Electrónica Industrial Introducción

Electrónica Industrial
Introducción
Curso 2012-2013
Información general de la asignatura
ftp://ftp.ehu.es/cidira/dptos/depjt/Electronica_Industrial_Grado/
Programa (i)
Introducción
1. Introducción a la Electrónica. Sistemas electrónicos. Áreas de especialización de la
electrónica. Visión de detalle, visión de sistema. Magnitudes fundamentales. Señales y
ondas. Funciones básicas. Aplicaciones. (J. Sánchez)
Electrónica Gen.
2. Clasificación de los componentes electrónicos. Componentes activos y pasivos.
Componentes pasivos básicos. Resistencias lineales y no lineales; fijas y variables.
Condensadores. Bobinas (I. Díaz de Corcuera)
3. Diodos y Circuitos con diodos. El diodo ideal y el diodo real.Características. Regiones de
polarización directa, inversa y zener. Otros diodos: zener, leds .Análisis de los circuitos con
diodos. Modelos. Aplicaciones de los circuitos con diodos, rectificadores y recortadores.
(I. Díaz de Corcuera)
4. El Transistor Bipolar. Definiciones. Regiones de trabajo de los BJTs. Curvas cacterísticas.
Análisis en continua. (I. Díaz de Corcuera)
5. Transistores JFET y MOSFET. Definiciones. Regiones de trabajo de los JFETs y MOSFETs.
Curvas características. Análisis en continua. (I. Díaz de Corcuera)
Programa (ii)
6. Circuitos de polarización de los transistores. Cálculo de los puntos de trabajo. Redes de
polarización. Estabilidad del punto de trabajo. Variación con la Tª de los diferentes
parámetros. (I. Díaz de Corcuera)
7. Amplificadores de pequeña señal. Circuitos equivalentes en pequeña señal. Definiciones
básicas. Análisis de las configuraciones básicas de una y varias etapas. (I. Díaz de Corcuera)
Electrónica digital y microcontroladores
8. Introducción a la Electrónica Digital. Sistema binario. Códigos numéricos. Algebra de Boole.
Funciones lógicas elementales. Familias lógicas. (L.A. Aguado)
9. Introducción a los microcontroladores, funcionamiento básico, registros, contador de
programa, pila y funcionamiento de las interrupciones. (J.M. Gil-García)
Electrónica de potencia
10. Introducción a la Electrónica de Potencia. Somera descripción de componentes de potencia
y de los convertidores básicos. (J. Sánchez)
Aplicaciones
11. Aplicaciones de la Electrónica en la Industria. (J. Sánchez)
Horarios
Como norma informarse de los establecidos oficialmente (página de la EUI)
TEORÍA
GRUPO 1:
Lunes 11:30-12:30 y Jueves 10:30-12:30
GRUPO 2:
Lunes 10:30-11:30 y Martes 10:30-12:30
PRÁCTICAS
Horario de 15:30 a 17:30 Lunes a Jueves según grupo y en semanas alternas. Se concretarán
en las primeras semanas del curso.
Cada grupo ha de asistir a 6 sesiones de prácticas en laboratorio.
MES DE SEPTIEMBRE
Planificación de clases
Septiembre Grupo 1
L
M
X
J
V
S
D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
21
22
23
28
29
30
Jesús
Jesús
Iñaki
17
18
19
Iñaki
20
Iñaki
Iñaki
24
Iñaki
25
26
27
Iñaki
Iñaki
MES DE SEPTIEMBRE
Planificación de clases
Octubre Grupo 1
L
M
X
J
V
S
D
1
2
3
4
5
6
7
12
13
14
19
20
21
26
27
28
Iñaki
Iñaki
Iñaki
8
9
10
Iñaki
11
Iñaki
Iñaki
15
16
17
Iñaki
18
Iñaki
Iñaki
22
23
24
30
31
Iñaki
29
Iñaki
25
Planificación de clases
Noviembre Grupo 1
L
5
M
6
X
7
Iñaki
12
13
14
Luis
Angel o
Iñaki
S
D
2
3
4
8
9
10
11
16
17
18
23
24
25
15
Luis
Angel o
Iñaki
Luis
Angel o
Iñaki
20
21
Luis
Angel o
Iñaki
26
V
1
Luis
Angel o
Iñaki
Luis
Angel o
Iñaki
Luis
Angel o
Iñaki
19
J
22
Luis
Angel o
Iñaki
Luis
Angel o
Iñaki
27
28
29
Josemi
Josemi
30
MES DE SEPTIEMBRE
Planificación de clases
Diciembre Grupo 1
L
3
M
X
J
V
S
D
1
2
4
5
6
7
8
9
11
12
13
14
15
16
21
22
23
28
29
30
Josemi
10
Josemi
Josemi
Jesus
17
18
19
Jesus
20
Jesus
Jesus
24
31
25
26
27
Evaluación
Según la guía de la asignatura:
La asignatura constará de una evaluación teórica y otra práctica de los conocimientos
adquiridos durante el curso.
La parte de Teoría se dividirá en un 10% evaluación continua y un 90% evaluación en examen
final.
Una vez superada la evaluación de la Teoría se realizará un examen de prácticas, pudiendo
ser esta parte superada con la asistencia y aprovechamiento de las sesiones de laboratorio.
Bibliografía
•
•
•
•
•
Apuntes-Transparencias de Electrónica Básica. Iñaki Díaz de Corcuera.
Principios de Electrónica. Malvino. Edit Mc Graw Hill.
Electrónica analógica para ingenieros. Pleite. Edit Mc Graw-Hill
Circuitos Microelectrónicos. Sedra y Smith. Edit Oxford.
Problemas de Electrónica. Varios aut. Edit Marcombo
•
http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/
•
http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/html.files/LibroWeb.html
Electrónica
Sistemas electrónicos
Ejemplos de aplicación
Ejemplos
[email protected]
Ejemplos
Regulación de velocidad o par de motores eléctricos.
Ejemplo: en un tren de laminación se ha de regular
velocidad de cientos de motores de gran potencia
Fuentes de alimentación para todo tipo de aplicaciones.
Mercado de gran volumen con fuertes requisitos de
eficiencia, fiabilidad y coste
[email protected]
Ejemplos (energías renovables)
Ejemplo importante: penetración de la
electrónica en el automóvil
En las últimas décadas la electrónica ha pasado a suponer un porcentaje elevado
del coste de un automóvil, las previsiones son que este porcentaje siga creciendo,
y puede llegar a ser la tecnología dominante en los vehículos híbridos o eléctricos
Un Mercedes clase S incluye más de 70 microcontroladores distribuidos en distintos puntos del vehiculo
(M. Santarini. "Design Challenges steer automotive electronics". EDN January 5,2006)
[email protected]
La electrónica en el transporte
Fuente: http://www.scgyjt.net/intelligent-transport-systems.html
[email protected]
© Prisma Sense
Salud: La electrónica es una de las tecnologías determinantes en el
futuro de los sistemas de diagnóstico y tratamiento
© Prisma Sense
[email protected]
Edificios inteligentes: el control electrónico es fundamental para la
evolución hacia la edificios seguros y con alta eficiencia energética
© Prisma Sense
[email protected]
Agricultura y ganadería: ya está penetrando de forma importante en
el control y gestión inteligente de cultivos y ganado
© Prisma Sense
[email protected]
Electrónica y electrónica industrial
•
•
•
•
•
Se suele definir la electrónica como la rama de la ciencia y la tecnología relacionada con el estudio
y desarrollo de sistemas basados en el control del movimiento microscópico de partículas cargadas
(electrones).
Pero se ha de diferenciar de la electrotecnia y electricidad clásica en el hecho de que en electrónica
el nivel de control, complejidad y variedad de operaciones es superior y en que se basa sobre todo
en dispositivos activos, es decir dispositivos que pueden alterar de forma significativa y bien
controlada las variables eléctricas fundamentales (tensión, corriente, ..)
La primera etapa en la historia de la electrónica (desde principios a mediados del siglo XX) se
fundamentó sobre la tecnología de válvulas de vacío, en la que movimiento de cargas (electrones)
se producía por corriente controlada en el vacío (emisión termoiónica).
A mediados del siglo XX y con el descubrimiento del transistor la electrónica inició una segunda
etapa basada en el control de conducción de partículas (electrones, huecos) en dispositivos sólidos
(en la actualidad el Silicio es el material dominante). Es la conocida como electrónica del estado
sólido que es la dominante en la actualidad.
La especialidad de electrónica industrial hace referencia a la aplicación de la electrónica en los
sistemas industriales de fabricación y proceso y en los dispositivos, sistemas y equipos
manufacturados. Clásicamente se ha distinguido de la electrónica física y o del estado sólido (más
orientada al análisis y diseño de dispositivos electrónicos) y de la relacionada con la ingeniería de
telecomunicaciones.
Sistema electrónico. Finalidad
Finalidad de un sistema electrónico:
El diseño y la posterior producción de un sistema electrónico puede obedecer a una
de las siguientes finalidades (o a más de una):
Procesar información
Controlar
Procesar energía
Sistema electrónico como procesador de
información
La información reside en los cambios de las variables (eléctricas en nuestro caso). Una
variable que transporta información se denomina señal.
•
Sistema electrónico como procesador de señal
–
–
Toma una señal débil y la amplifica, manteniendo calidad (televisor, teléfono móvil,....)
Toma una señal corrompida por ruido y la filtra, acondiciona y trata para extraer información de ella
(audio, imagen etc.)
Sistema electrónico como procesador de
información
Dos ramas de la electrónica:
Electrónica Analógica
•
Si una señal puede tomar todos los valores posibles en un intervalo se dice que es continua. Por
el contrario, si toma valores en un conjunto finito o sólo importa si se sitúa en un conjunto finito
de intervalos se dice que es discreta, si ese conjunto se reduce a dos valores se trata de una señal
digital. Se denomina electrónica analógica (también electrónica de baja señal) a la que trata con
señales continuas. En los circuitos analógicos el objetivo fundamental es generar formas de onda
concretas, modificarlas y amplificarlas. Se manejan potencias reducidas. No importa tanto la
eficiencia energética, resulta mucho más importante conseguir una buena fidelidad o calidad en la
conversión. Ejemplos: amplificador de alta fidelidad, electrocardiógrafo,…
•
en la analógica se busca, como objetivo fundamental, la calidad o fidelidad en el tratamiento de
las señales. Por otra parte los niveles de potencia, tensiones y corrientes que se manejan son, en
general, reducidos. El consumo es siempre un factor importante en los dispositivos portátiles, tan
extendidos hoy en día, incluso en la parte analógica de los sistemas electrónicos.
Sistema electrónico como procesador de
información
Dos ramas de la electrónica:
Electrónica Digital
•
•
•
Son sistemas en los que tratan señales electrónicas en los que sólo se distinguen dos posibles niveles
(tensión alta o baja, corriente o no corriente, etc): Utiliza interruptores Electrónica de Conmutación
La electrónica digital es la base del tratamiento moderno de la información. Ejemplos: ordenador,
microcontroladores incluidos en todo tipo de sistemas,..., en la actualidad invade aplicaciones que
clásicamente se resolvían con electrónica analógica (aunque siempre será necesaria ésta última en las
etapas de captación de variables físicas y amplificación inicial).
Para muchas aplicaciones la utilización de información de tipo digital proporciona una mayor precisión
que la analógica, es menos sensible al ruido y, además, el número de operaciones básicas a realizar con
variables digitales es muy reducido. De esta forma un sistema digital se consigue mediante la
interconexión de multitud de circuitos básicos de un número reducido de tipos fundamentales. Todo lo
anterior, unido a la extraordinaria velocidad con que puede ser procesada la información digital, hace
que el proceso digital haya invadido gran número de aplicaciones y sea la base fundamental de la
denominada “era digital”.
Sistema electrónico como procesador de
información
En muchos casos coexisten ambas soluciones:
Ejemplo:
Las señales biológicas son muy débiles y han de ser amplificadas evitando ruidos
que las enmascaren para luego poder procesarlas por el sistema digital y obtener
información útil para diagnóstico médico
El sistema electrónico como sistema de
control
•
Capta estado del medio que controla, actúa para mantener o llevar ese
medio a un estado prefijado o solicitado por una consigna o programa.
– (Piloto automático, regulación de un horno, maniobra de un
ascensor....)
•
Realizado mediante sistemas electrónicos analógicos o digitales
Sistema electrónico como procesador de
energía
•
•
•
•
•
La finalidad es modificar los parámetros de la energía que viene “empaquetada” de forma
adecuada para su distribución o almacenamiento para adecuarlos a los requisitos de los
sistemas que la consumen (ejemplo: pasar de 230V a 5V para cargar un móvil).
Requisito: que sea altamente eficiente
Los elementos que componen el sistema electrónico de potencia deben ser eficientes
Electrónica de conmutación.
Pero a diferencia de la electrónica digital, como la finalidad es diferente, los interruptores y
la forma de operarlos son diferentes.
Dos campos de aplicación:
– Altas energías (control de motores, hornos industriales, aplicaciones industriales y de
distribución o producción eléctrica
– Bajas energías y muy alta eficiencia: cargadores, adecuadores de tensión,
alimentadores, etc.
Sistema electrónico como procesador de
energía
Estructura:
Convertidor
conmutado
(interruptores)
El circuito de
control se basará
en electrónica
analógica o digital
Ejemplos de conversión electrónica de energía
Fuentes de alimentación
Regulador de velocidad de motor
Planta de energía de un satélite artificial
Análisis y diseño de circuitos y sistemas
electrónicos
Análisis: dada la señal Ve aplicada al circuito de
la figura, determinar cómo será la señal Vs
Al igual que en otras
ramas de la ingeniería, en
electrónica el análisis es
una etapa más rutinaria y
sencilla, y el diseño es
más creativo y el objetivo
fundamental de la
ingeniería
Diseño: Diseñar un circuito tal que al
serle aplicadas como entrada la señal V1
se obtenga como señal de salida la V2
Magnitudes y variables fundamentales en
electrónica
Campo y potencial eléctricos
F = q.E
•
•
•
•
•
Las cargas eléctricas establecen un campo de fuerza.
La
intensidad de campo es fuerza por unidad de carga situada en
dicho campo. El campo eléctrico es una magnitud vectorial
El potencial eléctrico define la cantidad de energía potencial
almacenada en cada punto de un campo eléctrico o, de otra
forma, puede describirse como la cantidad de energía (trabajo)
necesaria para transportar una carga unitaria desde un punto de
referencia hasta el punto concreto del campo en que se mide el
potencial.
La unidad de potencial es el julio/culombio o voltio (V).
El potencial eléctrico es una de las magnitudes fundamentales
que se utilizarán en el análisis de circuitos eléctricos y
electrónicos. (variables normalente utilizadas: u o v)
Siempre se expresa respecto a un punto de referencia o como
diferencia de potencial entre dos puntos
v1 es el potencial del punto 1
respecto al punto de referencia
v2 es el potencial del punto 2
respecto al punto de referencia
v=v1-v2 es el potencial del punto
1 respecto al punto 2, los
símbolos + y – se asocian a v, se
señala con + el punto de mayor
potencial suponiendo que v>0
Corriente eléctrica
•
•
•
•
Cuando se aplica una diferencia de potencial en un punto de un
circuito eléctrico las cargas pueden desplazarse a través de
dicho circuito buscando el equilibrio de carga, se produce así
un movimiento de cargas.
El flujo de carga por unidad de tiempo se mide en
Culombios/segundo o amperios (A) y dicha magnitud se
denomina corriente eléctrica.
Será la segunda magnitud fundamental que se utilizará en el
análisis de circuitos eléctricos y/o electrónicos. La corriente
eléctrica aparece como un flujo entre dos puntos de un circuito
conectados por un elemento más o menos conductor. Variable
normalmente utilizada: i
En circuitos eléctricos la carga que se desplaza es normalmente
negativa (electrones) que se mueven en el sentido contrario al
convencional para la corriente positiva.En los dispositivos
electrónicos la carga que se desplaza puede ser negativa o
positiva. Se profundizará en estos conceptos al ver electrónica
física
La corriente i circula entre los
puntos 1 y 2 del circuito. Se
supone que el sentido de
circulación
de
la
carga
(positiva) es el de la flecha
cuando i>0
Magnitudes fundamentales
•
•
•
•
•
•
El potencial eléctrico y la corriente eléctrica son las dos magnitudes fundamentales a tener en cuenta
en el análisis de circuitos electrónicos.
El potencial eléctrico se mide en voltios (V) y sus múltiplos y submúltiplos según el sistema
internacional de unidades (SI).
La corriente eléctrica se mide en amperios (A) y sus múltiplos y submúltiplos según el SI.
Las diferencias de potencial y corrientes en distintos nodos o ramas de un circuito se representarán
como variables dependientes del tiempo: v(t) , i(t)
La potencia eléctrica instantánea absorbida o cedida por un circuito electrónico entre dos puntos dados
es el producto de la diferencia de potencial y la corriente entre esos dos puntos.
p(t)=v(t).i(t) . La
unidad de potencia es el vatio (W)
La integral en el tiempo de potencia determina la energía que se ha entregado o extraído del circuito. La
unidad de energía es el joule o julio (J)
Señales y formas de onda
Variables, señales y formas de onda
•
•
•
Las variables de un circuito, como el potencial eléctrico en un punto o la corriente
eléctrica en un conductor son, en Gen., variantes en función del tiempo. Se pueden
expresar, por tanto, como funciones del tiempo: v(t), i(t).
Se utilizarán letras minúsculas para simbolizar los valores instantáneos de estas
magnitudes cuando varían en el tiempo.
A un potencial o corriente eléctricos que varía con el tiempo se le denomina de forma
genérica señal y al perfil que sigue dicha evolución en el tiempo forma de onda. Entre las
formas de onda no periódicas más típicas se encuentran el escalón, la rampa y el pulso.
Señales periódicas. Periodo
•
En electrónica van a tener particular importancia las señales que se repiten de
forma periódica. Una señales de onda a(t) se dice que es periódica con periodo
T, si se puede encontrar un valor T tal que se verifica a(t+T)=a(t) para cualquier
instante t. El mínimo valor T que cumple la condición anterior se denomina
periodo propio o fundamental, cualquier múltiplo entero de T también será un
periodo.
Señales periódicas. Frecuencia
•
•
•
Ciclo es la parte de la una forma de onda periódica comprendida en un
intervalo igual al periodo fundamental, por ejemplo en el intervalo (t, t+T)
Frecuencia de una onda periódica es el número de ciclos que tienen lugar en la
unidad de tiempo , así pues siendo f la frecuencia se tiene que f=1/T. El periodo
se mide en segundos (s), normalmente se utilizan submúltiplos, dado el rango
de tiempos usual en electrónica: milisegundos, microsegundos etc.
La frecuencia se mide en hercios (Hz) o ciclos por segundo, normalmente se
utilizarán múltiplos (kilohercio, megahercio, ..)
1
f =
T
Señales periódicas. Fase. Valores de pico
•
•
•
Se denomina fase a la fracción de periodo que transcurre desde un instante que
se toma como referencia. Dos ondas periódicas de igual forma y frecuencia
pueden diferenciarse en fase. Se dice que una adelanta o retrasa en fase a la
otra, tomando siempre diferencias de fase iguales o inferiores a T/2
Valores de pico o cresta: son los valores máximo y mínimo que toma la función.
Se designan, para una onda a, como Ap+ y Ap-, respectivamente
Valor pico a pico: diferencia Ap+- Ap-
Señales periódicas. Valores promedio
•
•
•
Valor medio: Es el promedio integral en un periodo, para una onda a se
designa como Am
Valor eficaz: es la raíz cuadrada del valor medio del cuadrado de la función en
un periodo, para una onda a, se designa como A. Este valor es muy importante
en análisis de potencias y energías en circuitos. Nótese que aunque el valor
medio puede ser nulo, el valor eficaz nunca lo será para una onda no nula.
Factor de forma: relación entre valor eficaz y medio fforma= A/Am
1
Am =
T
t 0 +T
∫ a(t ).dt
t0
1
A=
T
t0 +T
2
a
(
t
)
∫ .dt
t0
Ondas senoidales
•
•
Las formas de onda senoidales o sinusoidales siguen una función sinusoidal o
sinusoide en el tiempo
La ecuación para una forma de onda sinusoidal es: a(t)= Ap. sen (ω
ω.t + ϕ ) en
ella: Ap es la amplitud o valor de pico. ω es la pulsación, ω.t + ϕ es el ángulo
de fase en un instante t dado, ϕ es la fase inicial. El periodo T satisface la
relación ω.T=2π
π, luego se tiene ω=2π
π / T = 2π
πf
En electrotecnia se
utiliza en muchos casos
como referencia la
función coseno en lugar
de la función seno. No
existe diferencia
fundamental entre
ambos criterios.
Ondas senoidales. Valores promediados
•
•
•
El valor de pico coincide con la amplitud
Ap
El valor de pico a pico es 2.Ap
El valor medio en un periodo es cero. Se
suele utilizar el valor medio de
semiperiodo o el valor medio del valor
absoluto de la onda u onda rectificada .
Con ese criterio los valores medio y
eficaz son:
2. Ap
Am =
T
T /2
∫
0
 2π
sen
 T
π
Ap
Ap
2

α
α
π
.t dt =
sen
.
d
=
(cos
0
−
cos
)
=
Ap
∫
π 0
π
π

π
π
2
1
1 α sen2α 
Ap
 2π 
A=
Ap 2 . ∫ sen 2  .t dt = Ap
.∫ sen 2α .dα = Ap
−
=
T
4  0
π 0
π  2
2
T 
0
T /2
fforma =
π
2 2
= 1,11