TEMA 5: ELECTRÓNICA BÁSICA. INTRODUCCIÓN. RESISTENCIAS. EL CONDENSADOR. SEMICONDUCTORES. DIODOS. TRANSISTORES. CIRCUITOS IMPRESOS Y CIRCUITOS INTEGRADOS. 1. INTRODUCCIÓN. La electrónica se encarga de controlar la circulación de los electrones de forma minuciosa. Se encarga de que pasen en mayor o menor cantidad con dispositivos pasivos y activos. - Los dispositivos pasivos son resistencias, condensadores y bobinas. - Los dispositivos activos son diodos, transistores y circuitos integrados (semiconductores). Las bobinas y los circuitos integrados no los estudiaremos en esta unidad. 2. RESISTENCIAS. Con el objeto de producir caídas de tensión en puntos determinados y limitar la corriente que pasa por diversos puntos se fabrican elementos resistivos de los que se conoce su valor Óhmico. Estos elementos se conocen como resistencias. Se caracterizan por su: - Valor nominal: es el valor marcado sobre el cuerpo del resistor. - Tolerancia: porcentaje en más o menos, sobre el valor nominal, que el fabricante respeta en todos los resistores fabricados. - Coeficiente de temperatura: la resistencia varía con la temperatura. Esta variación se puede calcular en función del coeficiente de temperatura: R T = R 0 (1 +αt) - Potencia nominal: potencia que puede disipar el resistor en condiciones ambientales de 20 a 25ºC. Cuanto mayor es la potencia mayor será el tamaño del resistor. - Tensión límite nominal: es la máxima tensión que puede soportar, en extremos, el resistor. Existen tres tipos de resistencias, fijas, variables y dependientes. 84
2.1 RESISTENCIAS FIJAS. Se caracterizan por mantener un valor óhmico fijo, para potencias inferiores a 2 W suelen ser de carbón o de película metálica. Mientras que para potencias mayores se utilizan las bobinadas. Los valores de las mismas están normalizados en series y generalmente la forma de indicarlo sobre el cuerpo es mediante un código de colores, en las resistencias bobinadas se escribe el valor directamente. 2.2 RESISTENCIAS VARIABLES: POTENCIÓMETROS. Las resistencias variables, llamadas potenciómetros, son usadas frecuentemente en circuitos electrónicos dado su pequeño tamaño. Los símbolos que se usan para representar una resistencia variable son los siguientes: Los potenciómetros poseen un mando giratorio o deslizante para graduarlos desde el exterior. Ejemplos de potenciómetros son los mandos de volumen de radios y televisores y también los controles de brillo y color de los televisores. Al variar la posición del eje del potenciómetro, varía la resistencia. 85
2.3 RESISTENCIAS DEPENDIENTES. Existen cuatro tipos de resistencias dependientes: NTC, PTC, LDR y VDR. - NTC: Resistencia de coeficiente negativo de temperatura. Cuando aumenta la temperatura de la misma disminuye su valor óhmico. Si nos pasamos de la temperatura máxima o estamos por debajo de la mínima se comporta de forma inversa. Se utiliza en aplicaciones relacionadas con la temperatura. - PTC: Resistencia de coeficiente positivo de temperatura. Cuando aumenta la temperatura de la misma aumenta su valor óhmico. También se utiliza en aplicaciones relacionadas con la temperatura. - LDR: Resistencias dependientes de la luz. Se basa en el efecto de la fotoconductividad que poseen determinados materiales como el selenio que, en función de la luminosidad que incide sobre ellos, varían sus propiedades conductoras. En una célula LDR la resistencia interna disminuye al aumentar la intensidad de luz que incide sobre ella. Las LDR se emplean como detectores de la luminosidad del ambiente. Un uso muy extendido es el encendido y apagado de las iluminaciones públicas; al caer la tarde, encienden las luces de una calle y, al llegar el día, se apagan. Los símbolos que se utilizan para representar una LDR son: - VDR: Resistencia dependiente de la tensión. Cuando aumenta la tensión en sus extremos disminuye su valor óhmico, y circula más corriente por sus extremos. Se utiliza como protección para evitar subidas de tensión en los circuitos. Cuando se supera la tensión de la VDR la corriente se marcha por ella y protege al circuito. 86
3. EL CONDENSADOR. Es un componente utilizado para almacenar cargas eléctricas y usarlas en el momento adecuado. La capacidad de almacenar cargas (electrones) es muy pequeña por lo cual no se emplean como pilas. Está formado por placas metálicas (aluminio) separadas por un material aislante denominado dieléctrico como el aire, papel, cerámica, plásticos, etc. La capacidad que puede almacenar un condensador se mide en faradios (F) y su expresión matemática es: q C = V El símbolo del condensador es el siguiente: Los hay de diversos tipos, cerámicos, de poliéster, electrolíticos, de papel, de mica, de tántalo, variables y ajustables. Para entender el funcionamiento de un condensador vamos a ver la siguiente secuencia de circuitos: Al cargarse los condensadores aparecen signos + rojos en la placa conectada a positivo y signos - azules en la placa conectada a negativo. El número de signos da una idea visual de la cantidad de carga que tiene el condensador. 87
Una de las aplicaciones más comunes para los condensadores son los temporizadores, esperar hasta que el condensador se cargue o descargue. El tiempo de carga de un condensador es directamente proporcional a la carga del condensador y al valor de la resistencia que esté en serie con él: t ( s) = C( Faradios) R( Ω) Ejemplo: Calcula el tiempo que tardará en cargarse un condensador de 4700 μf que está en serie con una resistencia de 1000 Ω. t = 4700 x 10-6 x 1000 = 4,7 s Ejemplo Cuanto tiempo lucirá una bombilla que se conecta al condensador una vez cargado si la bombilla tiene 2000 Ω de resistencia. t = 4700 x 10-6 x 2000 = 9,4 s 4. SEMICONDUCTORES. DIODOS. Un semiconductor es un elemento que se comporta como conductor o como aislante dependiendo del campo eléctrico en el que se encuentre. Los elementos químicos, más utilizados como semiconductores, son el Silicio y el Germanio. Existen varios tipos de diodos. 4.1 DIODOS RECTIFICADORES. Un diodo es un dispositivo semiconductor, que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. Presenta dos zonas en su estructura; en una se comporta como un circuito abierto (no conduce), y en otra como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. El símbolo del diodo es: 4.2 DIODOS LED. La diferencia entre un diodo semiconductor y un diodo Led reside en que el diodo Led al dejar pasar la corriente eléctrica emite luz. Sin embargo, a diferencia de las bombillas incandescentes no se calienta, pero ilumina menos. Por ello, sólo se utilizan como señalizadores. Por ejemplo, en los equipos de música, en los 88
ordenadores, en las televisiones, etc. Mediante ellos se puede indicar si están conectados y en funcionamiento, si están conectados pero fuera de servicio, etc. No todos los diodos se pueden conectar directamente a una corriente Vcc, se deben proteger con otros elementos conectados en serie con él. El símbolo del diodo led es: 5. TRANSISTORES. El Transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que se utiliza como amplificador o conmutador electrónico (llave electrónica). Es un componente clave en toda la electrónica moderna, donde es ampliamente utilizado formando parte de conmutadores electrónicos, puertas lógicas, memorias de ordenadores y otros dispositivos. En el caso de circuitos analógicos los transistores son utilizados como amplificadores, osciladores y generadores de ondas. 5.1 TRIODO Ó VÁLVULA TERMOIÓNICA Consta de tres electrodos: - El primero es el cátodo, que al calentarse produce electrones. - El segundo es el ánodo, que está cargado positivamente y, por tanto, atrae a los electrones. - El tercero es la rejilla que se sitúa entre el cátodo y el ánodo. Con una pequeña tensión controlamos una gran corriente. A ese fenómeno se le llama amplificación. Por eso, el triodo es un amplificador. 5.2 - TRANSISTOR BIPOLAR O BJT. Se divide en tres partes como el diodo - EMISOR (E): emite portadores. - COLECTOR (C): recibe portadores. - BASE (B): Se encuentra intercalada entre las dos primeras y regula el paso de los portadores. 89
Según sea el flujo de los portadores podemos tener transistores NPN y PNP. Se usan generalmente, en electrónica analógica. Su símbolo es: Transistor PNP Transistor NPN 5.3 - FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR. Para que funcione como un interruptor abierto o cerrado es necesario que circule o no circule corriente entre el colector y el emisor. En ambos casos se intercalan dos resistencias, que tiene como misión limitar la cantidad de corriente que circula por la base y el colector. Estas resistencias se llaman: - Resistencia de base (R B ). - Resistencia de carga (R C ). 90
5.4 FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR. El transistor está funcionando como un AMPLIFICADOR de corriente, ya que con una pequeña intensidad que entra en la base (I B ) logramos una intensidad mucho mayor por el emisor (I E ). 5.5 OTRAS APLICACIONES CON TRANSISTORES. - ENCENDIDO POR PRESENCIA DE LUZ. Cuando la LDR recibe luz, disminuye su resistencia (tendrá un valor comprendido entre varios cientos de ohmios y algún KW), por lo que en la R1 habrá una caída de tensión suficiente como para hacer que circule corriente por la base del transistor, que conduzca y se encienda el LED. Cuando la luz disminuye, la resistencia de la LDR aumenta (puede llegar a valer varios cientos de KW); en estas condiciones toda la tensión estará prácticamente en la LDR y casi nada en R1 con lo que no circulará suficiente corriente por la base del transistor y éste permanecerá en corte y diodo LED apagado. Crocodile presenta estos dispositivos LDR para realizar los circuitos. LDR con lámpara: se puede ajustar la luz incidente moviendo una linterna. Su resistencia varía desde 400 Ω muy iluminada hasta 8000 Ω muy poco iluminada. En oscuridad mide 1 MΩ. 91
LDR (sin lámpara): se ilumina colocándole una lámpara (de señal o de filamento) justo a la izquierda. Por lo demás igual que la anterior. El esquema del circuito será el siguiente: - TEMPORIZADOR A LA DESCONEXIÓN. Al principio, la lámpara está apagada, ya que por la base no circula corriente. Estamos, por tanto, ante un transistor en corte. Cuando accionamos el pulsador, circula corriente por la base, se activa el transistor y la lámpara se enciende. A la vez, el condensador se carga. Al soltar el pulsador, la lámpara sigue luciendo durante un tiempo; ahora, la corriente de base la proporciona el condensador; cuando éste se descarga, el transistor se bloquea y la lámpara se apaga. Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, más carga adquirirá y más tiempo tardará en descargarse. Para realizar con Crocodile el esquema, necesitaremos acoplar un condensador electrolítico. Están en el bloque componentes pasivos. El programa les llama capacitores, (este término no se emplea en España). Pueden ser electrolíticos (polarizados) o no electrolíticos (no polarizados). 92
- CONTROL DE TEMPERATURA CON UNA RESISTENCIA NTC. Cuando la temperatura supera un valor, indicado por la resistencia ajustable, hace que el transistor conduzca y que se encienda el diodo led. Cuando la temperatura baja se apaga el led. En este montaje se aprovecha la característica de las NTC, cuando la temperatura aumenta, bajan su valor óhmico. En ese instante la tensión en la resistencia ajustable es lo suficientemente grande como para hacer que el transistor pase a conducción y hacer que luzca el led. Si baja de nuevo la temperatura la tensión en la base del transistor baja y deja de lucir el led. Para realizar el esquema con el Crocodile necesitamos una resistencia NTC. Se encuentran en el bloque componentes de entrada. La Tª puede ajustarse entre 20ºC y + 40ºC. El valor de su resistencia de referencia se puede cambiar haciendo clic sobre el valor. La simulación de la variación de la temperatura se realiza arrastrando el cursor deslizante del termómetro. 93
6. CIRCUITOS IMPRESOS Y CIRCUITOS INTEGRADOS. 6.1 CIRCUITOS IMPRESOS Si los en los circuitos eléctricos uníamos los componentes mediante cables, en los circuitos electrónicos, se suele utilizar las placas de circuito impreso. Mirando el circuito electrónico de cualquier aparato verás que los componentes se encuentran montados sobre una placa, esta placa es por un lado aislante y por el otro verás unas pistas de cobre con las que se unen las patillas de los componentes electrónicos formando el circuito. Los fabricantes de productos electrónicos, realizan estas placas mediante máquinas especiales, en el taller podemos construirnos placas de Circuito Impreso de forma artesanal. 6.2 CIRCUITOS INTEGRADOS 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. 94