LIBRO 1 CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRONICA AUTOMOTRIZ CURSO BASICO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA AUTOMOTRIZ
Electrónica básica Componentes Activos
Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
unidad 3
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SEMICONDUCTORES Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente eléctrica mejor que otros. Generalizando, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto... Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atómica. Los conductores son, generalmente, metales esto se debe a que dichos poseen átomos muy juntos permitiendo que los electrones puedan saltar de átomo en átomo con facilidad, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios átomos de un metal, se acercan los electrones de su última órbita se desprenden y circulan desordenadamente entre una verdadera red de átomos. Este hecho (libertad de los electrones) favorece en gran medida el paso de la corriente eléctrica. Los aislantes, en cambio, están formados por átomos muy alejados que inpiden el salto de los electrones, por lo tanto es difícil establecer una corriente de electrones. De ahí su alta resistencia. También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia en mayor o menor medida la característica de los anteriores, los semiconductores. Su característica principal es la de conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro. Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son
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Aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes. Los primeros semiconductores utilizados para fines técnicos fueron pequeños detectores diodos empleados a principios del siglo 20 en los primitivos radiorreceptores, que se conocían como “de galena”. Ese nombre lo tomó el radiorreceptor de la pequeña piedra de galena o sulfuro de plomo (PbS) que hacía la función de diodo y que tenían instalado para sintonizar las emisoras de radio. La sintonización se obtenía moviendo una aguja que tenía dispuesta sobre la superficie de la piedra. Aunque con la galena era posible seleccionar y escuchar estaciones de radio con poca calidad auditiva, en realidad nadie conocía que misterio encerraba esa piedra para que pudiera captarlas. En 1940 Russell Ohl, investigador de los Laboratorios Bell, descubrió que si a ciertos cristales se le añadía una pequeña cantidad de impurezas su conductividad eléctrica variaba cuando el material se exponía a una fuente de luz. Ese descubrimiento condujo al desarrollo de las celdas fotoeléctricas o solares. Posteriormente, en 1947 William Shockley, investigador también de los Laboratorios Bell, Walter Brattain y John Barden, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna. Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital, etc. Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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TIPOS DE SEMICONDUCTORES Puedes cambiar el comportamiento de silicio y convertirlo en un conductor por medio de doping. Con este método, se mezcla una pequeña cantidad de impurezas dentro de un cristal de silicio. Hay dos tipos de impurezas: Tipo N – En este tipo, fósforo o arsénico es añadido a la silicona en pequeñas cantidades. Cada una de estas sustancias tiene cuatro electrones externos, por lo que están fuera de lugar cuando se introducen en la rejilla de silicona. El quinto electrón no tiene nada con lo que atarse, por lo que es libre para moverse. Se necesita poca cantidad de impurezas para crear suficientes electrones libres para permitir una corriente fluir por la silicona. La silicona de tipo N es un buen conductor. Los electrones tienen una carga negativa, y de ahí viene su nombre. Tipo P – En este tipo de doping, el boro y el galio es el elemento insertado. Solo tienen tres electrones externos, y cuando se mezclan con la silicona forman hoyos en la rejilla, donde un electrón de silicona no tiene donde agarrarse. La ausencia de un electrón crea el efecto de una carga positiva, y por eso su nombre. Uno de estos hoyos puede aceptar electrones de un vecino, moviendo el hoyo un espacio. El tipo P es un buen conductor. Cualquiera de estos dos métodos explicados convierte un cristal de silicona, de un aislante, en un conductor aceptable, aunque no de los mejores, y por eso se le llama semiconductor. Los tipos N y P no son increíbles por si mismos, pero cuando los pones juntos, puedes conseguir un comportamiento interesante como resultado de la unión. Ahora estudiaremos los diferentes componentes empezando por el más sencillo y pieza fundamental en la tecnología de los semiconductores.
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EL DIODO
Un diodo es un elemento electrónico que tiene un cierto comportamiento cuando se le aplicamos una corriente eléctrica, dependiendo como lo conectemos el positivo y el negativo de la batería (polarización) puede conducir o no conducir, este comportamiento es como si manipuláramos un interruptor que me permite el paso de corriente o no. La gran utilidad de el diodo esta en los dos diferentes estados en que se puede encontrar dependiendo de la corriente eléctrica que este fluyendo en el, al poder tener estos dos estados, estos dos comportamientos los diodos tienen la opción de ser usados en elementos electrónicos en los que estos facilitan el trabajo. El diodo es un dispositivo de dos terminales que, en una situación ideal, se comporta como un interruptor común con la condición especial de que solo puede conducir en una dirección. Tiene un estado encendido, el que en teoría parece ser simplemente un circuito cerrado entre sus terminales, y un estado apagado, en el que sus características terminales son similares a las de un circuito abierto. Cuando el voltaje tiene valores positivos de VD (VD > 0 V) el diodo se encuentra en el estado de circuito cerrado (R= 0 Ω) y la corriente que circula a través de este esta limitada por la red en la que este instalado el dispositivo. Símbolo:
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Polarización DIRECTA
CIRCUITO
El ánodo se conecta al positivo de la batería y el cátodo al negativo.
INVERSA
Características El diodo conduce con una caída de tensión de 0,6 a 0,7V. El valor de la resistencia interna seria muy bajo. Se comporta como un interruptor cerrado
El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre el. Puede existir una corriente de fuga del orden de uA. El valor de la resistencia interna sería muy alto Se comporta como un interruptor abierto.
el ánodo se conecta al negativo y el cátodo al positivo de la batería
SIMBOLOGíA Diodo Led
Diodo varicap
Diodo común
Diodo rectificador
Foto diodo
Puente rectificador
Diodo tunel
Diodo zener
CARACTERíSTICAS TECNICAS Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer estas, pues los Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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libros de características y las necesidades de diseño así lo requieren. En estos Apuntes aparecerán las más importantes desde el punto de vista práctico. La aplicación principal de un diodo es la de rectificador y en los automóviles no es la excepción , en el alternador se presenta para adecuar el voltaje generado para luego ser conectado ala batería elemento que almacena energía en forma de DC. DIODOS RECTIFICADORES
Su construcción está basada en la unión PN siendo su principal aplicación como rectificadores. Este tipo de diodos (normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas (hasta 200ºC en la unión), siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa muy pequeña. Gracias a esto se pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para potencias relativamente grandes, Sus aplicaciones van desde elemento indispensable en fuentes de alimentación como en televisión, aparatos de rayos X y microscopios electrónicos, donde deben rectificar tensiones altísimas. En fuentes de alimentación se utilizan los diodos formando configuración en puente, o utilizando los puentes integrados que a tal efecto se fabrican y que simplifican en gran medida el proceso de diseño de una placa de circuito impreso. Los distintos encapsulados de estos diodos dependen del nivel de potencia que tengan que disipar. Hasta 1w se emplean encapsulados de plástico. Por encima de este valor el encapsulado es metálico y en potencias más elevadas es necesario que el encapsulado tenga previsto una rosca para fijar este a un radiador y así ayudar al diodo a disipar el calor producido por esas altas corrientes. Igual le pasa a los puentes de diodos integrados. En la industria automotriz las aplicaciones de los diodos rectificadores en el alternador permite la implementación de circuitos de carga para las baterías y los acumuladores. Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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Esta aplicación se denomina en la industria automotriz como puente de diodos o diodera, esta tiene diferentes formas dependiendo de los fabricantes de alternadores, valor de corriente usos.
DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCIÓN La desactivación de un relé provoca una corriente de descarga de la bobina en sentido inverso que pone en peligro el elemento electrónico utilizado para su activación. Un diodo polarizado inversamente cortocircuita dicha corriente y elimina el problema. El inconveniente que presenta es que la descarga de la bobina es más lenta, así que la frecuencia a la que puede ser activado el relé es más baja. Se le llama comúnmente diodo volante.
DIODOS ZENER.Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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Se emplean para producir entre sus extremos una tensión constante e independiente de la corriente que las atraviesa según sus especificaciones. Para conseguir esto se aprovecha la propiedad que tiene la unión PN cuando se polariza inversamente al llegar a la tensión de ruptura (tensión de Zener), pues, la intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco. Para evitar la destrucción del diodo por la avalancha producida por el aumento de la intensidad se le pone en serie una resistencia que limita dicha corriente. Se producen desde 3,3v y con una potencia mínima de 250mW. Los encapsulados pueden ser de plástico o metálico según la potencia que tenga que disipar. DIODOS LED ( Light Emitting Diode)
El diodo LED
El diodo LED debe su nombre a las siglas de la expresión inglesa Light Emitting Diode, que traducida al castellano significa Diodo Emisor de Luz. Por tanto, se trata de un dispositivo que emite luz como una pequeña lámpara. Dado que pertenece a la familia de los diodos, un diodo LED permitirá el paso de corriente eléctrica a través de él cuando se encuentre directamente polarizado, de la misma forma que lo hace un diodo corriente como los vistos anteriormente. Es en estas condiciones de polarización directa cuando se ilumina. En este caso, la diferencia de potencial del diodo LED se encuentra entre 1,5 y 4,2 V, según el tipo de diodo LED. Esta diferencia de potencial mayor es debida a que en los diodos LED el compuesto semiconductor es arseniuro de galio. En cambio, cuando el diodo LED se encuentra inversamente polarizado, no circulará corriente a través de él, con lo que este no se ilumina. Los diodos LED se realizan en material encapsulado transparente y se fabrican en colores diferentes, como rojo, verde, ámbar, amarillo y amarillo verdoso.
Los diodos LED se emplean fundamentalmente para señalizaciones.
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Por su pequeño tamaño, suelen aparecer a través de las carcasas de los equipos iluminándose para indicar si una función determinada se está llevando a cabo. Es un diodo que presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador sin embargo, su tensión de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color del diodo. Color Tensión en directo Infrarrojo 1,3v Rojo 1,7v Naranja 2,0v Amarillo 2,5v Verde 2,5v Azul 4,0v El conocimiento de esta tensión es fundamental para el diseño del circuito en el que sea necesaria su presencia, pues, normalmente se le coloca en serie una resistencia que limita la intensidad que circulará por el.
Cuando se polariza directamente se comporta como una lamparita que emite una luz cuyo color depende de los materiales con los que se fabrica. Cuando se polariza inversamente no se enciende y además no deja circular la corriente. La intensidad mínima para que un diodo Led emita luz visible es de 4mA y, por precaución como máximo debe aplicarse 50mA. Para identificar los terminales del diodo Led observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo.
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Actualmente la industria automotriz adopto todas las aplicaciones de led para el automóvil en los circuitos de iluminación básicos como lámparas stops y iluminación interior esto garantiza menos consume sin sacrificar luminosidad. Veamos algunos ejemplos:
Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. Se fabrican algunos LED especiales: Led bicolor.- Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se suele utilizar en la detección de polaridad. Led tricolor.- Formado por dos diodos Led (verde y rojo) montado con el cátodo común. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercero es el ánodo verde. Display.- Es una combinación de diodos Led que permiten visualizar letras y números. Se denominan comúnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en dos configuraciones: ánodo común y cátodo común. Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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Estructura de un Led Estructura de un bicolor Led tricolor
Display de cátodo común
Display de ánodo común
Display
display
FOTODIODO Son dispositivos semiconductores construidos con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán inversamente, con lo que producirán una cierta circulación de corriente cuando sean excitados por la luz. Debido a su construcción se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de tensión exterior, generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Tienen una velocidad de respuesta a los cambios bruscos de luminosidad mayores a las células fotoeléctricas. Actualmente, y en muchos circuitos estás últimas se están sustituyendo por ellos, debido a la ventaja anteriormente citada. DIODO DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP) Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varia en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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van desde 1 a 500pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1v. La aplicación de estos diodos se encuentra en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio, sobre todo. TRANSISTORES
En el año 1942, los físicos norteamericanos Bardeen, Brattain y Shockley investigando con semiconductores, descubrieron el transistor. Debido a la gran importancia de dicho descubrimiento, se les concedió en 1956 el Premio Nóbel de Física. Exteriormente está formado por un caparazón o cápsula que puede tener diferentes formas, del que salen tres patillas metálicas, o mas técnicamente dicho, tres electrodos o terminales y en algunos casos solamente dos ya que el tercer terminal lo forman el recubrimiento metálico de la cápsula. Internamente, el transistor es un componente semiconductor formado por un cristal que contiene una región P entre dos regiones N (transistor NPN), o una región N entre dos regiones P (transistor PNP). La diferencia que hay entre un transistor PNP y otro NPN radica en la polaridad de sus electrodos.
Polaridad de los electrodos
Símbolo del transistor NPN
Símbolo del transistor PNP
Cada una de estas regiones semiconductoras tiene una conexión. La región central Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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se llama base (B) y las otras emisor (E) y colector (C). APLICACIONES La primera consecuencia del descubrimiento del transistor, fue que los aparatos electrónicos pudieron hacerse mucho mas pequeños, al ocupar el transistor un volumen mucho menor que las válvulas electrónicas anteriormente empleadas. Se redujo también mucho el consumo de corriente, porque las válvulas necesitaban calentamiento y el transistor no. El transistor puede emplearse como interruptor y como amplificador. EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR El transistor funciona como interruptor CERRADO cuando le aplicamos una corriente a la base y como interruptor ABIERTO cuando no le aplicamos corriente a ésta. Un transistor funciona como un interruptor para el circuito conectado al colector (Rc) si se hace pasar rápidamente de corte a saturación y viceversa. En corte es un interruptor abierto y en saturación es un interruptor cerrado. Los datos para calcular un circuito de transistor como interruptor son: el voltaje del circuito que se va a encender y la corriente que requiere con ese voltaje. El voltaje Vcc se hace igual al voltaje nominal del circuito, y la corriente corresponde a la corriente Icsat. Se calcula la corriente de saturación mínima, luego la resistencia de base mínima: La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte o en saturación, en otro campo se aplican para activar y desactivar relés, en este caso como la carga es inductiva (bobina del relé) al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la "patada inductiva" que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante.
EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR Los físicos que descubrieron el transistor se dieron cuenta que mediante la variación de una corriente débil aplica a la base podían gobernar otra mucho mas intensa entre colector y emisor.
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Esto significa que pequeñas corrientes eléctricas pueden ser amplificadas, o lo que es lo mismo, que señales débiles pueden transformarse en otra suficientemente fuertes. La intensidad que atraviesa el emisor es igual a la intensidad que pasa por el colector más la intensidad que pasa por la base.
IE=IC+ IB FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR Quizás el modo de trabajar de un transistor puedes fácilmente comprenderlo con un ejemplo más fácil que podríamos llamar: el transistor hidráulico Por la tubería O llega presión de agua y puede seguir dos caminos: 1. Por C que no puede pasar ya que se lo impide el tapón. 2. Por B que al estar cerrada la llave L tampoco puede pasar.
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Por lo tanto por la tubería E no sale agua y podemos decir que el transistor está bloqueado. Si abrimos un poco la llave L comienza a salir agua por el tubo B y ésta empuja la palanca que unida al tapón permite el paso de agua por la tubería C. Por la tubería E ahora sale el agua que pasa por C más el agua que pasa por B. Esta figura muestra como si abrimos más la llave de paso L por la tubería B sale más agua y por lo tanto empuja mas fuerte a la palanca y abre completamente el
paso por la tubería C.
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Como se puede comprobar nos encontramos con tres situaciones: 1. Está totalmente cerrada: no circula agua. 2. Cuando esta algo abierta, pero no lo suficiente para que el tapón este abierto del todo: Se puede regular el caudal por C abriendo mas o menos la llave L. 3. Cuando se abre L lo suficiente para que este el tapón totalmente abierto y por C pasa prácticamente todo el caudal, ya que lo que pasa por B es despreciable frente a lo que pasa por C. Esto mismo es lo que tenemos en los transistores eléctricos, cambiando caudal de agua por corriente: 1. Por la base no se le suministra corriente: transistor no deja conducir entre colector y emisor. 2. Por la base se le suministra una pequeña corriente: Se puede controlar el paso de corriente entre el colector y el emisor. La corriente que pasa entre colector y emisor es mucho mayor que la corriente que le suministramos a la base. 3. Se le suministra suficiente corriente a la base para que circula la máximo corriente entre colector y emisor, se dice que el transistor está saturado y la corriente que se le suministra a la base es la necesaria para producir la saturación del transistor. Cuando trabaja como interruptor el transistor trabaja en corte y en saturación, mientras que cuando trabaja como amplificador trabaja con corrientes en la base menores para controlar la corriente entre colector y emisor.
E
L
P
R
O
T
O
B
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O
A
R
D
.
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El protoboard o breadbord: Es una especie de tablero con orificios, en la cual se pueden insertar componentes electrónicos y cables para armar circuitos. Como su nombre lo indica, esta tableta sirve para experimentar con circuitos electrónicos, con lo que se asegura el buen funcionamiento del mismo. Estructura del protoboard: Básicamente un protoboard se divide en tres regiones:
A) Canal central: Es la región localizada en el medio del protoboard, se utiliza para colocar los circuitos integrados. B) Buses: Los buses se localizan en ambos extremos del protoboard, se representan por las líneas rojas (buses positivos o de voltaje) y azules (buses negativos o de tierra) y conducen de acuerdo a estas, no existe conexión física entre ellas. La fuente de poder se conecta aquí. C) Pistas: La pistas se localizan en la parte central del protoboard, se representan y conducen según las líneas rosas. Recomendaciones al utilizar el protoboard: A continuación veremos una serie de consejos útiles pero no esenciales. 1.- Hacer las siguientes conexiones A) Esta conexión nos sirve para que ambos pares de buses conduzcan corriente al agregarles una fuente de poder, así es más fácil manipular los circuitos integrados. B) Algunos protoboards tienen separada la parte media de los buses, es por eso que se realiza esta conexión para darle continuidad a la corriente. Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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2.- Coloca los circuitos integrados en una sola dirección, de derecha a izquierda o viceversa. 3.- Evita el cableado aéreo (A), resulta confuso en circuitos complejos. Un cableado ordenado (B) mejora la comprensión y portabilidad
CIRCUITOS OSCILSDORES CON TRANSISTORES Las primeras implementaciones con transistores correspondieron a circuitos de uso cotidiano pero con la invención de la calculadora y las computadoras estas fueron reemplazadas por circuitos con transistores. Las primeras aplicaciones en la industria automotriz corresponden a circuitos de control y generadores de señal que reemplazaron los platinos esto dio como resultado sistemas más eficientes y Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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más duraderos. estas aplicaciones corresponden a los circuitos electrónicos de ignición trasistorizados que generaban pulsos partiendo de señales provenientes del mismo platino.
SEÑALES ELECTRICAS GENERALES Es la representación de un fenómeno físico o estado material a través de una relación establecida; las entradas y salidas de un sistema electrónico serán señales variables. En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de voltaje o corriente estas se pueden denominar comúnmente señales Las señales primordialmente pueden ser de dos tipos: 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.) Puede también ser producida por un fenómeno electromagnético. Se representa por una función matemática continua; donde varía el período y la amplitud en función del tiempo. Generalmente la intensidad, la temperatura, la presión, la tensión, la mecánica y la potencia son portadoras de este tipo de señal. Las señales análogas se pueden percibir en todos los lugares, por ejemplo, la naturaleza posee un conjunto de estas señas como es la luz, la energía, el sonido, etc., estas son señales que varían constantemente. Un ejemplo muy práctico es cuando el arco iris se descompone lentamente y en forma continua.
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Cuando los valores del voltaje o la tensión tienden a variar en forma de corriente alterna se produce una señal eléctrica analógica. En este caso se incrementa durante medio ciclo el valor de la señal con signo eléctrico positivo; y durante el siguiente medio ciclo, va disminuyendo con signo eléctrico negativo. Es desde este momento que se produce un trazado en forma de onda senoidal, ya que este da a lugar a partir del cambio constante de polaridad de positivo a negativo. Las señales de cualquier comunicación electrónica o de cualquier ruido, puede presentar algunas complicaciones; por ejemplo, estas pueden ser modificadas a través del ruido de forma no deseada. Es por estas razonas que se recomienda que la señal antes de ser procesada se acondicione; de este modo no generará estas modificaciones imprevistas. Si se presenta este problema; se debe capturar las ondas de sonido analógicas con un micrófono, y luego se deben convertir en una señal de audio (pequeña variación analógica de tensión). Ahora bien, a medida que cambia la frecuencia del sonido y el volumen va a ir variando la tensión de forma continua; en estos momentos se destina a la entrada de un amplificador lineal. La tensión de entrada amplificada, o sea, la salida del amplificador se deberá de introducir en el altavoz; el cual convertirá la señal de audio ya amplificada en ondas sonoras; las cuales poseen un mayor y mejor sonido que el sonido que había capturado el micrófono. Son muchos los sistemas que eran analógicos y que hoy en día se han convertido en digitales; como son las grabaciones de video, las grabaciones de audio y las fotografías. También hay sistemas, que en la actualidad usan los dos tipos de métodos, o sea, el analógico y el digital; como es el reproductor de disco compacto. En el automóvil estas señales están presentes en dispositivos como los sensores de temperatura, aire, presion que detectan cambios en los componentes físicos del carro y son enviados al computador para ser procesadas.
Variable digital La tan mencionada señal digital, genera signos que pueden ser analizados en término de algunas magnitudes que representan valores discretos (forma particular de codificación que toma un símbolo o paquete de información). Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado. Los sistemas digitales, como por ejemplo el ordenador, usan lógica de dos estados Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L (High y Low, respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa. Es conveniente aclarar que, a pesar de que en los ejemplos señalados el término digital se ha relacionado siempre con dispositivos binarios, no significa que digital y binario sean términos intercambiables.
También llamadas variables discretas, entendiéndose por estas, las variables que pueden tomar un número finito de valores. Por ser de fácil realización los componentes físicos con dos estados diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas variables, que por lo tanto son binarias. Siendo estas variables más fáciles de tratar (en lógica serian los valores V y F) son los que generalmente se utilizan para relacionar varias variables entre si y con sus estados anteriores. Referido a un aparato o instrumento de medida, decimos que es digital cuando el resultado de la medida se representa en un visualizador mediante números (dígitos) en lugar de hacerlo mediante la posición de una aguja, o cualquier otro indicador, en una escala. En éste, la imagen y el sonido vienen convertidos a formato binario, donde la unidad fundamental es el bit (acrónimo de Binary digit o dígito binario)0 –0 y 1–. Toda la información, se traduce en bits y el audiovisual que llega hasta los televisores se representa como una composición de puntos: los píxeles. Es importante destacar que la señal digital es un formato de señal, no un método de transmisión. Esto viene al caso porque con la penetración en la sociedad de las Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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plataformas de satélite, la televisión digital se ha asociado desde siempre a la captación de la programación a través de la antena parabólica. Sin embargo, cabe incidir en el hecho de que "digital" se refiere única y exclusivamente a un formato de señal, que puede ser transmitida vía satelital o terrenal, cuya captación se realiza con la antena tradicional. Ventajas: •
Ante la atenuación, puede ser amplificada y reconstruida al mismo tiempo, gracias a los sistemas de regeneración de señales.
•
Cuenta con sistemas de detección y corrección de errores, en la recepción.
•
Facilidad para el procesamiento de la señal.
•
Permite la generación Inconvenientes
•
Necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción.
•
Requiere una sincronización precisa entre los tiempos del reloj del transmisor, con respecto a los del receptor.
infinita
sin
pérdidas
de
calidad.
•
Dependiendo del tipo de generador de señal se conocen diferentes tipos de señales según su forma y quien la genera por lo que tenemos:
SEÑAL TRIANGULAR ( DIENTE DE SIERRA) : Se trata de un tipo de señal repetida que muestra unas velocidades constantemente de subida y bajada. Generalmente el tiempo que dura para subir y para bajar es igual. Estas ondas poseen un contenido armónico bajo; es por ello que es muy similar a las ondas senoidales. La onda triangular se pueden conseguir ya sea física como matemáticamente, integrando una onda cuadrada en el tiempo. Los movimientos de subida y bajada de esta onda cuadrada se trasforman en pendientes de los blancos de bajada y subida de la onda triangular.
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Estas
ondas
poseen
diferentes
aplicaciones,
como
son:
• Osciladores: es favorable hacer osciladores controlados por tensión, ya que al ser lineal la relación entre la amplitud y el tiempo de una onda triangular, facilita en grandes proporciones la creación de estos osciladores; los cuales se deben de realizar comparando su nivel con la tensión de control. • Generación de señales sinusoidales: al conformar la redes de resistencias y diodos con la señal triangular se llega a generar ondas sinusoidales.
ONDA CUADRADA : Se encuentran dentro de los circuitos de la conmutación y son generados naturalmente por los dispositivos de lógica (de dos niveles) binarios. Se utilizan como referencias de la sincronización o “señales del reloj“, porque sus transiciones rápidas son convenientes para accionar lógica síncrona circuitos en los intervalos exacto resueltos. Sin embargo, como el gráfico del frecuencia-dominio demuestra, Las ondas del cuadrado contienen una amplia gama de armónicos; éstos pueden generar radiación electromagnética o pulsos de la corriente que interfieren con otros circuitos próximos, causando ruido o errores. Para evitar este problema en circuitos muy sensibles tales como precisión convertidores de analógico a digital, ondas del seno se utilizan en vez de ondas cuadradas como referencias de la sincronización.
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Se usa principalmente para la generación pulsos eléctricos que son usados como señales (1 y 0) que permiten ser manipuladas fácilmente, un circuito electrónico que genera ondas cuadradas se conoce como generador de pulsos, este tipo de circuitos es la base de la electrónica digital. En el vehiculo la activación de solenoides, electrovalvulas y inyectores se hace con señales cuadradas. A continuación veremos aplicaciones con transistores básicas en la configuración de circuitos electrónicos que son utilizados en el automóvil.
OSCILADOR MONOESTABLE: Un circuito monoestable es un circuito que tiene un estado estable, en el que puede permanecer indefinidamente en ausencia de excitación externa. Cada vez que se le aplica un impulso de disparo la salida del circuito cambia de estado, pasando a otro llamado metaestable, permaneciendo en éste un cierto tiempo, determinado por los elementos el circuito, finalizado el cual vuelve al estado estable.
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En la Figura se representa el esquema de un circuito multivibrador monoestable, realizado con componentes discretos, cuyo funcionamiento es el siguiente: Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc), los dos transistores iniciarán la conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las resistencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del material semiconductor, uno conducirá antes o más rápido que el otro. Supongamos que es TR-2 el que conduce primero. El voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios (salida Y a nivel bajo), por lo que la tensión aplicada a la base de TR-1 a través del divisor formado por R-3, R-5 , será insuficiente para que conduzca TR-1. En estas condiciones TR-1 permanecería bloqueado indefinidamente. Pero si ahora aplicamos un impulso de disparo de nivel alto por la entrada T, el transistor TR-1 conducirá y su tensión de colector se hará próxima a 0 V, con lo que C-1, que estaba cargado a través de R-1 y la unión base-emisor de TR-2, se descargará a través de TR-1 y R-2 aplicando un potencial negativo a la base de TR2 que lo llevará al corte (salida Y a nivel alto) . En esta condición la tensión aplicada a la base de TR-1 es suficiente para mantenerlo en conducción aunque haya desaparecido el impulso de disparo en T. Seguidamente se inicia la carga de C-1 a través de R-2 y TR-1 hasta que la tensión en el punto de unión de C-1 y R-2 (base de TR-2) sea suficiente para que TR-2 vuelva a conducir y TR-1 quede bloqueado. La duración del periodo cuasi estable viene definido por los valores de C-1 y R-2.
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OSCILADOR ASTABLE (MULTIVIBRADOR)
En electrónica, un astable es un multivibrador que no tiene ningún estado estable, lo que significa que posee dos estados "quasi-estables" entre los que conmuta, permaneciendo en cada uno de ellos un tiempo determinado. La frecuencia de conmutación depende, en general, de la carga y descarga de condensadores. Entre sus múltiples aplicaciones se cuentan la generación de ondas periódicas (generador de reloj) y de trenes de impulsos. En la Figura 1 se muestra el esquema de un multivibrador astable realizado con componentes discretos El funcionamiento de este circuito es el siguiente: Al aplicar la tensión de alimentación (Vcc), los dos transistores iniciaran la conducción, ya que sus bases reciben un potencial positivo a través de las resistencias R-2 y R-3, pero como los transistores no serán exactamente idénticos, por el propio proceso de fabricación y el grado de impurezas del material semiconductor, uno conducirá antes o más rápido que el otro. Supongamos que es TR-1 el que conduce primero. En estas condiciones el voltaje en su colector estará próximo a 0 voltios, por lo que el C-1 comenzará a cargarse a través de R-2. Cuando el voltaje en C-1 alcance los 0,6 V, TR-2 comenzará a conducir, pasando la salida a nivel bajo (tensión próxima a 0V). C-2, que se había Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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cargado vía R-4 y unión base-emisor de TR-1, se descargará ahora provocando el bloqueo de TR-1. C-2 comienza a cargarse vía R-3 y al alcanzar la tensión de 0,6 V provocará nuevamente la conducción de TR-1, la descarga de C-1, el bloqueo de TR-2 y el pase a nivel alto (tensión próxima a Vcc (+) de la salida Y). A partir de aquí la secuencia se repite indefinidamente, dependiendo los tiempos de conducción y bloqueo de cada transistor de las relaciones R-2/C-1 y R-3/C-2. Estos tiempos no son necesariamente iguales, por lo que pueden obtenerse distintos ciclos de trabajo actuando sobre los valores de dichos componentes. Circuito practico:
Este circuito es una típica y sencilla configuración de astable con transistores. Emplearemos unos valores de los componentes para que la frecuencia de esta circuito sea baja y poder visualizar los estados en dos LED’s. Si utilizásemos una frecuencia muy alta, veríamos los diodos LED’s siempre encendidos debido a la persistencia de la retina aunque realmente no fuese así.
Funcionamiento Los transistores Q1 y Q2 están configurados para trabajar en corte y saturación, es decir, como si fuera un interruptor electrónico. Si nos fijamos en el esquema, la polarización de un transistor controla la del otro, por lo que conducirán de manera alternativa.
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Como el estado inicial del circuito es impredecible y dependerá de las variaciones en las características de los componentes, supongamos que el condensador C1 se carga a través de la resistencia R3, de tal manera que cuando la tensión en el punto de conexión entre ambos supere un cierto valor, la base de Q2 quedará a un nivel positivo entrando en saturación, de esta forma baja la tensión de su colector (pin 1) y bloquea la corriente de base de Q1 que deja de conducir. En esta situación el LED2 esta iluminado y el LED1 esta apagado. El proceso se repetirá, pero en este caso es C2 quien comienza a cargarse a través de R4. Lo que debemos visualizar en los LED’s es que se enciendan de manera alternativas de una forma simétrica. Podemos realizar varios experimentos con este sencillo circuito, como poner valores diferentes en los condensadores, de manera que el circuito quedará asimétrico o cambiar la frecuencia de oscilación modificando los valores de R3 y R4 o C1 y C2. También podemos eliminar un LED, para ello tendremos que conectar su resistencia limitadora (R1 o R2) al positivo de la alimentación.
Lista de componentes C1
= 10µF (Condensador, Electro., 16v)
C2
= 10µF (Condensador, Electro., 16v)
LED1
= (Diodo LED)
LED2
= (Diodo LED)
Q1
= BC547 (Transistor, NPN)
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Q2
= BC547 (Transistor, NPN)
R1
= 1k8 (Resistencia, 1/4W)
R2
= 1k8 (Resistencia, 1/4W)
R3
= 330k (Resistencia, 1/4W)
R4
= 330k (Resistencia, 1/4W)
Circuitos electrónicos integrados Un circuito integrado (CI) o chip, es una pastilla muy delgada en la que se encuentra una enorme cantidad (del orden de miles o millones) de dispositivos microelectrónicos interconectados, principalmente diodos y transistores, además de componentes pasivos como resistencias o condensadores. Su área es de tamaño reducido, del orden de un cm² o inferior. Algunos de los circuitos integrados más avanzados son los microprocesadores, que son usados en múltiples artefactos, desde computadoras hasta electrodomésticos, pasando por los teléfonos móviles. En 1980 los circuitos integrados son implementados en los vehículos automotores agregando el control que las autoridades ambientales querían además de la sustitución de elementos de continuo deterioro como platinos, esto además permitió que el avance en velocidad y en control del consumo de combustible fuera parte fundamental de la industria. Otra familia importante de circuitos integrados la constituyen las memorias digitales. En Abril de 1949, el ingeniero alemán Werner Jacobi (Siemens AG) completa la primera solicitud de patente para circuitos integrados como semiconductores amplificadores de dispositivos. Jacobi realizó una tipica aplicación industrial para su patente, la cual no fue reportada. Mas tarde la integración de circuitos fue concebida por un científico de radares Geoffrey W.A. Dummer (1909-2002), trabajando para Royal Radar Establishment del Ministerio de Defensa Británico, y publicado en Washington, D.C. en Mayo 7, 1952. A Dummer no le fue posible construir los circuitos en 1956.
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Tipos Existen tres tipos de circuitos integrados: •Circuitos
monolíticos: Están fabricados en un solo monocristal, habitualmente de silicio, pero también existen en germanio, arseniuro de galio, silicio-germanio, etc. •Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas. Circuitos híbridos de capa gruesa: Se apartan bastante de los circuitos monolíticos. De hecho suelen contener circuitos monolíticos sin cápsula (dices), transistores, diodos, etc, sobre un sustrato dieléctrico, interconectados con pistas conductoras. Las resistencias se depositan por serigrafía y se ajustan haciéndoles cortes con láser. Todo ello se encapsula, tanto en cápsulas plásticas como metálicas, dependiendo de la disipación de potencia que necesiten. En muchos casos, la cápsula no está "moldeada", sino que simplemente consiste en una resina epoxi que protege el circuito. En el mercado se encuentran circuitos híbridos para módulos de RF, fuentes de alimentación, circuitos de encendido para automóvil, etc. Ademas de la integración en circuitos completos de control en el automóvil llamados ECM (electronic control module) o módulos de control electrónico tenemos circuitos de control en sistemas de frenado (ABS) alarmas, sistemas de seguridad (airbags) los sistemas de inmovilización y control de encendido con llaves electrónicas. A continuación presentamos algunos de los circuitos integrados populares que nos permitirán entender aun más el funcionamiento de la electrónica y su aplicación en la industria automotriz.
EL NE-555
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la maquina del tiempo
Introducción y características El 555 es un circuito integrado muy estable cuyo objetivo es el de producir pulsos de temporización con una gran precisión y que, además, puede funcionar como oscilador. Sus características más destacables son: · Temporización desde microsegundos hasta horas. · Modos de funcionamiento:
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o Monoestable. o Astable. · Aplicaciones: o Temporizador. o Oscilador. o Divisor de frecuencia. o Modulador de frecuencia. o Generador de señales triangulares. Se alimenta de una fuente externa conectada entre sus terminales 8 (+Vcc) y 1(GND) tierra; el valor de la fuente de esta, va desde 5 V hasta 15 V de corriente continua, la misma fuente exterior se conecta a un circuito pasivo RC exterior, que proporciona por medio de la descarga de su capacitor una señal de voltaje que esta en función del tiempo, esta señal de tensión es de 1/3 de Vcc y se compara contra el voltaje aplicado externamente sobre la terminal 2 (TRIGGER) que es la entrada de un comparador. La terminal 6 (THRESHOLD) se ofrece como la entrada de otro comparador, en la cual se compara a 2/3 de la Vcc contra la amplitud de señal externa que le sirve de disparo. La terminal 5(CONTROL VOLTAGE) se dispone para producir modulación por anchura de pulsos, la descarga del condensador exterior se hace por medio de la terminal 7 (DISCHARGE), se descarga cuando el transistor (NPN) T1, se encuentra en saturación, se puede descargar prematuramente el capacitor por medio de la polarización del transistor (PNP) T2. Se dispone de la base de T2 en la terminal 4 (RESET) del circuito integrado 555, si no se desea descargar antes de que se termine el periodo, esta terminal debe conectarse directamente a Vcc, con esto se logra mantener cortado al transistor T2 de otro modo se puede poner a cero la salida involuntariamente, aun cuando no se desee. La salida esta provista en la terminal (3) del microcircuito y es además la salida de un amplificador de corriente (buffer), este hecho le da más versatilidad al circuito de Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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tiempo 555, ya que la corriente máxima que se puede obtener cuando la terminal (3) sea conecta directamente al nivel de tierra es de 200 mA. La salida del comparador "A" y la salida del comparador "B" están conectadas al Reset y Set del FF tipo SR respectivamente, la salida del FF-SR actúa como señal de entrada para el amplificador de corriente (Buffer), mientras que en la terminal 6 el nivel de tensión sea más pequeño que el nivel de voltaje contra el que se compara la entrada Reset del FF-SR no se activará, por otra parte mientras que el nivel de tensión presente en la terminal 2 sea más grande que el nivel de tensión contra el que se compara la entrada Set del FF-SR no se activará.
Especificaciones generales . A continuación encontramos requerimientos de potencia.
las especificaciones de voltaje corriente
y los
CONFIGURACIONES GENERALES DEL 555 Este circuito integrado puede ser configurado para trabajar como un simple temporizador o como un generador de pulsos para utilidades varias y en la induxtria Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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automotriz permite una serie de implementaciones que solucionan algunos problemas cuando no se pueden reparar algunos de esos circuitos. CIRCUITO MONOESTABLE En este caso el timmer 555 en su modo monoestable funcionará como un circuito de un tiro. Dentro del 555 hay un transistor que mantiene a C1 descargado inicialmente. Cuando un pulso negativo de disparo se aplica a terminal 2, el flip-flop interno se setea, lo que quita el corto de C1 y esto causa una salida alta (un high) en el terminal 3 (el terminal de salida).
Cuando la señal de disparo está a nivel alto (ej. 5V con VCC=5V) la salida se mantiene a nivel bajo (0V), que es el estado de reposo. Una vez que se produce el flanco descendente de la señal de disparo por debajo de Vcc/3, la salida pasa a nivel alto (VCC) hasta transcurrido el tiempo determinado por la ecuación:
T = 1,1.R1.C
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Es recomendable, para no tener problemas de sincronización que el flanco de bajada de la señal de disparo sea de una pendiente elevada, pasando lo más rápidamente posible a un nivel bajo (idealmente 0V). NOTA: en el modo monoestable, el disparo debería ser puesto nuevamente a nivel alto antes que termine la temporización. CIRCUITO ASTABLE O MULTIVIBRADOR :
En este modo se genera una señal cuadrada oscilante de frecuencia:
F = 1/T = 1,44 / [C.( RA+2.RB)] ; Th=T1+T2 La señal rectangular tendrá como valor alto, VCC (aproximadamente) y como valor bajo 0V. Si se desea ajustar el tiempo que está a nivel alto y bajo se deben aplicar las fórmulas:
PERIODO TOTAL : TH = 0.693.(RA + RB).C SALIDA A NIVEL BAJO : T1 = 0.693.RB.C
2.- EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
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LM741 El nombre de operacional se debe al uso que de este circuito se hacía en los primitivos ordenadores analógicos, capaces de realizar operaciones aritméticas de distinto grado de complejidad. Estos amplificadores poseen una elevadísima resistencia de entrada, por lo que pueden detectar señales muy pequeñas (de orden de microvoltios) y amplificarlas miles de veces. Una de las aplicaciones del amplificador operacional es la comparar tensiones y es ésta la que vamos a estudiar. Un comparador es un operador que tiene dos entradas y una salida. Si la entrada positiva (+), también denominada no inversora, está a más tensión que la entrada negativa o inversora (-), en el terminal de salida aparece una tensión igual a la tensión de alimentación. En caso contrario, la salida será nula, o negativa si se alimenta con tensión simétrica. Los amplificadores operacionales se emplean en circuitos de control de temperatura, luminosidad, humedad, detectores de incendios, receptores de radio y televisión, etc... El famoso circuito integrado 741 es un amplificador operacional alojado en una cápsula de tipo DIP8, de 8 pines. El LM358 contiene dos amplificadores operacionales en el interior de una cápsula DIP8.
Aplicación: Indicador de temperatura Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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En el circuito de abajo, el LM741 compara una tensión de referencia con otra proveniente de un divisor de tensión formado por una NTC y una resistencia. Como el valor óhmico de la NTC disminuye con la temperatura, la tensión en la patilla 2 del integrado también lo hará. En el momento en que la tensión del pin 2 sea menor que la del 3, el terminal 6 pasará de tener una tensión nula a una tensión máxima que encenderá el LED, indicando que se ha superado la temperatura programada. Mediante el ajustable, podemos variar la tensión de 3, y por tanto la temperatura necesaria para que se encienda el diodo. El circuito de abajo se ha diseñado para una NTC de 10K. En caso de usar una NTC de otro valor, tendremos que cerciorarnos de que con el ajustable se puede conseguir una resistencia igual a la que presenta el termistor a la temperatura a la que queremos que actúe el circuito. Electrónica digital La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga de sistemas electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos estados. A dichos estados se les puede llamar "verdadero" o "falso", o más comúnmente 1 y 0,
Refiriéndose a que en un circuito electrónico hay tensión (1 - verdadero) o hay ausencia de tensión (0 - falso).
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Electrónicamente se les asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje determinado, a los que se les denomina niveles lógicos, típicos en toda señal digital. Por lo regular los valores de voltaje en circuitos electrónicos pueden ir desde 1.5, 3, 5, 9 y 12 voltios dependiendo de la aplicación, así por ejemplo en un vehiculo pueden ser voltajes de referencia de sensores, motores inyectores, la ECM. Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor de voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica analógica hay una infinidad de estados de información que codificar según el valor del voltaje.
En electrónica digital todo es referido a dos estados lógicos alto o bajo o 1-0 por esto se creo toda un sistema matemático que garantiza su funcionamiento.
Sistema de numeración binario. El sistema de numeración binario utiliza sólo dos dígitos, el cero (0) y el uno (1). En una cifra binaria, cada dígito tiene distinto valor dependiendo de la posición que ocupe. El valor de cada posición es el de una potencia de base 2, elevada a un exponente igual a la posición del dígito menos uno. Se puede observar que, tal y como ocurría con el sistema decimal, la base de la potencia coincide con la cantidad de dígitos utilizados (2) para representar los números. De acuerdo con estas reglas, el número binario 1011 tiene un valor que se calcula así: 1*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20 , es decir:
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8 + 0 + 2 + 1 = 11 La Unidad Aritmético Lógica, en la CPU del procesador, es capaz de realizar operaciones aritméticas, con datos numéricos expresados en el sistema binario. Naturalmente, esas operaciones incluyen la adición, la sustracción, el producto y la división. Las operaciones se hacen del mismo modo que en el sistema decimal, pero debido a la sencillez del sistema de numeración, pueden hacerse algunas simplificaciones que facilitan mucho la realización de las operaciones.
El sistema binario permite realizar operaciones matemáticas como suma resta multiplicación y división permitiendo hacer cómputos rápido y eficientemente de manera que todo el funcionamiento de un equipo electrónico se reduce a estas operaciones. La industria electrónica implemento estas operaciones en circuitos integrados.
Compuertas lógicas: Hay en el mercado cantidad de circuitos integrados que simulan las operaciones matemáticas binarias que se implementan en circuitos electrónicos para sistemas de control básicamente.
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Compuerta AND: Cada compuerta tiene dos variables de entrada designadas por A y B y una salida binaria designada por x. La compuerta AND produce la multiplicación lógica AND: esto es: la salida es 1 si la entrada A y la entrada B están ambas en el binario 1: de otra manera, la salida es 0. Estas condiciones también son especificadas en la tabla de verdad para la compuerta AND. La tabla muestra que la salida x es 1 solamente cuando ambas entradas A y B están en 1. El símbolo de operación algebraico de la función AND es el mismo que el símbolo de la multiplicación de la aritmética ordinaria (*). Las compuertas AND pueden tener más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si todas las entradas son 1.
Compuerta OR: La compuerta OR produce la función sumadora, esto es, la salida es 1 si la entrada A o la entrada B o ambas entradas son 1; de otra manera, la salida es 0. El símbolo algebraico de la función OR (+), es igual a la operación de aritmética de suma. Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier entrada es 1.
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Compuerta NOT: El circuito NOT es un inversor que invierte el nivel lógico de una señal binaria. Produce el NOT, o función complementaria. El símbolo algebraico utilizado para el complemento es una barra sobra el símbolo de la variable binaria. Si la variable binaria posee un valor 0, la compuerta NOT cambia su estado al valor 1 y viceversa. El círculo pequeño en la salida de un símbolo gráfico de un inversor designa un inversor lógico. Es decir cambia los valores binarios 1 a 0 y viceversa.
Compuerta Separador (si): Un símbolo triángulo por sí mismo designa un circuito separador, el cual no produce ninguna función lógica particular puesto que el valor binario de la salida es el mismo de la entrada. Este circuito se utiliza simplemente para amplificación de la señal. Por ejemplo, un separador que utiliza 5 volt para el binario 1, producirá una salida de 5 volt cuando la entrada es 5 volt. Sin embargo, la corriente producida a la salida es muy superior a la corriente suministrada a la entrada de la misma. De ésta manera, un separador puede excitar muchas otras compuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corriente aplicada a la entrada del separador. Compuerta NAND: Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolo gráfico, que consiste en una compuerta AND seguida por un pequeño círculo (quiere decir que invierte la señal). La designación NAND se deriva de la abreviación NOT - AND. Una designación más adecuada habría sido AND invertido puesto que es la función AND la que se ha invertido. Profesor Jesus Ernesto Rangel 2010
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Las compuertas NAND pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función AND.
Compuerta NOR: La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza el símbolo de la compuerta OR seguido de un círculo pequeño (quiere decir que invierte la señal). Las compuertas NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función OR.
Circuitos integrados logicos
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Elaboración de circuitos impresos Un circuito impreso es una placa de material aislante (plástico, baquelita, vidrio, etc.), provista de unas pistas o caminos de cobre que sirven para interconectar los diversos componentes que constituyen el circuito en cuestión. Para la elaboración de un circuito impreso hay que seguir los siguientes pasos:
Diseño (dibujo) en papel milimetrado En primer lugar, se procede a realizar el diseño (dibujo) en papel milimetrado del circuito en cuestión, teniendo en cuenta el tamaño de los componentes, su distribución, distancia entre patillas (pines) y disposición de las mismas, sobre todo cuando se trata de elementos con tres o más terminales, tales como transistores o circuitos integrados. Es aconsejable, asimismo, realizar un dibujo de la vista de componentes, tal y como quedarán distribuidos en la placa. Seguidamente se calcará este diseño original sobre papel vegetal, utilizando para ello un rotulador permanente (preferentemente negro) y procurando que todas las conexiones (pistas) sean correctas.
Este diseño del circuito impreso se puede realizar también por medios informáticos, utilizando para ello herramientas (software) desarrolladas para ello.
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Preparación de la placa Realizado el diseño, se procede a la preparación de la placa virgen, incluyendo las siguientes operaciones: •
Cortado de la placa, adecuando su tamaño al del diseño realizado, utilizando para ello la herramienta adecuada (sierra metálica, cizalla, lima fina, etc.).
•
Limpieza de la superficie de cobre.
Dibujo de las pistas sobre la placa Se puede hacer por varios procedimientos, el más sencillo o artesanal es el siguiente: Se coloca el papel trasparente sobre la placa, prestando atención a la posición en la que se emplaza, mediante un granete, se marcan levemente los puntos donde irán colocados los terminales de los componente (soldaduras). Una vez realizada esta operación. se retira el papel transparente y se dibujan las pistas y los puntos de los terminales, procurando que no queden poros en la tinta depositada. Se han de emplear, rotuladores permanentes preferentemente de color negro.
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Grabado (atacado) de la placa: El objeto de este procedimiento es el de eliminar el cobre no necesario de la placa, de forma que solamente permanezca en los lugares donde ha de existir conexión eléctrica entre los distintos componentes. Se puede realizar en un recipiente o bandeja de plástico donde se pondrá percloruro de hierro o cloruro férrico disuelto en agua. Una vez que la placa se ha introducido en la disolución, al cabo de unos pocos minutos ésta absorberá parte del cobre de la misma, excepto de las pistas. Se ha de prestar especial cuidado en la manipulación de estos compuestos químicos, pues pueden ocasionar irritación en heridas y pueden manchar la ropa. Limpieza y taladrado de la placa: Al acabar el proceso anterior se limpiará la placa con agua, se eliminara con alcohol el trazo del rotulador y se secará. A continuación se procederá a taladrar, con una broca del diámetro adecuado, en los lugares donde vayan a ir insertados los componentes. Inserción de los componentes y soldadura: Una vez realizados los taladros, se pasa a insertar los componentes y regletas de conexión en los lugares adecuados para posteriormente soldarlos a la placa. Para ello se utiliza como ayuda el dibujo de la vista de componentes realizada previamente.
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Hay otros sistemas de elaboración de circuitos impresos que facilitan esta práctica. Podemos encontrar papel transfer especial para pasar el diseño de la placa ala lámina de cobre, también por método serigrafico o de screen, o por medio de placas sensibles a la luz.
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