Saturación β I B I C / β 0,2 v 0,7 v Para el caso de un transistor PNP, los valores de tensión estarían cambiados de signo. EJERCICIOS PRÁCTICOS: 16. En el circuito de la figura, la resistencia de colector R C es de 500Ω y la ganancia de corriente del transistor es β = 70. Determina el valor de la resistencia de base para que la tensión colector-emisor (V CE ) sea de 5 V si se dispone de una fuente de alimentación V CC = 12 v. (DATO: V BE = 0,7 v). (Solución R B = Ω 56 kω). Página 13

14 17. El circuito de la figura se alimenta con una señal cuadrada de 0 a 5 voltios de amplitud. Se trata de determinar el valor de las resistencias R B y R C para que el transistor trabaje en conmutación; es decir, esté cortado cuando la tensión de entrada sea nula y saturado cuando sea de 5 voltios. Se dispone de una fuente de alimentación V CC de 5 v y un transistor del tipo BC547 cuya intensidad de colector en saturación se desea que sea I C(sat) = 10 ma. (DATOS: Los parámetros del transistor son: V BE(sat) = 0,7 v; V CE(sat) = 0,2 v; β = 100. ) (Solución: R B = 43 kω pero 39 kω en el comercio; R C = 480 Ω) Página 14

15 18. El transistor del circuito funciona en conmutación; es decir, pasa de corte (con el interruptor cerrado) a saturación (con el interruptor abierto). Se trata de calcular las intensidades de corriente y las tensiones en el transistor sabiendo que β = 60; V CE(sat) = 0,2 v ; V BE(sat) = 0,7 v. (Sol.: a.- En Corte: I B = I C = 0 ma.; V BE = 0v; V CE = V CC = 30 v. b.- En Saturación : I B = 0,293 ma ; I C = 14,9 ma) 19. En el circuito de la figura indica en qué estado se encuentra trabajando el transistor. (DATOS: β = 100; V CE(sat) = 0,2 v.; V BE = V BE(sat) = 0,7 v). (Solución: En saturación Ic = 4,45 ma; I B = 0,107 ma). Página 15

16 20. En el circuito de la figura indica en qué estado se encuentra trabajando el transistor. (DATOS: β = 100; V CE(sat) = 0,2 v.; V BE = V BE(sat) = 0,7 v). (Solución: En activa Ic = 0,789 ma; I B = 7,89 μa). Página 16