Introducción a la electricidad

r-~---------, ¿Te imaginas un mundo sin electricidad? No funcionaría ningún electro­Recuerdo•

• El átomo está formado por un núcleo, compuesto de neu­trones y protones, y rodeado de electrones, partículas que están en continuo movimiento.

• Los protones tienen carga eléctrica positiva, y los electro­nes, carga eléctrica negativa. Los neutrones, en cambio, ca­recen de carga.

protón ••• ------8-. neutrón

~"8---F \ (:)

., ,

o ···-8-···· .0 .-.~

• Aunque, en la realidad, los electrones circulan desde el polo negativo de la pila al posi­tivo, por convenio se ha esta­blecido el sentido contrario: desde el polo positivo al nega­tivo.

generador +. I

punto de luz

Esquema de un circuito eléctrico con sus símbolos.L .J

Bomba 11 1 Tubería ~I=11 I

-I Bombilla I 1

Partículas de agua CJCJ 28 UNIDAD 2

doméstico, desaparecerían el teléfono móvil y el fijo, Internet, la radio y la televisión. Los medios de transporte quedarían reducidos a poco más que la bicicleta. Significaría, también, el adiós a las calculadoras y a los ordenadores.

Estamos tan familiarizados con el uso de la electricidad, que ya no nos maravilla el hecho de que, pulsando un simple interruptor, logremos iluminar una habitación.

Pero ¿qué ocurre cuando pulsamos ese interruptor? Millones de diminutas partículas comienzan a circular por la bombilla formando un circuito de alta velocidad y transportando la energía necesaria para que aquella se ilumine.

1.1. El circuito eléctrico Un circuito eléctrico es un recorrido por

el cual circulan los electrones. Consta de los siguientes elementos: un generador que propor­ciona energía, un hilo conductor, un interruptor Circulación de electrones y un receptor (bombilla, motor, timbre, etcétera). a través de un hilo conductor.

Se denomina corriente eléctrica la circulación de electrones de forma continua por un circuito.

Para que se establezca y se mantenga una corriente eléctrica, necesitamos un generador que proporcione energía a los electrones.

Un circuito similar al eléctrico es el hidráulico, en el que una bomba se encarga de mantener una corriente continua de agua.

receptor (bombilla)

Comparación entre un circuito hidráulico y uno eléctrico.

Actividades o Completa el cuadro que figura en el margen, comparando un circuito

hidráulico con uno eléctrico.

f) Imagina que el depósito del circuito hidráulico estuviera situado a una altura mayor. ¿De qué forma afectaría esto a la bomba, la turbina y la presión del agua? ¿Cómo se podría lograr el mismo efecto en el circuito eléctrico? ¿Qué consecuencias tendría?

e ¿Por qué los pájaros que se posan en los cables eléctricos no reciben una descarga?

1.2. Voltaje o diferencia de potencial En el circuito que se muestra a continuación, cuando los electrones son

lanzados fuera de la pila, transportan con ellos cierta cantidad de energía que consumen al pasar por la bombilla. Esta energía se ha convertido en luz y en calor.

Con el voltfmetro se mide la tensión de la bombilla.

Esquema del circuito de la figura superior.

Al pasar por la bombilla, los electrones gastan su energía.

La cantidad de energía que una pila o batería (generador) es capaz de proporcionar a cada electrón viene expresada por su voltaje o tensión y se mide en voltios (V). Esta tensión o desnivel eléctrico de la pila se reparte entre los distintos elementos del circuito.

Para medir el voltaje, se utiliza un aparato denominado voltímetro. Los cables que salen del voltímetro (sondas) se conectan en paralelo en los extremos del componente cuya tensión deseamos medir.

Observa cómo, en el siguiente circuito, los 9 voltios de la pila se reparten entre las tres bombillas.

3 V 3 V 3 V

9 V

Entre los extremos de cada bombilla se produce una caída de tensión o diferencia de potencial de 3 V. Utilizando el símil del circuito hidráulico es como si un desnivel entre el depósito y la bomba se repartiera en tres escalones, al final de cada cual hay una turbina.

Actividades o ¿Cómo unirías las tres pilas de 1,5 V que aparecen en el margen para conse­

guir una pila de 4,5 V?

o Di qué voltaje marcarían los voltímetros del siguiente circuito:

Electricidad y electrónica 29

r- ... ---------, : ~ Recuerda I La unidad de carga eléctrica I es el culombio: I

I 1 e = 6, 2S . 1018 electrones IL .J

G:6\ +

amperímetro 1_­

Para medir la intensidad de corriente que pasa por un circuito se utiliza el amperímetro.

J.. 12 V

-r-12~mA ~

~ ® Esquema del circuito de la figura superior.

r---------- ..... , I Te interesa saber I En electricidad se utilizan muy I a menudo dos submúltiplos I del amperio: I

• El miliamperio:I 1 mA = 1 • 10-3 AI

I • El microamperio:

I 1 ¡.LA = 1 . 10-6 AL __ .... .J

30 UNIDAD 2

1.3. Intensidad de corriente eléctrica En cualquier circuito se desplazan millones de electrones. Para compren­

der el funcionamiento de los circuitos eléctricos, es importante conocer cuántos electrones salen de la pila y cómo se reparten entre los distintos elementos del circuito antes de regresar a ella.

Normalmente, en un circuito eléctrico se mide la intensidad de corriente eléctrica, que se define como la carga o el número de electrones que atraviesan la sección de un conductor cada segundo:

1= Q t

En el sistema internacional, la intensidad de una corriente eléctrica se mide en amperios (A). Se dice que por un cable circula 1 amperio cuando lo atraviesa 1 culombio cada segundo:

lelA=­

1 s

La intensidad de corriente que pasa por un circuito se mide con un amperímetro. Este aparato, como se muestra en el esquema del margen, debe conectarse en serie, de modo que todos los electrones tengan que pasar por él.

Jar9 practicar 1. Monta el siguiente circuito. Después, mide la intensidad que sale del polo

positivo de la pila, la que pasa entre las bombillas B1 y B2, Y la que vuelve a la pila.

B1 B,

45 mA B, 45 mA B, +

9 V ~.

- 45mA

Todos los electrones que parten de la pila atraviesan B1 y B2; luego, regresan a la pila, adquieren energía e inician de nuevo el circuito. Por eso, los tres amperímetros marcan el mismo número de amperios.

2. Justifica las intensidades que indican los amperímetros del circuito.

30mA

60mA

+ 9 V ; 30mA

En un cable eléctrico, el cobre (conductor) está recubierto por el plástico (aislante).

r---------- .... , Te interesa saber

El silicio es, después del oxíge­no, el elemento más abundan­te en la corteza terrestre. Com­binado con otros elementos forma parte, por ejemplo, de la composición de la arena.

L ..J~

1.4. Conductores y aislantes No todos los materiales permiten el paso de la corriente eléctrica. Los

cables de los enchufes son de cobre para que los electrones puedan circular por ellos. Sin embargo, no pueden circular a través del plástico que envuelve los cables, el cual actúa como protección frente a las descargas.

La estructura atómica de cada material determina la mayor o menor facilidad con que se desplazan los electrones.

_ Conductores

Se trata de materiales que permiten la circulación de electrones. Son buenos conductores el cobre, el oro, la plata, el aluminio y, en general, todos los metales.

_ Aislantes

En estos materiales, los átomos retienen los electrones, por lo que no pueden circular libremente. La madera, el vidrio, el plástico y el aire son aislantes.

Semiconductores

Presentan propiedades intermedias entre los materiales conductores y los aislantes. Los más importantes son el silicio y el germanio.

Con estos materiales se fabrican componentes electrónicos, como el diodo, el transistor y los circuitos integrados, y también los micro­procesadores.

Los semiconductores resultan muy útiles, ya que si se les añade pequeñas cantidades de otros materiales (impurezas) pueden comportarse como conductores o aislantes, según convenga.

Resistencia eléctrica

La oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica se denomina resistencia eléctrica. Los metales, por tanto, tienen una resistencia eléctrica casi nula, y los aislantes, en cambio, muy elevada.

La resistencia aumenta con la longitud del cable y disminuye al aumentar su grosor.

Actividades o Elige diez objetos del aula y clasifícalos en aislantes y conductores.

f) El valor de la resistencia también depende de la forma del material. Imagina que los electrones tienen que atravesar los tres conductores que aparecen en la figura superior. ¿En cuál encontrarían más dificultades? ¿Yen cuál sería mínima la resistencia?

o ¿De qué elementos están formados los cables de la instalación eléctrica de tu casa?

o ¿Por qué conviene usar guantes cuando se manipulan aparatos eléctricos? ¿Qué otras normas de seguridad habría que seguir?

Electricidad y electrónica 31

1.5. Ley de Ohm Para medir la resistencia de una lámpara, hemos realizado el siguiente

experimento con un circuito:

R,

bl

/, /,- ­

+1 311

18V- I m Calcula qué valores marcarán los amperímetros y voltímetros de los dos circuitos que aparecen en el margen.

A B e

En primer lugar, hemos anotado en el cuadro que figura al margen los valores que marcan el voltímetro y el amperímetro en el circuito A y, a continuación, hemos aumentado la tensión de la pila (B y C). De esta forma, hemos comprobado que, conforme aumenta la tensión, se incre­menta también la intensidad que atraviesa el circuito, de forma que la

la lámpara tiene una resistencia de 100.0.. relación VII permanece constante.

Esta relación constante, que depende del material que utilicemos, es la resistencia:

R=~ I

----1 1-­ Podemos concluir que la resistencia que un material opone al paso de la electricidad es el cociente entre la tensión aplicada en sus extremos y la-ANNv­ intensidad que lo atraviesa. Este enunciado se conoce como ley de Ohm.

Símbolos de una resistencia. La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio (O). Por consiguiente:

lV 10=lA

Así, la lámpara de nuestro experimento tiene una resistencia de 100 O.

Actividades ~ ¿Qué intensidad circula por los siguientes circuitos? alG b'r-- CJO

-: 9V

-1_ 4D Al unir el polo positivo y el polo negativo de la pila en el último circuito,

hemos provocado un cortocircuito. ¿Cómo crees que afectará esto a la pila? ¿Por qué?

4» Determina los valores de las resistencias en los siguientes circuitos. 18V

al bl el r'\ 12V

32 IJNIDAD?

/3

r-----------, I Recuerda I I I En un circuito en serie, el vol- I I taje de la pila se reparte entre I I los distintos componentes. IL .J

Actividades 4D ¿Se podrían sustituir las tres resistencias del circuito en serie de la Aplicación por una sola resistencia equivalente, de mane­ra que la intensidad continuara siendo 2,25 mA?

4» Determina en este circuito

VAB, VBC' '1' '2 e '3:

/, 2kf1 A B

/1

+

T 12V

/3 2kO

_ Aplicaciones de la ley de Ohm

Circuito en serie

Vamos a calcular la intensidad de corriente que proporciona la pila y la diferencia de potencial en los extremos de cada resistencia en este circuito.

Como la intensidad que sale de la pila, 11, circula por cada resistencia: , "

A 1 kO B 2 kf1 e 1 kf1 o VAB = 1( . 1 ' 103

/,

+ Voc =I¡'2'103

9V VcD =I¡·1·103

9 = 11 .1'103 + 11 .2. 103 + 11 '1 '1~

11 = 2,25·10-) A = 2,25 roA

Circuito en paralelo

En el siguiente circuito, vamos a calcular VAB' 11, 12, 1) e 14,

Como el punto A está conectado al polo positivo de la pila, y el punto B, al negativo, VAB = 9 V.

/, lkO 9 12 =~=9mA

2kO 9 1) = 2, 103 = 4,5 OlA

lkf1

14 = 9 OlA

11 = 12 + 13 + 14 = 9 + 4,5 + 9 = 22,5 roA

Circuito mixto

Calculamos VA13 , Voc, 11, 12, e 1, en el siguiente circuito:

/, lkO VAB = 1\ . 2000

A 2kf1 B e = 12 , 1000Voc

/3 1 kf1 /,

Voc = 13 ,1000+

- 9V 11 =12 +13

9 = VAB + Voc

VAB Voc , VBe--=--T-­2000 1000 1000

(9-VBd Voc Voc ....:........_~:..:....=--+--

2000 1000 1000

= 1,8VBC

VAB = 9 - 1,8 = 7,2 V

A partir de VAB YVBe resulta sencillo calcular los valores de las inten­sidades:

1, =3,6 OlA; 12 = 1,8 OlA; 13 = 1,8 OlA

Electricidad y electrónica 33

1.6. El polímetro El polímetro O multímetro es un aparato que sirve para medir magnitudes

eléctricas: tensiones, intensidades y resistencias.

_ Para medir tensiones

Para realizar medidas de tensión en circuitos con pilas y baterías, el polímetro se debe conectar en paralelo.

El selector central debe señalar DC o AC, según vayamos a realizar medidas de tensión continua o alterna. En nuestro caso, para realizar medidas de tensión en circuitos con pilas y baterías, seleccionamos DC. La sonda roja se introduce en el agujero V (voltios), y la negra, en COM (común).

Dentro del sector DCV disponemos de varios valores límite o fondos de escala: 200 mV, 2 V, 20 V, etc. Seleccionamos el valor que más se adecue a nuestra medida. Por ejemplo, si tenemos un circuito cuya tensión máxima es 9 V, elegiremos 20 V. Después podemos bajar a 2 Vo a 200 mV, si

La selección adecuada del fondo de escala descubrimos que la tensión es más pequeña. en el polímetro permite aumentar la precisión de la medida. Si, por ejemplo, seleccionas De 1000 Vpara medir el voltaje en los extremos de una pila de 1,5 V, el error de la medida será

7,2 Vgrande, ya que sería como pesar una moneda

/2en una báscula para camiones. ---e:::::= lkíl

~ ~ 1 kíl

--+--1"-­

/39V

Para medir intensidades

Debes prestar mucha atención cuando realices medidas de intensidad con el polímetro, ya que, si no lo utilizas correctamente, podrías estro­pearlo.

r-::- ... -------, Como ahora vamos a medir amperios, el polímetro se conecta en serie. Te interesa saber I El selector central debe señalar DC. La sonda roja se introduce en el

IAlgunos polímetros permiten agujero mA, y la sonda negra, como siempre, en COMoItambién realizar otro tipo de Como no sabemos qué intensidad circulará, hacemos que el selector Imedidas, como la capacidad de I apunte al máximo (lO A) y vamos moviéndolo hasta que aparezca laun condensador o la ganancia I medida correcta. L. de un transistor..... ~

Observa el circuito de la figura inferior. La medida correcta aparece cuando seleccionamos 20 mA como fondo de escala, ya que la corriente es de 3,6 mA. En cambio, si seleccionamos 2 mA, el polímetro indicará que la corriente es superior a este valor.

/1 ---e=

lk!1

~ ~ lk!1

~

/3 ~ 9V

-1 3,6

~.. . "'

OOOOQOOQQOOOQOOODOO O~OOODOOOoOOOOOOOOD

OOOOOOODOOOOOOooooo O~OOooo~ODaoocDooOO'

~DOOOOODooaOCOOOOQO

.~~ ~~_~~ ~~_~~.JOOOLl'V ¿o()_~

~I.l- I l!'.lInl\r)?

_ Para medir resistencias

Para medir resistencias con un polimetro, debes colocar la sonda roja en n, y la negra, en COMo Después, selecciona ohmios. Antes de realizar la medición, tienes que desconectar la pila y conectar la resistencia del circuito a los bordes del polímetro.

el

/2

lk.íl A 2k.íl B e

/, lk.íl

+ /)

9Vos ­e -T a si

1.7. Potencia eléctrica Sin duda, alguna vez habrás observado que algunas bombillas lucen más

que otras. Pues bien, para que una bombilla ilumine más necesita recibir mayor cantidad de energía eléctrica con objeto de transformarla en energía luminosa.

La cantidad de energía que consume un aparato eléctrico en cada instante se denomina potencia.

En física, la potencia se define como la energía o el trabajo desarrollados por unidad de tiempo. Se mide en vatios (W):

p=~ t

iad Una lámpara de 100 W consume el doble de energía cada segundo

ro-que una de 50 W. La potencia eléctrica que consume un aparato o componente eléctrico, o la que transmite un generador, se calcula de la

'ie, siguiente forma: e! p = V· 1

Si aumentamos el número de electrones (1) que atraviesan una bombilla ,Or y la energía aportada por la pila a cada electrón (V), la bombilla recibirá la más potencia y, por consiguiente, se iluminará más.

'ce ctividades es

ue ~ Dibuja el esquema correspondiente al montaje del margen y razona cómo medirías con el polímetro la tensión en los extremos de cada bombilla.

(fj Indica cuánto marca el voltímetro - v V

de la lámpara B en el circuito. ¿Qué A 3 ~-----.L .. potencia consume esa lámpara?

2 A A BCalcula también la potencia que consume la lámpara A y la potencia

::... 9Vgenerada por la pila. Comprueba que se cumple que Pp;ra = PA + Pe.

~ El circuito anterior funciona con una pila de 9 V. ¿Sabes con qué voltaje funcionan los electrodomésticos de tu casa? ¿Se podrían utilizar pilas de ese voltaje para hacerlos funcionar?

Electricidad yelectrónica 35

I

la lámpara conectada a la red eléctrica recibe corriente alterna; la linterna y la calculadora, que funcionan con pilas, reciben corriente continua.

r--- ... -------, Recuerdo

Hay diferentes formas de repre­sentar las señales eléctricas:

Electrocardiograma.

Tonos de entrada a un altavoz.

~j) -Señal de tensión continua.L

t (s)

..J

Tipos de corriente

Algunos aparatos eléctricos no se pueden conectar a la red eléctrica; otros no pueden funcionar con pilas o baterías. En ambos casos, sin embargo, obtenemos energía eléctrica, aunque de muy distinta forma. Veamos cuáles son las diferencias.

2.1. Corriente continua Entre los bornes o extremos de una pila o batería existe una tensión

constante que no varía con el tiempo. Si cada segundo midiéramos con un voltímetro los voltios que hay en la batería de un coche, el resultado sería siempre 12 V.

Si conectamos una bombilla a una batería, los electrones circulan siempre en el mismo sentido y con idéntica intensidad. Es lo que se conoce como corriente continua.

2.2. Corriente alterna Siempre que conectamos una lámpara a un enchufe, el resultado es el

mismo: se enciende la bombilla. Pero los electrones realizan su trabajo de forma muy distinta: cambian de sentido 50 veces por segundo, como si el polo positivo y el polo negativo se movieran constantemente en el interior del enchufe. Además, no circulan siempre con igual intensidad.

Si fuéramos capaces de medir los voltios que hay en un enchufe, obten­dríamos una gráfica similar a esta:

La tensión comienza siendo V(V) e- a velocidad máxima O V y sube hasta alcanzar los

311 311 V. A partir de ese mo­mento, desciende hasta si­tuarse de nuevo en O V. Es

100· entonces cuando se hace

0.6 r ~1O \5 012. t(ms) negativa y disminuye hasta e- en reposo - 311 V. Por último, aumen­(v = O) ta hasta alcanzar otra vez OV.-100

Lo sorprendente es que esto ocurre 50 veces cada segundo y se repite continuamente,

-311 esté conectado o no el apa­rato eléctrico.

La variación de cualquier parámetro eléctrico, en este caso la tensión, con respecto al tiempo se denomina señal eléctrica.

La tensión o voltaje que llega a nuestras casas, y que aparece repre­sentada en la gráfica, recibe el nombre de señal alterna (porque adquiere valores positivos y negativos) senoidal (debido a la forma de la señal).

Actividades

-\::J G> ¿Cuáles son los valores de la tensión cuando los electrones alcanzan su

máxima velocidad? ¿Se detienen en algún momento? ¿Circulan durante más tiempo hacia la derecha o hacia la izquierda?

Símbolo de generador de corriente alterna.

36 UNIDAD 2

ica; sin

a.

ión un ría

pre mo

ndo los

110­

si­Es

ace Ista , n­)V

~sto

ldo He,

pa- Los transformadores constan de dos devanados de cobre. Si aplicamos una tensión alterna en un devanado, en el otro se induce

ón, otra tensión, cuyo valor depende del número de vueltas de cada devanado, ni Yn,:

~=~ ¡re- V, n, ~ue

de n,: n,

V, V,

I su nte

Símbolo del transformador.

¿Dónde están los 220 voltios?

Seguramente has oído decir que todos los electrodomésticos funcionan a 220 V. Sin embargo, si observas la señal alterna senoidal de la gráfica de la página anterior, comprobarás que esta cantidad no aparece indicada en ningún momento. ¿De dónde procede entonces?

Imagina que conectas un radiador eléctrico a un enchufe y otro a una batería.

Aunque los electrones experimenten paradas, aceleraciones y desacele­raciones, el radiador conectado a la red eléctrica proporciona una deter­minada cantidad de calor. En el caso del radiador conectado a una batería, si desde OV aumentáramos poco a poco la tensión de la batería, el calor que se generaría sería cada vez mayor. No obstante, a 311 V el calor producido con la tensión continua superaría al generado con la tensión alterna. Cuando la tensión de la batería alcanza 220 V, la energía eléctrica producida por las dos señales es la misma.

El valor eficaz de una señal eléctrica alterna es el valor que debería tener una señal continua para que ambas produjeran el mismo efecto energético. En el caso de una señal alterna senoidal, ese valor eficaz sería:

v = Vm' x

ef 1,41

_ ¿Cómo se obtiene la tensión alterna?

Ya hemos visto que es posible obtener tensión continua de pilas y baterías, así como de paneles solares fotovoltaicos y de la dinamo de una bicicleta. Pero ¿de dónde procede la tensión alterna que usamos en nuestras casas?

Este tipo de tensión se obtiene, mediante alternadores, en grandes centrales de producción de energía eléctrica.

_ ¿Por qué se utiliza?

La tensión alterna senoidal tiene una cualidad esencial frente a la tensión continua: su valor se puede aumentar o reducir mediante el uso de transformadores. Esta característica permite transportar la energía eléctrica a tensiones muy altas, y a lo largo de cientos de kilómetros, sin que se pierda parte de ella debido al calentamiento de los cables.

Actividades tI!>

fl)

Calcula la intensidad que pasa por cada bombilla del circuito y la que sale del generador de 220V.

Explica por qué podemos conectar la sirena de la figura, que funciona a 11 V, a un enchufe de 220 V.

SOH, $ l00W~ 220 V

Electricidad y electrónica 37

Electrónica

Resistencias fijas de distinto tamaño.

82 D

--1 .....­Representación de una resistencia fija o resistor de 82 D.

La electrónica se ocupa del estudio de los circuitos y de los componentes que permiten modificar la corriente eléctrica. Las modificaciones que podemos realizar son aumentar o reducir la intensidad de la corriente (amplificación o atenuación), obligar a los electrones a circular en un único sentido (rectificación) y dejar pasar solamente a aquellos electrones que circulen a una determinada velocidad (filtrado).

3.1. Componentes electrónicos

Resistencia fija o resistor

En un circuito, la resistencia fija o resistor dificulta el paso de la corriente eléctrica. Esta oposición se mide en ohmios (O) y su valor se indica mediante un código de colores.

Cuando utilices resistencias en un circuito, debes 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: 1/8 W, 1/4 W, 1/2 W, etcétera.

Código de colores

[TI

GJ

tolerancia ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• Los valores de las resistencias fijas vienen indicados por colores

oro o números. Las dos primeras bandas se sustituyen por dos números, según su color. La tercera indica la cifra por la que

negro debemos multiplicar la cantidad anterior. La cuarta franja es la tolerancia, es decir, el margen de error en el valor teórico calculado.

marrón

rojo Observa el ejemplo que te mostramos a continuación. El valor

naranja de la resistencia se obtiene a partir de las dos primeras bandas de colores y del multiplicador:

amarillo 10000 n = 10 kn

verde

azul

morado o 103 2:5%

gris El valor de la tolerancia es el 5 % de 10000 n, es decir, 500 n.

blanco . 109 Por tanto, el valor real de la resistencia se expresa mediante el intervalo (10 000:.':: 500) n.

WW

Resistencia variable o potenciómetro

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

~ -1

100kil

Símbolos de una resistencia variable o potenciómetro de 100 kil.

Actividades

Resistencias variables de grosores, lontigudes y materiales distintos.

ti A partir del código de colores, indica el valor de las resistencias que aparecen en la fotografía de arriba.

38 UNIDAD 2

"'"'"

•••••••••••••••••••••••

un

nes

la se

's

J.

el

¡pe­

(en

L,---J Termistores LDR

Resistencias que dependen de un parámetro físico.

-H-Símbolo del condensador.

Asociación de condensadores

Si ahora repites el montaje que se representa en la figura y conectas la bombilla a dos condensadores iguales asociados en paralelo, esta permanecerá encendida el doble de tiempo. Si los asocias en serie, solo se mantendrá encendida la mitad de tiempo.

• Explica qué ocurre con la capa­cidad cuando se asocian conden­sadores.

r-----------, Te interesa saber

Para medir la capacidad de un condensador se utilizan tam­bién:

• El microfaradio: 1 f.lF = 1 . 10-6 F

• El nanofaradio: 1 nF = 1 . 10-9 F

• El picofaradio: 1 pF= 1· lO-uFL. .. .J

nt:~I~\t:I'lIalcl::t "(U~ U~IJ'C""'''''''' __• _ .._. __

Este parámetro físico puede ser, entre otros, la temperatura o la cantidad de luz.

Si las resistencias dependen de la temperatura se llaman termistores, que pueden ser de dos tipos: NTC (coeficiente de temperatura negativo), en los que la resistencia disminuye al aumentar la tempe­ratura, y PTC (coeficiente de temperatura positivo), en los que la resistencia aumenta al subir la temperatura.

LDR: se trata de resistencias que varían con la cantidad de luz que reciben. Al aumentar la cantidad de luz, disminuye la resistencia.

Condensador

En la siguiente figura se muestra un componente capaz de almacenar carga eléctrica (1), que después se utiliza para encender una bombilla (2), la cual permanece encendida hasta que dicho componente se descarga (3).

Este componente recibe el nombre de condensador, un dispositivo formado por dos placas metálicas planas y paralelas, separadas por un aislante. Cuando los condensadores adquieren la máxima carga, impiden el paso de la corriente, comportándose, entonces, como un circuito abierto o un interruptor abierto.

La capacidad de un condensador alude a la cantidad de carga que es capaz de almacenar con una tensión dada. Se mide en faradios (F).

Actividades t1) Observa la gráfica con la señal que aparece en los extremos del conden­

sador y del circuito y completa el cuadro. ¿Por qué el condensador tarda más en cargarse que en descargarse?

I 1\ 1..____ I " /1

V(V) 10

5

O O

10 kfl.

2

+ 2kn 100 f-lF

9V- 2-3,2 11

3,2-6 1I

6- ... 11

2 3 4 5 6 7 t (s)

1-2 I Descargiindose

Electricidad y electrónica 39

10 ¡.cF

+11­Observa Que, en el condensador, además de su valor, aparece el voltaje máximo Que podemos aplicar (en este caso, 2S V).

Diodos.

i'! •... LEO.

~ ---{51­

Símbolo del LEO.

Display de siete segmentos formado por LEO.

Tipos de condensadores

Existen varios tipos de condensadores, que vienen determinados por el material con el cual están construidos: de papel, cerámicos, de poliéster, electrolíticos de aluminio o de tántalo, etc. Analizaremos a continuación los condensadores sin polaridad y los condensadores electrolíticos.

Condensadores sin polaridad. Condensadores con polaridad o electrolíticos.

-j~ ~~ Símbolo de condensador sin polaridad. Símbolo de condensador con polaridad.

Los condensadores electrolíticos suelen ser de mayor capacidad. Debido a su composición química interna, al conectarlos se debe tener en cuenta la polaridad (disponen de un polo positivo y otro negativo). No ocurre lo

e~

N mismo con los condensadores de papel, cerámicos o de poliéster.

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 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 electrones. 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.

ánodo

fV' ~ 31/----t*­

~ ~o--símbolo del diodo

Un diodo posee dos terminales o patillas denominadas ánodo y cátodo. Los electrones EJJ raJ únicamente pueden circular en el sentido ánodo-cátodo.

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 LEO, por ejemplo, los pequeños pilotos de color verde o rojo colocados en orde­nadores, teclados y aparatos de radio.

I

or el ~ster,

ción

s.

bido enta re lo

emi­:ción.

posi­

ativo; ;'\, los peste ación

raete-LEO, orde­

base

base

Símbolos de los transistores NPN y PNP. Cada patilla del transistor (emisor, base y colector) está unida a un material semiconductor N(ceden electrones) o P(aceptan electrones).

Transistor

Es un elemento básico en los circuitos electrónicos. Está formado por semiconductores y dispone de tres patillas, denominadas emisor, base y colector, cuya posición depende del modelo de transistor. El fabricante, además de ofrecer las características del transistor, informa de la posición de las pati lIas.

Con transistores se puede fabricar desde un simple interruptor hasta un microprocesador. Sin ellos no hubiera sido posible el desarrollo de la informática y las comunicaciones.

Actividades ~ Explica por qué unas bombillas se encienden y otras no en el circuito:

~ Para utilizar un LED en un circuito es necesario limitar la intensidad que lo atraviesa colocando una resistencia en serie. Observa estos circuitos y com­pleta las frases que figuran a continuación:

330 n 1 kn

+ +

5 V _5V

non

J .1 +

T 5 V _5V cl-1__T

a) Cuanto mayor es la resistencia, _

b) Si no ponemos resistencia, _

e) En el último circuito, los electrones pueden entrar por el cátodo y, en este caso, el LED _

Electricidad yelectrónica 41

·r transistor I en corte

E

en activa 'transistor

2

3

transistor en saturación

...fgrg prgcticgr

e B E

Transistor BCS48B. Las tres patillas e, By E corresponden al colector, base y emisor respectivamente.

Funcionamiento

remos a un símil. Para que entiendas mejor el funcionamiento de los transistores, recurri­

Imagina que en una presa hidráulica (colector, C) hay un gran embalse lleno de electrones. Estos tienden a pasar al emisor (E), mas solo podrán hacerlo si alguien abre el embalse. Puede darse uno de estos tres casos:

1. Por la base (B) no entra ningún electrón; por tanto, no se produce circulación de electrones entre el colector y el emisor. En este caso, decirnos que el transistor está en corte y que, por consiguiente, el colector y el emisor están aislados.

2. Algunos electrones se introducen por la base. En este caso, la energía que transportan es suficiente para abrir un poco la compuerta de la presa. Cuantos más electrones entren, más abierta quedará la presa y mayor será la corriente entre el colector y el emisor. Decimos, entonces, que el transistor funciona en su zona activa como ampli­ficador.

La intensidad que pasa por el colector es un mLdtiplo de la corriente de base: le = !3 . IR' Así, si ese múltiplo (que depende deJ modeJo de

transístor/ vare roo, cada electrón que entra por la base da paso a 100 electrones a través del colector.

3. Si llegan muchos electrones por la base, podrán derribar y abrir por completo la presa. El colector y el emisor quedan unidos y los elec­trones circulan de uno a otro libremente. En este caso, el transistor funciona en saturación.

Tanto en corte como en saturación, la unión colector-emisor funciona como un interruptor, abierto o cerrado, controlado por la intensidad de base.

Análisis de un par de circuitos básicos con transistor Analizar los siguientes circuitos nos ayudará a entender el funcionamiento de un transistor.

En el primer circuito, al no circular electrones por la base del transistor, la corriente entre el colector y el emisor está bloqueada, y el LED no se ilumina.

En e.1 segundo circuito conectamos la base al polo positivo de la pila a través de una resistencia. La pequeña corriente que entra por la base desbloquea la unión colector-emisor, facilitando el paso de los electrones.

+

~

10kn la kll

" 200n +

-: 4,5 V T 4,5 V: 4,5 V

r. ~C548BT A B e

aJ ¿Qué ocurre en el circuito C?

&J ¿Por qué no entran los electrones por la base?

eJ ¿Podría servir de alarma? ¿Cómo?

d) Indica cómo medirías en cada caso la intensidad de base (lB)' la intensidad La de colector (le) y la tensión entre la base y el emisor (VBE)' qu

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3.2. Montajes básicos Con los componentes electrónicos (resistencias, condensadores, diodos

y transistores) que hemos estudiado vamos a diseñar diferentes dispositivos, tales como un temporizador, un circuito con memoria y un oscilador, que podrán formar parte de otros circuitos más complejos.

_ Temporizador

Muchas veces necesitamos que un dispositivo, por ejemplo las luces de la escalera, un secador de manos o el televisor, esté funcionando durante determinado tiempo y después se desconecte de forma automática. Para ello necesitamos un temporizador.

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ya que por la base no circula corriente. Estamos, por tanto, ante un transistor

200Ü +

en corte. Cuando accionamos el pulsa­dor, circula corriente por la base, se activa el transistor y se enciende el LEO.

4,5 v-: A la vez, el condensador se carga.

+ 100 fLF

1,8kn

8(5488

Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, más carga adquirirá

La memoria de un ordenador son circuitos que permiten almacenar información yestán formados por millones de transistores.

y más tiempo tardará en descargarse.

_ Memoria

El siguiente circuito está dotado de memoria, es decir, es capaz de avisar­nos de lo que ha sucedido:

A partir de ahora en los circuitos vamos a utilizar los símbolos TI y T z para representar el transistor BC548B y L I y Lz para representar dos tipos de LEO. Por el LEO, LI , que está apa­gado baja una pequeña corriente que activa T z, permitiendo, con ello, que se ilumine el Lz.

Si pulsamos P, la corriente deja de llegar a la base de T z y este se bloquea. Ahora, la corriente que baja por el Lz debe desviarse hasta la base de TI' Se activa TI y se enciende el L I .

Aunque soltemos P, la corriente ya no llegará a la base de T z. Al alcanzar el punto A, todos los electro­nes bajan por el transistor, ya que la unión colector-emisor apenas presenta resistencia.

Este circuito recibe el nombre de biestable o flip-flop. ~

Al principio, el LEO está apagado,

Al soltar el pulsador, el LED sigue luciendo durante un tiempo. Ahora, la corriente de base la proporciona el con­densador. Cuando se descarga, el tran­sistor se bloquea y el diodo se apaga.

L,

200n 200n

+ ~ 4,5 V

T,

T,p

T,

+ -: 4,5 v

t.-,~,o 43

• • ••• •• •••••••••• • • •••• Fuente de alimentación

Para montar nuestros circuitos, necesitamos muy a menudo una fuente de tensión continua. Una solución es usar pilas, pero estas presentan algunos inconvenien­tes: hay que reemplazarlas cuando pierden la carga almacenada y no pueden proporcionar intensidades de corriente muy elevadas. Otra solución es idear un circuito co­nocido como fuente de alimen­tación, capaz de transformar la tensión alterna de la red en ten­sión continua.

VlAPc t

Fuente de alimentación. Señal alterna de entrada y continua de salida.

50",01220V~

5O",EJI

01 Símbolo de toma de tierra o de masa. Representa un punto del circuito con una tensión de cero voltios. Puede ser una conexión a tierra, como en las instalaciones eléctricas; estar unido a la carcasa ocarrocería, como en el caso de los círcuitos eléetrícos de los coches, oser simplemente un punto del círcuito.

_ Intermitente

Con este circuito iluminamos un LEO alternativamente (L I 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 de 200 n, atraviesa C I y llega hasta TI para activarlo. El L¡ está encendido, y CI' cargándose. Cuando C I se carga, impide el paso de la corriente y

bloquea TI'

Ahora comienza a cargarse C 2, se activa T 2 y se enciende el L2• Mientras se carga C 2, C Ise descarga a través de la resistencia de 22 kn. Después, el proceso se repite.

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

Rctividades ~ Indica el color que debe tener cada línea de la gráfica.

5O"'~1220V~

V(V)

O 5 10 35 40 45 t(ms)

L ... 30252015

~ ~ ~ ~ ¡}

-y \ 11' '\ -y \ Ií '\ -y \-!ti I \ I \ I \ I \ I \ I

-1­ \ I \ I \ I \ I ~1­I ,11

1\ I

\ / \ / \ / \ / \ I \ I \ / \ / \ I \.. '/ \.. '/ \..'/

10

8

6

4

2

O

-2

-4

-6

-8

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5O"'~1220V~

+H 100 IJoF 500n

+

:- 4,5V

T,

e, e, 220 IJoF 220 IJoF

44 UNIDAD 2

punto pequeño

funda de plástico

ras , el

se

Okil

(ms)

Visto al microscopio, un chip tiene el aspecto de una ciudad llena de cables y transistores.

.~ '. --­Circuito integrado.

r ..... ----------, Te interesa saber

¿De dónde viene el nombre de chip?

La oblea de silicio tiene forma de patata frita, que en inglés se denomina chip.

L. .J

".". \.1 cuno Int~y.-Cluu

Desde 1947, fecha en la que se inventó el primer transistor, se han venido produciendo nuevos avances tendentes a reducir su tamaño, ya que, según sea su tamaño, el transistor disipa más o menos cantidad de energía en forma de calor.

El tamaño de un transistor viene dado por el calor que debe disipar. Si conseguimos que trabajen con corrientes y tensiones extremadamente pequeñas, podremos reducir su tamaño e interconectarlos para formar dimi­nutos circuitos electrónicos. Obtendremos, así, los circuitos integrados.

Los circuitos integrados utilizan pequeños chips de silicio, cada uno de los cuales está instalado dentro de una funda de plástico y conectado a un juego de patillas situado en los laterales de la funda.

chip de silicio .;JI

conexión del chip . ' .'con la patilla . T" •

.. ~~ •. , .._~ !

Detalle de la conexión del chip con las patillas.

patilla metálica

Esquema de la estructura de un chip. El punto pequeño indica la situación de la patilla 1 del circuito integrado.

Fabricación

Tras la etapa de diseño, comienza la fabrica­ción. Durante este proceso hay que ubicar, en un espacio semejante al tamaño de una uña, millones de transistores y de interconexiones.

Los chips se obtienen a partir de un cilindro de silicio cortado en láminas de unos 0,25 mm de espesor. Es en estas donde, mediante técnicas fotográficas, se imprimen los circuitos previa­mente diseñados. Con posterioridad se cortan y se monta cada uno en su cápsula.

El silicio ha de tener un elevado grado de Fabricación de chips.

pureza (casi el ciento por ciento). Además, la fabricación de chips tiene lugar en laboratorios donde se vigilan las condi­ciones ambientales para que no haya polvo, puesto que una simple mota podría estropear un chip.

Existen chips muy complejos, como el denominado microprocesador, que constituye el «cerebro» de los ordenadores y está formado por más de 40 millones de transistores. Las tarjetas inteligentes, por su parte, están dotadas de un microchip capaz de almacenar el crédito disponible o el historial médico del titular.

Aplicaciones. Se utilizan circuitos integrados en más aparatos de los que creemos: electrodomésticos (lavadoras, frigoríficos, hornos progra­mables ... ), dispositivos para grabar o reproducir imágenes y sonidos (video­cámaras, televisores, equipos de música ... ), ordenadores, etcétera.

Electricidad y electrónica 45