Apuntes

1.ELECTRÓNICA.COMPONENTES ELECTRÓNICOS

La electrónica estudia los circuitos y los componentes que permiten modificar las características de la corriente eléctrica: amplificándola o atenuándola, permitiendo o no la circulación de electrones, eliminando ruidos,etc. Comenzaremos estudiando componentes que forman parte de todos los circuitos electrónicos: resistencias, condensadores, diodos y transistores.

1.1 RESISTENCIA

En un circuito eléctrico, a medida que va aumentando la resistencia, la oposición es mayor y circulan menos electrones, es decir, la intensidad de corriente disminuye.

La relación entre el voltaje, V, la intencidad de corriente, I, y la resistencia, R, se conoce como ley de Ohm:

R:V/I

La resistencia, R, se mide en ohmios, el voltaje, en voltios, V y la intencidad en amperios, A.

-RESISTENCIA FIJA O RESISTOR

En un circuito, la resistencia fija o resistor dificulta el paso de la corriente eléctrica. Esta oposición se indica mediante un código de colores.

Cuando se utilizan resistencias en un circuito, se debe tener en cuenta que pueden quemarse si las sometes a tensiones e intensidades muy altas.El tamaño de la resistencia indica la potencia que pueden disipar en forma de calor.

Código de colores.

Los valores de las resistencias fijas vienen dados por colores o números.

* Las dos primeras bandas se sustituyen por dos números, según su color.

* La tercera indica la cifra por la que debemos multiplicar la cantidad anterior.

* La cuarta franja es la tolerancia, es decir, el margen de error en el valor teórico calculado.

Observa el siguiente ejemplo: el valor de la resistencia se obtiene a partir de las dos primeras bandas de colores y del multiplicador

-RESISTENCIA VARIABLE O POTENCIÓMETRO

Es la resistencia cuyo valor se puede ajustar entre cero y un máximo especificado por el fabricante.

-RESISTENCIAS QUE DEPENDEN DE UN PARÁMETRO FÍSICO

Dependiendo de cuál sea el parámetro físico que afecta al valor de la resistencia, sea la luz o la temperatura, cabe distinguir entre LDR, en el primer caso, y termisores NTC (coeficiente de temperatura negativo) y PTC (coeficiente de temperatura positivo), en el segundo caso.

Pon En Práctica

Placa de protoboard, LDR y polímetro

Mediante un polímetro puedes comprobar que la resistencia de una LDR depende de la luz que incida sobre ella. Monta los siguientes circuitos. Comprobarás que en el circuito de la derecha, los cambios de iluminación son transformados en cambios de tensión en los extremos de la resistencia de 10 kilo ohmios.

1.2 CONDENSADOR

Piensa Y Deduce

En la siguiente figura se muestra un componente capaz de almacenar energía eléctrica procedente de una pila y después utiliza esa energía para encender una bombilla hasta que se descarga completamente.

-Los condensadores son componentes capaces de almacenar determinada carga eléctrica.

-La capacidad de un condensador indica la cantidad de carga que es capaz de almacenar por voltio aplicado en sus extremos. Se mide en faradios (F).

Como el faradio es una unidad muy grande, se suelen utilizar el microfaradio, el nanofaradio y el picofaradio.

-Tipos De Condensadores

Los distintos tipos de condensadores dependen del material utilizado para su construcción. Así, encontramos condensadores de papel, cerámicos, de poliéster, electrolíticos de aluminio o de tántalo, etc. Analizaremos a continuación los condensadores sin polaridad y los condensadores electrolíticos.

Los condensadores electrolíticos suelen ser de mayor capacidad. Debidos a su composición química, al conectarlos se debe tener en cuenta la polaridad (disponen de un polo positivo y uno negativo). No ocurre lo mismo con los condensadores de papel, cerámicos o de poliéster (condensadores sin polaridad).

1.3 DIODO

Un diodo es un componente electrónico fabricado con material semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección. Para los electrones es como circular por una calle de un único sentido.

En el circuito inferior de la izquierda, los electrones salen del polo positivo de la pila, pasan a través de la bombilla y se dirigen al polo negativo; el diodo permite el paso de corriente. En el circuito de la derecha, los electrones intentan atravesar el diodo en el sentido equivocado, pero este se comporta ahora como un interruptor abierto y no permite la circulación de corriente.

-LED

Un LED (diodo emisor de luz) es un tipo especial de diodo. Su característica principal es que emite luz cuando pasa corriente por él. Son LED, por ejemplo, los pequeños pilotos de color verde o rojo colocados en ordenadores, teclados y aparatos de radio.

1.4 TRANSISTOR

Se fabrican con semiconductores. Poseen tres patillas, denominadas base, colector y emisor. Pueden ser de dos tipos: NPN o PNP.

Mediante una pequeña corriente de electrones en la base (B) es posibles controlar la circulación de electrones entre el colector (C) y el emisor (E) de un transistor:

1. Si por la base no circula corriente, los electrones no pueden pasar del colector al emisor: el transistor está en corte.

2. Si a la base llegan muchos electrones, el paso del colector al emisor queda totalmente libre: el transistor se encuentra en saturación.

3. Si la corriente de base se encuentra entre los dos valores anteriores, el transistor está en su zona activa, y la corriente entre el colector y emisor es proporcional a dicha corriente de base.

Pon En Práctica

La ganancia de un transistor

Los siguientes montajes ilustran el concepto de ganancia de un transistor:

En el primer circuito solo circula 1 electrón y el timbre no suena. En el segundo circuito, el transistor multiplica por 100 cada electrón que pasa por la base, de tal manera que la corriente que entra por el colector (pasando antes por el timbre) es 100 veces mayor.

Cuanto mayor sea la capacidad del condesador, más carga adquirirá y más tiempo tradará en descargarse.

-Intermitente

Con este circuito iluminamos un LED alternativamente (L1 o L2 ).

Los dos transistores trabajan en conmutación, es decir, cuando uno conduce (saturación), el otro está cortado, y viceversa.

Por el L2 circula una pequeña corriente,insuficiente para encenderlo, que pasa por la resistencia 200 , atraviesa C1 y llega hasta T1 para activarlo. El L1 está encendido y C1 cargándose. Cuando C1 se carga, impide el paso de la corriente y bloquea a T1.

Ahora comienza a cargarse C2, se activa T2 y se enciende el L2. Mientras se carga C2, C1 se descarga a través de la resistencia de 22 . Después, el proceso se repite.

En electrónica, este circuito que cambia continuamente de estado se denomina oscilador.

1.6.CIRCUITOS INTEGRADOS.

Los circuitos integrados estan formados por componentes electronicos (transistores, resistencias, condensadores, etc.) miniaturizados.

Ejemplos De Circuitos Integrados.

A continuación presentamos algunos circuitos integrados que usaremos en nuestros montajes y proyectos.

-Comparador ( LM741, LM311...). Se emplea para comparar el nivel de dos señales. Podemos, por ejemplo, activar un ventilador si se supera una determinada temperatura.

-Regulador de tensión (7805, 7806, 7809, ...). Se utiliza cuando es necesario obtener una tension continua a partir de la tension alterna de la red eléctrica.

-Temporizador (555). Permite controlar el tiempo que un dispositivo esta encendido. Por ejemplo, el apagado automatico de la luz de la escalera.

El Circuito Integrado 555 Y Sus Aplicaciones

El circuito integrado 555 nos permitirá que una luz parpadee o permanezca encendida un tiempo desde que accionamos un pulsador.

Intermitencia

Basta con añadir un par de resistencias y un condensador al 555 para que este proporcione a su salida una onda cuadrada.

t1=0,7(R1 + R2)C; t2=0,7R2C

Si ahora colectásemos una bombilla a la salida del 555 (patilla 3), esta parpadearía. Estaría encendida un tiempo (t1) que depende de la elección de R1, R2 y C, y apagada un tiempo (t2) que depende de los valores de R2 y C.

A los circuitos que proporcionan una salida como el anterior, que cambia continuamente entre dos estados, se les conoce como astables.

Temporizador

Cambiando la disposición de los componentes del circuito anterior, podemos conseguir que la activación momentánea del pulsador (patilla2) haga que se mantenga la salida activa durante algún tiempo: t=1,1R1C1

Observa que el tiempo que la salida permanece activa desde que accionamos el pulsador depende de los valores de R1 y C1.

Este tipo de circuitos que proporcionan una salida activa durante un cierto tiempo se llaman monoestables.

2. Sistemas Electrónicos

La mayoría de los sistemas electrónicos disponen de una etapa de entrada encargada de recoger datos del exterior (la humedad, la temperatura, la pulsación de una tecla) y una etapa de proceso que tiene la función de interpretar esos datos y activar, de acuerdo con ellos, los dispositivos de salida.

2.1 LA ETAPA DE ENTRADA

Para obtener información del exterior, es necesario un sensor. Los sensores son componentes que modifican sus propias características (como la resistencia que presentan al paso de la corriente) en función del ambiente que les rodea (luz, temperatura, humedad, humo, etcétera).

-División De Tensión

Para conectar un sensor a un circuito, vamos a utilizar un divisor de tensión. Su función consiste en aprovechar los cambios de resistencia a fin de producir cambios de tensión. La tensión de salida del circuito:

Vs = Ve · R1

(RLDR + R1)

-Cuando está anocheciendo (RLDR ≈ 230 kΩ), la tensión de salida, Vs, es prácticamente 0

-Al Amanecer (RLDR ≈ 2kΩ), V, es:

Vs = 9 · 10 = 7,5 V

12

El conjunto formado por el sensor y el resto de los elementos que posibilitan su conexión al circuito es conocido como transductor.

2.2 LA ETAPA DE PROCESO

En esta etapa se utilizan los datos de entrada para actuar sobre la salida. Cuando los sistemas son demasiado complejos como para procesar información en un ordenador o controlar una comunicación vía satélite, y es necesario trabajar con muchos datos; se usan los microprocesadores.

Aquí hemos usado un circuito integrado llamado amplificador operacional, que funciona como comparador. El modo en el que actúaes simple: si V+ es mayor que V, entonces Vs = 12 V, y si V es mayor que V+, entonces Vs = 0 V.

LAS ETAPAS DE LA POTENCIA

Si los componentes de la estapa de salida necesitan una corriente elevada para activarse, es necesario añadir algún elemento que la proporcione. Un transistor puede resolver el problema. El siguiente circuito te permitirá entender mejor este punto.

Ahora, el comparador necesita proporcionar muy poca corriente para iluminar el LED. Cuando hay tensión alta a la salida del comparador, circula una corriente pequeña por la base del transistor, lo que posibilita la circulación de electrones entre colector y emisor, el LED se ilumina.

Si en la salida del comparador hay 0 V y una tensión negativa, el transistor estará en corte. Esto impide que circulen electrones entre el colector y el emisor.

2.3 LA ESTAPA DE SALIDA

Está formada por los elementos sobre los que actuamos; por ejemplo, una bombilla, un motor, un LED, una bomba de agua... En nuestro caso, accionamos un relé que enciende o apaga una bombilla conectada a 220V.

3.Electrónica Digital

3.1 PUERTAS LÓGICAS

Comenzamos aquí el estudio de la electrónica digital. Nos centramos a partir de ahora en componentes que solo admiten dos estados: abierto o cerrado, apagado o encendido, 0 o 1.

El desarrollo de la electrónica ha permitido sustituir los interruptores por componentes denominados puertas lógicas, que permiten realizar operaciones sencillas con ceros y unos.

Las puertas lógicas más importantes se denominan NOT, OR, AND, NOR, NAND y OR exclusiva.

-PUERTA NOT (NO)

La salida es el inverso de la entrada.

-Puerta AND (Y)

La salida es el producto de las entrada o producto lógico S = a · b.

Piensa Y Deduce

Sabiendo que las puertas NOR y NAND se obtienen añadiendo un inversor e la salida de las puertas OR y AND, respectivamente, completa sus correspondientes tablas de verdad: NAND : S = a’·b’ NOR : S = a’+b’

-Puerta OR Exclusiva

La operación lógica que realiza una puerta OR exclusiva es más complicada que las anteriores. La salida solo es 1 cuando las entradas son distintas.

3.2 DISEÑO DE CIRCUITOS CON PUERTAS LÓGICAS

Para realizar el diseño de un circuito digital, debemos seguir los siguientes pasos :

1. Elaboración de la tabla de verdad que establece la relación entre las entradas y salidas.

2. Obtención de la expresión lógica.

3. Simplificación de la expresión anterior.

4.Realización del circuito mediante puertas lógicas

-Como Simplificar Una Función

Aplicando las propiedades del álgebra de Boole (tabla del margen) podemos llegar a un circuito mucho mas reducido que el anterior. en la expresión:

y= c'·b'·a + c·b'·a

Sacamos factor común:

y=(c' + c)·b'·a

Como (c+c)= 1 , entonces:

El circuito quedaría mas simplificado.

3.3 MONTAJE DE CIRCUITOS CON PUERTAS LÓGICAS

A continuación estudiaremos cómo se realiza el montaje de un circuito con puertas lógicas.

-Circuitos Integrados

Las puertas lógicas se encuentran en los circuitos integrados. Los siguientes circuitos integrados están formados por puertas lógicas:

Circuitos correspondientes al 7402 (izquierda) y al 1400 (derecha).

Como ya sabes, los circuitos integrados están formados por transistores. Estos pueden se TTL o CMOS. Los circuitos fabricados con transistores CMOS admiten un rango de tensiones mayor.

-Puertas Que Sirven Para Todo

Las puertas NAND y NOR se conocen como puertas universales porque mediante ellas es posible obtener cualquiera de las obras. Los siguientes circuitos muestran cómo conseguir puertas NOT, OR y AND a partir de puertas NAND como se observa en la tabla. Con esto, podemos realizar el montaje usando únicamente circuitos integrados 7400.

-Puertas En Un Sistema Electrónico

Las puertas lógicas pueden formar parte de la etapa de proceso de un sistema electrónico. El siguiente circuito se utiliza en una cadena de montaje para detectar piezas demasiado grande.

Cuando la pieza es demasiado grande; se accionan los dos pulsadores simultáneamente y suena el timbre o zumbador.

Observa que funciona directamente con 9 V porque se usa una puerta con transmisores CMOS.

Actividades electrónica digital:

https://sites.google.com/site/cuadernodealvaroflor/ktechlab

Decodificadores y codificadores:

http://es.wikipedia.org/wiki/Codificador

http://es.wikipedia.org/wiki/Decodificador

Multiplexores y Demultiplexores.

http://es.wikipedia.org/wiki/Demultiplexor

Contadores Binarios.

• • Biestables

  • http://es.wikipedia.org/wiki/Biestable

  • Contadores

  • http://es.wikipedia.org/wiki/Contador

Actividades:

1,- Alarma de hogar.

Tenemos una alarma de tres sensores volumetricos (B,C,D), y la alarma se conecta con una llave interruptor (A). Dibuja la tabla de verdad con la salida (S) de la bocina, escribe la función en formato minterminos (sumatorio de productos) y simplifica con tablas de karnaught. Por ultimo implementa la función obtenida con cualquier tipo de puertas.

2,- Display 7 Segmento

El display de 7 segmentos nos muestra los numero del 0 al 9, supongamos que queremos una caja negra que al entrar un numero binario de 4 bit aparezca en el display su valor en decimal. define en una tabla de verdad de cuatro entradas y siete salidas. Simplifica cada salida con mapas de karnaught e implemetala con cualquier puerta.

3,- Tablas de verdad.

Dibuja la tabla de verdad de las siguientes funciones:

• • F=A+(B*C)

  • F=(A*B*C)+(D*C)

  • F=(A'*D)+(C*D')

4,- En la dirección (de cuatro miembros) de una empresa , las decisiones las toman el director y el subdirector, si no se ponen de acuerdo deciden los dos miembros que quedan, si no se ponen de acuerdo se hace lo que diga el director. Se pide:

• • Tabla de verdad de la función S que indica la decisión afirmativa.

  • Simplificación por karnaught

  • Implementación de la función simplificada con cualquier tipo de puerta.

5,- Un Juego de habilidad de tres jugadores, tiene tres pulsadores y tres bombillas, que indican que jugador a ganado, con las siguientes condiciones.

Gana el jugador que pulse antes o aquel jugador que no ha pulsado y el resto de jugadores han pulsado a la vez,

• • Tabla de verdad de las tres funciones.

  • Simplificación por karnaught

  • Implementación de las funciones simplificadas con cualquier tipo de puerta.

Aplicación Informática

SIMULADOR DE CIRCUITOS BAJO ENTORNO WINDOWS

El programa Crocodile Clips nos permite experimentar con circuitos electronicos analogicos y digitales. La ventana de trabajo se divide en un panel a la izquierda (donde se encuentra los componentes) y otro a la derecha (espacio reservado para realizar montajes).

Montaje De Un Intermitente Mediante El 555

Para realizar un circuito, se seleccionana los componentes y se arrastran al area de trabajo. Después hay que unirlos mediante cables, utilizando para ello el ratón.

Como puede observarse en el ejemplo, también es posible utilizar circuitos integrados. La figura representa un circuito intermitente realizando mediante el 555.

Puertas Logicas

Para probar nuestros diseños de circuitos digitales se pueden utilizar puertas de cualquier tipo. Además, se dispone de uan gran variedad de entradas y salidas digitales.

Como ejemplo, el siguiente circuito utiliza un sensor de sonido y un sensor de apertura de una ventana conectados a una puerta OR. En este caso, la salida es el timbre de una alarma.

SIMULADOR DE CIRCUITOS BAJO ENTORNO LINUX.

Existen programas simuladores de circuitos electronicos que funcionan bajo entorno linux. Uno de los mas concretos es Ktechlab. Permite probar el funcionamiento de circuitos analogicos y digitales, asi como funciones mas avanzadas, como la creacion de programas mediante diagramas de flujo.

Creación De Un Circuito.

Para crear un circuito selecionamos File >> New y en la ventana que aparace, el icono circuit.

En el panel izquierdo aparecen todos los componentes que podemos utilizar: componentes discretos, salidas e instrumentos de medida, interruptores, puertas logicas y circuitos integrados.

A continuación puedes ver un circuito lógico formado por una puerta OR y una puerta NAND, tres entradas y una salida.

Procedimientos

DISEÑO DE CIRCUITOS

Placas Para Prototipos

La mejor manera de llevar a cabo experiencias en electrónica o de comprobar el correcto funcionamiento de un circuito es montarlo sobre una placaprotoboard (placa para prototipos).

Está formada por dos largas filas horizontales, generalmente reservadas para el polo positivo y el polo negativo de la pila, y por muchas filas verticales separadas por un hueco. En este hueco se colocan los circuitos integrados.

Esta placa, como comproborás con el circuito de la derecha, permite hacer muchos montajes sin soldaduras, así como cambiar fácilmente la disposición de los componentes.

Materiales

Necesitarás hilo de cobre, alicates de corte o tijeras, tres resistencias (1k, 68k, 1330 ohmios), un condensador electrolítico de 10, un LED y Cl 555 (circuito integrado).

Conviene utilizar hilo de distintos colores y resevar el rojo para todas las conexiones con el polo positivo de la pila, y el negro o azul para el negativo.

Procedimiento

1. Coloca el Cl 555 en el centro de la placa. Une las patillas 4 y 8 con el positivo, la 1 con el negativo, y la 2 con la 6.

2. Después coloca las resistencias. De la patilla 7 saca R1 y R2 y llévalas a cualquier fila libre. R1 debe terminar en el positivo; para llevar R2 a la patilla 6, usa un trozo de hilo.

3. Sitúa ahora el condensador entre la patilla 6 y el negativo (i cuidado con la polaridad!). Termina con la resistencia de 330ohmios, que harás salir de la patilla 3, seguida del LED.

Placas Perforadas

Después de comprobar que el circuito funciona correctamente, puedes montarlo, ya de forma permanente, en un soporte más resistente. Una buena solución es utilizar una placa de agujeros o tiras de cobre. Se trata de placas de material aislante (por lo general, fibra de vidrio) llena de agujeros que, por una cara, van envueltos en una pequeña corona de cobre. Los componentes se colocan sobre la cara aislante y se sueldan por la cara de cobre. Para interconectarlos se unen mediante estaño los agujeros que los separan.

Cómo Realizar Una Soldadura Eléctrica

El procedimiento para llevar a cabo una soldadura es el siguiente:

1. Introduce el componente en la placa doblando ligeramente sus terminales. Aproxima la punta del soldador al terminal para soldar y, cuando esté caliente, acerca el estaño. Una vez que el estaño esté fundido, retira el soldador. Si la soldadura está bien hecha, la superficie del estaño debe quedar lisa y brillante.

2. No pongas nunca el estaño directamente sobre la punta del soldador: la soldadura no saldría bien.

3. Cada vez que concluyas una soldadura, limpia la punta del soldador con una esponja húmeda.

4. Para evitar que los componentes se quemen al soldarlos, conviene colocar unos alicates entre estos y el soldador a fin de que se disipe el calor.

¡ADVERTENCIA!

Sujeta siempre por el mango de plástico del soldador, dado que la punta metálica alcanza unas temperaturas muy elevadas.

Cuando termines una soldadura, coloca el soldador en su soporte.

Utiliza con cuidado los alicates para doblar los terminales de los componentes.

El Circuito Impreso

Los circuitos impresos se realizan en el mismo tipo de soporte que las placas perforadas, aunque en este caso carecen de agujeros y tienen una de las caras cubierta por una fina capa de cobre. En un circuito impreso, los componentes se unen mediante pistas de cobre.

Proceso De Diseño

Después de haber tomado las medidas de los distintos componentes, se dibujan estos en papel milimetrado. Luego, a partir del esquema eléctrico, se trazan también las pistas que unen a los diferentes componentes.

Proceso De Fabricación

1. Con un rotulador se dibuja el circuito sobre la cara de cobre de la placa de fibra de vidrio. A continuación, se introduce esta en una disolución ácida que elimina el cobre no tapado.

2. Se limpia la placa con agua y se taladran los agujeros donde irán los componentes.

3. Por último, se insertan y sueldan los componentes.

COMPROBACIÓN DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS

1.Utilizando El Polímetro

Medida De Resistencia

Hay que seguir los pasos :

1. Retirar la resistencia del circuito.

2. Seleccionar la escala adecuada.

3. Colocar las sondas de polímetro en los extremos de la resistencia (no importa el orden)

También podemos medir resistencias variables.

Si se trata de un potenciómetro observaremos como cambia su valor conforme giramos la ranura de ajuste.

De la misma forma, modificamos la luz y la temperatura veremos como cambia la resistencia de LDR y termistores.

Medida De Continuidad

Los polímetros incorporan un comprobador de continuidad que nos permite verificar: si un material es aislante o conductor, la rotura de un cable o las conexiones de un circuito, los interruptores, conmutadores y pulsadores.

Para ello basta con colocar las sondas en los extremos del elemento a comprobar. Si hay continuidad (los electrones pueden circular) el polímetro emitirá un pitido en la pantalla aparecerá un pequeño valor correspondiente al voltaje aplicado.

Comprobación De Diodos

Bastarña con utilizar el comprobador de continuidad y tener en cuenta que los diodos solo permiten la circulación de corriente en un sentido.

Si el diodo funciona correctamente el polímetro nos indicará continuidad en una posición y circuito abierto en la otra.

Comprobación De Transistores

Utilizaremos también el comprobador de continuidad. Para comprobar un transistor NPN tendremos en cuenta que está formado por uniones PN como las que forman los diodos. Hay que seguir los siguientes pasos:

1. Colocando la sonda roja en la base comprobamos que existe continuidad entre base-colector y base-emisor.

2. Nos aseguramos asimismo, que no existe continuidad en el sentido opuesto colocando ahora la sonda negra en la base y la roja en el colector.

3. Entre colector y emisor no debe haber continuidad en ninguno de los dos sentidos.

La comprobación de un transistor PNP es similar, intercambiando la posición de las sondas.

Muchos polímetros permiten medir la ganancia de un transistor simplemente insertándolo en las ranuras dispuestas para ello.

Comprobación De Condensadores

La comprobación de un condensador es mas complicada.

Utilizaremos el medidor de resistencia.

Si se trata de un condensador de pequeña capacidad deberá marcar infinito seleccionado el mayor rango de medida.

Si es un condensador electrolítico, de mayor capacidad, el valor de la resistencia crecera hasta marcar también infinito.

Recuerda que los condensadores almacenan carga eléctrica.Asegúrate de que están completamente descargados antes de manipularlos.

Algunos polimetros permiten medir la capacidad de un condensador. Basta con insertarlo en la ranura y seleccionar la escala adecuada.

2. Utilizando Un Circuito Sencillo.

Veremos ahora cómo podemos usar un sencillo circuito electrónico para comprobar componentes.