electronica by Marcombo

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ELECTRÓNICA José L. Durán · Herminio Martínez · Joan Domingo · Juan Gámiz

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ELECTRÓNICA José L. Durán · Herminio Martínez · Joan Domingo · Juan Gámiz

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Electrónica © 2016, José L. Durán, Herminio Martínez, Joan Domingo, Juan Gámiz © 2016 MARCOMBO, S.A. www.marcombo.com Diseño y maquetación: Pol Creuheras Borda Corrección: Raquel Sayas Lloris Fotografía: Thinkstock «Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra». ISBN: 978-84-267-2349-9 D.L.: B-13598-2016 Printed in Spain

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Índice general

Unidad 1

Unidad 6

Introducción a la Electrónica: Historia, Fuentes de alimentación estabilizadas magnitudes eléctricas y métodos mediante diodo Zener ��111 de medida ��1 6.1. Necesidad de las fuentes de alimentación 1.1. Introducción y orígenes de la electrónica �� 2

en los equipos electrónicos �� 112

1.2. Magnitudes eléctricas �� 4

6.2. Bloques que forman una fuente de alimentación completa �� 113

1.3. Medidas eléctricas �� 10

6.3. El transformador �� 114

Unidad 2

6.4. Circuitos rectificadores �� 115

Electrónica digital combinacional ��19

6.5. Filtro de salida del rectificador �� 121

2.1. Álgebra de Boole �� 20

6.6. Estabilizador paralelo mediante diodo Zener �� 123

2.2. Sistemas lógicos combinacionales �� 27

Unidad 3 Electrónica digital secuencial ��53 3.1. Sistemas lógicos secuenciales �� 54

Unidad 4 Componentes pasivos ��67 4.1. Componentes pasivos utilizados en electrónica �� 68 4.2. Resistencias o resistores �� 68 4.3. Condensadores �� 79

Unidad 7 Transistores bipolares y sus aplicaciones ��129 7.1. Principio de operación del transistor bipolar (BJT) �� 130 7.2. Redes de polarización de transistores �� 138 7.3. Configuración Darlington �� 139 7.4. El transistor bipolar trabajando en conmutación �� 140 7.5. Excitadores con transistor para diodos LED �� 142

4.4. Bobinas o inductancias �� 86 4.5. Medida de capacidad e inductancia �� 89

Unidad 5 El diodo: semiconductor básico en la electrónica analógica ��93 5.1. La electrónica analógica �� 94 5.2. Materiales semiconductores �� 94 5.3. El diodo de unión PN �� 95 5.4. Tipos de diodos �� 104

Unidad 8 Amplificadores operacionales ��147 8.1. Introducción. El circuito integrado o chip �� 148 8.2. Modelo del amplificador operacional ideal �� 148 8.3. El amplificador operacional con realimentación negativa �� 150 8.4. Otros circuitos con amplificadores operacionales trabajando con realimentación negativa �� 155 8.5. El amplificador operacional trabajando como comparador analógico �� 158 8.6. Triggers o básculas de Schmitt �� 159

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Unidad 9

Unidad 11

Fuentes de alimentación lineales reguladas y fuentes conmutadas �� 167

Circuitos temporizadores, generadores de señal y osciladores �� 193

9.1. Reguladores serie �� 168

11.1. Qué son los generadores de formas de onda �� 194

9.2. Desventajas de las fuentes de alimentación lineales �� 170 9.3. Fuentes de alimentación conmutadas �� 173

Unidad 10 Componentes utilizados en electrónica de potencia �� 179 10.1. Introducción. Concepto de electrónica de potencia �� 180 10.2. El tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR) �� 180

11.2. C lasificación de generadores de formas de onda �� 194 11.3. Circuitos multivibradores �� 195 11.4. El circuito integrado 555 �� 197 11.5. Qué son los osciladores senoidales �� 200 11.6. Osciladores RC �� 200 11.7. Osciladores LC �� 204 11.8. O sciladores controlados con cristal de cuarzo �� 205

10.3. El triac o triodo para corriente alterna �� 184 10.4. El diac �� 185 10.5. Otros componentes electrónicos de potencia �� 187

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Unidad 1 Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

En este capítulo: 1.1. Introducción y orígenes de la electrónica. 1.2. Magnitudes eléctricas. 1.3. Medidas eléctricas.

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

¿Qué aprenderemos? • Qué entendemos por ciencia electrónica, tecnología electrónica y técnica elec-

trónica.

• Cuáles son los principales acontecimientos históricos que han incidido en el de-

sarrollo de la ciencia y de la tecnología electrónica.

• Cuáles son y cómo se relacionan las principales magnitudes eléctricas emplea-

das en electrónica.

• Qué es una señal y con qué tipos de señal se trabaja en electrónica. • Qué instrumentos se emplean y cómo se miden las principales magnitudes eléc-

tricas empleadas en electrónica.

1.1. Introducción y orígenes de la electrónica

La electrónica está presente en nuestra vida diaria en forma de teléfonos móviles, ordenadores personales, sistemas de control y de automatización industrial, receptores de radio y televisión, equipos de audio, juguetes y un larguísimo etcétera. Su importante evolución tecnológica a lo largo de los últimos 100 años ha permitido desarrollar equipos, de notable impacto sociológico, que han modificado usos y tradiciones e incidido positivamente en el confort y bienestar humano. Observemos que la diferencia con la electricidad es clara, puesto que la electricidad es la ciencia que estudia cómo generar, inducir y aplicar la circulación de las cargas eléctricas haciendo uso de materiales metálicos conductores.

1.1.1. Historia de la electrónica La ciencia electrónica nace y se consolida a partir de los descubrimientos y aportaciones que, en el campo de la electricidad, realizan grandes científicos como Charles A. Coulomb, André-Marie Ampère, George S. Ohm, Carl F. Gauss, Michael Faraday, Hans C. Oersted, Joseph Henry, Heinrich Hertz y James C. Maxwell.

Recuerda • • • La electrónica es la ciencia que estudia la circulación de cargas eléctricas a través de un gas, del vacío o de un material semiconductor. La tecnología electrónica se relaciona con el conocimiento aplicado al desarrollo de dispositivos electrónicos, y la técnica electrónica con el diseño y realización de productos basados en dispositivos electrónicos.

La andadura de la ciencia electrónica comienza cuando el inventor estadounidense Tomás Alba Edison descubre, en 1883, el efecto de «emisión termoiónica» al comprobar que, aplicando una diferencia de potencial entre dos placas metálicas ubicadas dentro de un tubo de vidrio al vacío, los electrones emitidos al calentar una de las placas (llamada cátodo) eran recogidos por la otra placa fría (llamada ánodo). El aprovechamiento industrial de este fenómeno sería determinante en la fabricación de dispositivos capaces de generar, controlar y almacenar ese flujo de electrones de acuerdo con cualquier magnitud física de interés. A partir del descubrimiento de Edison, la incipiente ciencia electrónica sufre un espectacular avance que revoluciona el mercado de las comunicaciones (telefonía, radio y televisión) y abre la puerta de la innovación tecnológica a otras disciplinas (procesado digital de la información, informática, etc.) de profunda repercusión en el ámbito del ser humano. En una breve reseña histórica de la ciencia electrónica podemos destacar los siguientes hitos históricos: • En 1897, el científico alemán Ferdinand Braun perfecciona el tubo de rayos ca-

tódicos (TRC), agregándole una superficie de fósforo que se iluminaba al recibir el haz de electrones, y desarrolla el primer osciloscopio.

• En 1904, el físico británico John Ambrose Fleming, considerado como el «padre

de la electrónica», registra una aplicación práctica al obtener, a partir del tubo termoiónico de Edison, el primer detector de radio mediante una válvula electrónica funcionando como diodo rectificador de ondas electromagnéticas.

• En 1906, el físico estadounidense Lee de Forest agregó un nuevo electrodo en

forma de rejilla entre el cátodo y el ánodo de un diodo, permitiendo regular la circulación de electrones entre ambas placas. Este dispositivo recibió el nombre

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida de tríodo y fue el primer amplificador electrónico. A partir de este momento los tubos de vacío, también llamados válvulas electrónicas, se perfeccionaron y miniaturizaron, apareciendo otros tipos como el tetrodo (válvula de cuatro electrodos), el pentodo (de cinco electrodos), etc. Hasta la década de 1940 se suceden importantes descubrimientos: el receptor superheterodino (1920), la demostración de la televisión (1925), el sistema de transmisión de frecuencia modulada (1930), el radar (1940), etc. • En 1947 un equipo de ingenieros y científicos, encabezado por los doctores John

W. Mauchly y J. Prester Eckert, en la Universidad de Pensilvania, Estados Unidos, construyó la primera computadora digital electrónica; el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer). No era una máquina programable, tenía 18.000 válvulas electrónicas, consumía varios kW y pesaba algunas toneladas. Realizaba hasta cinco mil sumas por segundo.

• En 1947, William B. Shockley, John Bardeen y Walter H. Brattain crearon en los

laboratorios Bell el primer transistor de unión bipolar (BJT) de material semiconductor. En 1952 Shockley presenta el transistor de efecto de campo (FET) y en 1956 los laboratorios Bell comercializan el tiristor, un componente importante en la electrónica de potencia. Actualmente, estos dispositivos mejorados son los que se utilizan en la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Entre otras, las ventajas de los dispositivos fabricados con material semiconductor respecto de las válvulas son su menor tamaño y fragilidad, su mayor rendimiento energético, su menor voltaje de alimentación, etc.

• En 1958, Jack St. C. Kilby, ingeniero de la compañía norteamericana Texas Ins-

truments, construye el primer circuito electrónico sobre una pastilla de material semiconductor al que denominó circuito integrado (CI), también llamado chip o microchip. El mismo año, el ingeniero de Fairchild Semiconductor, Robert Noyce, desarrolla un dispositivo similar. A ambos se los reconoce como los creadores de los circuitos integrados.

• En 1969 la firma Fairchild comercializa el amplificador operacional µA 709, un

circuito integrado que revolucionaría el mundo de la electrónica analógica.

• En 1969 el sector industrial de la automatización se ve revitalizado con la apari-

ción de los primeros controladores lógicos programables (PLC). En estos equipos, las funciones clásicas de los relés y contactores fueron reemplazados por circuitos integrados conectados entre sí para operar en la forma deseada. Esta época da lugar a lo que se conoce como automatización programable.

• En 1971, la firma Intel lanza al mercado el Intel 4004. Fue el primer microproce-

sador y rápidamente se convirtió en el componente electrónico de la electrónica digital más versátil de su época, debido a que su funcionalidad se basaba en la ejecución de un conjunto de instrucciones lógicas, denominado programa, grabadas en un dispositivo auxiliar al que se llamó memoria.

Figura 1.1. Aspecto de un tríodo (a), un transistor (b), el circuito integrado µA 709 (c) y el microprocesador Intel 4004 (d).

Marcian E. Hoff trazó la arquitectura de su unidad central de proceso (CPU) en un único chip y Federico Faggin la implementó mediante transistores de metalóxido-semiconductor (MOS). Ambos, ingenieros de la firma Intel, trabajaron jun3

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

Recuerda • • • La válvula electrónica, el transistor, el circuito integrado y el microprocesador son los dispositivos de mayor relevancia en la evolución tecnológica de la electrónica.

to con Masatoshi Shima, de Busicom, encargado de definir la funcionalidad de las instrucciones lógicas que ejecutaba la CPU. El microprocesador ha sido, sin duda, uno de los dispositivos más utilizados en productos electrónicos de los últimos 50 años y, desde su aparición en el mercado, marcó el comienzo de una época conocida como era de la máquina programada. • En 1981, la empresa IBM comercializó el computador personal IBM PC. Incor-

poraba la CPU Intel 8088 en un único chip con 29.000 transistores, funcionaba a una velocidad de 4,77 MHz y disponía de 64 kB de memoria RAM. Más tarde, en 1983, el modelo XT añadió un disco duro de 10 MB y permitió acomodar hasta 640 kB de RAM en total. El comúnmente llamado PC, en su modelo fijo o portátil, ha revolucionado el mundo de la ofimática, a la vez que se ha convertido en un equipo indispensable para la gestión comercial y doméstica.

• En 1981 la empresa Ericsson lanzó el primer sistema del mundo de telefonía

móvil; el NMT 450 (Nordic Mobile Telephony 450 MHz). Desde entonces varias son las generaciones de evolución tecnológica que han dado respuesta a la creciente demanda de prestaciones en el campo de la telefonía. Así, en 2001, la tercera generación (3G) nació de la necesidad de aumentar la capacidad de transmisión de datos para ofrecer servicios como la conexión a Internet desde el móvil, la videoconferencia, la televisión y la descarga de archivos.

• En 1993 un equipo de ingenieros liderado por Marc Andressen, en el National

Center for Supercomputing Applications de la Universidad de Illinois, introduce Mosaic, un navegador web con interfaz gráfica. Es el comienzo de la red informática mundial (World Wide Web - WWW) que conocemos con el nombre de Internet. Esta red es un sistema de distribución de documentos de hipertexto interconectados y accesibles a través de páginas web que pueden contener texto, imágenes, vídeos, etc.

• En 1994 se inicia la era de la televisión digital con la introducción de los siste-

mas de televisión vía satélite DBS (Direct Broadcast Satellite) o (DTH, Direct To Home). Este hecho provoca la mayor transformación sufrida por los sistemas de televisión en los últimos 50 años.

• En 1995 se inaugura oficialmente el sistema de posicionamiento global conoci-

do como GPS. Este sistema fue concebido originalmente como un sistema estratégico militar, hasta que en el año 2000 se posibilitó su uso civil.

1.2. Magnitudes eléctricas Las magnitudes eléctricas son aquellas propiedades físicas de la electricidad que podemos medir y de las que conocemos sus principios y efectos. Las más importantes son la intensidad, la tensión, la resistencia y la potencia eléctricas.

1.2.1. Intensidad eléctrica Por intensidad eléctrica debemos entender la cantidad de electrones que circula por un material en un segundo. Realizando un símil hidráulico, podríamos comparar la intensidad eléctrica con la cantidad de agua que circula por un punto de una cañería en un segundo. Comúnmente, a la intensidad eléctrica se le denomina corriente eléctrica o, simplemente, corriente. La unidad que utilizamos para medirla es el amperio o ampere (A). Para identificar plenamente una cierta intensidad eléctrica, se debe conocer su magnitud y su sentido de circulación, esto es, su valor y su signo. Matemáticamente, se expresa como el número de electrones (cantidad de carga) que fluyen por unidad de tiempo: (1.1)

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

Recuerda • • • Denominamos intensidad de corriente eléctrica a la cantidad de carga eléctrica que circula por un material o sustancia en un segundo. La unidad en la que se mide es el amperio (A).

Recuerda • • • Podemos definir la tensión eléctrica o voltaje entre dos puntos de un circuito, como la energía con la que un generador ha de impulsar una carga eléctrica de 1 C entre los dos puntos del circuito. La tensión eléctrica se mide en voltios (V).

Donde: i es la intensidad de la corriente eléctrica instantánea, expresada en amperios (A). ΔQ es la cantidad de carga eléctrica, en culombios (C), que ha circulado en el intervalo de tiempo Δt, expresado en segundos (s). En el caso de que la intensidad permanezca constante durante todo el tiempo, expresaremos su símbolo en mayúsculas (I), y la definiremos simplemente como: (1.2) Los electrones son los portadores de carga eléctrica, y su circulación determina el sentido real de la corriente desde el punto con potencial negativo al punto positivo. Sin embargo, inicialmente, los científicos establecieron el sentido convencional de la corriente como aquel que iba justamente en sentido contrario, es decir, del punto de potencial positivo al negativo. Actualmente sigue vigente la consideración convencional del sentido de la corriente y se salva esta aparente contradicción mediante la idea fundamental siguiente: una corriente electrónica de un punto de un circuito con potencial negativo a otro positivo equivale a una corriente eléctrica del punto positivo al negativo.

1.2.2. Tensión eléctrica Para que circule una corriente eléctrica a través de un material es necesario que exista una diferencia de potencial (d.d.p.) eléctrico entre los extremos del mismo. Siguiendo con el símil hidráulico anterior, esto es semejante al desnivel que se debe dar en una tubería para que por su interior discurra una determinada corriente de agua. La diferencia de potencial eléctrico es conocida habitualmente como tensión eléctrica, voltaje eléctrico o, simplemente, voltaje. Su unidad es el voltio o volt (V).

Tensión continua y tensión alterna Cuando el signo (polaridad) de una tensión eléctrica, o una corriente, permanece invariable en el tiempo, hablamos de una tensión o corriente continua (figura 1.2-a). Si, además del signo, su valor tampoco varía en el tiempo, decimos que es una tensión o corriente constante (figura 1.2-b). Habitualmente, a las tensiones y corrientes constantes se las denomina simplemente continuas (CC). Por el contrario, si la magnitud y polaridad de una tensión, o una corriente, cambia en el tiempo debemos entender que se trata de una tensión o corriente alterna (figura 1.2-c). A este tipo de tensiones y corrientes se las denomina generalmente como CA.

Voltaje

Voltaje Voltaje

Ciclo completo a) Tensión continua no constante.

b) Tensión continua constante.

c) Tensión alterna.

Figura 1.2. Tipos de tensión eléctrica.

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

Recuerda • • • Llamamos frecuencia (f) al número de oscilaciones completas o ciclos que se producen en una onda de tensión o corriente alterna durante cada segundo. La unidad de frecuencia es el hercio o hertz (Hz) o también ciclos por segundo (ciclos/s). Un Hz es igual a un ciclo/s.

Un ejemplo de tensión continua y constante lo tenemos en el voltaje existente entre los bornes de una pila, mientras que el de una tensión alterna es el que se tiene en bornes de cualquier enchufe de casa. Ejemplos de tensión continua pero no constante los encontramos en la salida de los circuitos rectificadores que estudiaremos más adelante. Cuando la variación de una tensión alterna, o continua no constante, se repite fielmente cada cierto tiempo, se dice que esta tensión es periódica, y queda perfectamente identificada cuando conocemos, además de su magnitud y signo, su frecuencia. La evolución completa entre dos puntos consecutivos de una tensión alterna periódica, en los que esta adquiere el mismo sentido y valor, se denomina ciclo. La duración de un ciclo recibe el nombre de período y se relaciona con la frecuencia de la tensión alterna periódica mediante la siguiente expresión: (1.3) Donde: T es el período de la tensión, expresado en segundos (s). f es la frecuencia de la tensión expresada en hercios (Hz). Por ejemplo, la frecuencia de la tensión alterna periódica que se tiene en una base de enchufe de la red eléctrica de una vivienda es de 50 Hz. Su evolución se corresponde matemáticamente con la función seno, por lo que se la califica de senoidal o sinusoidal. La figura 1.2-c muestra el aspecto de una tensión de este tipo.

1.2.3. Resistencia eléctrica La resistencia eléctrica es el parámetro que determina si un cuerpo es mejor o peor conductor de la corriente eléctrica. Un mal conductor posee mucha resistencia eléctrica, mientras que un buen conductor posee poca resistencia. En 1827, el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm (1789-1854) definió la resistencia eléctrica y propuso la ley o relación fundamental que la relacionaba con la tensión y la corriente. Esta relación, conocida como ley de Ohm, expresa que la resistencia eléctrica que presenta un conductor es directamente proporcional al voltaje existente entre sus bornes, e inversamente proporcional a la intensidad que circula por él: (1.4) Donde: R es la resistencia del conductor en ohmios (Ω). U es la tensión en bornes del conductor en voltios (V). I es la corriente que recorre el conductor en amperios (A).

Ejercicio 1.1 ¿Cuál es la resistencia de una estufa eléctrica que funciona con una tensión de 230 V, sabiendo que por ella circula una corriente de 10 A? Solución Aplicando directamente la fórmula (1.4), obtenemos:

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Ejercicio 1.2 Determina la corriente que circula por una resistencia de 100 Ω, cuando aplicamos en sus bornes una tensión de 10 V. Solución Despejando el valor de la corriente de la fórmula (1.4), obtenemos:

Ejercicio 1.3 Determina la tensión en bornes de una resistencia de 4,7 kΩ por la que circula una corriente de 1 mA. Solución Despejando el valor de la tensión de la fórmula (1.4), obtenemos:

1.2.4. Ley de Joule y energía eléctrica En cualquier circuito eléctrico, existe un desprendimiento de calor provocado por la circulación de la corriente eléctrica. En el año 1840, el físico británico James Prescott Joule (1818-1889) afirmó que la energía eléctrica (T), transformada en calor en un conductor por el que circula corriente, es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la corriente y por el tiempo durante el cual esta transite. La expresión que recoge la ley de Joule es: (1.5) Donde: T es la energía calorífica originada en el conductor, expresada en julios (J). R es la resistencia del conductor en ohmios (Ω). I es la corriente que recorre el conductor en amperios (A). t es el tiempo que dura la circulación de corriente en segundos (s).

1.2.5. Potencia eléctrica Definimos la potencia eléctrica (P) como la energía eléctrica (T) consumida durante un cierto tiempo t. Su unidad es el vatio o watt (W): (1.6)

Recuerda • • • Por resistencia eléctrica entendemos la mayor o menor oposición que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio (Ω) u ohm (Ω).

Donde: P es la potencia eléctrica expresada en vatios (W). T es la energía calorífica expresada en julios (J). t es el tiempo expresado en segundos (s). Relacionando las expresiones (1.4), (1.5) y (1.6), la potencia eléctrica también se puede expresar como: (1.7) Donde: P es la potencia eléctrica expresada en vatios (W). U es la tensión en bornes de un conductor o dispositivo, expresada en voltios (V). I es la corriente que recorre el conductor o dispositivo, expresada en amperios (A).

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida La potencia eléctrica da idea del «aguante eléctrico» que debe poseer un elemento sometido a tensión cuando es recorrido por una corriente. Superar el valor máximo de la potencia que puede aguantar un equipo o dispositivo es condenarlo a su destrucción.

Ejercicio 1.4 Se tiene una estufa eléctrica de 1.500 W conectada a la red eléctrica doméstica de 230 V, ¿qué corriente consume? Solución Despejando el valor de la corriente de la fórmula (1.7), obtenemos:

Ejercicio 1.5 Una plancha eléctrica indica en su placa de características que es de 2.200 W. ¿Qué energía consumirá si está funcionando 10 horas a la máxima potencia? Expresa esta potencia en julios y en kW·h. Solución La energía consumida podemos deducirla de la ecuación (1.6), y como hemos de expresarla en julios pasaremos las horas a segundos: Para obtener la energía consumida en kW·h pasamos la potencia de la plancha a kW y resolvemos de la forma siguiente:

Ejercicio 1.6 Un calefactor de 230 V y 2.500 W de potencia máxima se conecta por equivocación a una tensión de 400 V. Calcula la intensidad y resistencia en condiciones normales, y la potencia disipada en esta nueva situación. Solución Cuando el calefactor funciona en condiciones normales a 230 V, la corriente que circula por él la obtenemos despejándola de la ecuación (1.7):

La resistencia que presenta el calefactor en condiciones normales la podemos obtener de la ecuación (1.4):

La nueva corriente que circula por el calefactor cuando se conecta a 400 V, aplicando la ley de Ohm, viene dada por:

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

Finalmente, la potencia eléctrica que debe aguantar el calefactor al conectarlo a 400 V la podemos obtener aplicando la ecuación (1.7): Observa que, con toda probabilidad, el calefactor no aguantará esta nueva situación de trabajo al superar ampliamente sus 2.500 W de potencia máxima.

Recuerda • • • La energía calorífica (T) originada en un conductor por el que circula corriente es proporcional al producto de la resistencia del conductor por el cuadrado de la corriente y por el tiempo durante el cual esta circula. Se expresa en julios (J).

Recuerda • • • Un vatio (W) es el trabajo que realiza un circuito eléctrico, entre cuyos extremos se aplica una tensión de 1 voltio y está recorrido por 1 amperio durante 1 segundo: 1W=1V·1s

1.2.6. Concepto de señal eléctrica Por señal eléctrica debemos entender cualquier fenómeno que nos proporcione información útil. Generalmente, en el área de la electrónica el fenómeno se manifiesta en la forma de alguna variable eléctrica (tensión, intensidad, resistencia, etc.) y la información podemos obtenerla al evaluar alguna de las características de esa variable (magnitud, frecuencia, fase, etc.). Debemos asociar la idea de señal a la de un fenómeno eléctrico de poca potencia y magnitud reducida que, generalmente, es empleado para informar del estado o valor de una cierta variable física o eléctrica. No hay que confundir la función y naturaleza de una señal con la de cualquier otra magnitud eléctrica de mayor potencia utilizada para mover máquinas o alimentar equipos y dispositivos. Así, hablamos de señal cuando, por ejemplo, decimos que una sonda de temperatura proporciona 10 mV por cada grado centígrado. En cambio, no utilizamos la palabra señal cuando nos referimos, por ejemplo, a los 12 V con los que alimentamos un relé o circuito electrónico. En el entorno del ser humano se tiene la necesidad de conocer la magnitud de variables como temperatura, humedad, presión, etc., pero también de saber si se ha producido o no un evento, de si se está o no en una situación de alarma, etc. Esta información se obtiene, básicamente, mediante señales de dos tipos: Señales analógicas. Son aquellas cuya magnitud puede variar de forma gradual en el tiempo (figura 1.3-a). Señales digitales. Son aquellas que pueden adoptar únicamente dos estados: el estado alto o 1 y el bajo o 0 (figura 1.3-b).

Estado

Figura 1.3. Tipos de señales: analógica (a) y digital (b).

El campo de la ciencia electrónica es tan vasto que, necesariamente, debe ser dividido en disciplinas especializadas para su estudio y desarrollo. De acuerdo con la función que realizan los diferentes dispositivos de un circuito electrónico, podríamos clasificarlos en digitales y analógicos. Esta primera clasificación posibilita analizar su funcionalidad considerando las características de las señales con las que trabajan y aplicar las técnicas de estudio propias de la electrónica digital y de la electrónica analógica. 9

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

Recuerda • • • Una señal digital es aquella que puede adoptar únicamente dos estados: el 1 (nivel alto) o el 0 (nivel bajo).

1.3. Medidas eléctricas Por medida debe entenderse el procedimiento mediante el cual se asigna un valor numérico a un cierto fenómeno físico. Así pues, podemos hablar de 25 °C, 10 V o 3 A para referirnos, respectivamente, a la temperatura de una resistencia, a la tensión de un generador, o a la corriente que circula por un conductor. En electrónica se utiliza un conjunto de instrumentos típicos para la medida y presentación de variables eléctricas de tensión, intensidad, potencia, frecuencia, etc. Estos instrumentos suelen ser de tres tipos: • Presentación analógica. Utilizan la combinación de una escala graduada y un

galvanómetro para mostrar el valor de la magnitud deseada (figura 1.4-a). Son los denominados «instrumentos de aguja» que se emplearon desde los orígenes de la electrónica y de la electrotecnia.

• Presentación digital. Emplean un visualizador digital (display), numérico o al-

fanumérico, para mostrar el valor de medida (figura 1.4-b). Es la opción más moderna y extendida.

• Presentación gráfica. Estos instrumentos se emplean para representar gráfica-

mente ciertas características de la magnitud deseada, tales como forma, frecuencia, fase, etc. (figura 1.4-c)

Figura 1.4. Instrumentos de presentación: (a) analógica, (b) digital y (c) gráfica.

Además de los equipos de medida citados, el trabajo con circuitos electrónicos requiere el uso de otros equipos básicos como: • Fuentes de alimentación. Son equipos altamente robustos utilizados para su-

ministrar la energía de alimentación requerida por la mayoría de los circuitos y sistemas electrónicos en fase de montaje o prueba. Normalmente suministran tensiones y corrientes continuas, cuyas amplitudes permiten ser reguladas mediante potenciómetros ubicados en su panel frontal (figura 1.5-a).

• Generadores de señales. Estos instrumentos, también llamados generadores

de funciones, se emplean para producir una señal dependiente del tiempo, con unas características determinadas de amplitud, frecuencia y forma (figura 1.5-b). Básicamente, las formas de onda que generan son de tres tipos: señales senoidales o sinusoidales, señales cuadradas o rectangulares y señales triangulares.

Figura 1.5. (a) Fuente de alimentación. (b) Generador de señales (cortesía de HAMEG).

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida

Recuerda • • • El polímetro es un instrumento de laboratorio muy versátil que permite medir diferentes variables eléctricas como tensión, intensidad, resistencia, potencia, etc.

1.3.1. Medida de tensión eléctrica Para realizar las medidas de tensión en un circuito eléctrico utilizamos un voltímetro, aunque actualmente se utiliza más el polímetro, conocido también como multímetro o téster. El polímetro es un instrumento de laboratorio muy versátil, ya que, además de medir tensión, permite medir otras variables como intensidad de corriente, resistencia, potencia, etc. Para realizar una medida de tensión y preservar la integridad del instrumento, es necesario respetar escrupulosamente los siguientes puntos: • Colocar el selector de función del polímetro en la posición de tensión continua

(C.C. o D.C. en inglés), o de tensión alterna (C.A. o A.C. en inglés).

• Fijar el rango de medida del instrumento en una escala superior a la de la ten-

sión que esperamos encontrar entre los puntos de medida. Si el instrumento de medida dispone de la función de rango de escala automático, es innecesaria la selección manual del rango de medida.

• Colocar los cables del instrumento en paralelo con los bornes de la fuente de

tensión, del componente o de los puntos del circuito en los cuales deseemos realizar la medida de tensión.

Si desconocemos el valor de la tensión a medir, situaremos el selector de rango en la escala máxima y, con el voltímetro conectado al circuito, iremos reduciendo el rango hasta obtener la medida con la máxima resolución. La figura 1.6 muestra el procedimiento de medida de la tensión continua existente en los extremos de una batería (bornes 1 y 2). De igual forma, podríamos medir la caída de tensión en la resistencia R1 (bornes 3 y 4), o en la resistencia R2 (bornes 5 y 6). La figura recoge, también, el símbolo empleado para representar un voltímetro en cualquier esquema eléctrico.

Figura 1.6. a) Medida de tensión. b) Símbolo del voltímetro.

Recuerda • • • Para la medida de tensión, el polímetro debe colocarse siempre en paralelo con el elemento o puntos del circuito cuyo voltaje deseamos conocer.

Las mediciones de magnitudes continuas nos obligan a colocar los cables en una posición tal que coincida la polaridad del instrumento con la existente en cada uno de los puntos de medida. Generalmente, el cable de medida de color rojo corresponde al terminal positivo, y el cable de color negro o azul al terminal negativo. En caso de conectar los terminales con la polaridad cambiada, aparecerá un signo negativo a la izquierda del valor medido.

1.3.2. Medida de intensidad eléctrica La medida de intensidad eléctrica se realiza con un instrumento llamado amperímetro, o con un polímetro que disponga de esta función. Para realizar una medida de corriente de valor bajo o medio, debemos intercalar el amperímetro en la rama del circuito cuya intensidad deseamos conocer, es decir, en serie con los componentes eléctricos de la rama. 11

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Recuerda • • •

Al igual que con la medida de tensión, antes de realizar la medida debemos seleccionar el tipo de corriente a medir (continua o alterna), observar la polaridad si es una medida en continua y seleccionar el rango de escala adecuado.

La medida de intensidad obliga a intercalar el polímetro en serie con el dispositivo o rama del circuito cuya corriente se desea conocer.

La figura 1.7 muestra el procedimiento de medida de una corriente continua, de pequeño valor, en la única rama que posee el circuito. Previamente, con el circuito desconectado, habremos abierto el circuito y dispuesto los bornes 1 y 2 para intercalar el amperímetro. La figura también recoge el símbolo utilizado para representar el amperímetro en un circuito.

Figura 1.7. a) Medida de intensidad eléctrica. b) Símbolo del amperímetro

Para medir corrientes alternas de valor elevado se utilizan las llamadas pinzas amperimétricas. El procedimiento de medida consiste en abrazar con una pinza (constituida por una espira de material magnético) el conductor por el que circula la corriente cuyo valor deseamos conocer, y obtener su valor a partir del flujo magnético generado en el conductor. Este método no requiere abrir el circuito ni intercalar el instrumento para obtener el valor de corriente.

1.3.3. Medida de resistencia eléctrica Hay parámetros que dependen exclusivamente de las características intrínsecas de los componentes eléctricos y no de la forma en que estos se conectan en el circuito. Es el caso de la resistencia, la capacidad o la inductancia. Para conocer el valor de alguno de estos componentes, debemos extraer el dispositivo del circuito y medirlo directamente en bornes del instrumento adecuado. En particular, para conocer la resistencia de un dispositivo eléctrico utilizamos un instrumento al que llamamos óhmetro u ohmímetro, aunque prácticamente la función de medida de resistencia la incluyen todos los polímetros. La figura 1.8 muestra la medida de la resistencia que presenta un resistor de valor nominal igual a 100 kW. Cuando deseamos medir valores de resistencia del orden de algún ohmio, es importante reducir la longitud de los cables o, incluso, insertar el componente en los propios bornes del instrumento.

Figura 1.8. Medida de resistencia eléctrica.

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Medida de continuidad eléctrica en un circuito La mayoría de los polímetros y medidores de resistencia incluyen la función de prueba de continuidad, mediante la cual podemos examinar la integridad de los conductores y las uniones o cortocircuitos existentes en un circuito eléctrico. Colocando los cables del instrumento de medida en dos puntos cualesquiera del circuito, el instrumento emite un pitido si la resistencia existente entre esos puntos es muy reducida.

1.3.4. Medida de potencia eléctrica Las medidas de potencia en corriente continua podemos realizarlas mediante el uso combinado de un voltímetro y de un amperímetro, cumpliendo con los procedimientos explicados anteriormente. Así, el valor de la potencia será, en todo momento, el producto de la tensión por la intensidad. Sin embargo, en alterna, es frecuente el uso de instrumentos específicos para la medición de la potencia a los que denominados vatímetros. La figura 1.9-a muestra la medida de la potencia suministrada por un generador de tensión, realizada con un vatímetro. El vatímetro, cuyo símbolo recoge la figura 1.9-b, realiza el cálculo de la potencia y muestra su valor en el visualizador del instrumento.

Figura 1.9. a) Medida de potencia eléctrica. b) Símbolo del vatímetro.

1.3.5. Medida de frecuencia Actualmente, la mayoría de los polímetros permiten realizar la medición de frecuencia de señales alternas (función de frecuencímetro). Para medir la frecuencia debemos colocar el selector del polímetro en esa función y, simplemente, conectar el instrumento de forma idéntica a la utilizada para las medidas en tensión.

1.3.6. Presentación gráfica de magnitudes eléctricas En muchos casos, nos interesará saber cuál es exactamente la forma de onda de la señal que vamos a medir, cuáles son sus valores máximo y mínimo o cuáles son los valores de su frecuencia o período. En otros casos nos puede interesar conocer el desfase entre dos señales de la misma frecuencia o, por ejemplo, saber si una señal tiene un cierto nivel de CC superpuesto a la componente de CA. Para este tipo de representaciones debemos recurrir a un instrumento de medida denominado osciloscopio (figura 1.4-c). 13

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Unidad 1 · Introducción a la Electrónica: Historia, magnitudes eléctricas y métodos de medida Para representar una magnitud el osciloscopio combina en su trazado gráfico dos desplazamientos básicos: el barrido vertical (eje y) controlado por la amplitud de la señal de medida, y el barrido horizontal (eje x) controlado por la base de tiempo seleccionada. La escala de cada uno de estos barridos independientes se controla con su correspondiente selector. A modo de ejemplo, observa la figura 1.10. En ella se presentan dos señales de diferente forma de onda y con distinta frecuencia: la superior de tipo senoidal y la inferior de tipo rectangular. A partir de cada una de estas dos gráficas visualizadas en la pantalla del osciloscopio, y teniendo en cuenta la posición de los selectores de amplitud (verticales) y tiempo (horizontal) podemos obtener los valores de amplitud, período, desfase, etc. de las señales.

Figura 1.10. Ejemplo de visualización de dos señales con el osciloscopio.

El osciloscopio incluye una circuitería electrónica cuya explicación escapa al objetivo de este libro. Sin embargo, su funcionalidad básica se ilustra a continuación mediante un sencillo ejemplo.

Ejercicio 1.7 Calcula el valor de la tensión de pico (Vp), el valor pico a pico (Vpp), el período (T) y la frecuencia (F) de la señal senoidal que aparece en la pantalla de la figura 1.10. Estas gráficas han sido obtenidas con el selector de amplitud (vertical) en la posición 2 volts/división, y con el selector de tiempo de barrido (horizontal) en la posición 0,5 ms/división. Solución La señal senoidal que muestra la pantalla tiene una amplitud de pico a pico de 2,8 divisiones en vertical (1,4 divisiones por encima de cero, y 1,4 por debajo de cero). En el eje de tiempos (eje x) se comprueba que un período ocupa 5 divisiones en sentido horizontal. Por tanto, tenemos: Valor pico a pico de la señal senoidal: Amplitud de pico:

Período: Frecuencia:

Los parámetros obtenidos se muestran en la señal de la figura 1.11.

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Valor pico Valor pico 2,8 V a pico 5,6 V Período 2,5 ms

Figura 1.11. Señal con los parámetros determinados en el ejemplo.

Resumen • La electrónica es la ciencia que estudia la circulación de cargas eléctricas a través de un gas, del vacío o de

un material semiconductor. • La intensidad eléctrica, también llamada corriente eléctrica, es una magnitud que expresa la cantidad de electrones que circula por un material en un segundo. Su unidad es el amperio (A). • La tensión eléctrica, denominada también voltaje, es una magnitud que expresa la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Su unidad es el voltio (V). • Por tensión o corriente continua nos referimos a una tensión, o una corriente, cuyo signo (polaridad) permanece invariable en el tiempo. Si su signo cambia a lo largo del tiempo decimos que es una tensión o corriente alterna. • Por frecuencia debemos entender el número de oscilaciones completas o ciclos que se producen en una onda de tensión o corriente alterna durante un segundo. Su unidad es el hercio (Hz). • La resistencia eléctrica es la oposición que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el ohmio (Ω). • La Ley de Ohm relaciona las magnitudes de resistencia, voltaje y corriente en cualquier conductor eléctrico. • La Ley de Joule expresa la energía eléctrica (T) que se transforma en calor, en un conductor de cierta resistencia (R), por el que circula una corriente (I) durante un tiempo dado (t). Su unidad es el julio (J). • Definimos la potencia eléctrica (P) como la energía eléctrica (T) consumida en la unidad de tiempo. Su unidad es el vatio (W). • Una señal analógica es aquella cuya magnitud puede variar de forma gradual en el tiempo, y una señal digital aquella que puede adoptar únicamente el estado alto (1) y el bajo (0). • Para medir la tensión eléctrica se emplea un instrumento como el voltímetro. Los cables de este se deben conectar en paralelo con los bornes de la fuente de tensión, del componente o de los puntos del circuito en los cuales deseemos realizar la medida de tensión. • Para realizar medidas de corriente eléctrica se emplea el amperímetro. Los cables de este instrumento se deben intercalar en la rama del circuito cuya intensidad deseamos conocer, es decir, en serie con los componentes eléctricos de la rama. • Para obtener el valor de la resistencia, capacidad o inductancia de un componente debemos extraer el dispositivo del circuito y conectarlo a los bornes del instrumento adecuado (óhmetro, medidor de capacidad o medidor de inductancia). • Las medidas de potencia en corriente continua podemos realizarlas mediante el uso combinado de un voltímetro y de un amperímetro. En alterna, es frecuente el uso de instrumentos específicos para la medición de la potencia a los que denominados vatímetros.

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Test de evaluación 1. Entre otras cosas, ¿qué diferencia a la electrónica de la electricidad? a) La electrónica trata sobre la circulación de las cargas eléctricas en materiales conductores y la electricidad en el vacío. b) La electrónica trata sobre la circulación de las cargas eléctricas en materiales semiconductores y la electricidad en los metales. c) La electrónica trata sobre la circulación de las cargas eléctricas en el vacío y la electricidad en materiales semiconductores. d) La electrónica trata sobre la circulación de las cargas eléctricas en materiales semiconductores y la electricidad en el vacío. 2. ¿Qué dispositivo construyeron los ingenieros Jack Kilby y Robert Noice? a) El transistor de unión bipolar. b) El circuito integrado. c) La válvula diodo. d) El microprocesador. 3. La cantidad de electrones que circula por un material en un segundo se denomina: a) Tensión eléctrica. b) Intensidad eléctrica. c) Resistencia eléctrica. d) Potencia eléctrica. 4. La energía con la que un generador impulsa una carga de 1 C entre dos puntos de un circuito recibe el nombre de: a) Tensión eléctrica. b) Intensidad eléctrica. c) Resistencia eléctrica. d) Potencia eléctrica. 5. De las siguientes tensiones, ¿cuál es de tipo continuo y constante? a) Sinusoidal de 220 V y 50 Hz. b) Cuadrada de 5 V y 1 kHz. c) Cuadrada de ±5 V y 1 Hz. d) Fija de −9 V. 6. ¿Cuál de las siguientes frases denota la presencia de una señal? a) Voltaje de alimentación: 12 V. b) Potencia consumida: 3 kW. c) Energía eléctrica: 3 kW·h. d) Tensión de salida: 10 mV/°C. 7. Para representar el valor de medida, un instrumento analógico utiliza: a) Un galvanómetro y una escala graduada. b) Un display digital. c) Una pantalla de plasma. d) Un visualizador alfanumérico.

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8. Entre otras cosas, el procedimiento para medir la tensión en bornes de un componente pasa por: a) Abrir el circuito e intercalar el instrumento de medida en serie con el componente. b) Colocar los terminales del instrumento en paralelo con los bornes del componente. c) Extraer el componente del circuito y medir la tensión de sus bornes. d) Situar el selector del instrumento en su mínima escala de medida. 9. Entre otras cosas, el procedimiento para medir la resistencia de un componente pasa por: a) Abrir el circuito e intercalar el instrumento de medida en serie con el componente. b) Colocar los terminales del instrumento en paralelo con los bornes del componente insertado en el circuito. c) Extraer el componente del circuito y medir la resistencia en sus bornes. d) Situar el selector del instrumento en su mínima escala de medida. 10. ¿Qué es una fuente de alimentación? a) Un medidor de la tensión de alimentación de un circuito. b) Un generador que suministra la alimentación de un circuito. c) Un visualizador digital que muestra la tensión de un circuito. d) Un visualizador gráfico de la tensión de un circuito. 11. ¿Qué es un generador de señales? a) Un medidor de la tensión de alimentación de un circuito. b) Un generador que suministra la alimentación de un circuito. c) Un visualizador digital que muestra la tensión de un circuito. d) Un equipo que produce señales de amplitud, frecuencia y forma diferentes. 12. ¿Qué es un osciloscopio? a) Un instrumento que permite visualizar gráficamente la amplitud, frecuencia y forma de una señal. b) Un generador que suministra la alimentación de un circuito. c) Un visualizador digital que muestra la tensión de un circuito. d) Un equipo que produce señales de amplitud, frecuencia y forma diferentes.

Actividades 1. Haciendo uso de Internet, detalla con información relevante el origen de los dispositivos BJT, FET, MOS, circuito integrado y microprocesador. Cita cuáles son, a tu juicio, sus características más importantes. 2. Elabora una lista con algunos de los aparatos eléctricos que hay en tu casa como por ejemplo el secador de pelo, el televisor, la plancha, la lámpara de tu habitación, el cargador del teléfono móvil y algunos más. Haz dos columnas indicando, en la primera, la tensión a la que opera cada uno; y, en la segunda, la potencia que consume. 3. A partir de la lista anterior, calcula la intensidad que consume cada uno de los aparatos e incluye una nueva columna indicando estos resultados. 4. Complementa la actividad anterior calculando la resistencia eléctrica que presenta cada uno de los aparatos. Incluye los resultados en una nueva columna. 5. Calcula cuál sería la energía consumida por los aparatos de la actividad 2 y siguientes, si estuvieran 24 horas conectados. Toma el recibo de la electricidad de tu vivienda, busca cuál es el precio del kW·h y calcula el precio que, de acuerdo con ello, te cobrará la compañía eléctrica.

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6. El encendedor eléctrico de un vehículo consume una potencia de 120 W con 12 V. ¿Cuál es su resistencia eléctrica? 7. Un aspirador de coche conectado a los 12 V de la batería consume una energía de 1.000 J durante un tiempo de 10 s. ¿Cuál es su resistencia eléctrica? ¿Cuál es su potencia? 8. Utiliza la fuente de alimentación del taller o del laboratorio y prepárala de tal forma que proporcione una tensión continua de +5 V. Asegúrate de su correcto valor, midiendo la tensión con un polímetro. Realizado lo anterior, aplica la tensión de la fuente a una resistencia de 1 kΩ y mide con el polímetro la corriente que circula por ella. Justifica el valor leído y las posibles diferencias que puedan presentarse entre el valor teórico y el práctico. 9. Solicita una resistencia de 10 kΩ y otra de 4,7 kΩ, e identifícalas midiendo su resistencia con un polímetro. Realizado esto, conéctalas en paralelo uniendo entre sí ambos extremos y vuelve a medir la resistencia del conjunto. Comprueba que la resistencia total que presenta el paralelo se ajusta a la expresión, salvadas las tolerancias, siguiente:

10. Utiliza el generador de señales del laboratorio y prepáralo de tal forma que proporcione una señal continua cuadrangular de +5 V y 1 kHz de frecuencia. Asegúrate del correcto valor de amplitud, frecuencia y forma presentando la señal en la pantalla de un osciloscopio. 11. Una vez realizado lo anterior, aplica la señal sobre dos resistencias de 10 kΩ conectadas en serie (una a continuación de la otra) y presenta en la pantalla del osciloscopio un único período de la señal presente en cada una de ellas. Justifica la amplitud de la señal en cada una de las resistencias.

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