TEMA: ELECTRÓNICA ANALÓGICA.

I.E.S. “PEDRO ESPINOSA”
ANTEQUERA
DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA
TEMA: ELECTRÓNICA ANALÓGICA.
INTRODUCCIÓN:
La electrónica es una de las herramientas más importantes de nuestro entorno. Se encuentra en muchos
aparatos y sistemas como por ejemplo: radio, televisión, ordenador, vídeo, teléfono, etc.
SISTEMA ELECTRÓNICO
Un sistema electrónico está formado por varios componentes electrónicos, de tal forma que si se le aplica
una señal de excitación a la entrada, el sistema proporciona una respuesta a la salida. Se puede
representar mediante un diagrama de bloques:
ENTRADA
SISTEMA
ELECTRÓNICO
SALIDA
1. COMPONENTES ELECTRÓNICOS
La mayoría de los circuitos electrónicos están formados por un gran número de componentes. Se pueden
distinguir dos grandes grupos de componentes electrónicos: los componentes pasivos (resistencias,
condensadores y bobinas), y los componentes semiconductores (diodos, transistores, circuitos integrados,
etc.).
1.1. Resistencias.
Es un operador o componente electrónico que se opone al paso de la corriente eléctrica. Su valor depende
de su longitud (l) , de su sección (S) y de un parámetro que depende del material con el que se fabrica,
llamado resistividad del material (ρ). La fórmula para calcular su valor es:
R=ρ•
l
S
Su símbolo:
Su unidad de medida es el ohmio (Ω), pero como es una unidad muy pequeña, se utilizan algunos múltiplos,
como el kiloohmio (kΩ = 1.000Ω) y el megaohmio (MΩ = 1.000.000Ω).
Es muy importante saber la Ley de Ohm, que dice así:
La intensidad de corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional a
la tensión aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia que éste
ofrece al paso de la corriente eléctrica.
Su expresión es:
I =
V
R
Sus unidades son: I = intensidad de corriente en Amperios (A),
miliamperios (mA).
V = tensión ó voltaje, en Voltios (V), milivoltios (mV).
¿Para qué sirven las resistencias? Se suelen utilizar para ajustar la tensión que debe soportar un
componente o para limitar la intensidad de corriente que circula por él.
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2.) Para limitar la intensidad de corriente que
circula por un componente, hay que instalar la
resistencia en paralelo con él.
1.) Para ajustar la tensión que actúa sobre un
componente hay que instalar una resistencia en
serie con él.
EJERCICIOS PRÁCTICOS:
1.- a.) Calcula el valor óhmico de la resistencia de un conductor de cobre de 500m de longitud y 1 mm2 de
sección (resistividad del cobre: ρ = 1,72 · 10-8 Ω·m).
b.) Calcula el valor óhmico de la resistencia de otro conductor de cobre de 1 km de longitud y 2 mm2 de
sección (resistividad del cobre: ρ = 1,72 · 10-8 Ω·m).
c.) ¿Cuál de los dos conductores anteriores tiene mayor resistencia? ¿Por qué?
2.- Calcula un posible valor para la resistencia R, de
tal forma que en las lámparas, la Vmáx = 10V.
¿Qué ocurriría si la resistencia R tiene un valor de 100Ω?. Justifica tu respuesta.
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3.- Calcula un posible valor para la resistencia R, de
tal forma que se limite la intensidad de la lámpara 2 a
Imáx = 0,05 A.
¿Qué ocurriría si la resistencia R tiene un valor de 600 Ω?. Justifica la respuesta.
1.2. Condensadores.
Un condensador es un operador o
componente eléctrico formado por dos
placas metálicas, denominadas armaduras,
que se encuentran separadas por un
material aislante, denominado dieléctrico.
Condensadores cerámicos.
Condensadores electrolíticos.
La misión de un condensador es almacenar carga eléctrica para suministrarla en un momento determinado.
La capacidad C de un condensador depende:
de la superficie de las armaduras (S),
de la distancia que las separa (d)
y de una constante llamada dieléctrica (ε) que depende
del material con el que se hace el dieléctrico (papel,
cerámica, aire, etc.), según la expresión:
C =ε •
S
d
Esta capacidad se define como el cociente entre la carga eléctrica
Q que puede almacenar y el voltaje V que existe entre las
armaduras.
C=
Q
V
Su unidad es el faradio (F), pero al tratarse de una unidad muy
grande, en electrónica se usan algunos submúltiplos como:
Microfaradio (μF); nanofaradio (nF) y picofaradio (pF)
1 μF = 10-6 F ; 1 nF = 10-9 F ;
1 pF = 10-12 F.
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Estructura, símbolos y apariencia de
un condensador.
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¿Cómo funciona un condensador?
Para conocer su funcionamiento, debemos suponer que está descargado y se conecta en serie con una
resistencia y con una fuente de alimentación continua. Tal y como muestra el siguiente circuito:
En la posición (1) del
conmutador, el condensador
se va cargando a través de la
resistencia R, hasta alcanzar
el valor Vc = Condensador
cargado.
Si una vez cargado el
condensador, ponemos el
conmutador en la posición
(2), el condensador se
descarga a través de la
resistencia.
Las curvas de carga y descarga de un condensador se representan mediante el siguiente diagrama:
De esta curva se deduce que cuanto mayor capacidad tenga un condensador, mayor cantidad de carga
eléctrica podrá almacenar.
El tiempo que tarda un condensador en cargarse, viene dado por la siguiente expresión:
τ = R•C
Ö
t c arg a = 5 • τ Ö
es decir:
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t c arg a = 5 • R • C
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EJERCICIOS PRÁCTICOS:
(EJERCICIO DE EXAMEN)
4.- En el siguiente circuito R-C serie, se ha insertado un voltímetro y un amperímetro para medir la
tensión en el condensador y la intensidad que circula.
a.) Calcula estos valores A y V.
b.) ¿Qué carga almacenará el
condensador?
c.) ¿Qué tiempo tardará en
cargarse el condensador?.
(EJERCICIO DE EXAMEN)
5.- En el siguiente circuito R-C serie, se ha insertado un voltímetro y un amperímetro para medir la
tensión en el condensador y la intensidad que circula.
a.) Calcula estos valores A y V.
b.) ¿Qué carga almacenará el
condensador?
c.) ¿Qué tiempo tardará en
cargarse el condensador?.
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6.- En el siguiente circuito RC serie, el voltímetro marca V = 12 voltios. Calcula el valor que marca el
amperímetro y la capacidad del condensador.
7.- Calcula la carga capaz de almacenar el condensador del ejercicio 6 y su tiempo de carga.
8.- Calcula la capacidad de un condensador que es capaz de almacenar una carga eléctrica de 6,25 · 1014 econ una tensión entre sus bornes de 10 V. (Debes saber que 1 culombio C = 6,25 · 1018 e- ). (Sol.: 10 μF)
9.- Calcula la capacidad de un condensador sabiendo que su constante dieléctrica vale ε = 2,65 · 10-11 F/m,
que su separación entre armaduras es de 0,02 mm, y que la superficie de las mismas es de 0,755 m2.
(Sol.: 1 μF)
10.- ¿Cuánto tiempo tardará en
totalmente el condensador del circuito?.
(Sol.: 11 segundos)
cargarse
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1.3. Bobinas.
Una bobina es un componente eléctrico formado
por un conductor arrollado de forma cilíndrica. En
algunos casos, el conductor se arrolla sobre un
núcleo magnético; en otros casos, el núcleo es
aire.
Los hilos de cobre deben estar aislados con
esmalte para evitar el contacto entre ellos.
La misión de una bobina es almacenar energía
eléctrica de forma magnética para cederla en un
momento determinado.
La autoinducción (L) de una bobina, depende:
del número de espiras que forman el arrollamiento (N),
del flujo magnético que la atraviesa (Φ)
y de la intensidad de corriente que la recorre (I).
Su expresión es
Ö
L=
N •φ
I
La unidad de autoinducción es el henrio (H), pero, como también se
trata de una unidad muy grande, en electrónica, se usan algunos
submúltiplos como el milihenrio (mH) y el microhenrio (μH).
1 mH = 10-3 H ;
1 μH = 10-6 H
El funcionamiento de una bobina es el siguiente: supongamos un
circuito R-L serie como el de la figura, al cerrar el interruptor
se produce una circulación de corriente eléctrica que a través
de la R carga la bobina y genera un campo magnético.
AMPLIACIÓN: Desde principios del siglo XIX se sabe que un campo
magnético es capaz de generar una corriente eléctrica en un
conductor que se desplaza por su interior. De modo semejante, las
corrientes eléctricas en movimiento son capaces de generar un campo
magnético.
Estos
fenómenos
constituyen
la
base
del
electromagnetismo.
En el caso de las bobinas, cuando circula por ellas una corriente eléctrica, se genera un campo magnético
cuyas líneas de fuerza pasan por su interior, tal y como se muestra en la figura.
Cuando varía la intensidad de corriente varía también el flujo magnético, y esta variación determina la
aparición de una corriente inducida que se opone a la variación del campo. A este fenómeno se le conoce
con el nombre de autoinducción.
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2. COMPONENTES ELECTRÓNICOS SEMICONDUCTORES.
Dentro de este grupo de componentes nos encontramos como más importantes: el diodo, los transistores y
los circuitos integrados.
2.1. El Diodo.
Es uno de los componentes más usados en los circuitos electrónicos. Está formado por la unión de dos
cristales semiconductores, uno tipo N, llamado cátodo, y otro de tipo P, llamado ánodo. El semiconductor
usado para formar diodos es el Silicio (Si).
El símbolo de un diodo es:
Cuando se conecta a una fuente de alimentación de corriente continua, el diodo actúa como un componente
unidireccional, es decir, deja pasar la corriente sólo en un sentido. Según la forma de conectarlo al
circuito, distinguiremos entre polarización directa y polarización inversa.
POLARIZACIÓN DIRECTA
POLARIZACIÓN INVERSA
Se produce cuando el polo positivo de la fuente
de alimentación se une al ánodo, y el negativo, al
cátodo, y se intercala una resistencia R en serie
con el diodo.
En este caso, el diodo se comporta como un
conductor y deja pasar la corriente eléctrica.
Se produce cuando el polo negativo de la fuente
de alimentación se une al ánodo, y el positivo, al
cátodo, y se intercala una resistencia R en serie
con el diodo.
En este caso, el diodo se comporta como un
aislante y no permite el paso de la corriente
eléctrica.
El diodo LED
Se trata de un diodo emisor de luz. Cuando se encuentra en
conducción (polarizado directamente), la energía generada se libera
en forma de radiación electromagnética visible. En la figura se puede
ver el aspecto real de un diodo LED y su símbolo.
Se
fabrican
como
pequeñas
lámparas, generalmente de color
rojo, amarillo o verde. También
constituyen los segmentos luminosos
de los números o letras en los
displays, empleados en multitud de
aparatos electrónicos.
Diodo LED
Displays 7 segmentos y diodos LED’s
IMPORTANTE:
La tensión umbral o de conducción de un diodo LED suele estar comprendida entre 1,8 y 2 V. Para la
protección del diodo se coloca en serie una resistencia encargada de limitar la tensión en el diodo LED.
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EJERCICIOS PRÁCTICOS:
11. En el circuito de la figura, calcula la
intensidad de corriente que circulará a
través del diodo D, sabiendo que su tensión
umbral es Vγ = 0,7 v. (Sol.: 10 mA)
12. En el circuito de la figura, calcula la resistencia de
protección del diodo LED, así como su potencia,
sabiendo que la tensión umbral de éste es de 2 V y que
la intensidad que ha de circular por el elemento ha de
ser de 12,5 mA. (Sol.: R = 560Ω; P = 87,5 mW).
13. Calcula la resistencia R a colocar en serie con un diodo
LED para que circule por él una intensidad de corriente de 20
mA, si la tensión de alimentación del circuito es de 9 V.
Considera la tensión umbral del diodo Vγ = 2 v. Determina
también la potencia disipada por el diodo y la resistencia.
(Sol.: R = 350Ω; PR = 0,14 W; PD = 0,04 W).
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14. Calcula las intensidades de corriente por los diodos
LED en el siguiente circuito. (Sol.: I = 30 mA).
15. Calcula las intensidades de corriente por los diodos
LED en el siguiente circuito. (Sol.: I1 = I2 = 20 mA).
2.2. Transistores.
Son los componentes electrónicos más importantes que existen y uno de los más versátiles. Existen 2
clases de transistores: los transistores bipolares y los transistores de efecto campo. (Este curso
estudiaremos en más profundidad los primeros, dejando los transistores de efecto campo para cursos
posteriores.)
Los transistores bipolares están formados por la unión de 3 cristales semiconductores. Según la
combinación de éstos, pueden ser de dos clases: NPN Y PNP. De cada uno de los cristales sale un terminal
que permite conectar físicamente el componente al circuito. Los 3 terminales se denominan base (B),
emisor (E) y colector (C).
Imagen Real
Símbolo de un NPN
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Imagen Real
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Símbolo de un PNP
Los transistores de efecto campo están formados por un sustrato de material semiconductor sobre el
que se difunden dos islas de material semiconductor de diferente dopado. Los terminales se denominan
surtidor (S), drenador (D) y el tercero que gobierna la conductividad de los 2 anteriores, llamado puerta
(G).
Existe una amplia variedad de transistores por efecto de campo. Los más abundantes, son los MOS (Metal
Óxido Semiconductor). Como los anteriores, también pueden ser de dos tipos: de canal N y de canal P.
Imagen Real
Símbolo:
Imagen Real
Símbolo:
REGIONES DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSISTOR BIPOLAR.
Básicamente, el transistor podrá trabajar en tres regiones de funcionamiento, llamadas CORTE, ACTIVA
y región de SATURACIÓN.
⇒ Región de CORTE.
Se caracteriza porque tanto la unión base-emisor como la unión base-colector están polarizadas
inversamente. En estas condiciones, las intensidades de corriente por el transistor son prácticamente
nulas y se dice, entonces, que el transistor no conduce.
I B = IC = I E = 0
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⇒ Región ACTIVA.
En esta región se debe polarizar en directo la unión B-E y en inverso la unión B-C. En este caso las
intensidades de corriente no son nulas y la tensión C-E está comprendida entre 0,2v y la tensión de
alimentación.
IC = β • I B
Ecuación Fundamental del Transistor.
⇒ Región SATURACIÓN.
En esta región de trabajo el transistor conduce plenamente y la tensión C-E está en torno a 0,2 v. Para que
esto ocurra las uniones B-E y B-C deben estar polarizadas en directo.
En esta zona no se cumple la ecuación fundamental del transistor, sino que se cumple:
IC ≤ β • I B
En la siguiente tabla, se muestra un resumen de las características más importantes de las diferentes
regiones de funcionamiento del transistor NPN, en lo que concierne a tensiones e intensidades de
corriente.
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ESTUDIAR RAZONADAMENTE:
IC
IB
VCE
VBE
Corte
0
0
VCC
< 0,7 v
Activa
β · IB
IC / β
VCC ≥ VCE ≥ 0,2 v
≥ 0,7 v
≤ β · IB
≥ IC / β
≈ 0,2 v
≥ 0,7 v
Saturación
Para el caso de un transistor PNP, los valores de tensión estarían cambiados de signo.
EJERCICIOS PRÁCTICOS:
16. En el circuito de la figura, la resistencia de colector
RC es de 500Ω y la ganancia de corriente del transistor es
β = 70. Determina el valor de la resistencia de base para
que la tensión colector-emisor (VCE) sea de 5 V si se
dispone de una fuente de alimentación VCC = 12 v.
(DATO: VBE = 0,7 v).
(Solución RB = 56.500 Ω ≈ 56 kΩ).
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17. El circuito de la figura se alimenta con una señal cuadrada de 0 a 5 voltios de amplitud. Se trata de
determinar el valor de las resistencias RB y RC para que el transistor trabaje en conmutación; es decir,
esté cortado cuando la tensión de entrada sea nula y saturado cuando sea de 5 voltios.
Se dispone de una fuente de alimentación VCC de 5
v y un transistor del tipo BC547 cuya intensidad
de colector en saturación se desea que sea IC(sat) =
10 mA.
(DATOS: Los parámetros del transistor son:
VBE(sat) = 0,7 v; VCE(sat) = 0,2 v; β = 100. )
(Solución: RB = 43 kΩ pero 39 kΩ en el comercio;
RC = 480 Ω)
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18. El transistor del circuito funciona en conmutación; es decir,
pasa de corte (con el interruptor cerrado) a saturación (con el
interruptor abierto). Se trata de calcular las intensidades de
corriente y las tensiones en el transistor sabiendo que β = 60;
VCE(sat) = 0,2 v ; VBE(sat) = 0,7 v.
(Sol.: a.- En Corte: IB = IC = 0 mA.; VBE = 0v; VCE = VCC = 30 v.
b.- En Saturación : IB = 0,293 mA ; IC = 14,9 mA)
19. En el circuito de la figura indica en qué estado se encuentra trabajando el transistor.
(DATOS: β = 100; VCE(sat) = 0,2 v.; VBE = VBE(sat) = 0,7 v).
(Solución: En saturación Ic = 4,45 mA; IB = 0,107 mA).
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20. En el circuito de la figura indica en qué estado se encuentra trabajando el transistor.
(DATOS: β = 100; VCE(sat) = 0,2 v.; VBE = VBE(sat) = 0,7 v).
(Solución: En activa Ic = 0,789 mA; IB = 7,89 μA).
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