La Electrónica Analógica

TECNOLOGÍA
4º E.S.O
UNIDAD 2: ELECTRÓNICA ANALÓGICA
1. INTRODUCCIÓN.
1.1.
Concepto de electrónica
1.2.
Electrónica analógica y electrónica digital
2. COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOS:
2.1. RESISTENCIAS
A. Introducción.
B. Resistencias fijas.
C. Resistencias variables
D. Resistencias dependientes.
2.2 CONDENSADORES
A. TIPOS
B. ¿Qué aplicaciones tiene un condensador?
C. Asociación de condensadores.
D. Funcionamiento de un condensador.
2.3 DIODOS
A. Funcionamiento del diodo.
B. Diodos LED
2.4 LOS RELÉS
2.5 LOS TRANSISTORES
A. Funcionamiento de un transistor.
1. INTRODUCCIÓN.
1.1.
Concepto de electrónica
La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y
emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los
electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. La potencia con la que trabaja es baja y
utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos
Actualmente, la importancia de la electrónica llega a prácticamente todos los ámbitos
laborales. Muchos de los elementos que habitualmente empleamos en nuestro domicilio o centro
de estudio se rigen por la electrónica, desde los ordenadores donde se procesa y guarda la
información hasta las lámparas o aparatos del aire acondicionado. Esto se debe a que es posible
fabricar componentes de dimensiones y consumo reducidos, baratos y fiables.
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1.2.
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Electrónica analógica y electrónica digital
En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de tensión o corriente, éstas se
pueden denominar comúnmente señales .Las señales primordialmente pueden ser de dos tipos:
Variable analógica
Son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores comprendidos entre dos límites. No
existen discontinuidades. La mayoría de los fenómenos de la vida real dan señales de este tipo.
(Presión, temperatura, tiempo etc.)
Variable digital
También llamadas variables discretas, entendiéndose por estas, las variables que pueden tomar
un número finito de valores. Por ser de fácil realización, los componentes físicos con dos estados
diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas variables, que por lo tanto son
binarias. Ejemplo de este tipo de variables son el encendido o apagado de una lámpara.
En función de las variables que la electrónica utilice se tratara de electrónica analógica o
electrónica digital. De esta forma podemos concluir lo siguiente:
La electrónica analógica es una parte de la electrónica que estudia los sistemas en
los cuales sus variables; tensión, corriente,..., varían de una forma continua en el tiempo,
pudiendo tomar infinitos valores (teóricamente al menos). En contraposición se encuentra
la electrónica digital donde las variables solo pueden tomar valores discretos, teniendo
siempre un estado perfectamente definido: “ceros” (encendido) “uno” (apagado)
2. COMPONENTES ELECTRÓNICOS BÁSICOS:
Los cinco componentes electrónicos más elementales son: las resistencias, los condensadores, los diodos,
los relés y los transistores:
2.1. RESISTENCIAS
A. Introducción.
Con el objeto de producir caídas de tensión en puntos determinados y limitar la corriente
que pasa por diversos puntos se fabrican elementos resistivos de los que se conoce su valor
Óhmico. Estos elementos se conocen como resistencias.
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Se caracterizan por su:
Valor nominal: es el valor marcado sobre el cuerpo del resistor.
Tolerancia: porcentaje en más o menos, sobre el valor nominal, que el fabricante respeta en
todos los resistores fabricados.
Coeficiente de temperatura: la resistencia varía con la temperatura. Esta variación se puede
calcular en función del coeficiente de temperatura.
RT = R0 (1 +αT)
Potencia nominal: potencia que puede disipar el resistor en condiciones ambientales de 20 a
25ºC. Cuanto mayor es la potencia mayor será el tamaño del resistor.
Tensión límite nominal: es la máxima tensión que puede soportar, en extremos, el resistor.
Existen tres tipos de resistencias diferentes en función de su capacidad para variar o
depender de determinadas variables: fijas, variables y dependientes. A continuación estudiaremos
básicamente, cada una de ellas.
B. Resistencias fijas.
Se caracterizan por mantener un valor óhmico fijo e invariable. Existen muchos tipos de
resistencias fijas pero las más comunes son las construidas de carbono útiles para potencias
inferiores a 2 W.
Resistencias fijas
características
Se construyen con una mezcla de grafito y material aislante en proporciones
Aglomeradas
adecuadas para obtener el valor óhmico deseado, que se expresa mediante el
código de colores. Se emplea poco debido a su escasa precisión e
inestabilidad térmica. Su potencia de disipación va de 1/8W a 2 W.
Consisten en un cilindro de material aislante sobre el que se deposita una fina
De película de
carbón
capa de carbón con dos casquillos en los extremos. Su valor óhmico se
consigue labrando una hélice a los largo de la superficie de carbón y se
representa mediante un código de colores. Son las más utilizadas para
pequeñas potencias (desde 1/10W hasta 2W).
Se construyen de manera idéntica a las anteriores pero con una fina película
De película metálica
de aleación metálica que las hace muy estables ante la temperatura. Son muy
precisas. Utilizan cuatro anillos de colores para representar su valor.
Se construyen bobinando hilo de una aleación Ni-Cr-Al sobre un tubo de
Bobinadas
material cerámico y recubriéndolo después de una capa de esmalte. El valor
óhmico se indica en su superficie.
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Una aplicación usual en circuitos electrónicos es la protección de otros elementos
electrónicos. Una resistencia colocada en serie disminuye la tensión del elemento conectado con
ella y le protege de un exceso de tensión.
CÓDIGODE COLORES
C. Resistencias variables.
Se trata de resistencias que pueden variar su valor óhmico en función de las condiciones
del circuito. Según la forma constructiva pueden ser bobinadas, para potencias grandes o
de pista de carbón. Cuando se varía su valor con ayuda de una herramienta se denominan
ajustables., mientras que cuando disponen de un vástago para variarlas se denominan
potenciómetros.
D. Resistencias dependientes.
Se trata de resistencias que varían su valor óhmico en función de algún parámetro:
temperatura, luz, etc. Atendiendo al parámetro que controla su valor, existen cuatro tipos
de resistencias dependientes: NTC, PTC, LDR y VDR.
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NTC: resistencia de coeficiente negativo de temperatura. Cuando aumenta la temperatura
de la misma disminuye su valor óhmico y viceversa.
Pueden tener muchas aplicaciones entre las que podemos destacar:
•
La medida de temperaturas en motores.
•
Termostatos.
PTC: Resistencia de coeficiente positivo de temperatura. Cuando aumenta la temperatura
de la misma aumenta su valor óhmico. En realidad es una NTC que aprovechamos su
característica inversa entre dos valores de temperatura conocidos, T1 y T2.
LDR: Resistencia dependiente de la luz. Cuando aumenta la intensidad luminosa sobre la
misma disminuye su valor óhmico. Se utiliza en aplicaciones relacionadas con la intensidad
luminosa.
VDR: Resistencia dependiente de la tensión. Cuando aumenta la tensión en sus extremos
disminuye su valor óhmico, y circula más corriente por sus extremos. Se utiliza como
protección para evitar subidas de tensión en los circuitos. Cuando se supera la tensión de
la VDR la corriente se marcha por ella y proteger el circuito
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Sus símbolos eléctricos son:
2.2 CONDENSADORES
Se llama condensador a un dispositivo que almacena carga eléctrica de forma temporal
para soltarla cuando sea necesario. El condensador está formado por dos placas conductoras
(armaduras) separados por un material aislante denominado dieléctrico.
La cantidad de electricidad que puede almacenar un condensador depende de tres
factores:
1. El tamaño de las placas.
2. La distancia entre las armaduras (espesor del dieléctrico).
3. Del tipo de dieléctrico.
La capacidad de los condensadores se mide en Faradios (F), pero al ser una unidad muy
grande, se utilizan submúltiplos como:
Milifaradio (mF): 1mF=10-3
Microfaradio (µF): 1µF=10-6
Nanofaradio (nF): 1nF=10-9
Picofaradio (pF): 1pF=10-12
A. TIPOS
Existen dos tipos de condensadores: los polarizados y los no polarizados.
•
Polarizados: también se denominan electrolíticos. Cuando se conectan al ciruito hay que
respetar la polaridad de las patillas.
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•
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No polarizados.
Dentro de los no polarizados se encuentran:
i. Condensadores cerámicos:
Se utilizan exclusivamente en microelectrónica, ya que sus valores y tamaños no
son suficientes como para proporcionar las características que necesitarían el
arranque de un motor, o el filtrado de una fuente de alimentación. Son sumamente
baratos y suponen una opción de la que no se puede prescindir en muchos casos
dada sus características.
ii. Condensadores de plástico:
Los condensadores de polímeros son muy utilizados, dado que entre sus
características más importantes se encuentran una gran resistencia de aislamiento
que le permite conservar la carga por largos periodos de tiempo, un volumen
reducido y un excelente comportamiento frente a la humedad y a las variaciones de
temperatura.
Tienen además, la propiedad de autoregeneración permitiendo que en caso de que
un exceso de tensión los perfore, el metal se vaporiza en una pequeña zona
rodeando la perforación evitando el cortocircuito, lo que permite seguir funcionando.
Los materiales más utilizados son: poliestireno, poliéster, policarbonato y
politetrafluoretileno (conocido como teflón). Se fabrican en forma de bobinas o
multicapas. Se fabrican con capacidades desde 1nF a 100µF y tensiones desde
25V a 4.000V. se les distingue por sus característicos colores vivos, generalmente
rojo, amarillo o azul.
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iii. Condensadores variables.
Estos condensadores presentan una capacidad que podemos variar entre ciertos
límites.
Igual
que
pasa
con
las
resistencias
podemos
distinguir
entre
condensadores variables, su aplicación conlleva la variación con cierta frecuencia
(por ejemplo sintonizadores); y condensadores ajustables o trimmers, que
normalmente son ajustados una sola vez (aplicaciones de reparación y puesta a
punto).
Símbolos:
B. ¿Qué aplicaciones tiene un condensador?
•
Para aplicaciones de descarga rápida, como un flash, en donde el condensador se
tiene que descargar a gran velocidad para generar la luz necesaria.
•
Como filtro, un condensador de gran valor se utiliza para eliminar el rezado que se
genera en el proceso de conversión de corriente alterna en corriente continua.
•
Como temporizadores.
C. Asociación de condensadores.
Al igual que las resistencias, los condensadores se combinan unos con otros para
aumentar o disminuir su capacidad, y del mismo modo se pueden montar en serie,
paralelo o mixto.
•
Condensadores asociados en serie: se montan uno a continuación de otro,
como las resistencias pero la capacidad equivalente se calcula con la fórmula:
1
CTOTAL
•
=
1
1
1
+
+
+ ...
C1 C2 C3
Condensadores asociados en paralelo: se montan de modo que sus extremos
estén en común. Para calcular la capacidad equivalente se suman las
capacidades de cada uno de ellos.
CTOTAL = C1 + C2 + C3 + ….
•
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Condensadores asociados de forma mixta: combinación de las dos anteriores.
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D. Funcionamiento de un condensador.
Carga del condensador:
En el periodo transitorio, el condensador va aumentando su carga progresivamente
a medida que aumenta la tensión entre sus armaduras. La intensidad que circula por la
resistencia va disminuyendo progresivamente. En el periodo estacionario, la tensión entre
armaduras será la de la fuente y la intensidad será nula.
Cuando serramos el circuito de carga el
condensador se carga hasta alcanzar la
tensión de alimentación.
El tiempo de carga depende de la
capacidad del condensador y del valor
óhmico de la resistencia que está en serie
con él.
Descarga del condensador:
Cuando cerramos el circuito de descarga, es el condensador el que entrega la
corriente a la resistencia hasta agotarse su carga.
El tiempo de descarga ahora depende de la capacidad del condensador y el valor
óhmico de la resistencia de descarga.
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Controlando el tiempo de carga y de descarga de un condensador se pueden
construir temporizadores.
2.3 DIODOS:
El silicio y el germanio son dos semiconductores. Normalmente son aislantes, pero si les
aplicamos un voltaje entre los extremos de estos materiales o aumentamos su temperatura
comienzan a conducir electricidad, aunque mucho peor que un material conductor.
Los materiales semiconductores son aquellos que pueden conducir si reciben energía externa.
Para mejorar las propiedades de los semiconductores se les somete a un proceso de dopaje o
impurificación, consistente en introducir átomos de otras sustancias. Según la impureza los
semiconductores pueden ser:
El
dopante
tiene
defecto
de
electrones. Le faltan electrones, por lo
Tipo P
que se crean “huecos” que permiten
circular a los electrones con facilidad.
Suele ser boro, galio o indio.
El dopante aporta electrones que
ayudan a mejorar
la conducción
eléctrica. Suele ser fósforo, arsénico o
Tipo N
antimonio.
El diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica sólo en un sentido.
Está constituido por dos cristales semiconductores, uno de tipo P y otro de tipo N, cada uno de los
cuales está conectado a una patilla.
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A. FUNCIONAMIENTO DEL DIODO:
El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor
tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones). Cuando una tensión positiva se aplica
al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los
electrones fluyen a través del material P mas allá de los limites del semiconductor.
De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del
material N y los huecos fluyen a través del material N, hay paso de corriente eléctrica.
En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los
electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P.
En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay
corriente eléctrica.
El diodo puede conectarse de dos maneras diferentes:
a) Polarización directa: cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del
diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad
comportándose prácticamente como un corto circuito.
b) Polarización inversa: cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la
flecha (la flecha del diodo), o se del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el
diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto.
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B. DIODO LED:
Es un diodo emisor de luz. Su comportamiento es el mismo que el de los diodos, es decir,
se vuelve conductor cuando está directamente polarizado, pero tiene la particularidad de que se
ilumina cuando conduce corriente.
El voltaje necesario para que se vuelva conductor es mayor que el de un diodo normal,
aproximadamente de unos 2V, y la intensidad de corriente que circula por ellos habitualmente es
de unos 20mA. Se deben proteger colocando una resistencia en serie con él para que no se
fundan cuando la tensión aplicada es superior a esos 2 voltios.
Su uso es muy frecuente en equipos de música, televisores y ordenadores. Como los diodos LED
consumen muy poca energía, a menudo se utilizan en los aparatos electrónicos para indicar el
modo reposo.
2.4 LOS RELÉS:
El relé es un componente electromecánico, que funciona como un interruptor controlado
por un circuito eléctrico en el que, por medio de un electroimán, se acciona un juego de uno o
varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.
Cuando no pasa corriente por la bobina el contacto móvil está tocando a uno de los contactos fijos
(Fig. 5). En el momento que pasa corriente por la bobina, el núcleo atrae al inducido, el cual
empuja el contacto móvil hasta que toca al otro contacto fijo. Por tanto, funciona como un
conmutador.
Símbolo del relé con1 o 2 polos.
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CONTROL DE UN MOTOR MEDIANTE RELÉ
Cuando se quiere controlar el giro, en ambos
sentidos, de un pequeño motor eléctrico de corriente
continua, puede hacerse con una llave de cruce, un
conmutador doble o con un relé.
La bobina del relé se ha conectado a la pila a través de un
pulsador NA que asignamos con la letra P. el motor se ha
conectado a los contactos fijos del relé del mismo modo
que si se tratase de un conmutador doble. Los dos polos del relé se conectan a los bornes de la
pila.
2.5. LOS TRANSISTORES:
El transistor está formado por
cristales semiconductores de tipo P y del
tipo N, como los diodos, pero en vez de
dos cristales, tiene tres. En base a esto
tenemos dos tipos de transistores:
Transistores
NPN:
tienen
dos
cristales de tipo N y uno tipo P
entre los otros dos.
Transistores
PNP:
tienen
dos
cristales de tipo P y uno tipo N
entre los otros dos.
A cada cristal le corresponde uno de los tres terminales: Colector (C), Emisor (E) y Base (B).
Fíjate que el cristal semiconductor que está en medio de los otros dos siempre es la base.
Un transistor es un componente que tiene, básicamente, dos funciones:
Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una PEQUEÑA señal de
mando.
Funciona como un elemento AMPLIFICADOR de señales.
A. FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSISTOR:
Para entender mejor el funcionamiento de los transistores recurriremos a un símil:
Imagina que en una presa de agua, hay un embalse que será el colector (C), pero en lugar de
agua, supongamos que está lleno de electrones. Estos tienden a pasar al emisor (E) que es como
el desagüe, pero sólo podrán pasar si alguien abre la puerta del embalse, que es controlado por el
canal de la base (B). Entonces sólo se pueden dar tres casos:
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1. Por la base no entra ningún electrón, es decir, la corriente en la base es cero. Entonces la
puerta del embalse permanece cerrada y no pasan electrones del colector al emisor. En
este caso el colector y el emisor están aislados.
2. Supongamos ahora que se introducen algunos electrones por la base. En este caso, la
pequeña corriente que entra por la base tiene energía suficiente para abrir un poco la
compuerta del embalse. Cuanto más electrones entren por la base más abierta estará la
compuerta y mayor será la corriente que salga del colector al emisor. Decimos que el
transistor está en zona activa.
3. Si llegan muchos electrones por la base la compuerta estará completamente abierta y los
electrones circularán del colector al emisor libremente. En este caso el transistor funciona
en saturación.
El circuito de polarización de un transistor NPN puede verse a continuación:
Las fórmulas de este circuito son:
IC = IB * β
IE = IB + IC
VBB = RB * IB + VBE
VCC = RC * IC + VCE
Donde:
IC = intensidad de colector.
IB = intensidad de base.
IE = intensidad de emisor.
β = parámetro del transistor (GANANCIA)
VBB = tensión de base.
RB = resistencia limitadora de base.
VBE = tensión base-emisor (VBE = 0,6V) la
de un diodo.
VCC = tensión de colector.
RC = resistencia de colector.
VCE = tensión colector-emisor.
•
Decimos que el transistor está en corte,
cuando la corriente que circula por la base es 0,
o la tensión VBE < 0,7V.
•
Decimos que el transistor está en la zona
activa (trabaja como amplificador) cuando circula
corriente por la base, la tensión VBE = 0,7V, y por
lo tanto la corriente IC > 0 A cumpliéndose las
ecuaciones anteriores, en especial IC = IB * β. En
esta situación por el colector se amplifica la
corriente que circula por la base beta veces.
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•
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Decimos que el transistor está en saturación cuando la corriente que circula por el
colector cumple, IC < IB * β. La saturación se consigue si el valor de IC es menor al
calculado en la zona activa.
Cuando hacemos trabajar a un transistor en corte–saturación su comportamiento es
como el de un interruptor electrónico.
1.- Si circula corriente por la base, también circulará por el colector.
2.- Si no circula corriente por la base no circulará por el colector.
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