Electrónica
Detalle de un circuito integrado SMD.
Circuito electrónico sobre una placa para prototipos o protoboard La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la gran construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forma parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más concretamente en la rama de ingeniería de materiales.
Circuito
HISTORIA El funcionamiento del siguiente dispositivo está basado en el efecto Edison. Edison fue el primero que observó en 1883 la emisión termoiónica, al colocar una lámina dentro de una bombilla para evitar el ennegrecimiento que producía en la ampolla de vidrio el filamento de carbón. Cuando se polarizaba positivamente la lámina metálica respecto al filamento, se producía una pequeña corriente entre el filamento y la lámina. Este hecho se producía porque los electrones de los átomos del filamento, al recibir una gran cantidad de energía en forma de calor, escapaban de la atracción del núcleo (emisión termoiónica) y, atravesando el espacio vacío dentro de la bombilla, eran atraídos por la polaridad positiva de la lámina. El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuando inventó el triodo en 1906. Este dispositivo es básicamente como el diodo de vacío, pero se le añadió una rejilla de control situada entre el cátodo y la placa, con el objeto de modificar la nube electrónica del cátodo, variando así la corriente de placa. Este fue un paso muy importante para la fabricación de los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etc. Lee De Forest es considerado el Padre de la electrónica, ya que antes del Triodo, solo nos limitábamos a convertir la corriente alterna en corriente directa o continua, o sea, solo se construían las fuentes de Alimentación, pero con la creación del Triodo de Vacío, vino la Amplificación de todo tipo de señales, sobre todo la de Audio, la Radio, la TV y todo lo demás, esto hizo que la industria de estos equipos tuvieran un repunte tan grande que ya para las décadas superiores al 1930 se acuñara la palabra por primera vez de "Electrónica" para referirse a la tecnología de estos equipos emergentes. Conforme pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se fueron perfeccionando y mejorando, apareciendo otros tipos, como los tetrodos (válvulas de cuatro electrodos), los pentodos (cinco electrodos), otras válvulas para aplicaciones de alta potencia, etc. Dentro de los perfeccionamientos de las válvulas se encontraba su miniaturización. Pero fue definitivamente con el transistor, aparecido de la mano de Bardeen y Brattain, de la Bell Telephone Company, en 1948, cuando se permitió aún una mayor miniaturización de aparatos tales como las radios. El transistor de unión apareció algo más tarde, en 1949. Este es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las aplicaciones de la electrónica. Sus ventajas respecto a las válvulas son entre otras: menor tamaño y fragilidad, mayor rendimiento energético, menores tensiones de alimentación, etc. El transistor no funciona en vacío como las válvulas, sino en un estado sólido semiconductor (silicio), razón por la que no necesita centenares de voltios de tensión para funcionar. A pesar de la expansión de los semiconductores, todavía se siguen utilizando las válvulas en pequeños círculos audiófilos, porque constituyen uno de sus mitos1 más extendidos. El transistor tiene tres terminales (el emisor, la base y el colector) y se asemeja a un triodo: la base sería la rejilla de control, el emisor el cátodo, y el colector la placa. Polarizando adecuadamente estos tres terminales se consigue controlar una gran corriente de colector a partir de una pequeña corriente de base. En 1958 se desarrolló el primer circuito integrado, que alojaba seis transistores en un único chip. En 1970 se desarrolló el primer microprocesador, Intel 4004. En la actualidad, los campos de desarrollo de la electrónica son tan vastos que se ha dividido en varias disciplinas especializadas. La mayor división es la que distingue la electrónica analógica de la electrónica digital. La electrónica es, por tanto, una de las ramas de la ingeniería con mayor proyección en el futuro, junto con la informática.
Aplicaciones de la electrónica La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica. Estos usos implican la creación o la detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en general las siguientes áreas de aplicación:
Electrónica de control
Los sistemas de control son aquellos dedicados a obtener la salida deseada de un sistema o proceso. En un sistema general se tienen una serie de entradas que provienen del sistema a controlar, llamado planta, y se diseña un sistema para que, a partir de estas entradas, modifique ciertos parámetros en el sistema planta, con lo que las señales anteriores volverán a su estado normal ante cualquier variación. Un sistema de control básico es mostrado en la siguiente figura:
Telecomunicaciones
La telecomunicación (o telecomunicaciones, indistintamente) es el estudio y aplicación de la técnica que diseña sistemas que permitan la comunicación a larga distancia a través de la transmisión y recepción de señales. Típicamente estas señales se propagan a través de ondas electromagnéticas, pero es extensible a cualquier medio que permita la comunicación entre un origen y un destino como medios escritos, sonidos, imágenes o incluso personas. Las telecomunicaciones son una infraestructura básica del contexto actual. La capacidad de poder comunicar cualquier orden militar o política de forma casi instantánea ha sido radical en muchos acontecimientos históricos de la Edad Contemporánea —el primer sistema de telecomunicaciones moderno aparece durante la Revolución Francesa—. Pero además, la telecomunicación constituye hoy en día un factor social y económico de gran relevancia. Así, estas tecnologías adquieren una importancia propia si valoramos su utilidad en conceptos como la globalización o la sociedad de la información y del conocimiento; que se complementa con la importancia de las mismas en cualquier tipo de actividad mercantil, financiera, bursátil o empresarial. Los medios de comunicación de masas también se valen de las telecomunicaciones para compartir contenidos al público, de gran importancia a la hora de entender el concepto de sociedad de masas.
Electrónica de potencia
La expresión electrónica de potencia se utiliza para diferenciar el tipo de aplicación que se le da a dispositivos electrónicos, en este caso para transformar y controlar voltajes y corrientes de niveles significativos. Se diferencia así este tipo de aplicación de otras de la electrónica denominadas de baja potencia o también de corrientes débiles. En este tipo de aplicación se reencuentran la electricidad y la electrónica, pues se utiliza el control que permiten los circuitos electrónicos para controlar la conducción (encendido y apagado) de semiconductores de potencia para el manejo de corrientes y voltajes en aplicaciones de potencia. Esto al conformar equipos denominados convertidores estáticos de potencia. De esta manera, la electrónica de potencia permite adaptar y transformar la energía eléctrica para distintos fines tales como alimentar controladamente otros equipos, transformar la energía eléctrica de continua a alterna o viceversa, y controlar la velocidad y el funcionamiento de máquinas eléctricas, etc. mediante el empleo de dispositivos electrónicos, principalmente semiconductores. Esto incluye
tanto aplicaciones en sistemas de control, sistemas de compensación de factor de potencia y/o de armónicos como para suministro eléctrico a consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de potencia de distinta frecuencia.
Sistemas electrónicos Un sistema electrónico es un conjunto de circuitos que interactúan entre sí para obtener un resultado. Una forma de entender los sistemas electrónicos consiste en dividirlos en las siguientes partes: 1. Entradas o Inputs – Sensores (o transductores) electrónicos o mecánicos que toman las señales (en forma de temperatura, presión, etc.) del mundo físico y las convierten en señales de corriente o voltaje. Ejemplo: El termopar, la foto resistencia para medir la intensidad de la luz, etc. 2. Circuitos de procesamiento de señales – Consisten en artefactos electrónicos conectados juntos para manipular, interpretar y transformar las señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores. 3. Salidas u Outputs – Actuadores u otros dispositivos (también transductores) que convierten las señales de corriente o voltaje en señales físicamente útiles. Por ejemplo: un display que nos registre la temperatura, un foco o sistema de luces que se encienda automáticamente cuando esté oscureciendo. Básicamente son tres etapas: La primera (transductor), la segunda (circuito procesador) y la tercera (circuito actuador).
Como ejemplo supongamos un televisor. Su entrada es una señal de difusión recibida por una antena o por un cable. Los circuitos de procesado de señales del interior del televisor extraen la información sobre el brillo, el color y el sonido de esta señal. Los dispositivos de salida son un tubo de rayos catódicos o monitor LCD que convierte las señales electrónicas en imágenes visibles en una pantalla y unos altavoces. Otro ejemplo puede ser el de un circuito que ponga de manifiesto la temperatura de un proceso, el transductor puede ser un termocouple, el circuito de procesamiento se encarga de convertir la señal de entrada en un nivel de voltaje (comparador de voltaje o de ventana) en un nivel apropiado y mandar la información decodificándola a un display donde nos dé la temperatura real y si esta excede un límite pre programado activar un sistema de alarma (circuito actuador) para tomar las medida pertinentes.
Señales electrónicas Señal Eléctrica. Las señales eléctricas son llamadas también señales análogas. Pueden tener cualquier lectura dentro del rango y sólo están limitadas por las características de los instrumentos registradores e indicadores. Transmiten al controlador en forma continua los valores. En las Redes de ordenadores, los datos a intercambiar siempre están disponibles en forma de señal Digital. No obstante, para su transmisión podemos optar por la utilización de señales digitales o analógicas. La elección no será, casi nunca, una decisión del usuario, sino que vendrá determinada por el medio de transmisión a emplear. No todos los Medios de transmisión permiten señales analógicas ni todos permiten señales digitales. Como la naturaleza de nuestros datos será siempre digital, es necesario un proceso previo que adecue estos datos a la señal a transmitir. A continuación examinaremos los 2 casos posibles.
Variable analógica: Son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores comprendidos entre dos límites. La mayoría de los fenómenos de la vida real dan señales de este tipo. (Presión, temperatura, etc.)
Información digital y transmisión de señal analógica Al proceso por el cual obtenemos una señal analógica a partir de unos datos digitales se le denomina modulación. Esta señal la transmitimos y el receptor debe realizar el proceso contrario, denominado demodulación para recuperar la información. El módem es el encargado de realizar dicho proceso. Algunos esquemas simples de modulación son:
FSK (Modulación por desplazamiento de la frecuencia): Se modifica la frecuencia de la
portadora según el valor de bit a transmitir.
ASK (modulación por desplazamiento de la amplitud): En esta técnica no se modifica la
frecuencia de la portadora sino su amplitud. Los dos valores binarios se representan mediante diferentes niveles de amplitud de esta señal.
PSK (Modulación por desplazamiento de fase): La frecuencia y la amplitud se mantiene
constantes y se varía la fase de la portadora para representar los niveles uno y cero con distintos ángulos de fase. Normalmente los cambios en las variables de proceso generan cambios muy pequeños en las salidas de los elementos primarios (por ejemplo, variaciones de voltaje del orden de los mili volts en las termocuplas, o desplazamientos imperceptibles al ojo humano en las celdas de carga). Por otra parte, sería necesario tener una gama muy grande de instrumentos registradores, indicadores o controladores para el mismo tipo de señal, dependiendo del nivel de salida de los transductores. El objetivo del transmisor es convertir la salida de un sensor en una señal lo suficientemente intensa como para que se pueda transmitir a un controlador o a otro dispositivo. Se han desarrollado un juego de señales estándar para procesar los cambios en las salidas de los elementos primarios. Estas señales pueden ser neumáticas, eléctricas, digitales, hidráulicas o telemétricas. Veremos algunas de ellas.
Información digital y transmisión de señal digital
Para obtener la secuencia que compone la señal digital a partir de los datos digitales se efectúa un proceso denominado codificación. Existen multitud de métodos de codificación, mencionaremos seguidamente los más usuales.
NRZ (No Return to Zero): Es el método que empleamos para representar la evolución de una
señal digital en un cronograma. Cada nivel lógico 0 y 1 toma un valor distinto de tensión.
NRZI (No Return to Zero Inverted): La señal no cambia si se transmite un uno, y se invierte si
se transmite un cero.
RZ (Return to Zero): Si el bit es uno, la primera mitad de la celda estará a uno. La señal vale
cero en cualquier otro caso.
Manchester: Los valores lógicos no se representan como niveles de la señal, sino como
transiciones en mitad de la celda de bit. Un flanco de bajada representa un cero y un flanco de subida un uno.
Manchester diferencial: Manteniendo las transiciones realizadas en el Método Manchester, en
este método introduce la codificación diferencial. Al comienzo del intervalo de bit, la señal se invierte si se transmite un cero, y no cambia si se transmite un uno.
Tensión La tensión eléctrica o diferencia de potencial) es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Se puede medir con un voltímetro. Su unidad de medida es el voltio. La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico, que es un campo. Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico. Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica. Cuando se habla sobre una diferencia de potencial en un sólo punto, o potencial, se refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algún otro donde el potencial se defina como cero.
Voltaje continuo (VDC): la producen las baterías, las pilas y las dinamos. Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera una tensión constante que no varía con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarán siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada y tenga menos tensión). Además de estar todos los receptores a la tensión de la pila, al conectar el receptor (una lámpara por ejemplo) la corriente que circula por el circuito es siempre constante (mismo número de electrones), y no varía de dirección de circulación, siempre va en la misma dirección, es por eso que siempre el polo + y el negativo son siempre los mismos.
Conclusión, en c.c. (corriente continua o DC) la Tensión siempre es la misma y la Intensidad de corriente también. Si tuviéramos que representar las señales eléctricas de la Tensión y la Intensidad en corriente continua en una gráfica quedarían de la siguiente forma:
Voltaje Alterno
(VAC)–
Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales eléctricas. La corriente que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes). En este tipo de corriente la intensidad varia con el tiempo (número de electrones), además cambia de sentido de circulación a razón de 50 veces por segundo (frecuencia 50Hz). Según esto también la tensión generada entre los dos bornes (polos) varía con el tiempo en forma de onda senoidal (ver gráfica), no es constante. Veamos cómo es la gráfica de la tensión en corriente alterna.
Esta onda senoidal se genera 50 veces cada segundo, es decir tiene una frecuencia de 50Hz (hertzios), en EEUU es de 60Hz. Como vemos pasa 2 veces por 0V (voltios) y 2 veces por la tensión máxima que es de 325V. Es tan rápido cuando no hay tensión que los receptores no lo aprecian y no se nota, excepto los fluorescentes (efecto estroboscópico). Además vemos como a los 10ms (milisegundos) la dirección cambia y se invierten los polos, ahora llega a una tensión máxima de -325V (tensión negativa). Esta onda se conoce como onda alterna senoidal y es la más común ya que es la que tenemos en nuestras casas. La onda de la intensidad sería de igual forma pero con los valores de la intensidad lógicamente, en lugar de los de la tensión.
Corriente eléctrica La corriente eléctrica es simplemente la circulación de electrones y los efectos que producen en el conductor y en el entorno. Para entender mejor este término comparémoslo con la circulación del agua en un circuito (símil hidráulico). El electrón es una partícula ligera que orbita en los átomos y transporta la unidad de carga. Un átomo que tenga más electrones orbitando que protones en el núcleo, tiene carga negativa. La acumulación de átomos con carga del mismo tipo hace que esa materia esté cargada y que en sus proximidades ocurran fenómenos electrostáticos (pantalla TV).
Los electrones más alejados del núcleo pueden desligarse del mismo y circular entre los átomos del cuerpo, como sucede en los metales, dando lugar a la corriente eléctrica. A veces de las nubes cargadas se desprenden chorros de electrones que se transmiten en el aire dando lugar a uno de los fenómenos naturales eléctricos más importante, el rayo. El rayo va acompañado del relámpago que no es más que una manifestación de la radiación electromagnética que ocurre cuando los electrones son acelerados. La luz es una más entre todas las radiaciones electromagnéticas (U.V. rayos X, etc.)
Resistencia La resistencia eléctrica es una propiedad que tienen los materiales de oponerse al paso de la corriente. Los conductores tienen baja resistencia eléctrica, mientras que en los aisladores este valor es alto. La resistencia eléctrica se mide en Ohm (Ω). El elemento circuital llamado resistencia se utiliza para ofrecer un determinado valor de resistencia dentro de un circuito.
Circuitos electrónicos Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales comoresistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.
Por el tipo de información Por el tipo de régimen Por el tipo de señal Por su configuración Analógicos Digitales Mixtos
Periódico Transitorio Permanente
De corriente continua Serie De corriente alterna Paralelo Mixtos Mixtos
Componentes Para la síntesis de circuitos electrónicos se utilizan componentes electrónicos e instrumentos electrónicos. A continuación se presenta una lista de los componentes e instrumentos más importantes en la electrónica, seguidos de su uso más común: Altavoz: reproducción de sonido.
Cable: conducción de la electricidad. Conmutador: reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más. Interruptor: apertura o cierre de circuitos, manualmente. Pila: generador de energía eléctrica. Transductor: transformación de una magnitud física en una eléctrica (ver enlace). Visualizador: muestra de datos o imágenes.
Dispositivos analógicos (algunos ejemplos) aparato o instrumento que asocia un valor análogo y continuo de una variable física que es fácilmente medible por ejemplo la posición, a los valores de una variable o señal externa por ejemplo la temperatura, el tiempo, etc. Ejemplo: un reloj analógico es aquel que representa de forma análoga y con la posición de sus manecillas el transcurrir del tiempo. Amplificador operacional: amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación.
condensador: almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancias. Diodo: rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión. Diodo Zener: regulación de tensiones. Inductor: adaptación de impedancias. Potenciómetro: variación de la corriente eléctrica o la tensión. Relé: apertura o cierre de circuitos mediante señales de control. Resistor o Resistencia: división de intensidad o tensión, limitación de intensidad. Transistor: amplificación, conmutación.
Dispositivos digitales
Biestable: control de sistemas secuenciales. Memoria: almacenamiento digital de datos. Microcontrolador: control de sistemas digitales. Puerta lógica: control de sistemas combinacionales.
Dispositivos de potencia
DIAC: control de potencia. Fusible: protección contra sobre-intensidades. Tiristor: control de potencia. Transformador: elevar o disminuir tensiones, intensidades, e impedancia aparente. Triac: control de potencia. Varistor: protección contra sobre-tensiones.
Equipos de medición Los equipos de medición de electrónica se utilizan para crear estímulos y medir el comportamiento de los Dispositivos Bajo Prueba (DUT por sus siglas en inglés).La medición de magnitudes mecánicas, térmicas, eléctricas y químicas se realiza empleando dispositivos denominados sensores y transductores. El sensor es sensible a los cambios de la magnitud a medir, como una temperatura, una posición o una concentración química. El transductor convierte estas mediciones en señales eléctricas, que pueden alimentar a instrumentos de lectura, registro o control de las magnitudes medidas. Los sensores y transductores pueden funcionar en ubicaciones alejadas del observador, así como en entornos inadecuados o impracticables para los seres humanos. Algunos dispositivos actúan de forma simultánea como sensor y transductor. Un termopar consta de dos uniones de diferentes metales que generan una pequeña tensión que depende del diferencial término entre las uniones. El termistor es una resistencia especial, cuyo valor de resistencia varía según la temperatura. Un reóstato variable puede convertir el movimiento mecánico en señal eléctrica. Para medir distancias se emplean condensadores de diseño especial, y para detectar la luz se utilizan fotocélulas. Para medir velocidades, aceleración o flujos de líquidos se recurre a otro tipo de dispositivos. En la mayoría de los casos, la señal eléctrica es débil y debe ser amplificada por un circuito electrónico. A continuación se presenta una lista de los equipos de medición más importantes:
Galvanómetro: mide el cambio de una determinada magnitud, como la intensidad de corriente o tensión (o voltaje). Se utiliza en la construcción de Amperímetros y Voltímetros analógicos.
Amperímetro y pinza amperimétrica: miden la intensidad de corriente
eléctrica.
Óhmetro o puente de Wheatstone: miden la resistencia eléctrica. Cuando la resistencia eléctrica es muy alta (sobre los 1 M-ohm) se utiliza un megóhmetro o medidor de aislamiento.
Voltímetro: mide la tensión.
Multímetro o polímetro: mide las tres magnitudes citadas arriba, además de continuidad eléctrica y el valor B de los transistores (tanto PNP como NPN).
Vatímetro: mide la potencia eléctrica. Está compuesto de un amperímetro y un voltímetro. Dependiendo de la configuración de conexión puede entregar distintas mediciones de potencia eléctrica, como la potencia activa o la potencia reactiva.
Osciloscopio: miden el cambio de la corriente y el voltaje respecto al tiempo.
Analizador lógico: prueba circuitos digitales.
Analizador de espectro: mide la energía espectral de las señales.
Analizador vectorial de señales: como el analizador espectral pero con más
funciones de demodulación digital.
Electrómetro: mide la carga eléctrica.
Frecuencímetro o contador de frecuencia: mide la frecuencia.
Reflectómetro de dominio de tiempo (TDR): prueba la integridad de
cables largos.
Capacímetro: mide la capacidad eléctrica o capacitancia.
Contador eléctrico: mide la energía eléctrica. Al igual que el vatímetro, puede configurarse para medir energía activa (consumida) o energía reactiva.
Tomado de:
http://www.ecured.cu/index.php/Se%C3%B1al_el%C3%A9ctrica http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad) http://www.areatecnologia.com/corriente-continua-alterna.htm http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/electricidad3E/ http://www.fisicapractica.com/resistencia.php http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica_de_control http://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicaci%C3%B3n