ELECTRONICA ANALOGICA TEORIA
3ยบ ESO
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA IES BACHILLER SABUCO
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1.-INTRODUCCION La electricidad y la electrónica son disciplinas que están íntimamente unidas. Asi, la electricidad se encarga del estudio de la generación, transporte y distribución de la energía eléctrica, y de sus operadores y receptores asociados que la transforman en un efecto útil. Por su parte, la electrónica se encarga del estudio y desarrollo de todo tipo de aplicaciones en las que la corriente eléctrica atraviesa componentes semiconductores. Estos materiales tienen un comportamiento intermedio entre los llamados aislantes (conducen muy mal, como el plástico o la madera) y los llamados conductores (conducen muy bien, como el cobre o la plata), Los circuitos electrónicos pueden emplearse con fines muy diversos, como señalizar la puesta en marcha de un televisor con una pequeña luz, grabar sonidos o escribir mensajes en paneles luminosos, pero en este tema nos centraremos en aquellos circuitos electrónicos cuya misión es controlar automáticamente el funcionamiento de algunas máquinas u operaciones. A estos últimos circuitos los llamamos sistemas electrónicos. En general, en todo sistema electrónico podemos encontrar tres tipos de elementos: los dispositivos de entrada como, por ejemplo, los interruptores, resistencias variables con la luz, temperatura, micrófonos, etc.; los dispositivos de salida como los diodos led, relés, zumbadores, etc. y, los dispositivos de proceso o componentes capaces de realizar por sí mismos una función concreta de control sobre las señales de salida en función de la señal de entrada recibida (transistores, circuitos integrados, etcétera).
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2.-COMPONENTES ELECTRÓNICOS BASICOS Sería inútil intentar explicar el funcionamiento de un circuito sin conocer previamente Ias características y funciones de cada componente por separado.
2.1.-RESISTENCIAS Las resistencias o resistores son componentes que ofrecen cierta oposición al paso o circulación de la corriente eléctrica y producen una caída de tensión o diferencia de potencial entre sus terminales.
Su principal función suele ser la de limitar la intensidad de la corriente a un valor deseado o la de provocar una determinada caída de tensión entre sus extremos. Una resistencia tiene tres características importantes que definen sus condiciones de trabajo y utilización: • El valor y tolerancia, es decir, la magnitud óhmica de la resistencia y los límites o desviaciones establecidos por el fabrican- i te para asegurar su precisión. • La potencia que es capaz de disipar la resistencia. Depende de la tensión e intensidad de la corriente que circula por ella. • La estabilidad del componente en condiciones de trabajo
2.1.1.-TIPOS DE RESISTENCIAS Podemos distinguir los siguientes tipos de resistencias RESISTENCIAS FIJAS Las resistencias fijas son aquéllas que tienen siempre el mismo valor y tienen dos terminales. El valor óhmico de estas resistencias se obtiene al modificar
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las capas de carbón según una espiral que obliga a la corriente eléctrica a seguir un camino más o menos largo.
Las resistencias, dado su pequeño tamaño, no llevan impreso su valor sobre su superficie. En su lugar, llevan cuatro franjas de colores y con las tres primeras, usando el código de colores, podemos conocer el valor teórico del componente.
RESISTENCIAS VARIABLES Las resistencias variables son las que tienen la capacidad de variar o modificar su valor óhmico dentro de unos límites. Entre ellas podemos distinguir: los potenciómetros y las resistencias dependientes.
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Los potenciómetros o resistencias variables lineales, se basan en una resistencia sobre la que se desliza un contacto móvil que, según la posición que ocupa, puede tomar valores entre O y R Ω. Normalmente dispone de tres terminales. El terminal central es el cursor, y los extremos se alternan de forma que si uno presenta un valor máximo, el otro será mínimo con respecto al terminal central.
• Las resistencias dependientes son operadores fabricados con materiales con capacidad para variar su resistencia eléctrica en función del factor del que dependan, como la luz o la temperatura.
- Resistencias dependientes de la luz (LDR): Las LDR (Light Depending Resistor) varían su resistencia según la cantidad de luz que incide sobre ellas, es decir, aumenta en la oscuridad (algunas de ellas pueden alcanzar valores superiores a los 50 KQ) y disminuye cuando se la ilumina hasta alcanzar valores muy bajos (del orden de 100 Q). Dichas resistencias constan de un cuerpo más o menos
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transparente de forma circular (pueden adoptar otras formas) y de dos hilos metálicos que sirven de unión al circuito. - Resistencias dependientes de la temperatura (NTC y PTC): estos componentes electrónicos se caracterizan por que son capaces de varias su resistencia en función de la temperatura. Para identificar una termistencia se emplea el mismo código de colores que para las resistencias fijas, de forma que las tres primeras bandas de color definen su valor resistivo teórico a una temperatura de 25º C, mientras que la cuarta nos indica su tolerancia.
Podemos emplearlas en cualquier sistema cuyo funcionamiento depende de la temperatura como un termómetro digital, un sistema de protección contra el calentamiento de una maquina u otro de climatización, por ejemplo. Podemos clasificarlas en dos grandes grupos: 1.-Termistencias NTC (coeficiente negativo de temperatura), en las que la resistencia disminuye al subir su temperatura. 2.-Termistencias PTC (coeficiente positivo de temperatura), que aumenta su resistencia al subir su temperatura). NTC
A más temperatura
Menor resistencia
PTC
A más temperatura
Mayor resistencia
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2.2.-CONDENSADORES El condensador es un componente formado por dos placas metálicas paralelas, separadas entre sí por el aire o por un aislante. Su característica principal es que es capaz de almacenar y descargar energía eléctrica
La capacidad es la relación que existe entre la carga almacenada y la tensión aplicada. Dicha magnitud se mide en faradios, si bien existen valores más pequeños como el microfaradio (F) nanofaradio (nF) o picofaradio (pF).
Fundamentalmente se emplean dos tipos de condensadores. Los condensadores cerámicos y los electrolíticos.
Conviene destacar que los condensadores electrolíticos tienen polaridad. El polo positivo de la pila debe unirse con el polo positivo del condensador y el negativo de la pila con el negativo del condensador.
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2.3.-SEMICONDUCTORES. DIODOS Los materiales semiconductores son aquellos que pueden llegar a conducir la electricidad si reciben energía externa. Para la construcción de la mayoría de componentes electrónicos se utilizan los materiales “semiconductores”, estos materiales tienen propiedades entre los conductores y aislantes. El principal material semiconductor es el silicio, semiconductores son el germanio o el arseniuro de galio.
otros
materiales
El silicio es un material barato y abundante en la corteza terrestre. Con los materiales semiconductores se construyen los “componentes electrónicos activos”. Estos componentes realizan las funciones principales de los circuitos electrónicos. Para mejorar las propiedades de los semiconductores se les somete a un proceso de impurificación, o dopaje, consistente en introducir átomos de otras sustancias. Según la impureza, los semiconductores pueden ser:
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A: Si conectamos el polo negativo al semiconductor P y el positivo de la pila al semiconductor N, la barrera aumenta y el diodo no conduce. Se comporta como un aislante. La lampara no luce. B: Si conectamos el polo positivo de una pila al semiconductor tipo P y el negativo al semiconductor tipo N, la barrera se reduce y el diodo se vuelve conductor. La lampara luce.
Existen varios tipos de diodos para distintas funciones: 9 Diodos rectificadores, su función principal es la de convertir corriente alterna en corriente continua.
9 Diodos Led: se fabrican en varios colores (rojo, amarillo o blanco), tienen la propiedad de emitir luz cuando pasa por ellos la corriente. Se utilizan como elementos de señalización en muchos aparatos, otra aplicación es la de los mandos a distancia.
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3.1.-DIODO LED El diodo LED toma su nombre de la expresión Light Emitting Diode, o diodo emisor de luz. Su comportamiento es el mismo que el de los diodos, es decir, se vuelve conductor cuando está polarizado directamente, pero tiene la particularidad de que se ilumina cuando conduce la corriente. El voltaje necesario para que se vuelva conductor es mayor que en un diodo normal, aproximadamente 2 V, y la intensidad de corriente que circula por ellos habitualmente es de unos 20 mA. Tensión de funcionamiento 2 V Corriente de funcionamiento 20 mA
Su uso esta muy extendido en los equipos de música, televisores, ordenadores (modo stand by) y muchas otras aplicaciones.
EJERCICICIOS DE APLICACIÓN 1º.-Indica en el esquema los componentes por los que pasa corriente y los que emiten luz según están conectados.
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2.- Realiza un circuito para que cuando pulsamos un pulsador un motor gira en un sentido y se enciende una luz roja, y cuando pulsamos otro pulsador el motor gira en sentido contrario y se enciende una luz verde. Disponemos de 2 pilas, dos pulsadores, un motor un diodo led rojo, un diodo led verde y 2 resistencias de 100Ω.
4.-TRANSISTORES El transistor es sin lugar a dudas el componente mas importante y el más utilizado. Ha revolucionado la electrónica desde su invención. Está formado por tres capas de material semiconductor, en las que colocamos tres terminales y después encapsulamos para que puedan utilizarse en un circuito. Según las capas de semiconductor que empleemos podemos obtener dos tipos diferentes de transistores:
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Los terminales en un transistor se denominan: • • •
Colector Base Emisor
La posición de las patillas depende del tipo de transistor, es decir, del modelo del fabrican- í te. Es muy importante conocer y distinguir el patillaje, ya que existe una amplísima gama en los comercios. De igual forma, también es fundamental conocer el modelo exacto en el que se deben conectar las patillas de estos operadores en el circuito: - Si es un transistor NPN, se coloca el polo (+) al colector y a la base. - Si es un transistor PNP, se colocar el polo (-) al colector y a la base. - Funcionamiento Los transistores pueden funcionar de tres formas distintas: en activa, en corte y en saturación.
Analicemos su funcionamiento a través de un símil hidráulico. Imaginemos una tubería que dispone de una llave de paso B con un «muelle de cierre» cuya resistencia se vence al presionar sobre su base B que actúa como una llave de paso. El agua intentará pasar del emisor E al colector C. En esta situación puede ocurrir lo siguiente: | 1°- Si no hay presión en B (base), no puede abrir la válvula y no se produce paso de fluido de E a C (funcionamiento en corte).
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2° Si llega algo de presión a B (base), ésta abrirá mas o menos la válvula y dejará pasar más o menos fluido de E a C (funcionamiento en activa). En este caso, el transistor permitirá un paso de corriente proporcional a la abertura de la válvula y siempre superior a la corriente que llega a la base. A la relación entre ambas corrientes se le llama amplificación o ganancia.
IC = β • I B
Así, si ese múltiplo (que depende del modelo de transistor) vale 100, cada electrón que entra por la base da paso a 100 electrones a través del colector.
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3.° Si llega suficiente presión a B (base) de forma que abre totalmente la válvula, se comunica E con C y el fluido pasa sin dificultad (funcionamiento en saturación)
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ANALISIS DE TRANSISTOR
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CIRCUITOS
BASICOS
CON
A)
En este circuito al no circular corriente por la base del transistor (esta abierta), la corriente entre el colector y el emisor esta bloqueada y el LED no se ilumina
B) En este circuito conectamos la base al polo positivo de la pila a traves de una resistencia. La pequeña corriente que entra por la base desbloquea la unión colector-emisor, facilitando el paso de la corriente entre colector y emisor y por tanto el LED luce.
C) TEMPORIZADOR En muchas ocasiones necesitamos que un dispositivo, por ejemplo las luces de la escalera, un secador de manos o el televisor, esté funcionando durante un determinado tiempo y después se desconecte de forma automática. Para ello necesitamos un temporizador. En este circuito, el LED está apagado ya que por la base no circula corriente. Estamos, por tanto, ante un transistor en corte. Cuando accionamos el pulsador, circula corriente por la base, se activa el transistor y se enciende el LED. A la vez, el condensador se carga.
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Al soltar el pulsador, el LED sigue luciendo durante un tiempo. Ahora, la corriente de base la proporciona el condensador. Cuando se descarga, el transistor se bloquea y el diodo se apaga. Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, más carga adquirirá y más tiempo tardará en descargarse. D) CONTROL DEL ALUMBRADO PUBLICO
Con este circuito se trata de simular la conexión y desconexión del alumbrado publico en el orto y en el ocaso del sol. Mediante el potenciometro regulamos la sensibilidad de la LDR, para que se active, por ejemplo, cuando no está encendida la iluminación del aula, o bien colocando la mano sobre la capsula de la LDR. Cuando se dé esta condición el LED se iluminará. Si conectamos las luces del aula o apartamos la mano de la capsula, la resistencia de la LDR disminuirá mucho y el LED dejará de iluminar. E) ALARMA CONTRA INCENDIOS a) A temperatura ambiente, la corriente por la base del transistor es prácticamente nula y el transistor se encuentra en corte, por lo tanto, no conduce corriente y la bombilla no luce. Actúa como un interruptor abierto . (Circuito 1). b) A medida que aumenta la temperatura en la NTC, su resistencia disminuye. Como consecuencia, aumenta la corriente en el circuito emisor-colector y el transistor permite el paso de corriente como si fuese un interruptor cerrado: la bombilla luce (Circuito 2). Si miras las propiedades de los transistores, verás que comienzan a conducir cuando el voltaje entre la base y el emisor es de unos 0,7 V.
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c) Para qué sirve entonces el potenciómetro? La respuesta es sencilla. Observa la bifurcación entre el potenciómetro y la resistencia de 1 kΩ. ¿Por qué camino intenta ir la corriente, por el A o por el B? Siempre por el que le resulta más fácil. Si la resistencia del potenciómetro está próxima a O Ω, la mayor parte de la corriente atravesará el potenciómetro, con lo que apenas llegará corriente a la base y no se encenderá la bombilla. Es decir, la corriente irá por el camino B (Circuito 3).
d) si la resistencia en el potenciómetro es muy elevada, casi toda la corriente irá hacia la base (camino A) y la bombilla se encenderá. De esta manera, podemos regular la temperatura a la que queremos que nuestra alarma avise (Circuito 4). ¿porqué hay una resistencia de 1.000 Ω en el circuito? Esto es lo más fácil de entender. Si la intensidad de corriente en la base fuese muy alta se destruiría el transistor. Esta resistencia lo protege. Si buscamos en la hoja de características (datasheet) de cualquier modelo de transistor, podemos encontrar las corrientes y voltajes máximos que pueden circular por sus patillas sin estropearse.
ASOCIACION DE TRANSISTORES. PAR DARLIGTON El transistor es un amplificador de corriente ya que pequeñas cantidades de corriente que inciden en la base permitirán el paso de corrientes emisor-colector mayores. Esta amplificación mejora sensiblemnte si se disponen dos transistores de forma que uno de ellos alimente la base del otro con la corriente amplificada del
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primero. Con esto se consigue multiplicar la ampliaci贸n o ganancia y se hace mas sensible el sistema. A este disposici贸n de transistores se denomina Par Darlington.