Tema 1. Introducción a la Electrónica

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1 Tema 1. Introducción a la Electrónica 1.1. Definiciones Electrónica Según la RAE la electrónica es el estudio y aplicación del comportamiento de los electrones en diversos medios, como el vacío, los gases y los semiconductores, sometidos a la acción de campos eléctricos y magnéticos. Carga eléctrica La materia está formada por átomos. Los átomos están formados por un núcleo donde están los protones y los neutrones y una corteza donde están moviéndose continuamente los electrones. Núcleo Electrón Protón Neutrón Los protones y los electrones tienen una propiedad llamada carga (Q o q), diferente para cada clase de partícula. Se ha asignado la carga positiva + a los protones y la negativa a los electrones. Los neutrones no tienen carga. Entre las principales propiedades de la carga están las siguientes: 1. Las cargas iguales se repelen y las diferentes se atraen. 2. El valor de la carga del electrón y del protón es la misma pero de signo contrario. Página 1 de 13

2 3. La carga se mide en Coulombios. La carga del electrón y del protón son muy pequeñas (q p = C y q e = C) 4. Las cargas se contrarrestan entre sí, por lo que un átomo con el mismo número de protones y electrones no tiene carga total y se dice que es neutro. Corriente eléctrica La corriente eléctrica consiste en el paso de electrones (generalmente) a través de un material conductor (generalmente u metal o un semiconductor). Sentido del movimiento de los electrones Por convenio se decidió que el sentido de la corriente eléctrica en un circuito es de polo positivo a polo negativo de la fuente de alimentación por lo que el sentido de la corriente es el contrario al movimiento de los electrones. Intensidad Movimiento de los electrones Página 2 de 13

3 Intensidad de corriente eléctrica (I) La intensidad de la corriente eléctrica es una magnitud que indica la cantidad de carga que pasa por el conductor en la unidad de tiempo. Se mide en Amperios (A). Intensidad = Carga Tiempo Material conductor Un material conductor es aquel que permite que las cargas se muevan a través de él. Los conductores más frecuentes son los metales. En los metales los electrones pueden moverse de un átomo a otro con mucha facilidad. Material aislante Un material aislante es el que los electrones están tan ligados a los átomos que no se pueden mover. Ejemplos de aislantes son el plástico o el vidrio. Material semiconductor Es un material en el que la capacidad de conducir electrones depende de la temperatura. A baja temperatura se comportan como aislantes pero si la temperatura se incrementa los electrones se liberan de los átomos y se convierten en conductores. Los materiales semiconductores más frecuentes son el silicio (Si) y el germanio (Ge). El interés de los semiconductores está en que se le pueden añadir otros átomos que liberen electrones o que presenten huecos, de modo que se puede controlar la cantidad de corriente que pueden conducir. Posteriormente, la asociación de semiconductores de tipo N y tipo P posibilita la fabricación de dispositivos con los que se puede amplificar, interrumpir o permitir el paso de corriente. Semiconductor intrínseco Semiconductor tipo N Semiconductor tipo P Electrones Huecos (el Fósforo libera un electrón) (al Boro le falta un electrón) Página 3 de 13

4 Diferencia de potencial, voltaje o tensión (V) Representa la diferencia de energía, por unidad de carga, que tienen los electrones entre dos puntos del un circuito. Se mide en voltios (V). La corriente fluye desde un punto de voltaje mayor a uno menor. Resistencia (R) Es una magnitud que representa la oposición que presenta un material a que la corriente pase por él. Se mide en ohmios (Ω). Ley de Ohm La ley de Ohm relaciona la corriente que pasa por un material con el voltaje que se le aplica y la resistencia de dicho material. La relación es: Intensidad = Voltaje Resistencia Esta ley significa que si sobre un material se aplica una diferencia de potencial (V), la corriente que pasa por el material (I) será mayor cuanto menor sea la resistencia. Cuanta más resistencia tenga un material menos corriente pasa. 1.2 Circuitos eléctricos y electrónicos Un circuito eléctrico o electrónico es un conjunto de componentes y fuentes de tensión y corriente interconectados de modo que por ellos puede pasar la corriente eléctrica de modo continuo o transitorio. A continuación vamos a ver los elementos que constituyen un circuito. Fuentes de tensión o generadores Son elementos que se caracterizan porque entre sus dos terminales establecen una diferencia de potencial. Los dos tipos de fuentes más frecuentes son: a) Generadores de continua, como ocurre con las pilas y las dinamos. En este caso la tensión es constante y por lo tanto corriente se mantiene constante. b) Generadores de alterna. La tensión varía de forma senoidal. En estos casos la corriente cambia de sentido con el tiempo. La corriente alterna es la que se emplea en las viviendas. Tensión continua Tensión alterna Página 4 de 13

5 Elementos de control Permiten controlar el paso de corriente interrumpiéndola o desviándola. Los más frecuentes son: 1. Interruptores: permiten o cortan el paso de la corriente. Si se activan manualmente se llama interruptores y se activan mediante una corriente de control se llaman relés. 2. Pulsadores: permiten o cortan el paso de la corriente mientras se mantengan pulsados, volviendo a su estado inicial mediante un muelle cuando se dejan de pulsar. El estado normal del pulsador puede ser conectado (NC) o desconectado (NA). 3. Conmutadores: conducen la corriente entre dos o más ramas del circuito. Componentes pasivos Son aquellos que no tienen la capacidad de controlar la corriente en un circuito. Son tres: la resistencia, el condensador y la bobina. Resistencias (R) Las resistencias son dispositivos que dificultan el paso de corriente a través de ellas. Se usan entre otras cosas para limitar y regular la corriente y la tensión en diferentes puntos de un circuito. Tipos de resistencias: 1. Resistencias fijas: son aquellas que siempre presentan la misma resistencia. 2. Resistencias variables (potenciómetros): se puede regular el valor de su resistencia mediante una rueda. 3. Resistencias dependientes de la temperatura o termistores: su valor depende de la temperatura. Existen dos posibilidades: las PTC (Positive Temperature Coefficient) aumentan de valor al aumentar la temperatura y las NTC (Negative Temperature Coefficient) que disminuyen su valor al aumentar la temperatura. 4. Resistencias dependientes de la luz LDR (Ligth Dependent Resistor) cuando la luz aumenta disminuye su resistencia. Resistencia Potenciómetro Resistencias variables NTC LDR Página 5 de 13

6 Las resistencias fijas identifican su valor mediante un código de 3 o 4 bandas de color. Las dos primeras bandas representan los dos primeros dígitos de la resistencia y la tercera es el multiplicador, que representa el número de ceros que se añaden al número obtenido con las dos primeras bandas de color. La cuarta banda representa la tolerancia en tanto por ciento. Es el error entre el valor real de la resistencia y el que marcan las tres primeras bandas. Color 1ª Banda 2ª Banda 3ª Banda 4ª Banda 1ª cifra 2ª cifra Multiplicador Tolerancia % Negro 0 0 x10 0 = 1 Marrón 1 1 x10 1 = 10 Rojo 2 2 x10 2 = 100 2% Naranja 3 3 x10 3 = Amarillo 4 4 x10 4 = Verde 5 5 x10 5 = Azul 6 6 x10 6 = Violeta 7 7 x10 7 = Gris 8 8 x10 8 = Blanco 9 9 x10 9 = Dorado 5% Plateado 10% Ejemplo En la resistencia de la imagen anterior el valor de la resistencia es: 1ª Banda 2ª Banda 3ª banda 4ª Banda 0 2 x10 5 ±10% ±10% ±10% (de ) ± Ω Por lo que la resistencia tendrá un valor real comprendido entre Ω y Ω El valor teórico se llama valor nominal y sería Ω. Condensadores (C) Los condensadores son dispositivos cuya finalidad es almacenar carga. Están formados por dos placas llamadas armaduras entre las que se interpone un material aislante llamado dieléctrico. El funcionamiento de un condensador consiste en que los Página 6 de 13

7 electrones se acumulan en una de las placas mientras que en la placa contraria los electrones de la placa son repelidos por los que tienen enfrente. De esta manera, el condensador almacena carga eléctrica. Algunos condensadores llevan dentro un producto químico que les permite almacenar más carga pero se deben conectar respetando una polaridad, es decir, uno de los terminales del condensador debe estar a mayor tensión que el otro. Estos se llaman condensadores polarizados o electrolíticos. La propiedad de un condensador es la capacidad (C) que se mide en Faradios (F). Este parámetro indica la cantidad de carga que almacena en función de la tensión que se le aplica al condensador según a fórmula. Carga = Capacidad Voltaje Q = C V Funcionamiento de un condensador. Página 7 de 13

8 Bobinas (L) Las bobinas son cables enrollados con un número de vueltas y un tamaño calculados para obtener el coeficiente de autoinducción (L). Por sus características las bobinas se emplean en corriente alterna como elemento de eliminación de picos de corriente, para circuitos resonantes que permiten sintonizar ondas de radio o como elemento de acoplamiento entre diferentes partes de un circuito. Componentes activos Los componentes activos en los circuitos electrónicos permiten controlar y amplificar la corriente que circula por los sistemas. Las componentes que vamos a ver son los diodos y los transistores. Diodos Un diodo es un dispositivo que permite el paso de corriente en un sentido y lo interrumpe en el sentido contrario. Está formado por dos semiconductores, uno tipo P y otro tipo N. ánodo (P) cátodo (N) Símbolo Diodo Sentido de la corriente permitido Funcionamiento de un diodo. I I=0A Página 8 de 13

9 Existen diodos que, cuando conducen la electricidad, se iluminan. Estos se llaman LED (Ligth Emitting Diode). Los LEDs se están empleando frecuentemente en iluminación debido a que presentan numerosas ventajas frente a las bombillas convencionales. Estas ventajas son: 1. Consumo energético mucho menor que las bombillas incandescentes, o las halógenas Mayor durabilidad (más de h), por lo que se reducen costes de mantenimiento. 3. Funcionan con muy poca tensión y corriente, lo que los hace más seguros. 4. No generan calor. 5. Permiten la fabricación de dispositivos de iluminación multicolores y de fácil instalación. 6. Encendido instantáneo. 7. No irradian infrarrojos ni ultravioletas, por lo que son energéticamente más eficientes. Otro tipo es el fotodiodo que funciona como un diodo normal mientras no le de la luz. Cuando se ilumina conduce en sentido contrario. Esto permite fabricar sistemas de detección de presencia, o de iluminación. oscuridad I=0A M I M LED Fotodiodos Transistores El transistor es uno de los inventos del siglo XX que más repercusiones y que más ha determinado al mundo tal y como lo conocemos. El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE.UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en Actualmente todos los sistemas informáticos, ordenadores, teléfonos, controladores industriales, chips en vehículos y electrodomésticos, etc. funcionan con transistores. Página 9 de 13

10 Existen varios tipos de transistor pero aquí vamos a ver los dos más importantes: el transistor bipolar de unión BJT y el transistor de efecto campo MOSFET. El primero se emplea en aplicaciones analógicas donde interesa que actúe principalmente como amplificador de corriente o elemento de control de corriente. El MOSFET se emplea principalmente en circuitos integrados como conmutador para implementar puertas lógicas y elementos de memoria. Es el que está presente en los chips de ordenadores, teléfonos móviles, etc. El transistor BJT es un dispositivo de tres terminales llamados colector, base y emisor. Tiene tres estados de funcionamiento en función de la tensión que se aplica sobre estos terminales. Colector (C) Base (B) Modos de funcionamiento del transistor: 1. Activa directa. En este modo la tensión del colector (Vc) es mayor que la tensión de base (Vb) y ésta a su vez es algo mayor que la tensión de emisor (Ve). En esta situación la corriente que entre por la base se multiplica por el factor de amplificación β (entre 100 y 400) y esa es la corriente que pasa por el colector. De este modo se consigue multiplicar la corriente I B. C Emisor (E) B I C I B E I = I+I = I βi E C B C B 2. Corte. Ocurre si la tensión de la base se hace menor que la del emisor. En este caso el transistor no conduce ninguna corriente. 3. Saturación. Ocurre cuando la tensión de la base se hace mayor que la del colector. En este caso el transistor prácticamente esta cortocircuitado entre el colector y el emisor. Página 10 de 13

11 En resumen, si se denominan V c, V B y V E las tensiones de colector, base y emisor respectivamente los estados de funcionamiento del transistor serían: V C V B I C I B V E Si V B < V E CORTE Si V c > V B > V E ACTIVA Si V B > V C SATURACIÓN No pasa la corriente, es como un interruptor abierto. I C = 0 I B = 0 El transistor amplifica la corriente que entra por la base. I C = β I B β (entre 100 y 400). El transistor no amplifica tanto la corriente que entra por la base. Es como un interruptor cerrado I C < β I B V c V E Colector I C Colector Base Emisor I B Ic = β I B I C + I B I C Base Emisor Toma de tierra En todos los circuitos existe un punto que es el que está a menor potencial. A ese punto se le suele asignar el valor de potencial 0 y se llama tierra. En circuitos eléctricos de instalaciones en viviendas o industriales el punto de toma de tierra es en realidad un punto del circuito, conectado a la tierra que hay bajo el edificio, mediante una pica. Se emplea como nivel de referencia y como punto al que se derivan los posibles excesos de corriente que se pueden producir como consecuencia del mal funcionamiento de algún aparato eléctrico. Página 11 de 13

12 Los siguientes circuitos son iguales. Se puede apreciar como el uso del punto de tierra simplifica la representación de los circuitos. M M Símbolos internacionales de componentes La siguiente tabla muestra los símbolos empleados más frecuentemente en la representación de circuitos. Símbolo Descripción Símbolo Descripción Pila Fuente de tensión continua Batería (Varias pilas) Fotorresistencia (LDR) Condensador Fuente de tensión alterna Condensador polarizado Fuente de corriente Bobina Interruptor Pulsador NA (Normalmente Abierto) Pulsador NC (Normalmente Cerrado) Diodo LED Fotodiodo Conmutador Transistor PNP Relé Bombilla Resistencia fija Motor Resistencia variable (potenciómetro) Termistor (NTC) Voltímetro Amperímetro Termistor (PTC) Toma de tierra Página 12 de 13

13 Unidades, múltiplos y submúltiplos A menudo es frecuente que se empleen múltiplos y submúltiplos de las unidades que caracterizan a los circuitos y dispositivos por comodidad. Para cambiar de unidad entre las diferentes magnitudes se multiplica o divide entre Unidad Prefijo Se suele aplicar a... Se nombra giga G 10 6 mega M Resistencias MΩ megaohmios 10 3 kilo K Resistencias kω kiloohmios mili m Corriente ma miliamperios 10 6 micro μ Capacidad μf microfaradios 10 9 nano n Capacidad nf nanofaradios pico p Capacidad pf picofaradios En el sistema internacional la ley de Ohm tiene que estar expresada en voltios, amperios y ohmios. Sin embargo en electrónica las corrientes siempre son pequeñas lo que supone que las resistencias tienen que ser grandes. Por eso en electrónica es frecuente poner las unidades en voltios, kiloohmios y miliamperios. V = I R [V] = [A] [Ω] [V] = [ma] [KΩ] Página 13 de 13