IES PABLO RUIZ PICASSO – EL EJIDO (ALMERÍA) – CURSO 2013-2014

UNIDAD DIDÁCTICA: ELECTRÓNICA ANALÓGICA

1.- INTRODUCCIÓN La electrónica es una parte de la electricidad que estudia el funcionamiento de los circuitos formados por una serie de componentes llamados semiconductores. Los materiales semiconductores tienen un comportamiento intermedio entre los aislantes y los conductores y se construyen básicamente de silicio, selenio y germanio. Gracias a la electrónica se pueden realizar de forma automática procesos muy complejos utilizando pequeños circuitos. Existe en el mercado una gran variedad de circuitos electrónicos que desempeñan diferentes funciones. Todos ellos están formados por un conjunto de componentes que se diferencian por su forma, su función y sus características. Algunos de estos componentes son conocidos porque también intervienen en los circuitos eléctricos

(componentes

pasivos).

Otros

son

específicos

de

los

circuitos

electrónicos

(semiconductores). Entre los componentes pasivos podemos destacar las resistencias y los condensadores. Dentro de los componentes electrónicos los más importantes son el diodo y el transistor aunque existen otros como el diodo LED, la LDR, las termorresistencias, etc. Al igual que sucede en los circuitos eléctricos, cualquier circuito electrónico se representa mediante esquemas en los que aparecen los símbolos de los diferentes componentes.

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2.- CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS CIRCUITOS ELECTRÓNICOS - Trabaja con corriente continua - Las tensiones de trabajo son bajas. Existe una clara diferencia entre electricidad y electrónica. Mientras que con la primera las tensiones de trabajo oscilan entre los 220 V (doméstica) y 380 (industrial), y en pocas ocasiones inferiores a 12 V, así como las intensidades del orden o superiores a 1 amperio, en la electrónica hablamos de tensiones como máximo de 12 voltios e intensidades típicas del orden de miliamperios (mA). - Combina componentes muy variados, en especial, aquellos construidos con materiales semiconductores. - Su tecnología es previa a la de los sistemas informáticos.

3.- MAGNITUDES Las mismas que utilizamos en los circuitos eléctricos ya que utilizan la misma energía, es decir, la energía eléctrica. MAGNITUD Y SÍMOLO

UNIDAD Y SÍMBOLO

INTENSIDAD (I)

AMPERIO (A)

FÓRMULAS PARA SU CÁLCULO Ohm Definición

I 

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V R

I 

V  IxR

APARATOS DE MEDIDA Y SU SÍMBOLO AMPERÍMETRO

Q t

TENSIÓN (V)

VOLTIO (V)

RESISTENCIA (R)

OHMIO (Ω)

POTENCIA (P)

VATIO (W)

P  VxI

VATÍMETRO

ENERGÍA (E)

VATIO-HORA (Wh)

E  Pxt

CONTADOR

R

V I

VOLTÍMETRO

ÓMETRO U OHMIMETRO

4.- COMPONENTES ELECTRÓNICOS

4.1.- CLASIFICACIÓN Los componentes electronicos se pueden dividir en dos tipos: 1) Componentes pasivos. Son aquellos componentes que actuan como meros receptores y consumidores de la señal eléctrica. No generan ni ganancia ni control de la senal eléctrica. Los componentes pasivos son resistores, condensadores y bobinas. 2) Componentes activos. Se trata de componentes capaces de generar, modificar o amplificar la senal electrica. Algunos ejemplos de componentes activos son el diodo y el transistor.

4.2.- RESISTENCIAS FIJAS Las resistencias eléctricas juegan un papel fundamental en cualquier circuito eléctrico, porque fijado el voltaje y según la Ley de Ohm, las resistencias controlan el paso de la corriente eléctrica por el circuito. Representación esquemática de las resistencias:

En el siguiente dibujo se ve el aspecto exterior de alguno de los tipos de resistencias.

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Las resistencias electrónicas están fabricadas con un conglomerado de grafito o similar, disponen de dos terminales metálicos para su conexión al circuito y están forradas de material cerámico y a veces barnizadas, con una serie de franjas de colores que indican su valor. ¿Cómo se lee una resistencia? Las dos primeras bandas dan una idea del valor base de la resistencia y la tercera banda nos indica por cuanto hay que multiplicar el valor base anterior para obtener el verdadero valor de la resistencia. La cuarta y ultima banda nos da la tolerancia (Dorado 5%, Plateado 10%, sin color 20%, rojo 2%, marrón 1%). Resumiendo: La primera banda: valor base Segunda banda: valor base Tercera banda: valor multiplicador Cuarta banda: Tolerancia en porcentaje

4.2.- RESISTENCIAS VARIABLES A) RESISTENCIAS AJUSTABLES. POTENCIÓMETROS Las resistencias ajustables son un tipo de resistencias que permiten ser graduadas desde cero a su máxima resistencia. Se utilizan en circuitos que requieren cierta precisión difícil de alcanzar con valores fijos o en circuitos que deban ser ajustados en alguna ocasión para conseguir las máximas prestaciones. 4

Símbolo para representar la resistencia ajustable. Símbolo

Girando la ranura del medio, se va obteniendo más o menos resistencia. Los potenciómetros son un tipo de resistencias ajustables que normalmente se gradúan desde el exterior del aparato electrónico por parte del usuario mediante un mando giratorio o deslizante. Podemos clasificarlos en tres tipos: de película de carbón, de película metálica y bobinados. Ejemplos de potenciómetros los tenemos en los mandos de volumen, color, luminosidad de los televisores, en los controles de un equipo de música, etc.

B)

TERMISTORES

(Resistencias

Dependientes

de

la

Temperatura). Los resistores dependientes de la temperatura o TERMISTORES son resistores cuya resistencia depende de la temperatura a la que se encuentren. Hay dos tipos de termistores: NTC y PTC: - En los NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo) disminuye la resistencia al aumentar la temperatura. - En los PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo) aumenta la resistencia al aumentar la temperatura. Los termistores más habituales son los NTC, y se utilizan como sensores de temperatura en termostatos, termómetros, circuitos de protección de aparatos eléctricos frente a la temperatura, sistemas domóticos, detectores de incendios, etc.

Símbolo eléctrico del termistor. Acompañado de − t indica que es un NTC. Acompañado de + t indica que es un PTC.

C) RESISTENCIAS LDR (Resistencias Dependientes de la Luz). Ciertos materiales como el Selenio varían sus propiedades conductoras cuando varía la intensidad de luz que incide sobre ellos. Este efecto se denomina fotoconductividad. Los resistores

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dependientes de la luz, foto-resistores o LDR (Light Dependent Resistors) son resistores cuya resistencia depende de la luz incidente: - En condiciones de oscuridad o poca luz, su resistencia es muy alta (deja pasar muy poca corriente). - En condiciones de iluminación, su resistencia es muy baja (deja pasar mucha corriente). Las resistencias LDR, también llamadas fotorresistencias, tienen aplicaciones entre las que destacan puertas automáticas de ascensores, control del alumbrado público, alarmas, maquinas detectoras de luz (visión artificial), etc.

D) RESISTENCIAS VDR O VARISTORES (Resistencias Dependientes de la Tensión). Este tipo de resistencia disminuye el valor óhmico al aumentar el voltaje eléctrico entre sus extremos.

4.2.- CONDENSADORES Su funcionamiento se parece al de las pequeñas baterías recargables y, al igual que éstas, son capaces de almacenar y descargar energía eléctrica. Están formados por dos láminas de un material conductor (llamadas armaduras) separadas por un dieléctrico.

La función del condensador consiste en almacenar cargas eléctricas y cederlas en el momento deseado. La propiedad de acumular cargas eléctricas de los condensadores se llama capacidad y 6

se mide en faradios, pero resulta una unidad excesivamente grande, por lo que normalmente se emplean submúltiplos. 1 milifaradio = 1mF = 10-3 faradios 1 microfaradio = 1 µF = 10-6 faradios 1 nanofaradio = 1 nF = 10-9 faradios 1 picofaradio = 1 pF = 10-12 faradios La capacidad expresa la relación existente entre la carga almacenada y la tensión aplicada.

En los circuitos, nos podemos encontrar con dos tipos de condensadores: -

Condensadores polarizados: son aquellos que tienen indicados sus polos, positivo y negativo, y deben conectarse siguiendo su polaridad, ya que en caso contrario el condensador estalla. Además, llevan indicada la capacidad y la tensión máxima a la que puede conectarse. Su símbolo es el siguiente.

-

Condensadores no polarizados: no llevan ninguna indicación y se pueden colocar sin tener en cuenta la polaridad. También llevan indicada la capacidad, aunque en algunos

tipos de condensadores se ha optado por un código de colores parecido al que se emplea para las resistencias. Su símbolo es el siguiente.

Otra clasificación: Condensadores fijos: Aquellos cuya capacidad es única y no se puede regular. Condensadores variables: Aquellos cuya capacidad se puede regular de forma manual.

A) CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR.

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Para entender el funcionamiento de un condensador lo vamos a someter a la carga y descarga del mismo en serie con una resistencia.

Cuando cerramos el circuito de carga el condensador se carga hasta alcanzar casi 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 R1, siguiendo la fórmula:

t1= 5*R1*C

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 y de la resistencia de descarga R2. 8

t2= 5*R2*C Una de las aplicaciones más comunes para los condensadores son los temporizadores, esperar hasta que el condensador se cargue o descargue. Por ejemplo:

Calcula el tiempo que tardará en cargarse un condensador de 4700 una resistencia de 1000 Solución:

Otro

ejemplo:

¿Cuánto tiempo lucirá una bombilla que se conecta al condensador una vez cargado si la bombilla tiene 2000

de resistencia?

Solución:

B) ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES. -

Condensadores en serie Se montan uno a continuación del otro, como las resistencias, pero la capacidad equivalente se calcula por la siguiente fórmula:

-

Condensadores en paralelo Se montan colocados unos al lado de los otros, como las resistencias, pero la capacidad equivalente es la suma de las capacidades de cada uno de ellos:

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4.3.- DIODOS Es uno de los componentes más empleados en los circuitos electrónicos. Está formado por la unión de dos cristales semiconductores: uno de tipo N, llamado cátodo y otro de tipo P, llamado ánodo. Cuando se conecta una fuente de tensión entre los dos terminales, el diodo se polariza. La polarización puede ser directa o inversa. -

La polarización directa se produce cuando el polo positivo de la pila se une al ánodo y el negativo al cátodo. En este caso el diodo se comporta como un interruptor cerrado y deja pasar la corriente eléctrica (en realidad presenta una pequeña resistencia).

-

La polarización inversa se consigue conectando el polo negativo de la pila al ánodo y el positivo al cátodo. En este caso el diodo se comporta como un interruptor abierto y no permite el paso de la corriente (en realidad presenta una resistencia de gran valor).

El diodo conduce a partir de una tensión (tensión umbral) entre 0,6 y 0,7 V (silicio).

La principal utilización de este tipo de diodos es la rectificación de corriente alterna (transformación de la corriente alterna en continua). Existen diversos tipos de diodos aunque hablaremos tan sólo de alguno de ellos.

A) DIODO LED Un diodo que tiene muchas aplicaciones es el diodo emisor de luz o diodo LED. Es como una pequeña bombilla y lo puedes ver en muchos aparatos electrónicos para indicar si el aparato está o no en funcionamiento. El LED tiene, como otros diodos, dos terminales. El más largo es el ánodo y el más corto el cátodo. Al igual que los diodos normales, los LED únicamente dejan pasar corriente cuando están en polarización directa y la impiden en polarización inversa. 10

Una precaución importante a la hora de montar un diodo LED en un circuito, es que la tensión en sus bornes no debe sobrepasar los 2 V, por lo que, cuando la tensión es superior, se debe poner una resistencia en serie con él para ajustarla.

B) DIODO ZENER Se caracteriza por mantener la tensión estable en polarización inversa, por lo que su principal aplicación es como estabilizador de circuitos.

4.4.- EL TRANSISTOR El transistor es otro componente electrónico formado por materiales semiconductores, como el diodo, y es, sin duda, uno de los más importantes. Fue desarrollado por los investigadores Bardeen, Brattain y Shockley a finales de los años cuarenta. Está formado por la unión de tres cristales semiconductores del tipo N y P. Cuando se combinan dos cristales de tipo P con otro de tipo N, tenemos un transistor PNP. Si la unión es de dos cristales del tipo N con uno de tipo P, obtenemos un transistor NPN. Se puede considerar el transistor como la unión de dos diodos. De cada una de las zonas sale un terminal que nos permite conectar el componente al circuito. Por tanto, el transistor tiene tres terminales, que se denominan base, emisor y colector.

A) FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR 11

El funcionamiento del transistor está basado en la propiedad de gobernar la intensidad que circula entre el emisor y el colector mediante el paso de una pequeña corriente por la base. El transistor puede funcionar de tres formas distintas: -

En activa, como amplificador propiamente dicho.

-

En corte, cuando por él no pasa casi corriente (se comporta como un interruptor

abierto). -

En saturación, cuando por él circula unas corrientes elevadas (se comporta como in

interruptor cerrado). Esta es la forma que estudiaremos a continuación. Para comprender mejor el funcionamiento del transistor analicemos el siguiente circuito:

Cuando el interruptor I está abierto, no hay paso de corriente hacia la base de transistor y por tanto, el colector y el emisor no están comunicados (la lámpara permanece apagada). Al cerrar el interruptor I, se genera una corriente IB por la base del transistor que lo polariza. La resistencia R evita que esta corriente sea demasiado elevada. En este momento, se produce el paso de corriente entre el colector y el emisor (la lámpara se enciende). Esta corriente IC es mucho mayor que la corriente IB. Al emisor le llega la suma de la corriente de la base (IB) y la del colector (IC). IE = IB + IC Las aplicaciones del transistor son muchas, entre ellas los circuitos sensores que veremos más adelante. Se llama ganancia de un transistor a la relación entre la corriente de colector IC y la corriente de base IB.

4.5.- EL CIRCUITO INTEGRADO Los circuitos integrados (chips) pueden estar diseñados para alojar millones de transistores, y combinados entre sí para ejecutar miles de trabajos electrónicos. Básicamente, un chip es un circuito eléctrico en miniatura, fabricado sobre material conductor, casi siempre compuesto de silicio. Posee

funciones

eléctricas

específicas,

como

transistores,

resistencias,

diodos,

condensadores, etc., insertados en un soporte común fabricado de un material semiconductor. 12

En cuanto a su nivel de integración o número de componentes, los circuitos van desde el pequeño SSI (Small Scale Integration) que consta de 10 a 100 transistores, hasta llegar al complejo GLSI (Giga Large Scale Integration) con más de un millón de transistores.

5.- CIRCUITOS ELECTRÓNCIOS BÁSICOS Tomar nota de la explicación del profesor junto a cada circuito.

5.1.- RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

5.2.- RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA

5.3.- FILTRO CON CONDENSADOR

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5.4.- ESTABILIZADOR DE TENSIÓN

5.5.- FUENTE DE ALIMENTACIÓN

5.6.- CIRCUITOS CON TRANSISTORES Los circuitos que se presentan a continuación tienen algo en común. En todos los casos se activará el circuito cuando la corriente de base IB > 0

Tomar nota de la explicación del profesor junto a cada circuito. 14

A) SENSOR DE HUMEDAD

B) SENSOR DE LUZ

B) SENSOR DE TEMPERATURA

6.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS 5.1.- SIMULADOR COCODRILE Con este simulador te resultará muy

fácil entender

los

circuitos

eléctricos

y

electrónicos. Crocodile Clips 3 Elementary Edition es un programa de Crocodile-Clips que se puede descargar gratuitamente. 15

Los elementos del circuito se arrastran desde la barra de componentes hasta el área de trabajo y se van situando en la zona que se desee. Se fijan con un clic. Las conexiones se consiguen haciendo clic con el botón izquierdo del ratón sobre el terminal de cualquier elemento. Observarás que aparece un rollo de hilo. Una vez realizadas todas las conexiones, se comienza la simulación haciendo clic sobre el elemento de control (interruptor o pulsador). Dependiendo del receptor utilizado, observarás un efecto diferente, las bombillas se encenderán, el motor girará y el zumbador sonará.

5.2.- LA PLACA BOARD Es una placa de plástico que nos servirá de placa de pruebas, conocida también como protoboard, con muchas perforaciones para insertar los terminales de los componentes; si los terminales son muy grandes existe una solución, puedes soldar un alambre fino de cobre para poder conectarlos a la placa. Para efectuar las conexiones entre los componentes que conectemos a la placa, utilizaremos cables finos de teléfono, son los que más se adaptan a los orificios de la placa. Las conexiones internas de la placa son las que se muestran en la figura. Las líneas horizontales son las que puedes utilizar para identificar las conexiones a los polos positivo y negativo, y las verticales son las que utilizan para conectar los componentes. Cualquier terminal que conectes en una línea de estas quedará unido entre sí.

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5.3.- PLACA DE MATRIZ DE PUNTOS O PLACA PERFORADA Es una placa de baquelita perforada en la que una de sus caras está compuesta por una matriz de puntos cuadrados de cobre, coincidentes con los agujeros. Los componentes se ponen por la capa superior (la que no tiene cobre) y se insertan sus terminales por los agujeros, una vez allí se procede a soldarlos a la tira. Para hacer conexiones entre alguno de sus componentes es necesario realizar puentes entre ellos mediante cables.

RELACIÓN DE ACTIVIDADES DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA UNIDAD: ELECTRÓNICA ANALÓGICA 1.- Indica el valor de las siguientes resistencias:

2.- Transforma los siguiente valores de resistencia a Ω: 1KΩ, 20 K Ω, 3,5 K Ω. 3.- Transforma los siguientes valores de resistencia a K Ω: 1.500 Ω , 25.000 Ω , 800 Ω , 10.000 Ω 17

4.- Dibuja el símbolo de los siguientes componentes electrónicos y explica su función: COMPONENTE

SÍMBOLO

FUNCIÓN

Resistencia fija Diodo rectificador Termistor (NTC o PTC) Condensador Potenciómetro LDR

5.- ¿Qué es un diodo? ¿Cuáles son sus partes? 6.- Para qué se utiliza el diodo Zener. 7.- ¿Qué tipos de transistores conoces? Dibuja su símbolo correspondiente. 8.- ¿Qué es necesario para que un transistor se comporte como un interruptor cerrado? 9.- Relacionar con flechas cada resistencia variable con el elemento que hace variar la resistencia y su efecto. - Potenciómetro

- Luz

- LDR

- Temperatura

- PTC

- Elemento deslizante

10.- Calcular la resistencia que se deberá poner en serie con un LED si recibe una corriente de 0,05 A y está alimentado con una pila de 4,5 V. Dibuja el circuito. 11.- Un circuito está formado por una resistencia de 250 K en serie con un condensador de 1,25 x 10-3 F. Calcular el tiempo que tarda en cargarse. 12.- En un circuito con transistores, la medición en el colector es de 2 A. Si la corriente de la base es de 0,01 mA. ¿Cuál será su ganancia? 13.-Reflexiona sobre el siguiente circuito ¿Dónde lucirán las lámparas y porqué?

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14.- En el siguiente esquema podemos variar la resistencia del potenciómetro, completa la tabla.

15.- El esquema de la figura muestra un circuito que avisa de que el agua ha alcanzado un nivel determinado en un depósito: a) Identifica los componentes electrónicos del mismo. b) Razona su funcionamiento.

16.- Realiza un circuito para que si no hay luz una lámpara se enciende y si hay luz la lámpara se apaga. Utilizar, la pila, la LDR, una resistencia fija, un transistor y la lámpara. 17.- Realiza un circuito para que cuando sea de día nos despierte un timbre, mediante un interruptor el despertador estará apagado o encendido. 19

Utilizar, la pila, una LDR, un transistor, un zumbador o timbre e interruptor. 18.- En el siguiente esquema se utiliza un transistor para que un motor se ponga en marcha. Para que funcione el transistor se pueden conectar distintos componentes que se han dibujado en la columna de la izquierda. Nombra los mismos e indica en la columna de la derecha, si se conecta el componente de la izquierda a la base del transistor de qué dependerá que funcione el motor.

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