3 electronica analogica

Electrónica Analógica En este capítulo veremos un poco de la teoría y práctica necesaria para entender la electrónica analógica, circuitos, leyes y manejo de herramientas básicas.

1 Prof. Armando A Coulson H acoulsonh@hotmail.com 8698-3694

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Introducción a la Electrónica Analógica.

Aunque la electrónica posee una influencia decisiva sobre nuestro mundo, los fenómenos eléctricos naturales, como por ejemplo el rayo, no han dejado de impresionar a la humanidad.

Estos fenómenos nos recuerdan repetidamente cuales son las fuerzas naturales y cuales los peligros que extrañan la electricidad. También permitir comprender la considerable dimensión de los esfuerzos que fueron necesarios para hacerla útil a la humanidad.

Los fenómenos eléctricos que pueden producirse artificialmente son conocidos desde hace tiempo. En la edad antigua los griegos ya sabían que con ámbar frotando con una gamuza podían atraerse materiales ligeros, como por ejemplo pelos, plumas o hilos. El estado de la ciencia en aquella época solo permitía interpretar estos fenómenos como un efecto mágico divino. También a esta época se remota un concepto fundamental de estos fenómenos, pues el ámbar se llama en griego elektrón.

Más tarde se descubrió la electricidad por frotamiento también en otros materiales.

Hasta finales del siglo XVIII los asistentes a estas demostraciones podían hacerse electrizar.

La electrónica puede definirse como el estudio de los electrones de la materia en movimiento y de los fenómenos capaces de influir sobre tales movimientos.

En base a los principios de la electrónica la tecnología desarrolló elementos y dispositivos electrónicos para infinidad de usos prácticos, provocando una verdadera revolución técnica. Este desarrollo ha posibilitado el perfeccionamiento en el ámbito de las comunicaciones. Ejemplo de esto es la radiofonía y la televisión.

También dicha revolución facilitó el desarrollo de la cibernética, lo cual hace posible el procesamiento de datos, el control administrativo, el almacenaje de información, etc.

Por medio de la electrónica se ha permitido la verificación de cálculos muy precisos, lo que contribuyó a facilitar la creación de instrumentos cuya precisión era inimaginable años atrás, tales como medidores térmicos, de pesos, tiempos, etc.

2

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Magnitudes Eléctricas.

Para poderlos comparar los fenómenos físicos deben estar perfectamente definidos, para lo cual sirve las magnitudes físicas. Son propiedades mensurables de objetos estados fenómenos físicos. Las magnitudes físicas se abrevian mediante símbolos. En un texto impreso se describen en caracteres de letra cursiva.

A cada magnitud le corresponde una unidad que indica cómo se mide por ejemplo la unidad de longitud es el metro. A nivel internacional se han determinado siete magnitudes fundamentales y sus correspondientes unidades, que dan lugar al sistema internacional de unidades SI.

Magnitud fundamental Nombre Símbolo Longitud Masa Tiempo Intensidad de corriente eléctrica Temperatura termodinámica Cantidad de materia Intensidad luminosa

L m t I T n Iv

Mediante las siete magnitudes fundamentales pueden expresarse todas las demás, magnitudes y por tanto también sus unidades, que se llaman magnitudes o unidades derivadas.

Las unidades según el sistema internacional S.I., que es el aceptado en España y en la mayoría de los países, de cada una de las magnitudes vistas son:

3

Magnitud

Unidad

Símbolo

Intensidad

Amperio

A

Tensión

Voltio

V

Potencia

Watio

W

Energía

Watio·hora

W·h

Resistencia

Ohmio

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Tipos de corrientes.

La corriente eléctrica es un movimiento ordenado de cargas, por ejemplo, es un conductor.

Para poder medir este movimiento de cargas deben interrumpirse los conductores del circuito e intercalar el aparato de medida. La totalidad de la corriente debe circular por el aparato de medida.

Los instrumentos para medir la corriente eléctrica se llama amperímetro. Los hay en diversos tipos, debiendo tenerse en cuenta sus diferentes propiedades. En algunos amperímetros la corriente solo pueden circular en un sentido de + a -.

La corriente eléctrica es el movimiento de electrones; ahora bien, atendiendo al sentido del movimiento de los electrones y a su cantidad, se puede hacer la siguiente clasificación de corrientes eléctricas.

Corriente continua: En cada instante los electrones circulan en la misma cantidad y sentido. Es el tipo de corriente generada por una pila o una batería.

Corriente alterna: Dependiendo del instante, los electrones circularán en un sentido o en otro, siendo también variable su cantidad. Es el tipo de corriente más empleada, siendo esta de la que se dispone en cualquier enchufe eléctrico de una vivienda.

4

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Unidades de medida.

Unidades de corriente 1Ka Kiloamperio 1000 1ma Miliamperio 0.001 1na Nanoamperio 0.000000001 1 a Microamperio 0.000001

1x103

A

10-3 A

1x 1x10-9 A 1x10-6 a

1Mv 1Kv 1mv 1 v

Unidades de voltaje Megavoltio 1000000 1x 106 v Kilovoltio 1000 1x103 v Milivoltio 0.001 1x 10-3 v Microvoltio 0.000001 1x10-6 v

Leyes electrónicas.

Ley de OHM. La ley de Ohm, establece que la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un dispositivo es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo, según expresa la fórmula siguiente:

En donde, empleando unidades del Sistema internacional: I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V) R = Resistencia en ohmios (Se representa con la letra griega Ω).

En hidráulica se verifica una ley similar a la Ley de Ohm, que puede facilitar su comprensión. Si tenemos un fluido dentro de un tubo, la diferencia de presiones entre sus extremos equivale a la diferencia de potencial o tensión, el caudal a través del conducto, equivale a la intensidad de la corriente eléctrica y la suma de obstáculos que impiden la corriente del fluido, equivale a la resistencia eléctrica.

Aquellos dispositivos cuya resistencia eléctrica solo depende de la naturaleza del propio material y de la temperatura, con independencia de la tensión o tipo de corriente eléctrica aplicadas (continua o alterna), se denominan óhmicos o ideales.

Si la corriente no es continua, sino alterna la ley de Ohm se formula: Siendo V la tensión, I la intensidad y Z la impedancia, todas ellas magnitudes complejas.

Potencia es la tensión aplicada a un circuito a la corriente que circula en él.

5

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Se sabe que la fórmula de la potencia es P = U x I Y la corriente I = U/R de manera que la ecuación de potencia se sustituye por la I por su equivalente a la ley de OHM. De la misma manera que se encuentra la P = U2/R se puede obtener una ecuación en potencia en función de la I y la R de manera que la ecuación de potencia se sustituye la tensión a su equivalente a la ley de OHM. Ejemplo: 1) Que cantidad de corriente se produciría al aplicar una tensión de 220v a través de una resistencia de 20 .

U: 220v.

I = U/R I = 220v/20

R: 20 .

I = 11 A.

I: ?

2) Cual es la resistencia que se aplica a una tensión de 60v que produce una corriente de 3A. U: 60v

I = U/R

I: 3 A

R = U/I

R: ?

R = 60v/3 A

R = 20 .

3) Cuanta resistencia tendría que añadir al problema anterior al aumentar la corriente a 25 A, U: 60v

I = U/R

I: 25 A

R = U/I

R: ?

R = 60v/25 A

6

R = 2.4 .

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

4) Que voltaje se tiene que aplicar a un circuito con carga de 150 corriente de 30 A. R: 150

I = U/R

I: 30 A

U = R *I

U: ?

U = 4500 v

U = 150 * 30 A

5) Cuanta potencia consume un circuito cuya carga es de 10 de 12v I: U/R I = 12v/10 P: ?

R: 10

y que circula una

y tiene un voltaje aplicada

I = 1.2 A P = I2 * R

P = 14.4 W

U: 12v I: ?

Teorema de Thévenin: Este teorema sirve para convertir un circuito complicado, que tenga dos terminales (gráficos # 1 y # 2), en uno muy sencillo que contiene sólo una fuente de tensión o voltaje (VTh) en serie con una resistencia (RTh).

Gráfico # 1

Gráfico # 2

7

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

El circuito equivalente tendrá una fuente y una resistencia en serie como ya se había dicho (gráfico # 5). A este voltaje se le llama VTh y a la resistencia se la llama RTh. Para obtener VTh (Voltaje de Thevenin), se mide el voltaje en los dos terminales antes mencionado (gráfico # 3) y ese voltaje será el voltaje de Thevenin Para obtener RTh (Resistencia de Thevenin), se reemplazan todas las fuentes de voltaje por corto circuitos y se mide la resistencia que hay desde los dos terminales antes mencionados. (ver gráfico # 4)

Gráfico # 3

Gráfico # 4

Con los datos encontrados se crea un nuevo circuito muy fácil de entender, al cual se le llama Equivalente de Thévenin. Con este último circuito es muy fácil obtener que corriente, voltaje y potencia hay en la resistencia de 5 K (gráfico # 5)

Gráfico # 5

En este caso el VTh = 6V y RTh = 15 K Así, en la resistencia de 5K: -

8

I (corriente) = V / R = 6 V / 20K = 0.3 mA (miliamperios) - V (voltaje) = I x R = 0.3 mA x 5K = 1.5V. (voltios) - P (potencia) = P x I = 0.675 mW (miliwatts)

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Ejemplos:

1 1 / 20 1 / 80

16

+3 =19

-20v +20 I + 80 I = 0 -20v +100

I =0

I = 20v/ 100 = 0.2 A Vca = I * 80 = 0.2 *80 = 16v

Resistencia eléctrica Se denomina resistencia eléctrica de una sustancia a la oposición que encuentra en dicha sustancia la corriente eléctrica para recorrerla. Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en buenas conductoras, conductoras o aislantes eléctricos.

La resistencia eléctrica de un conductor es la medida de la oposición que dicho conductor presenta al movimiento de los electrones en su seno, o sea la oposición que presenta al paso de la corriente eléctrica.

La unidad de resistencia eléctrica es el Ohmio, definido como la resistencia de un conductor en el cual la corriente es de un Amperio cuando la diferencia de potencial entre sus extremos es de un Voltio.

También se denominan resistencias a unos componentes electrónicos diseñados específicamente para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., las resistencias se emplean para producir calor aprovechando el Efecto Joule.

9

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Clasificación de las resistencias:  Resistencias Fijas.  Resistencias Variables LAS RESISTENCIAS FIJAS: Son aquellas en las que el valor en ohmios que posee es fijo y se define al fabricarlas en la figura 2 podemos ver algunas de ellas

.

Las resistencias fijas se pueden clasificar en resistencias de usos generales y resistencias de alta estabilidad.

Las resistencias de uso generales se fabrican utilizando una mezcla de carbón, mineral en polvo y resina aglomerante; a estas se les llama resistencias de composición, y sus características más importantes son: pequeño tamaño, soportan hasta 3watts de potencia máxima, tolerancias altas (5%, 10%, 20%), amplio rango de valores y mala estabilidad de temperatura.

RESISTENCIAS PIROLITICAS: Se fabrican depositando una película de carbón sobre un soporte cerámico, y seguidamente se raspa dicha capa de forma que lo que queda es una especie de espiral de carbón sobre el soporte cerámico sus características más importantes son: pequeño tamaño hasta 2watts de potencia máxima, tolerancias de 1 y 2% y coeficiente de temperatura medio RESISTENCIAS DE HILO BOBINADO: se construye con un hilo metálico de constata o manganita arrollado sobre un tubo de porcelana sus características más importantes son: tamaño medio o grande, hasta 400watts de potencia máxima, baja tolerancia 0·25% y coeficiente de temperatura bajo

10

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

RESISTENCIA DE PELÍCULA METÁLICA: consiste en una película metálica a la que se le va eliminando parte de esta capa dejando una forma similar a un hilo muy largo.

Las características más importantes son: tamaño medio, pequeños valores de resistencia eléctrica, hasta 6watts de potencia máxima, tolerancias de 1, 2 y 5% y bajo coeficiente de temperatura.

En las resistencias metálicas hay que tener en cuenta que son inductivas y por tanto pueden variar el comportamiento a determinadas frecuencias.

Resistencia Variable.

Son resistencias sobre las que se desliza un contacto móvil, variándose el valor sencillamente, desplazando dicho contacto. Las hay de grifo y bobinadas, y a su vez se dividen en dos grupos según su utilización que son las denominadas resistencias ajustables, que se utilizan para ajustar un valor y no se modifican hasta otro ajuste, y los potenciómetros donde el uso es corriente en la se representa el símbolo de las resistencias ajustables y variables, y algunos tipos de estas.

Las resistencias de pequeñas potencias, empleadas en circuitos electrónicos, van rotuladas con un código de franjas de colores. Para caracterizar una resistencia hacen falta tres valores: resistencia, corriente máxima y precisión. La corriente máxima de una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más corrientes son 0.25 W, 0.5 W y 1 W. Los otros datos se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes, la última es el multiplicador y las otras las cifras.

11

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Códigos de colores.

Color

1ª Banda

2ª Banda

3ª Banda

Multiplicador

Tolerancia

Negro

O

O

O

1ohm

Marrón

1

1

1

10ohm

+1% (F)

Rojo

2

2

2

100ohm

+2% (G )

Naranja

3

3

3

1Kohm

Amarillo

4

4

4

10Kohm

Verde

5

5

5

100Kohm

Azul

6

6

6

1Mohm

+0.25% (C)

Violeta

7

7

7

10Mohm

+0.10% (B)

Gris

8

8

8

Blanco

9

9

9

S2 +0 5% (D)

+0.05%

Oro

0.10

+5% (J)

Plata

0.01

+10% (K)

El valor se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras y, después, se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en Ohmios (Ω).

12

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Ejemplo: La caracterización de una resistencia de 470.000 Ω (470 k Ω), con una tolerancia del 10%, sería la representada en la figura siguiente: Tolerancia = Plateado; Multiplicador = Amarillo; 2°cifra = Violeta; 1°cifra = Amarillo

Ejercicios: Calcular la capacitancia de la resistencia o su código de colores: 1. Resistencia de 37 2%= naranja, violeta, negro, tolerancia rojo.

2. Amarillo, verde, naranja, marrón = 35K 1% 3. 50k 2% = verde, negro, naranja, rojo.

4. 47 2% = amarillo, violeta, negro, rojo.

5. amarillo, rojo, negro, plata = 42 6. café, negro, café, naranja, plata = 120 7. naranja, verde, marrón, oro = 350 8. 45k 10% = amarillo, verde, naranja, plata 9. 1M 10% = café, negro, negro, amarillo, plata 10. azul, negro, naranja, plata = 60k 10% 11. 100 2% = café, negro, café, rojo 12. 4.5 5% = amarillo, verde, rojo, dorado 13. rojo, negro, verde, naranja, plata = 215k 10%

Conexión de resistencias Serie: La resistencia total que ofrece un conjunto de resistores conectados en serie, corresponde a la suma de las resistencias que oponen al paso de la corriente eléctrica cada uno de los componentes asociados:

R = R1 + R2 + R3 + ... + Rn Si los resistores asociados fueran todos ellos del mismo valor óhmico, la resistencia total se expresa de la siguiente forma:

R = n x R1 13

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Como se observa en el esquema que sigue, el conjunto de resistores es recorrido por la misma intensidad de corriente. Por lo demás la suma de las caídas de tensión en cada una de ellos es igual a la cada de tensión los bornes del generador aplicado en los extremos.

La Ley de Ohm relaciona la resistencia eléctrica con el Voltaje y la intensidad que circula por un determinado circuito.

A la derecha se representan los símbolos normalizados de una resistencia. El inferior representa, en general, una impedancia.

Conexión en paralelo.

La resistencia equivalente a la asociación en paralelo de un conjunto de resistores viene dada por la siguiente fila:

1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ... + 1/Rn

Todo aparato o conductor eléctrico presenta una resistencia.

Medidas de la intensidad.

El aparato empleado para medir intensidades es el amperímetro. Su símbolo es una A rodeada por una circunferencia.

Siempre que se mida una intensidad es necesario abrir el circuito por el punto donde se quiere medir e intercalar en serie el amperímetro, de forma que la intensidad lo atraviese.

14

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

En los amperímetros analógicos las puntas de prueba tienen polaridad por lo que hay que conectar la punta + en el punto de mayor potencial y la - en el de El aparato empleado para medir tensiones se denomina voltímetro y se simboliza mediante una V rodeada por una circunferencia.

El proceso de medición es semejante al caso anterior, debiendo conectar las puntas de prueba a los extremos de la resistencia a medir y variando de escala hasta que la aguja esté a mitad de escala. La aguja del ohmímetro se desplaza de derecha a izquierda, siendo esta el fondo de escala. En cada escala hay que calibrar el aparato, para ello se cortocircuitan las puntas y se gira es potenciómetro hasta que la aguja indique 0.

Condensadores Concepto: Los condensadores son componentes pasivos diseñados con el fin de almacenar energía electrostática o presentar una capacidad eléctrica determinada. Otra forma de definirlo sería la siguiente: componentes pasivos de dos terminales en los que la intensidad que los atraviesa (aparentemente) es proporcional a la variación de tensión existente entre sus terminales respecto al tiempo. Su unidad de medida en el S.I. es el Faradio aunque por las limitaciones características de los mismos se usan distintos submúltiplos (micro, µ / nano, n / pico, p ).

Construcción.

Desde el punto de vista constructivo, un condensador está constituido por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico. En su interior se establece un campo eléctrico, sin pérdida de energía, como consecuencia de la polarización dieléctrica (no confundir material aislante y dieléctrico, todos los dieléctricos son aislantes, pero no todos los aislantes son dieléctricos; los dieléctricos son materiales no conductores en los que resulta posible su polarización). La capacidad de un condensador va a depender del tamaño de sus placas, de la distancia que las separa y del material del que está formado el dieléctrico.

15

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Tipos de condensadores.  Condensadores cerámicos Condensadores cerámicos miniatura tipo lenteja tensión máxima de trabajo 100V, tolerancias estándar +/- 2% hasta 560pF y +/-10% para capacidades superiores

 Condensadores electrolíticos Condensadores electrolíticos radiales, diversas tensiones para cada tipo de capacidad, tolerancias sobre la capacidad del 10% hasta los 330uF 20% para capacidades superiores

 Condensadores MKT Condensador de Poliéster metalizado (MKT), la tensión de trabajo y el "raster" (separación entre patillas) varia según las capacidades, y se indica para cada componente. La tolerancia estándar es del 5%

 Condensadores poliéster Poliéster metalizado lacado, la tensión estándar para todos es de 400V, el "raster" (separación entre patillas) varias según la cada capacidad. La tolerancia es de +/10% para todas las capacidades

 Condensadores tántalo Gran capacidad y un tamaño muy pequeño Condensadores polarizados, el positivo está marcado con un signo más y su patilla correspondiente es más larga.

Tolerancia de un 20% sobre su capacidad

 Condensadores NPO Condensadores profesionales de alta calidad mecánica y eléctrica, los condensadores de este tipo son muy estables a las variaciones de temperatura, al tiempo de funcionamiento de frecuencia y mecánicas. Excepcionales para el uso en circuitos oscilantes, temporizadores y filtros, tensión de trabajo 100V.

16

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Símbolo de los diferentes tipos de condensadores.

Dispositivo que consiste fundamentalmente en dos superficies conductoras separadas por un dieléctrico-aire, papel, mica, etc., el cual almacena la energía eléctrica, bloquea el paso de corriente continua y permite el flujo de corriente alterna hasta un grado que depende de su capacidad y su frecuencia.

Condensador no polarizado.

Condensador Variable.

Condensador electrolítico.

Condensador con una armadura a masa.

Condensador polarizado.

Condensador electrolítico múltiple.

Condensador ajustable.

17

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Diodos.

Dispositivo semiconductor que permite el flujo de corriente en una sola dirección. Sus terminales reciben el nombre de ánodo o placa y cátodo. | Dispositivo de dos electrodos que utiliza las propiedades rectificadoras de una unión entre los materiales tipos P y N de un semiconductor.

El Diodo es un semiconductor que está formado por una unión P N.

El material Tipo N Son semiconductores extrínsecos donde prevalecen cargas negativas

El material Tipo P Son semiconductores extrínsecos donde prevalecen las cargas positivas Los diodos pueden ser de silicio y germanio, pero los más utilizados son los de silicio y con los que se suele trabajar; para baja frecuencia se utilizan más los de germanio, para rectificaciones de potencia se usan los de Selenio y los diodos LED que están fabricados de arseniuro de Galio, que producen Luz. A un diodo se le polariza de dos formas diferentes: directa o inversa.

POLARIZACIÓN

DIRECTA el ánodo se conecta al positivo de la batería y el cátodo al negativo.

CIRCUITO

CARACTERÍSTICAS El diodo conduce con una caída de tensión de 0,6 a 0,7V. El valor de la resistencia interna sería muy bajo.

Se comporta como un interruptor cerrado

INVERSA el ánodo se conecta al negativo y el cátodo al positivo de la batería

El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre él.

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.

18

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Tipos de Diodos.

Diodo rectificador

Diodo Schottky

Diodo varicap

Diodo Pin

Fotodiodo

Diodo zener

Diodo túnel

Diodo LED

Puente rectificador

Diodo Zener.

Es un dispositivo semiconductor de dos terminales cuyo funcionamiento es el de un diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa). El diodo Zener siempre se utiliza en polarización inversa, en donde la corriente desea circular en contra de la flecha que representa el mismo diodo.

Símbolo del diodo zener

(A - ánodo K - cátodo)

En este caso analizaremos el diodo Zener, pero no como un elemento ideal, si no como un elemento real y debemos tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.

Analizando la curva del diodo zener vemos que en el lugar donde se marca como región operativa, la corriente (Ir, en la línea vertical inferior) puede variar en un amplio margen, de pero el voltaje (Vz) cambia muy poco. Se mantiene aproximadamente en 5.6 V. (para 19

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

un diodo zener de 5.6 V) Aplicaciones del diodo Zener? La principal aplicación que se le da al diodo Zener es la de regulador. ¿Qué hace un regulador con Zener? Un regulador con zener ideal mantiene un voltaje fijo predeterminado a su salida, sin importar si varía el voltaje en la fuente de alimentación y sin importar como varíe la carga que se desea alimentar con este regulador.

Un diodo zener puede utilizarse para regular una fuente de tensión Ver el siguiente circuito:

Voltaje de entrada (no regulado)

Voltaje de salida (regulado) Esquema de regulador con diodo Zener

Un diodo zener puede utilizarse para regular una fuente de tensión.

El diodo zener se fabrica en una amplia variedad de voltajes y potencias.

Estos van desde menos de 2 voltios hasta varios cientos de voltios, y la potencia que pueden disipar va desde 0.25 watts (vatios) hasta 50 watts (vatios) o más La potencia que disipa un diodo zener es simplemente la multiplicación del voltaje para el que fue fabricado por la corriente que circula por el.

Esto significa que la máxima corriente que puede atravesar un diodo zener es: Iz = Pz / Vz. Dónde: - Iz = Corriente que pasa por el diodo Zener - Pz = potencia del diodo zener (dato del fabricante) - Vz = Voltaje del diodo zener (dato del fabricante) Ejemplo: La corriente máxima que un diodo zener de 10 Voltios y 50 Watts (vatios), podrá aguantar Iz = Pz / Vz = 50 / 10 = 5 Amperios

20

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

DIODO LED Es un material semiconductor (ánodo, cátodo), este diodo permite una iluminación cuando se encuentra energizado.

Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto los diodo LED en funcionamiento. El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica emite luz. Existen diodos LED de varios colores y dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo.

Símbolo del diodo LED Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente.

Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP) Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color Material GaAs: Zn GaAsP.4 GaAsP.5 GaAsP.85:N Ga:P

Longitud de onda de emisión en Angstroms (A°) 9100 6500 6100 5900 5600

Color Infrarojo Rojo Ambar Amarillo Verde

Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios. aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs.

21

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

El diodo Led tiene enormes ventajas: 1. bajo consumo de energía 2. su mantenimiento casi nulo 3. y con una vida aproximada de 100,000 horas.

El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse.

Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común.

Aplicaciones tiene el diodo LED. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

Ejemplos - Se utilizan para desplegar contadores - Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente directa.

- Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna.

- En dispositivos de alarma

Sus desventajas son: 1. que su potencia de iluminación es tan baja, 2. que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante

3. y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. _____________________________________________________________

DIODO TÚNEL. El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto de intervalo de la característica corriente-tensión.

La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador/oscilador).

22

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

También se conocen como diodos Esaki, en honor del hombre que descubrió que una fuerte contaminación con impurezas podía causar un efecto de tunelización de los portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la unión. Una característica importante del diodo túnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarización directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje, en consecuencia, el diodo túnel puede funcionar como amplificador o como oscilador, este diodo es de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que están relativamente libres de los efectos de la radiación.

Tunnel diode , diodo túnel (Electrónica - Electronics ), Un diodo pn que utiliza el efecto túnel. La característica directa de un diodo túnel presenta una región de resistencia negativa como indica la figura (a) siguiente que puede aprovecharse para construir un oscilador, un interruptor electrónico o en amplificadores de bajo nivel de ruido a frecuencias inferiores a 1.000 MHz. El símbolo gráfico de un diodo túnel se muestra en la figura (b).

Tunnel effect, efecto túnel (Electrónica - Electronics ), Penetración de la barrera de potencial de la unión entre regiones p y n fuertemente dopadas, por electrones que no tienen suficiente energía para superarla. Este efecto es imposible de explicar en términos de física clásica, pero está de acuerdo con la mecánica cuántica. A causa del efecto túnel, la característica directa de un diodo túnel difiere de la de un diodo normal pn. Por ejemplo, la corriente empieza a circular a través de la unión con un valor muy bajo de polarización directa y aumenta con el incremento en dicha polarización hasta un máximo (conocido como punto de pico) de aproximadamente 0,1 V para el diodo de germanio, y después cae, alcanzando un mínimo (conocido como punto de valle) de alrededor de 0,3 V, donde la característica se une a la del diodo pn normal, como se muestra en la figura (a) siguiente.

23

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

De esta forma, el efecto túnel produce en la característica una región de pendiente negativa entre los puntos de pico y de valle. La característica inversa de un diodo túnel también difiere de la de un diodo pn normal en que la ruptura ocurre a polarización casi nula, como en un diodo de conducción inversa.

El transistor Los transistores ( BJT) son dispositivos semiconductores de 3 capaz, compuestos ya sea de la unión de 2 capaz de material tipo n y una de tipo p, o, de 2 de material de tipo p y una de material de tipo n; en la cual sus abreviaciones resultan ser NPN y PNP. El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.

El transistor es un dispositivo de 3 terminales cuyos nombres son Base, Colector y Emisor coincidiendo siempre, el emisor, con la terminal que tiene la flecha en el gráfico de transistor.

El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus terminales (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama b (beta) y es un dato propio de cada transistor.

24

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Entonces: - Ic (corriente colector) sería igual al factor de amplificación por la corriente de base. - Ic = β * Ib - Ie (corriente emisor) es aproximadamente el valor que Ic, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.

Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver figura.

En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a más corriente la curva es más alta.

Regiones operativas del transistor Región de corte: Un transistor esta en corte cuando: Corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)

25

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: Corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (recordar que Ic = β * Ib) Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganacia amplificada y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor). Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.

Configuraciones: Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación, y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0) 1- Emisor común 2- Colector común 3- Base común La estructura interna de los transistores está compuesta de 2 diodos acoplados entre sí, dando como resultado la unión npn y la unión pnp.

26

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Ventajas de los transistores electrónicos: El consumo de energía es sensiblemente bajo.

El tamaño y peso de los transistores es bastante menor que los tubos de vacío.

Una vida larga útil (muchas horas de servicio).

Puede permanecer mucho tiempo en depósito (almacenamiento).

No necesita tiempo de calentamiento.

Resistencia mecánica elevada.

Los transistores pueden reproducir otros fenómenos, como la fotosensibilidad.

ENCAPSULADO DE LOS TRANSISTORES MÁS POPULARES

TO-126

TO-3P

TO-220AB

TO-220AC

TO-247AC

TO-3

SOT-223

27

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

El transistor FET (transistor de efecto de campo), es uno de los componentes más utilizados en la electrónica moderna, se le puede ver usualmente en fuentes conmutadas, conversores DC- DC, DC-AC etc. Saber si un FET está en buen estado, es muy importante en el campo de las reparaciones, ya que de lo contrario se tendrían muchos inconvenientes para detectar fallas en los circuitos.

La mayoría de los circuitos integrados digitales, están construidos en base a transistores FET, lo que los hace más veloces y eficientes, ya que consumen menos corriente y pueden operar con voltajes muy bajos. Algunos de estos circuitos integrados pueden funcionar hasta con menos de 1vdc.

Obviamente los transistores FET de nuestro interés, son los que conforman un solo componente electrónico. Existen diferentes tipos de transistores FET, los cuales son utilizados en diferentes clases de circuitos. Los tipos de transistores FET más comunes, suelen ser los siguientes: - JFET (Fet de union) - MOSFET ( Fet de metal oxido) Pero el tipo de FET que más encontraras es el MOSFET. Y al igual que los transistores bipolares, el MOSFET puede ser positivo (Fet de canal P) o negativo (Fet de canal N), además sus terminales reciben otras definiciones, como: - Gate (compuerta) equivalente a la base.

- Drain (drenador) equivalente al colector.

- Source (surtidor) equivalente al emisor.

A diferencia con el transistor bipolar, el transistor FET tiene la compuerta (base) aislada de la juntura Drenador - Surtidor, lo que hace que el FET tenga una entrada de alta impedancia, casi infinita. Esta característica hace que el FET no consuma corriente desde su compuerta, solo basta con un pequeño voltaje para saturarlo (de 0.5 a 1vdc).

La juntura Drenador - Surtidor es equivalente a la juntura Colector -Emisor en un transistor bipolar, pero en el FET esta se parece más a una resistencia que a un diodo. Esta cualidad hace que el FET pueda ser utilizado, como un resistor controlado por voltaje, en algunos circuitos.

28

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Prueba del transistor FET Ahora que sabemos que es un transistor FET, podremos probar su estado con ayuda de un multímetro analógico o digital. Los pasos para la prueba de un transistor FET, se describen a continuación.

1- En la función de diodos del multímetro, vamos a colocar la punta de prueba negra ( -) del multímetro, en el terminal Drain y la punta roja (+) en el terminal Source.

Resultado de la prueba: Se debe obtener una medida de 513mv o similar (Los resultados varían según el tipo de FET). Si no se obtiene ninguna lectura, el FET está en circuito abierto. Si la lectura es baja, el FET está en cortocircuito.

2 - Sin retirar la punta negra del terminal Drain, colocamos la punta roja en el terminal Gate.

29

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Resultado de la prueba: No se debe obtener lectura alguna, de lo contrario el FET presenta una fuga o está en cortocircuito.

3- Ahora regresamos la punta roja al terminal Source, con lo que la juntura Drain Source se activa.

Resultado de la prueba: Entre Drain y Source se obtiene una lectura baja, alrededor de 0.82mv, debido a que el FET se "enciende". Para desactivar el FET, se debe cortocircuitar sus 3 terminales por medio de un elemento metálico, así el FET regresara a su estado de reposo.

30

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Práctica.

Electrónica Analógica.

Tema: Circuito de Colector Común

Objetivo:

Comprobar el funcionamiento del transistor como circuito de colector común, mediante las mediciones y cálculos de sus parámetros principales de polarización y graficas de la señal de entrada y salida observadas en el circuito haciendo uso del osciloscopio.

Pasos a Seguir: 1) Lea previamente los pasos indicados en la Guía de laboratorio.

2) Notificar a profesor cualquier inquietud o duda durante la ejecución de la práctica.

3) Ejecutar los cálculos correspondientes del circuito a montar un día antes de iniciar la práctica.

4) Los integrantes de grupo deben trabajos de manera ordenar y compartir sus conocimientos para agilizar el trabajos al momento de realizar la práctica en el taller 5) Al finalizar la práctica revise y ordene todos los accesorios utilizados con el objetivo de evitar pérdidas de lo contrario los integrantes del grupo asumen dicha pérdida reponiendo el objeto pérdida.

6) Entregar al profesor el reporte de la práctica al finalizar.

Equipos:    

Osciloscopio Generador de señales Prothoboard Fuente de alimentación de 20V DC.

Procedimiento: 1.

2.

3.

4.

5.

Seleccionar el material necesario Monte el circuito Solicite la revisión previa del profesor Conecte correctamente la alimentación del circuito.

Haciendo uso correcto del multímetro mida las voltajes respectivos de polarización e inquietudes en la tabla 2 y los cálculos efectuados en la tabla1 6. Conecte el generador se señal y aplique en la entrada una señal senosoidal de 1v pico con una frecuencia de 1KHZ y grafíquela en la tabla 3 31

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

7. Mida la amplitud de la señal de salida con el osciloscopio y grafíquela en la tabla 4.

8. Resultados:

Tabla1

Valores de los parámetros cálculos en el circuito VB

VE

VCE

VC

Ib

Ic

Tabla 2

Valores de los parámetros medidos en el circuito VB

VE

VCE

VC

Ib

Ic

Vp

Vpp

Lista de componentes:     

2 resistencias 220k 1 resistencia 10k 1 transistor 2N2219A 1 condensador 10 F 1 condensador 100 F

Circuito Colector común Examine el comportamiento de un transistor colector común.

32

SOLUCIONES A PROBLEMAS DE HARDWARE

Tabla3 Grafica de la se単al de entrada (0.5v/div)

Tabla 4 Grafica de la se単al de salida (2v/div)

Conclusiones:

33