INDICE: 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA 2. RESISTENCIAS 3. RELÉS 4. CONDENSADORES 5. SEMICONDUCTORES 5.1. DIODOS 5.2. TRANSISTORES 6. CIRCUITOS INTEGRADOS 1
1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos. Por lo general los circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende de la electricidad, es decir del flujo de electrones que les llega para la generación, transmisión, recepción, etc. Esta información puede consistir en un tipo de voz o música como en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números u otros datos en un ordenador o computadora. Los circuitos electrónicos ofrecen diferentes funciones para procesar esta información, incluyendo la amplificación de señales débiles hasta un nivel que se pueda utilizar; la extracción de información; el control de operaciones que queramos hacer, etc., y también las llamadas operaciones lógicas, como los procesos electrónicos que tienen lugar en los ordenadores. Con todo esto podemos decir que el mundo de la electrónica es apasionante porque podemos hacer miles de cosas con un poco de electricidad. Pero para que todo esto sea posible es necesario que haya unos componentes, que hagan que podamos gobernar lo que queremos hacer mediante pequeñas cantidades de corriente, los componentes principales que vamos a ver este año son: - Las resistencias. - Los relés. - Los diodos. - Los condensadores. - Los transistores. - Circuitos integrados. 2
2. RESISTENCIAS Las resistencias son componentes eléctricos que ofrecen una oposición al paso de corriente eléctrica, dificultando el paso de electricidad a través de ellos. O sea las resistencias lo que hacen es que la electricidad que entra es mayor de la que sale, es decir hay una perdida de tensión, o diferencia de potencial, entre sus terminales. La electricidad que se queda dentro de la resistencias, se pierde en forma de calor. Las resistencias estan especificadas en Ohmios ( ), según si tienen más o menos ohmios, impedirá pasar más o menos electricidad. Para qué pensáis que puede utilizarse las resistencias? - Para proteger aparatos o elementos eléctricos o electrónicos: si a un determinado elemento electrónico le llega mucha electricidad, se estropea, es conveniente poner una resistencia antes del elemento para que impida que llegue tanta electricidad y se estropee el elemento. En este sentido se utilizan en la mayoría de aparatos electrónicos que utilizamos a diario, ordenadores, televisiones, la consola... - Para controlar nosotros la electricidad que queremos que circule por un circuito, según queramos que pase más o menos electricidad en un circuito para realizar diferentes operaciones utilizaremos unas resistencias u otras. TIPOS DE RESISTENCIAS: 2.1- Resistencias fijas: Siempre tienen el mismo valor. Ej. 200, 25 K.. Físicamente son unas cápsulas, que tienen dos terminales. Su interior es de diversos materiales, el más utilizado el grafito, según las capas de material en su interior, tendrá una resistencia u otra. Vienen con unas franjas de colores en su exterior que indican su valor ohmico, es decir la resistencia que tienen. En total son 4 franjas de colores (primera cifra, segunda cifra, multiplicador y tolerancia), tres de ellas más próximas y una alejada. Su símbolo representativo es: Debemos utilizar tablas para saber el valor que tienen: 3
Color Valor en la primera banda Valor en la segunda banda Multiplicador (nº de ceros) Valor como tolerancia NEGRO 0 0 0 MARRÓN 1 1 1 ±1% ROJO 2 2 2 ±2% NARANJA 3 3 3 AMARILLO 4 4 4 VERDE 5 5 5 AZUL 6 6 6 VIOLETA 7 7 7 GRIS 8 8 8 BLANCO 9 9 9 ORO x 0,1 ±5% PLATA x 0,01 ±10% (ninguna) ±20% Vamos a ver un ejemplo de cómo se calcula: Calcular el valor óhmico de la siguiente resistencia con estas bandas de colores: 1ª rojo 2ª marrón 3ª naranja 4ª plata 1ª franja: ROJO, en la tabla vemos que indica un 2, que es la primera cifra...2 2ª franja: MARRÓN, en la tabla vemos que indica un 1, que será la segunda cifra... 21 3ª franja: NARANJA, es el multiplicador, es decir el nº de ceros a añadir; en la tabla vemos que indica un 3, es decir hay que añadir 3 ceros al número que ya teníamos, o sea: 21000. Por tanto, el valor óhmico de la resistencia = 21000, pero este valor no es exacto, sino que puede variar levemente, por problemas de fabricación,uso... a esta variación se le conoce como TOLERANCIA y nos la da la 4ª franja. En nuestro caso la cuarta franja es de color PLATA, que vemos que es +/-10% del valor de la resistencia, es decir el valor de nuestra resistencia total es: 21000 +/-10% 4
como el 10% de 21000 es 2100, es decir el intervalo (por debajo y por arriba) de valores de nuestra resistencia es: valor mínimo = 21000-2100= 18900 valor máximo = 21000 + 2100 = 23100 Este valor se comprueba con el polímetro, en la escala de resistencias; si el numero real que nos da el polímetro está entre el intervalo, la resistencia está bien, si está fuera del intervalo la resistencia está estropeada o gastada. EJERCICIOS: Calcular el valor ohmico de las siguientes resistencias con estas bandas de colores: a) ROJO- ROJO- NEGRO-ORO Valor ohmico = Valor máximo = Valor mínimo = b) AMARILLO- NARANJA-NEGRO- MARRON Valor ohmico = Valor máximo = Valor mínimo = c) Ejemplos prácticos - - Valor ohmico = Valor máximo = Valor mínimo = d) Ejemplos prácticos - - Valor ohmico = Valor máximo = Valor mínimo = 5
2.2- Resistencias variables Ya hemos visto las resistencias fijas, eran las que tenían un valor óhmico fijo, es decir siempre tienen el mismo valor de resistencia que venia dado por un conjunto de líneas de colores. Existe otro tipo de resistencia que puede variar este valor óhmico, son las resistencias variables. De estas tenemos varias, veámoslas: - POTENCIOMETRO: son un tipo de resistencia variables la cual podemos cambiar su valor óhmico a voluntad, es decir, podemos establecer el valor de resistencia que tiene dentro de un limite. Las hay de tamaños grandes o pequeños, horizontales o verticales, lineales y logarítmicos. Por ejemplo las de 10 KΩ podemos hacer que varíen entre 0 y 10 KΩ, simplemente girando un pequeño tornillo que posee. Simbología: Se utilizan en multitud de aparatos electrónicos, también en objetos muy habituales y de uso muy extendido, por ejemplo en dar más o menos potencia a un luz; en el volumen de los aparatos de radio y de música; en el nivel de potencia de diferentes aparatos: aspiradores, calefactores, estufas, etc. - LAS RESISTENCIAS DEPENDIENTES: son resistencias 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). Resistencias dependientes de la temperatura: hay de dos tipos NTC (significa coeficiente de temperatura negativo) las cuales al aumentar la temperatura disminuye su resistencia. PTC (coeficiente de temperatura positivo), al aumentar la temperatura la resistencia aumenta. Se utilizan como controles de temperatura, protección de circuitos, retardadores de accionamiento, etc. Simbología: NTC Simbología: PTC 6
Las LDR (resistencias dependientes de la luz), aumenta la resistencia al disminuir la cantidad de luz que inciden sobre ellas. Sirven como elementos de control de circuitos, alarma, medida, etc. es decir con aplicaciones relacionadas con la intensidad luminosa. LDR Simbología: 3. EL RELÉ. Un relé es un elemento que funciona de la siguiente forma: cuando se hace circular una corriente eléctrica por la bobina, esta se comporta como un imán y atrae a una pieza móvil metálica que cierra dos contactos; si no se aplica ninguna señal eléctrica a la bobina, el contacto central permanece en su posición de reposo: unido al contacto de la izquierda. El relé está formado por una bobina que, cuando se activa, atrae a una palanca que a su vez mueve unas pequeñas láminas de un interruptor y puede cerrar un circuito eléctrico. En la siguiente ilustración puedes ver el aspecto de un relé y los terminales que se encuentran en su parte inferior. Cuando se deja pasar la corriente de la pila a la bobina del relé, se imanta el núcleo de hierro, que atrae a la palanca. Ésta gira y presiona una de las láminas del circuito de conmutación, cerrándolo. De esta forma puedo controlar un segundo circuito por medio del relé. Simbología: Aspecto real: Funcionamiento: 7
Veamos algun ejemplo de circuitos con relés: Explicación: 4. CONDENSADOR O CAPACITADOR El condensador es un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica y de cedarla posteriormente al circuito. En condensador está formado por dos placas metálicas separadas por un aislante polarizable llamado dieléctrico. El hecho de que el dieléctrico sea aislante significa que no permite que las cargas que llegan hasta el condensador lo atraviesen; sin embargo, el hecho de ser un material polarizable indica que sus moléculas al estar en un campo eléctrico se orientan en forma de dipolos de modo que el polo negativo se ve atraído por la placa cargada positivamente y viceversa. Simbolo del condensador: Funcionamiento: 1. Carga del condensador (fig a): si accionamos el interruptor del circuito de la fig a) los electrones llegan a la armadura negativa y ven que no pueden pasar 8
por alli, porque hay un aislante, por lo tanto se distribuyen por la superficie metalica. 2. El dieléctrico no suelta sus electrones, pero se ven repelidos y se acumulan cerca de la armadura positiva. (fig b) Carga del condensador (fig a): fig b) 3. Estos electrones, a su vez, repelen los electrones del metal de la otra armadura positiva. 4. Cuando se llene la armadura negativa de electrones y la positiva ceda todos los que pueda y se quede completamente positiva, se dice que el condensador esta cargado. Un condensador conectado a una pila se carga casi instantaneamente. Para retardar su carga se debe poner una resistencia en serie. 5. Descarga del condensador (fig c): Con el condensador cargado podemos retirarlo del circuito y utilizarlo en otro circuito para generar energía y utilizarla por ejemplo para encender una bombilla aunque sea brevemente, según la carga (número de electrones) que puedan acumular. (Fig c): Explicación práctica: La capacidad eléctrica de un condensador es la relación entre la carga que el condensador puede almacenar dividido entre el voltaje al que se somete el condensador. Es decir: Capacidad del condensador: 9
C es la capacidad, medida en faradios; esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el milifaradio: 1mF=10-3 F,el microfaradio 1=10-6 F, y el picofaradio 1mF=10-12 F. Q es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios (C); V es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios. Ejercicio: Calcula la capacidad de un condensador cargado con 6x10-5 Culombios en su armadura sometido a un potencial de 12 Voltios. Expresa el resultado en µf. 5. SEMICONDUCTORES Estos elementos son fundamentales en electrónica, por tanto son unos de los elementos más importantes en la actualidad y en todo el desarrollo de la Humanidad, porque a partir de ellos ha evolucionado a grandes pasos la informática y los elementos electrónicos, y por tanto todo nuestro día a día. Son materiales que según las condiciones ambientales, pueden ser conductores o no. Estos materiales son muy importantes en electrónica ya que con ellos podemos gobernar o dirigir si deseamos que haya o no corriente eléctrica, y esto es la base de la electrónica digital. Por ejemplo el Silicio es un material semiconductor. Hay dos tipos de materiales semiconductores: Semiconductores N y semiconductores P: Semiconductores N: Tenemos un cristal de Silicio y le agregamos en la superficie átomos de otros elementos que tienen facilidad de ceder electrones (a esto se denomina dopar el Silicio), obtenemos un semiconductor que denominamos N, y que por tanto tiene facilidad de ceder electrones, que como sabeis están cargados negativamente (de ahí la N). Semiconductores P: Tenemos un cristal de Silicio y le agregamos en la superficie átomos de otros elementos pero ahora con capacidad para atraer electrones del exterior, tenemos un semiconductor de tipo P (es como si tuvieran huecos para ser rellenados por electrones). Los semiconductores forman parte de los elementos más importantes de la electrónica, como son los DIODOS y los TRANSISTORES, que vamos a verlos a continuación: 10
5.1. DIODOS Hasta ahora todos los componentes que hemos utilizado conducían la corriente de electrones en ambos sentidos. Un diodo es un elemento electrónico que únicamente deja pasar la corriente eléctrica en un sentido, de cátodo a ánodo, a esta propiedad se le denomina polaridad. Ahora que hemos explicado los semiconductores pasemos a explicar los diodos. Pues bien, el diodo está formado por un semiconductor P (llamado ánodo) unido a un semiconductor N (llamado cátodo). Simbología: Funcionamiento: Como decíamos los diodos tienen polaridad, es decir que sólo dejan pasar la electricidad en un sentido, del cátodo al ánodo: Polaridad directa: Si conectamos el polo negativo de una pila con el N del diodo (cátodo) SÍ conduce la electricidad porque los electrones del N pasan fácilmente al P y del P al polo positivo de la pila como se ven en el dibujo: Positivo de la pila con P del diodo (ánodo): Conduce la electricidad Polaridad inversa: Mientras que si conectamos el polo negativo de la pila al P del diodo(ánodo), NO conduce electricidad porque los electrones llenan los huecos del P pero no pasan al N, mientras que del N unicamente pasan a la pila los que estaban desde el principio. Negativo de la pila con N del diodo: NO Conduce la electricidad 11
Diodos LED: Un tipo de diodos muy utilizados son los diodos LED que se caracterizan porque cuando dejan pasar la electricidad (positivo de la pila con P del diodo) emiten luz. Son muy utilizados actualmente en todos los aparatos electrónicos para indicar si están encendidos o apagados, en semáforos actuales, en faros de coches modernos, letreros electronicos, indicadores encendido/apagado, etc. Los LEDs miden aproximadamente 4 cm. y tienen dos patillas que son los polos, para distinguirlas la más grande es la positiva, luego si conectamos la positiva con el negativo de la pila, no dejará pasar corriente electrica, luego el LED estará apagado: Simbologa diodo LED: bombilla LED luces coche LED semáforo LED Ventajas de la Tecnologia LED: Bajo consumo: Una lámpara LED se alimenta a baja tensión, consumiendo así poca potencia, aproximadamente nuestro consumo con la lámpara de LEDs va ser 4 veces menor. Baja tensión: Todos los aparatos LED funcionan a 24V/12V de corriente continua, reduciendo al mínimo los posibles riesgos de electrocución. Baja temperatura: El LED se alimenta a baja tensión, consumiendo así poca energía y por lo tanto emitiendo poco calor. Mayor rapidez de respuesta: El LED tiene una respuesta de funcionamiento mucho más rápida que el halógeno y el fluorescente. Luz más brillante: En las mismas condiciones de luminosidad que sus rivales, la luz que emite el LED es mucho más nítida y brillante. Sin fallos de iluminación: Absorbe las posibles vibraciones a las que pueda estar sometido el equipo sin producir fallos ni variaciones de iluminación. Mayor duración y fiabilidad: La vida de un LED es muy larga en comparación con los demás sistemas de iluminación. 12
5.2.- TRANSISTOR Un transistor es un dispositivo con tres semiconductores unidos entre sí, cada uno con una patillita, denominados BASE, COLECTOR Y EMISOR, pueden ser PNP o NPN según como estan conectados, entre ellos. Y se utiliza para controlar la electricidad que pasa por un circuito, o sea para amplificarla o para no dejarla pasar, y dependerá de la corriente que circule por la base. Los dos tipos funcionan igual lo unico es la manera de conectarlos al generador. Ejemplos Simbología: reales: Por decirlo de manera simple, utilizando el sentido tradicional de la corriente, ésta corriente entra por el colector, la base regula el paso, y por el emisor sale la corriente regulada. La ventaja es que una corriente muy débil (la que entra por la base), puede controlar el paso de una corriente que puede ser muy potente (la que pasa del emisor al colector), con lo que se consigue amplificar la señal. Funcionamiento, (según el sentido real de los electrones, que sabemos que es el contrario): 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. 1º. Si no hay presión en B (base), no puede abrir la válvula y no se produce paso de fluido de E a C (funcionamiento en corte). 2º. Si llega algo de presión a B (base), ésta abrirá má o menos la válvula y dejara pasar más o menos fluido de E a C (funcionamiento en activa). En este caso, el transisitor permitir ña el 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. 3º. Si llega suficiente presión a B de forma que abra totalmente la válvula, se comunica E con C y el fluido pasa sin dificultas funcionamiento en saturación). 13
O sea, y para resumir, en corte no pasa electricidad por la base y funciona como un interruptor abierto entre emisor -colector; en saturacion llega mucha electricidad a la base y funciona como interruptor cerrado; y entre medio de las dos, está en activa y según la electricidad que llegue a la base pasará más o menos electricidad del emisor al colector. Ejercicios de utilización de transistores: 1. Circuito básico: Descripción del funcionamiento: 2. Detector de contacto: Descripción del funcionamiento: 14
3. Diseña un sencillo detector o alarma de presencia, es decir cuando alguien entre en una habitación el circuito lo detecta. 4. Temporizador mediante un transistor: Descripción del funcionamiento: Aplicaciones: 5. Interruptor crepuscular A Descripción del funcionamiento: 15
6. Interruptor crepuscular B. Descripción del funcionamiento: 6. Diseña un interruptor de humedad utilizando un transistor. 7. Diseña un circuito para detectar el nivel de agua adecuado y explícalo: 16
6.- CIRCUITO INTEGRADO Un circuito integrado (CI), también conocido como chip o microchip, es una pastilla pequeña de material semiconductor, de algunos milímetros cuadrados de área, sobre la que se fabrican circuitos electrónicos generalmente mediante fotolitografía y que está protegida dentro de un encapsulado de plástico o cerámica. Los Circuitos Integrados (C.I.) son circuitos que tienen un uso especifico, compuestos de los elementos simples estudiados hasta ahora: transistores, diodos, resistencias, condensadores Los microchips hoy en dia son un prodigio tecnologico. Los elementos del circuito son tan pequenos que se necesita un buen microscopio para verlo. En un microchip de un par de centimetros cuadrados pueden caber millones de transistores ademas de resistencias, condensadores, diodos, etc. Cuando más transistores más acciones puede realizar al mismo tiempo. Por tanto un circuito integrado es la unión de muchos transistores(entre otros componentes) con los que se pueden realizar numerosas tareas. Pueden tener desde 10 a 100 transistores (los circuitos integrados SSI) hasta 1 millón de transistores (los circuitos integrados GLSI) Cuando más avanza la tecnología, más pequeños son los trasnsistores y los CI, por tanto más operaciones podrá realizar, por tanto más memoria, mejor calidad, etc. Para que os hagais una idea la Play Station 2 constaba de unos 60 millones de transistores en total, y su sucesora la Play Station 3 tiene en su interior multitud de circuitos integrados que poseen en total unos 600 millones de transistores. Con los Circuitos Integrados se pueden hacer desde simples circuitos o puertas lógicas (que ya las veremos en temas siguientes) hasta microprocesadores. El microprocesador o simplemente procesador, es el circuito integrado central y más complejo de un ordenador; a modo de ilustración, se le suele asociar por analogía como el "cerebro" de una computadora, está constituido por millones de componentes electrónicos integrados. Constituye la unidad central de procesamiento (CPU) de un PC. 17