Departamento de tecnología. U.D.1.Electronica analógica I.E.S. Guadalerzas

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U.D.1. ELECTRÓNICA

ANALÓGICA

4º ESO.

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INDICE

1. Introducción

1.1. Concepto de electrónica

1.2. Historia de la electrónica

1.3. Electrónica analógica y electrónica digital

2. Resistencias

2.1. Introducción

2.2. Resistencias fijas. Definición, símbolos, explicación y código de colores

2.3. Resistencias Variables. Definición, símbolos y explicación

2.4. Resistencias Dependientes de un parámetro. Tipos, definición y símbolo

3. El condensador

3.1. Definición y tipos

3.2. Funcionamiento: Carga y descarga del condensador.

4. El diodo.

4.1. Semiconductores. Tipo P y Tipo N.

4.2. Definición del diodo.

4.3. Polarización del diodo: Directa e inversa

4.5. Ejemplo de aplicación: Fuente de alimentación

5. El Transistor

5.1. Definición del transistor y tipos

5.2. Funcionamiento

5.3. Zonas de trabajo: Corte, activa y saturación.

5.3. Circuito básico de polarización de un transistor

6. Circuitos integrados

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1. INTRODUCCIÓN.

1.1. Concepto de electrónica

La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente. La potencia con la que trabaja es baja,

Utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas. El diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forma parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la física, más concretamente en la rama de ingeniería de materiales.

Actualmente, la importancia de la electrónica llega a prácticamente todos los ámbitos laborales. Muchos de los elementos que habitualmente empleamos en nuestro domicilio o centro de trabajo se rigen por la electrónica, desde los ordenadores donde se procesa y guarda la información hasta las lámparas o aparatos del aire acondicionado.

Por ello, la demanda de profesionales que sepan resolver eficazmente las incidencias

electrónicas del hogar o de las empresas, ha crecido notablemente.

1.2. Historia

Se considera que la electrónica comenzó con el diodo de vacío inventado por John Ambrose Fleming en 1904. El funcionamiento de este dispositivo está basado en el efecto Edison.

El otro gran paso lo dio Lee De Forest cuando inventó el triodo en 1906. Este dispositivo es básicamente como el diodo de vacío, pero se le añadió una rejilla de control situada entre el cátodo y la placa, con el objeto de modificar la nube electrónica del cátodo, variando así la corriente de placa. Este fue un paso muy importante para la fabricación de los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etc.

Conforme pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se fueron perfeccionando y mejorando, apareciendo otros tipos, como los tetrodos (válvulas de cuatro electrodos), los pentodos (cinco electrodos), otras válvulas para aplicaciones de alta potencia, etc. Dentro de los perfeccionamientos de las válvulas se encontraba su miniaturización.

Pero fue definitivamente con el transistor, aparecido de la mano de Bardeen y Brattain, de la Bell Telephone, en 1948, cuando se permitió aún una mayor miniaturización de aparatos tales como las radios. El transistor de unión apareció algo más tarde, en 1949. Este es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las aplicaciones de la electrónica. Sus ventajas respecto a las válvulas son entre otras: menor tamaño y fragilidad, mayor rendimiento energético, menores tensiones de alimentación, etc. El transistor no funciona en

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vacío como las válvulas, sino en un estado sólido semiconductor (silicio), razón por la que no necesita centenares de voltios de tensión para funcionar.

En 1958 se desarrolló el primer circuito integrado, que alojaba seis transistores en un único chip. En 1970 se desarrolló el primer microprocesador, Intel 4004. En la actualidad, los campos de desarrollo de la electrónica son tan vastos que se ha dividido en varias disciplinas especializadas. La mayor división es la que distingue la electrónica analógica de la electrónica digital.

La electrónica es, por tanto, una de las ramas de la ingeniería con mayor proyección en el futuro, junto con la informática

1.3. Electrónica analógica y electrónica digital

Es la representación de un fenómeno físico o estado material a través de una relación establecida; las entradas y salidas de un sistema electrónico serán señales variables.

En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de Tensión o corriente estas se pueden denominar comúnmente señales .Las señales primordialmente pueden ser de dos tipos:

Variable analógica–Son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores

comprendidos entre dos límites. No existen discontinuidades. La mayoría de los fenómenos de la vida real dan señales de este tipo. (presión, temperatura, tiempo etc.)

Variable digital– También llamadas variables discretas, entendiéndose por estas, las variables que pueden tomar un número finito de valores. Por ser de fácil realización. los componentes físicos con dos estados diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas variables, que por lo tanto son binarias. Ejemplo de este tipo de variables son el encendido o apagado de una lámpara

En función de las variables que la electrónica utilice se tratara de electrónica analógica o electrónica digital. De esta forma podemos concluir lo siguiente:

La electrónica analógica es una parte de la electrónica que estudia los sistemas en los cuales sus variables; tensión, corriente, ..., varían de una forma continua en el tiempo, pudiendo tomar infinitos valores (teóricamente al menos). En contraposición se encuentra la electrónica digital donde las variables solo pueden tomar valores discretos, teniendo siempre un estado perfectamente definido: “ceros” (encendido) “uno” ( apagado)

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2. RESISTENCIAS

2.1. Introducción.

Con el objeto de producir caídas de tensión en puntos determinados y limitar la corriente que pasa por diversos puntos se fabrican elementos resistivos de los que se conoce su valor Óhmico. Estos elementos se conocen como resistencias. Se caracterizan por su:

a) Valor nominal: es el valor marcado sobre el cuerpo del resistor. b) Tolerancia: porcentaje en más o menos, sobre el valor nominal, que el fabricante

respeta en todos los resistores fabricados. c) Coeficiente de temperatura: la resistencia varía con la temperatura. Esta variación

se puede calcular en función del coeficiente de temperatura: d) Potencia nominal: potencia que puede disipar el resistor en condiciones

ambientales de 20 a 25ºC. Cuanto mayor es la potencia mayor será el tamaño del resistor.

e) Tensión límite nominal: es la máxima tensión que puede soportar, en extremos, el resistor.

Existen tres tipos de resistencias diferentes en función de su capacidad para variar o

depender de determinadas variables: fijas, variables y e independientes. A continuación

estudiaremos básicamente, cada una de ellas.

2.2. Resistencias fijas.

Se caracterizan por mantener un valor óhmico fijo e invariable. Existen muchos tipos de resistencias finas perolas más comunes son las construidas de carbono útiles para potencias inferiores a 2 W. Se trata de una capa fina de carbono que se coloca como una hélice. Para potencias mayores se utilizan las bobinadas.

Símbolo

Una aplicación usual en circuitos electrónicos es la de protección de otros elementos electrónicos. Una resistencia colocada en serie disminuye la tensión del elemento conectado con ella y le protege de un exceso de tensión. Un ejemplo es la protección de un LED.

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La interpretación de los colores que aparecen sobre la resistencia se realiza de la siguiente forma:

Ejemplo

1º- colocamos la resistencia de la forma adecuada, con la tolerancia en la parte derecha. 2º- sustituimos cada color por su valor. 1ª cifra = naranja = 3 2ª cifra = blanco = 9 Multiplicador = rojo = x100 Tolerancia = oro = ±5% 3º- El valor nominal será: Vn = 3900 Ω ±5%

2.3. Resistencias variables

Se tratan de resistencia que pueden variar su valor óhmico en función de las condiciones del circuito.

Según la forma constructiva pueden ser bobinadas, para potencias grandes, o de pista de carbón. Cuando se varían con ayuda de una herramienta se denominan ajustables, mientras que cuando disponen de un vástago para variarlas se denominan potenciómetros. Y a la vez pueden ser, de conexión vertical y ajuste horizontal, o de conexión horizontal y ajuste

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2.4. Resistencias dependientes.

Se tratan de resistencia que varían su valor óhmico en función de algún parámetro: temperatura, luz etc..

Atendiendo al parámetro que controla su valor, existen cuatro tipos de resistencias dependientes: NTC, PTC, LDR y VDR. Estudiamos cada una de ellas.

a) NTC: Resistencia de coeficiente negativo de temperatura. Cuando aumenta la temperatura de la misma disminuye su valor óhmico y viceversa. Si nos pasamos de la temperatura máxima o estamos por debajo de la mínima se comporta de forma inversa.

b) PTC: Resistencia de coeficiente positivo de temperatura. Cuando aumenta la temperatura de la misma aumenta su valor óhmico. En realidad es una NTC que aprovechamos su característica inversa entre dos valores de temperatura conocidos, T1 y T2

c) LDR: Resistencia dependiente de la luz. Cuando aumenta la intensidad luminosa sobre la misma disminuye su valor óhmico. Se utiliza en aplicaciones relacionadas con la intensidad luminosa.

d) VDR: Resistencia dependiente de la tensión. Cuando aumenta la tensión en sus extremos disminuye su valor óhmico, y circula más corriente por sus extremos. Se utiliza como protección para evitar subidas de tensión en los circuitos. Cuando se supera la tensión de la VDR la corriente se marcha por ella y proteger el circuito

Los símbolos de este tipo de resistencias son los siguientes:

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3. CONDENSADORES

3.1. Definición y tipos.

Los condensadores están formados por dos armaduras conductoras, separadas por un material dieléctrico que da nombre al tipo de condensador. Los hay de diversos tipos, cerámicos, de poliéster, electrolíticos, de papel, de mica, de tántalo, variables y ajustables.

Son capaces de almacenar determinada carga eléctrica y “soltarla” en un determinado momento. La capacidad del condensador se mide en faradios (F) , como es una unidad muy grande se utilizan subunidades como el microfaradio (1micro faradio es 10 elevado a menos 6 faradios) o el nanofaradio ( 10 elevado a menos 9 faradios.) Los electrolíticos tienen polaridad y se debe respetar, en caso contrario el condensador puede explotar. Por lo general se indica el valor de los mismos en la carcasa, si no se hace de forma directa se utiliza el código de colores empezando de arriba a bajo su lectura.

Los símbolos de los condensadores son los siguientes:

3.2. Funcionamiento: carga y descarga.

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

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Carga. Cuando cerramos un circuito y

le aplicamos una tensión, el condensador se carga con esa tensión, en un tiempo determinado que depende de su capacidad y la resistencia en serie .

Descarga. Cuando se cierra el circuito de descarga (sin pila) el condensador descarga su carga eléctrica sobre la resistencia en un tiempo que depende de su capacidad y la resistencia en serie sobre la que se descarga.

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4. DIODOS.

4.1. Introducción: Semiconductores Los diodos son elementos electrónicos construidos con un material semiconductor. Para entender su funcionamiento es necesario conocer las características de este material.

Un semiconductor es una sustancia que tiene estructura cristalina, y en una buena disposición para dejar electrones libres y que se comporta como conductor o aislante dependiendo de la temperatura ambiente. En su estado puro no sirve y hay que añadirle impurezas

En función de las impurezas que añadimos al semiconductor, podemos encontrar dos

tipos diferentes de semiconductores:

Tipo P

Si en la estructura del semiconductor puro sustituimos algunos átomos de éste por otros que tengan 3 electrones en su última capa se obtiene una estructura donde aparecen huecos (h+), donde faltan electrones para que el comportamiento del material sea como el del neutro. Este material se comporta como si estuviera cargado positivamente. Se denomina material semiconductor de tipo "P".

Tipo N

También podemos sustituir alguno de los átomos del material neutro, por átomos que tienen 5 electrones en su última capa se obtiene una estructura donde quedan electrones libres (e-) que no pertenecen a ningún enlace y de fácil movilidad. Este material se comporta como si estuviera cargado negativamente. Se denomina material semiconductor de tipo "N".

4.2. Definición

Un diodo es la unión de dos semiconductores extrínsecos, uno de tipo P y otro de tipo N. Antes de continuar tenemos que recordar que el material P y el material N, cada uno por separado, son neutros. Si sumamos los protones de todos los átomos de uno de ellos y los

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electrones que tienen, veremos que su balance de cargas es cero, o sea, tienen el mismo número de electrones que de protones.

Sin embargo cuando se unen, el material N tiene electrones móviles, descolocados, mientras el material P tiene huecos donde pueden ir electrones, produce una recombinación de electrones (e-) y huecos (h+) en la zona de unión apareciendo una zona desierta sin portadores de carga libres.

4.3. Polarización de un Diodo.

En función de cómo se conecte la tensión a los terminales del diodo, este puede

polarizarse de una u otra forma: directa o inversa

Directa

El polo positivo de la pila se conecta al semiconductor de tipo P y polo negativo de la pila al semiconductor de tipo N. En este caso conduce corriente eléctrica por el diodo

Inversa El polo positivo de la pila se conecta al semiconductor de tipo N y polo negativo de la pila al semiconductor de tipo P. En este caso por el diodo no circula corriente eléctrica.

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Existen diferentes tipos de diodos, rectificadores, LED (Diodos Emisores de Luz), varicar, Zener, Fotodiodos, etc.

4.4. Ejemplo de utilización de diodos: Fuente de alimentación.

La mayor parte de los circuitos electrónicos requieren corriente continua para su funcionamiento. La fuente de alimentación convierte la corriente alterna en corriente continua y en la mayoría de la ocasiones también transforma el valor de la tensión de entrada al aparato. Esta conversión se realiza principalmente utilizando diodos. A continuación se estudia paso a paso como se realiza esta transformación.

a) Transformación del valor de entrada. El transformador, se encarga de cambiar los niveles de la tensión de entrada, de 230V hasta uno cercano al que deseamos obtener. El transformador es reversible, por lo que se puede conectar la tensión mayor en cualquiera de los dos devanados y obtener la del otro

b) Rectificación de de la onda de entrada. Puede rectificarse media onda de entrada, pero es poco útil. Las fuentes de alimentación rectifican la onda de forma completa. Para ellos utiliza cuatro diodos colocados como indica la figura y este circuito es llamado, un puente de diodos. En este montaje, en el semiciclo positivo los diodos D1 y D3 permiten el paso de la corriente hasta la carga, con la polaridad indicada. En el semiciclo negativo son D2 y D4 los que permiten el paso de la corriente y la entregan a la carga con la misma polaridad que en el caso

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c) Filtro. Se encarga de hacer que la onda de entrada, se mantenga en un nivel de continua lo más alto posible. Cuando el valor instantáneo de la tensión pulsatoria es superior a la que tiene el condensador, es esta, la que se entrega a la carga, mientras que cuando la tensión pulsatoria es inferior a la del condensador, es el condensador quien se la suministra a la carga manteniendo la tensión con niveles elevados de corriente continua. Aun así existen unas pequeñas variaciones en la tensión que se obtiene llamadas tensión de rizado

d) Estabilizador. Es el último elemento de la fuente de alimentación, consiguiendo definitivamente una señal continua. Se encarga de eliminar el rizado que todavía hay tras el filtro y de dejar la corriente totalmente continua y estable. Suele utilizarse un circuito especializado (regulador de tensión) o un diodo zener que se encargan de esta función.

La unión de todos estos bloques configuran una fuente de alimentación. Aunque en ocasiones pueden no estar alguno de ellos, por ejemplo el transformador, o el estabilizador. Por tanto él esquema general de una fuente de alimentación es el siguiente:

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5. TRANSISTOR.

5.1. Definición y tipos

Es un dispositivo semiconductor que consiste en dos uniones P-N yuxtapuestas, dando lugar a tres regiones P-N-P o N-P-N, que son los dos tipos de transistores bipolares existentes. Poseen tres patillas, denominadas base, colector y emisor.

5.2. Funcionamiento del transistor El funcionamiento de un transistor es el siguiente:

a) Si VBB es igual a 0 Voltios, el diodo superior entre colector-emisor está polarizado en inversa y no permiten el paso de corriente entre colector emisor.

b) Cuando aplicamos tensión sobre la base-emisor del transistor, circula la corriente IBE, haciendo que el diodo base-emisor, pase a comportarse como un circuito cerrado. En ese momento la zona P-N, base-emisor, se comporta como si todo fuese del mismo material N, y por lo tanto entre colector-emisor sólo existiese material N de baja resistencia, permitiendo el paso de corriente entre colector-emisor ICE.

Por tanto, mediante una pequeña

corriente de electrones en la base (B) es posible controlar la circulación de electrones entre el colector (C) y el emisor (E) de un transistor. Además la corriente de colector es bastante mayor que la corriente de base, por lo que

actúa como un amplificador de corriente. Por tanto, si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación

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5.3. Zonas del transistor.

Ahora bien, hemos comentado el funcionamiento del transistor de forma general. A continuación exponemos que sucede cuando modificamos algunos parámetros del circuito de polarización del mismo. En este caso el transistor puede estar en tres estados diferentes:

1. Zona de Corte. Decimos que el transistor está en corte, cuando a corriente que circula por la base es 0, o la tensión VBE < 0,6V. En este caso el transistor actúa como un interruptor abierto.

2. Zona activa. Decimos que el transistor está en la zona activa (trabaja como amplificador) cuando circula corriente por la base, la tensión VBE = 0,6V, y por lo tanto la corriente IC > 0 A En esta situación por el colector amplifica la corriente que circula por la base actuando como un amplificador.

3. Zona de saturación. Decimos que el transistor está en saturación si el valor de IC es

menor al calculado en la zona activa, por tanto a la base llegan muchos electrones, el paso del colector al emisor queda totalmente libre. El transistor actúa como un circuito cerrado

5.4. Circuito básico de polarización de un transistor

Por lo general se utiliza una sola fuente de alimentación, la tensión de base se puede obtener de otras maneras.

En función de los parámetros de las resistencias y la fuente de tensión el transistor actuará en una de las tres zonas explicada anteriormente.

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6. CIRCUITOS INTEGRADOS: CHIP Son componentes electrónicos en cuyo interior se encuentra un circuito electrónico formado por resistencias, diodos, transistores etc… Para protegerlos se les recubre de una capsula. Se tratan de componentes que reducen significativamente el tamaño de los circuitos electrónicos.

Las partes de un circuito integrado son las siguientes:

a) Pata metálica. Se trata de un elemento que conecta el interior del chip con el exterior. En las instrucciones se designan con un número explicando la función de cada pata.

b) Código identificador. Se trata de un número que da nombre al circuito integrado. En el mercado existen diferentes chips cada uno con su nombre y que realizan funciones distintas.

c) Muesca y punto. Es un marca que sirve de guía para colocar correctamente el chip para determinara que número le corresponde cada pata.

d) Cubierta de plástico. Sirve para proteger el circuito electrónico. Tiene unas soldaduras que conecta el circuito con las patas metálicas

e) Chip de silicio. Es el circuito electrónico propiamente dicho. Este circuito está

grabado en una pequeña placa de silicio.