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TPR 3ºESO. Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz

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TEMA 5: ELECTRICIDAD - ELECTRÓNICA

1.- Definiciones:

Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones, y alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando. Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros (carecen de carga positiva o negativa). Algunos tipos de materiales están compuestos por átomos que pierden fácilmente sus electrones, y éstos pueden pasar de un átomo a otro.

La electricidad o corriente eléctrica es el movimiento de

electrones a través de un conductor desde un átomo cargado negativamente (le sobran electrones) hasta otro cargado positivamente (le faltan electrones). A este sentido de circulación se le llama sentido real de la corriente.

Sin embargo, en el diseño de circuitos eléctricos y electrónicos se utiliza el sentido convencional de la corriente eléctrica, que dice que el flujo de electrones va desde el polo positivo al negativo.

La electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros, pues hay buenos o malos conductores eléctricos. La plata, el cobre, el oro y el aluminio son excelentes conductores de la electricidad. Los plásticos son materiales aislantes.

La electrónica es la parte de la electricidad que estudia el paso de corriente eléctrica a través de componentes llamados semiconductores.

Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo la luz que recibe o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los semiconductores más utilizados son el silicio y el germanio.

La electrónica se divide en dos grupos: electrónica analógica y electrónica digital. La electrónica analógica trabaja con valores reales y se introduce la información mediante

sensores que pueden tomar muchos valores (diferentes velocidades de un motor, sensor que detecta diferentes temperaturas, …).

En la electrónica digital la información está en forma binaria (0 y 1) y sólo hay dos valores de tensión: HIGH (5V, 1 binario, ON, pasa corriente) y LOW (0V, 0 binario, OFF, no pasa corriente).

La electrónica se emplea fundamentalmente para controlar y automatizar aparatos, máquinas o circuitos y para procesar información.

2.- Tipos de corriente eléctrica:

La corriente eléctrica pude ser de dos tipos:

Corriente continua: CC, DC, Es cuando los electrones circulan siempre en el mismo sentido (de + a -) y con el mismo valor. La producen las pilas, las dinamos y las baterías. En estos aparatos encontraremos siempre un borne o polo positivo y un borne negativo. Siempre dibujaremos el sentido de la corriente desde el polo positivo al polo negativo.

+ -

electrón

protones y

neutrones


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Muchos de los aparatos que utilizamos funcionan con corriente continua (ordenador, mp3, móvil, etc.)

Corriente alterna: CA, AC, Es cuando los electrones circulan en los dos sentidos, alternándose periódicamente. Su valor no es constante (la polaridad está constantemente cambiando de signo). La producen los alternadores. En estos aparatos no aparecen ni polo positivo ni negativo (ya que se van alternando). Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y la usamos para la iluminación, la lavadora, el frigorífico, etc. Para cambiar la corriente alterna a corriente continua los aparatos llevan incorporados transformadores, que cambian el tipo de corriente y el valor de su tensión o voltaje.

3.- Circuito eléctrico:

Circuito eléctrico es un conjunto de elementos eléctricos, conectados entre sí, de tal modo que pase la corriente eléctrica y con el fin de realizar un trabajo eléctrico o una función determinada.

La corriente solo circula cuando el camino está cerrado (los electrones salen del polo positivo y regresan al negativo)

Un cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin atravesar ningún receptor. La intensidad de corriente se hace tan grande que el circuito no es capaz de soportarla.

4.- Símbolos eléctricos y electrónicos

El dibujo de circuitos eléctricos está normalizado. Los circuitos se dibujan a través de esquemas utilizando símbolos y uniendo los componentes mediante líneas rectas y siempre que sea posible con ángulos de 90º.

Los símbolos eléctricos y electrónicos que vamos a utilizar son:

Generadores

Pila Batería

Circuito abierto Circuito cerrado Cortocircuito


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Elementos de protección

Resistencia Potenciómetro Diodo

5.- Tipos de circuitos:

La forma de conectar receptores entre sí son las asociaciones serie, paralelo y mixta, según conectemos sus bornes.

Los receptores se conectan siempre entre sí en paralelo, excepto cuando queremos proteger un receptor de un voltaje superior al que aguanta (se coloca una resistencia en serie para dividir el voltaje).

Ejercicio 1: Dibuja con símbolos los siguientes circuitos

Ejercicio 2: Cablea el siguiente circuito

Conexión paralelo Conexión serie Conexión mixta

Circuito b Circuito a


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Ejemplo

El led, el zumbador y el motor se colocan en paralelo. Las resistencias se colocan en serie para proteger al led y al zumbador y que no les pase el voltaje de 6V que proporciona el generador.

6.- Magnitudes eléctricas:

En un circuito eléctrico existen tres magnitudes fundamentales: voltaje, intensidad y resistencia.

Voltaje o tensión: “U”

La tensión la crea el generador y es la fuerza que empuja los electrones. Se mide en Voltios (V). Es la diferencia de energía entre dos puntos del circuito.

- En un circuito paralelo la tensión es la misma en todas las ramas del paralelo. - En un circuito serie la tensión se divide o reparte entre los componentes.

Intensidad: “I”

Es el número de electrones que pasan por un conductor en un tiempo determinado. Se mide en Amperios (A). El amperio es una unidad grande y a veces se utiliza el miliamperio: 1 mA = 10-3 A

- En un circuito paralelo la intensidad se divide o reparte entre cada rama del circuito. - En un circuito serie la intensidad que atraviesa cada receptor es la misma, y es la que manda el

generador.

Circuito serie

2V 4V

6V

9V 9V 9V

U=

3V

3V

3V

U=

U=

I= 300 mA 100 mA 100 mA 100 mA

Circuito paralelo

Circuito serie Circuito paralelo

U=

I= 100 mA

100 mA

100 mA

100 mA


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Resistencia: “R”

En cualquier circuito y para cualquier receptor, los electrones encuentran una oposición o resistencia a su movimiento. Se mide en Ohmios (Ω). Esta resistencia depende del material y del tamaño del receptor o componente eléctrico.

En un circuito en serie, la resistencia total se calcula sumando las resistencias de todos los componentes.

RESISTENCIA TOTAL VOLTAJE INTENSIDAD

Circuito en serie RT = R1 + R2 + R3 + …. Se divide Es el mismo

Circuito en paralelo 𝟏

𝐑𝐭=

𝟏

𝐑𝟏+

𝟏

𝐑𝟐+

𝟏

𝐑𝟑+ ⋯ Es el mismo Se divide

Ley de Ohm

Es una ecuación que relaciona el voltaje, la resistencia y la intensidad que circula por un circuito

U = I . R

Ejercicio 4: Rellena la siguiente tabla aplicando la ley de Ohm

VOLTAJE INTENSIDAD RESISTENCIA

230 V 5 A

120 V 1000 Ω

40 mA 220 Ω

Ejercicio 5: a) Calcula la resistencia que hay en las ramas 2 y 3 del circuito

b) ¿Qué voltaje hay en cada rama del circuito? c) Aplicando la ley de Ohm calcula la intensidad de cada rama del circuito d) Calcula la intensidad total e) ¿Por qué se colocan las resistencias?

Ejercicio 3: a) Calcula en el circuito 1, el voltaje que absorbe cada receptor: bombilla 1, bombilla 2 y motor

b) Calcula la intensidad y el voltaje del generador del circuito 2

100 mA 300 mA

3V

3V

6V

Circuito 1 Circuito 2

U

I

R

Recuerda que la intensidad debe estar en Amperios (A)


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7.- Componentes de un circuito:

Todo circuito eléctrico debe disponer como mínimo de:

Generadores Conductores Elementos de maniobra y control Receptores

Actuadores Elementos de protección Sensores Amplificadores

7.1. Generadores:

Son los elementos encargados de crear y mantener la tensión o voltaje necesario para que los electrones puedan circular por el circuito. Los generadores pueden ser de CC o de CA.

Los generadores de CC son las pilas, baterías, dinamos y fuentes de alimentación. Los generadores de CA son los alternadores. Los alternadores se encuentran en las centrales

eléctricas.

7.2. Conductores

Son los cables que sirven de unión entre los distintos operadores eléctricos y dejan pasar la corriente eléctrica con facilidad. Los cables se fabrican generalmente de cobre, debido a su excelente conductividad. Generalmente cuentan con aislamiento externo de plástico.

7.3. Elementos de control

Son los elementos encargados de controlar el circuito a nuestra voluntad. Permiten automatizar el circuito según el grado de autonomía deseado.

Interruptor

Un interruptor es el elemento que permite abrir o cerrar un circuito cada vez que se presiona, cortando o permitiendo el paso de corriente.

Pulsador

Permite el paso o interrupción de la corriente mientras es pulsado. Cuando ya no se pulsa, vuelve a su posición inicial.

Puede ser pulsador normalmente abierto NA que en reposo (sin accionar), no deja pasar la corriente, y mientras se pulsa pasa la corriente.

Y el pulsador normalmente cerrado NC, que sin accionar deja pasar la corriente y mientras lo pulsamos no pasa corriente.

Pulsador NC

Pulsador NA


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Conmutador

Es un interruptor con un borne de entrada y dos de salida. Permite accionar dos circuitos diferentes.

Cada vez que pulsamos el conmutador, éste cambia su posición.

Relé

El relé es un elemento que, al recibir corriente eléctrica, acciona uno o varios conmutadores. Consta de un electroimán o bobina (imán activado por corriente eléctrica) y uno o varios conmutadores activados por el imán. Cuando una corriente pequeña circula por la bobina produce un campo magnético y el conmutador o conmutadores cambian de posición. Cuando la corriente deja de pasar por la bobina, los conmutadores vuelven a su posición inicial.

conmutador

bobina

Relé 1 Conmutador

c

Cuando damos al interruptor, pasa corriente por la bobina del relé y su conmutador cambia de posición. Se apaga el led y luce la bombilla

Cuando damos al pulsador, pasa corriente por la bobina del relé y sus dos conmutadores cambian de posición. Se apaga el led y el motor, y luce la bombilla

6V 6V

12V

M

Relé 2 Conmutadores

c

12V

M


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7.4. Receptores:

Son los elementos que reciben la energía eléctrica y la transforman en otra forma de energía o la modifican.

Actuadores:

Son los elementos que aprovechan la energía eléctrica y la transforman en otra forma de energía (mecánica, luminosa, calorífica, etc.). Por ejemplo: bombillas, motores, timbres, estufas, diodos, etc.

Zumbadores

Produce sonido o zumbido. Sirve como alarma o aviso, y son utilizados en automóviles, electrodomésticos, alarmas, despertadores,…

Bombillas

Transforma la energía eléctrica en luz.

Diodo Led

Son diodos que convierten en luz la energía eléctrica que les llega. La corriente sólo circula cuando el ánodo está conectado al polo positivo de la fuente de energía y el cátodo al polo negativo. Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además, en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. El voltaje de trabajo es de 2 V aproximadamente, por lo que deben colocarse protegidos con una resistencia.

Motor

Transforma la energía eléctrica en movimiento de giro de un eje.

Para cambiar la dirección de giro del eje de en un motor de Corriente Continua tenemos que invertir la polaridad de la alimentación del motor. Esto puede conseguirse con un relé de 2 conmutadores

Luce No luce


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Servomotor

Es un tipo especial de motores de CC, con un margen de giro entre 0º y 180º. Podemos regular el ángulo de giro mediante programación.

Llevan 3 cables de conexión externa: - Uno rojo para positivo (tensión aproximada de 5 V) - Otro negro para conexión a tierra o negativo (GND) - El último, blanco o amarillo, es el cable de control para

programar y mandar la información del ángulo de giro

También existen servomotores de giro continuo (360º)

6V

Cuando damos al interruptor, pasa corriente por la bobina del relé y sus conmutadores cambian de posición. Cambia la polaridad del motor, es decir, cambia la patilla por donde entra y sale la corriente, y el motor cambia el sentido de giro

Ejercicio 6: Rellena la tabla siguiente incluyendo el símbolo y explicando el funcionamiento de cada

componente:

COMPONENTE SÍMBOLO FUNCIONAMIENTO

Interruptor

Pulsador NA

Conmutador

Relé 2C

Zumbador

Diodo Led

Ejercicio 7:

a) Nombra cada uno de los componentes b) ¿Qué receptores funcionan según el dibujo? c) ¿Qué receptores funcionan si pulsamos I1? d) ¿Qué receptores funcionan si pulsamos I2? e) ¿Qué receptores funcionan si pulsamos I2 e I3? f) ¿Qué receptores funcionan si pulsamos I1, I2 e I3? g) Añade en el dibujo un motor que gire cuando se

ilumine el led

6V

M M

I3 I2

I1


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Elementos de Protección:

Son los elementos que se colocan para proteger a otros componentes del circuito de sobrevoltajes y/o sobre intensidades.

Resistencia

Son pequeños componentes que se colocan en los circuitos para proteger algunos componentes por los que no debe circular una intensidad de corriente elevada.

Son pequeños cilindros con unas bandas de colores impresas que se emplean para identificar su valor en ohmios Se fabrican con materiales malos conductores como el grafito y carbón, y se recubren de plástico. La unidad de medida de las resistencias es el ohmio (Ω). A veces resulta pequeña y se emplean múltiplos:

1 KΩ = 1 K = 1.000 Ω 1 MΩ = 1 M = 1.000.000 Ω

Mediante la tabla siguiente podemos obtener el valor teórico de una resistencia.

Ejercicio 8:

a) ¿Qué voltaje debe absorber la resistencia para proteger al led? b) Utilizando la ley de Ohm calcula el valor de la resistencia que

hay que colocar para proteger al led Ejercicio 9:

a) Diseña un circuito que haga que gire un motor y que cuando el motor se pare suene un zumbador.

b) Añade un led que luzca cuando suene el zumbador TEN EN CUENTA LOS SIGUIENTES DATOS: Motor de 6 V, Zumbador de 3 V y Led de 2 V

c) Calcula el valor de las resistencias de protección si por cada rama del circuito atraviesa una corriente de 10 mA

Ejercicio 10:

a) ¿Qué ocurre con el interruptor abierto? b) ¿Qué ocurre con el interruptor cerrado? c) ¿Qué voltaje absorbe el motor? d) ¿Qué voltaje debe absorber la resistencia

para proteger al led? e) Calcula el valor de la resistencia que hay que

colocar para proteger al led

M

6V

26 mA

2 V


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Código de colores

Color 1ª Cifra 2ª Cifra Nº de ceros

Negro 0 0 -

Marrón 1 1 0

Rojo 2 2 00

Naranja 3 3 000

Amarillo 4 4 0.000

Verde 5 5 00.000

Azul 6 6

000.000

Violeta 7 7 0.000.000

Gris 8 8 00.000.000

Blanco 9 9 000.000.000

Tolerancia: Es el margen de error del fabricante, es decir, la diferencia entre el valor teórico y el valor real de una resistencia.

Potenciómetro

Es una resistencia variable que se acciona manualmente mediante un cursor. Se utiliza para regular la cantidad de corriente de un circuito, ajustando el cursor entre el 0 y el valor máximo del potenciómetro. Físicamente lleva tres patillas: una patilla común y dos patillas fijas. Se debe conectar la patilla común y una de las patillas fijas.

Ejercicio 11: a) Rellena la tabla incluyendo los colores o el valor de las resistencias. Recuerda pasar primero los valores de las resistencias a oohmios (Ω).

VALOR CODIGO DE COLORES

620 Ω.

74 KΩ.

35 Ω.

8 Ω.

2,9 KΩ.

5,2 M Ω.

gris-negro-naranja

Verde-negro-rojo

Rojo-marron-marron

Negro-azul-negro

Naranja-marron-azul

Negro-marrón-morado

b) ¿Qué significa que la cuarta banda tenga color plata en una resistencia?


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Diodo

Son componentes electrónicos que permiten la circulación de corriente en un solo sentido. Llevan dos terminales: el ánodo o borne positivo y el cátodo o borne negativo. La corriente sólo circula cuando el ánodo está conectado al polo positivo de la fuente de energía y el cátodo al polo negativo. En este caso, se dice que está polarizado de forma directa y toda la corriente atraviesa el diodo.

Cuando la corriente no circula está polarizado de forma inversa y protege a los componentes que tenga a continuación.

Diodo polarizado directamente

Ánodo Cátodo

- + Cátodo -

Diodo polarizado directamente Diodo polarizado inversamente

Ejercicio 12: a) Explica que es un potenciómetro y dibuja su símbolo b) Dibuja un circuito para regular la velocidad de un motor y que se accione con un interruptor. .

Ejercicio 13: Indica qué receptores funcionan en el siguiente circuito

Cuando colocamos el potenciómetro en 1000 Ω, no pasa corriente y la bombilla no luce. Al bajar el valor del potenciómetro, la bombilla va luciendo cada vez más. Y al colocar el potenciómetro en 0 Ω, pasa toda la corriente y la bombilla luce al máximo.

La lámpara no luce

La lámpara luce


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Sensores:

LDR (sensor de luz)

Un LDR es una resistencia cuyo valor varia con la cantidad de luz que incide sobre ella. Cuanta más intensidad de luz incide en la superficie de la LDR menor será su resistencia y cuanta menos luz incide mayor será la resistencia.

Se comporta como un interruptor que funciona con luz. Si recibe luz deja pasar la corriente y en la oscuridad impide que pase. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohmios) y muy alto cuando está a oscuras (puede ser de millones de ohmios).

LDR viene de la expresión inglesa Light Dependent Resistor.

Inconveniente: Por una LDR circula poca corriente, que luego puede ser insuficiente para activar un receptor (motor, bombilla,…) por lo que es necesario después acoplar un transistor para amplificar o aumentar la intensidad de salida.

Termistor (sensor de temperatura)

Un termistor es una resistencia variable con la temperatura.

Hay dos tipos de termistores:

- Termistor NTC (Coeficiente de temperatura negativo), son resistencias variables cuyo valor disminuye a medida que aumenta la temperatura.

- Termistor PTC (Coeficiente de temperatura positivo), son resistencias variables cuyo valor aumenta a medida que la temperatura aumenta.

Son sensores que activan los circuitos con frio o con calor.

Aplicaciones: alarmas contra incendios, control de temperatura de hornos, calefacción, agua caliente

Resistencia LDR Led

Con luz Baja resistencia Luce

Sin luz Alta resistencia No luce

PTC NTC

Luz Resistencia Deja pasar la corriente

Temperatura Resistencia PTC No Deja pasar la corriente

Temperatura Resistencia NTC Deja pasar la corriente


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Inconveniente: Por un termistor circula poca corriente, que luego puede ser insuficiente para activar un receptor (motor, bombilla, zumbador,…) por lo que es necesario después acoplar un transistor para amplificar la intensidad de salida.

Sensor de infrarrojos IR

Está formado por un emisor de luz infrarroja (diodo led) y un receptor (fototransistor). Cuando la luz del emisor llega al receptor., éste se activa y permite que pase la corriente por él. Si el receptor no recibe luz IR no deja pasar la corriente y se comporta como un interruptor abierto..

Son sensores de corto alcance.

Cuando el emisor emite luz IR y rebota en una pared, el receptor recibe la luz y deja pasar la corriente.

Resistencia

NTC Zumbador

Temperatura

alta Baja resistencia Suena

Temperatura

baja Alta resistencia No suena

+ + -

-

C E

Ejercicio 14: a) Pon nombre a cada componente del circuito

b) Explica qué ocurre en el circuito cuando es de día y hay luz

Ejercicio 15: a) Pon nombre a cada componente del circuito

b) ¿Para qué se utiliza la resistencia de 100 Ω?

c) ¿Qué ocurre cuando la luz IR no llega al receptor de IR?

d) ¿Qué ocurre cuando la luz IR llega al receptor de IR?

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