MAPA DE CONTENIDOS
1- Introducción. Breve reseña histórica.
Diferencia entre circuito eléctrico y circuito electrónico.
2- Componentes electrónicos.
2.1 Resistencias:
- fijas: lineas de colores
- variables
- sensibles : luz y calor (tecno12-18)
2.2 Condensadores
1.ELECTRÓNICA
1. Introducción. Breve reseña histórica.
En la unidad anterior hemos visto que la materia tiene una propiedad llamada electricidad que se pone de manifiesto cuando unas partículas minúsculas llamadas electrones se ponen en movimiento.
También vimos que dicho movimiento de los electrones se denomina corriente eléctrica y que dicha corriente fluye a través de un conjunto de elementos que denominamos circuito eléctrico.
Históricamente la era de la electrónica comienza a principios del siglo XX cuando Marconi consigue por primera vez enviar un mensaje a través del océano valiéndose de la comunicación inalámbrica a la que hoy llamamos radio.
A su vez, mientras que Marconi conseguía la inmortalización, Forest inventaba la primera válvula de vacío: Audión.
No pasó mucho tiempo hasta que los inventores de la radio utilizaran las válvulas para mejorar sus equipos...
de electrones a través de un material conductor, en vez de hacerlo en vacío como las válvulas.
Poco después, en 1958, se inventa el primer circuito integrado, que integra 6 transistores en un único chip. Son estos trasnsistores los que representan el principal componente básico de todos los sistemas electrónicos de la actualidad.
En la actualidad el campo de la electrónica es tan vasto que se precisan de varias ciencias para su estudio.
La electrónica aparece con un papel relevante en todos los campos de nuestra sociedad, nuestra dependencia de ella es tal que se puede decir que vivimos en la ERA DE LA ELECTRÓNICA. A continuación de decir esto, si se ha dado un nombre a las distintas edades de la historia de la humanidad, de acuerdo al material más utilizado y más modificado, se puede decir que ésta es la EDAD del Semiconductor. o EDAD DEL SILICIO.
¿Pero con todo lo que hemos estado dando hasta aquí, cuál es la diferencia entre un circuito eléctrico y un circuito electrónico?
Básicamente, un circuito eléctrico es una combinación de elementos pasivos y activos (así se denominan a los elementos vistos hasta aquí, resistencias, condensadores, bobinas, pilas e interruptores o dispositivos de control)
De esta manera, podemos hacer dos grandes agrupaciones:
1. Circuitos ELÉCTRICOS en los que la finalidad es la transmisión de energía a través de dichos circuitos. Este tipo de circuitos se engloban dentro de una parte de la electricidad que denominamos Electrotecnia. Ejemplos de circuitos electrotécnicos son: una instalación de iluminación, un circuito que alimenta un motor eléctrico, el circuito de una placa vitrocerámica de cocina, o un secador de pelo.
2. Circuitos ELECTRÓNICOS en los que lo que se pretende es transmitir información a través de una corriente eléctrica. Esto se realiza codificando dicha corriente, es decir inventando un código en el que cada estado o característica de la corriente tiene un significado. Por ejemplo podemos codificar una corriente por el valor de su intensidad: si ésta es mayor que un determinado valor, por ejemplo 1 amperio, entonces eso significa “encendido”; si dicho valor es menor que 1 amperio, entonces eso significa “apagado”. Evidentemente para transmitir información más compleja que la de este ejemplo necesitamos un código mucho más grande. Los circuitos que utilizan la corriente como canal de información entran dentro de la parte de la electricidad que denominamos Electrónica, que será el objeto de estudio del presente tema.
2. Principales componentes electrónicos
2.1 Resistencias
Una resistencia es un componente de un circuito que convierte la energía de los electrones en energía térmica (calor). En electrónica no necesitamos el calor para nada porque el calor es una forma de energía y la energía la utilizamos en electrotecnia. ¿Para qué queremos entonces las resistencias?
Las resistencias se usan en electrónica para hacer variar los valores de las magnitudes fundamentales (I y V). Según varíen dichas magnitudes, tendremos diferentes signos que
La electrónica es una rama de la tecnología que se interesa no tanto en la energía que transportan sus electrones como por la información que sus electrones pueden transmitir. Esto quiere decir que la manera en que los electrones se mueven o se dejan de mover a lo largo de un circuito electrónico se considera una señal que nos puede estar indicando cómo es la música que se escucha por unos altavoces, que una alarma sonará o que un ascensor debe subir, bajar o detenerse....
codificarán la información que transmitimos.
Tipos de resistencias:
2.1.1. Resistencias fijas. Tienen un valor que no varía aunque varíen mucho las magnitudes eléctricas. Se representan mediante estos dos símbolos indistintamente:
Suelen ser pequeñas y con la forma de una salchicha y su valor viene codificado en su lateral con un código de colores que debemos conocer. Dicho valor se representa con 4 líneas cada una de un color, tres de ellas juntas y la cuarta separada. Tienen el siguiente significado:
Línea 1: es el valor de las decenas
Línea 2: es el valor de las unidades
Línea 3: la potencia de 10 por la que multiplico el número anterior
2.1.2 Resistencias variables o potenciómetros: es una resistecia cuyo valor se puede modificar a voluntad. Se representa con los siguientes símbolos:
2.1.3 Resistencias dependientes de la temperatura o termistores: PTC o NTC.
PTC (Positive Temperature Coefficient): el valor de estas resistencias aumenta cuando aumenta la temperatura).
NTC (Negative Temperature Coefficient): el valor de la resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura.
2.1.4 Resistencias dependientes de la luz o fotorresistencias: son resistencias cuyo valor disminuye cuando están expuestas a mayor cantidad de luz. Su símbolo es el siguiente:
2.2 Condensadores
Un condensador es un componente formado por dos láminas de material conductor, llamadas armaduras, separadas por un material aislante, llamado dieléctrico. Cuando se conectan las armaduras a una diferencia de tensión, los electrones circulan y ocupan una de las láminas. En la otra se acumulan cargas positivas, con lo cual tenemos la misma diferencia de potencial entre las dos armaduras.
prolongan la actividad de un circuito durante un tiempo posteriormente a la desconexión de la batería.
La característica más importante de un condensador es su capacidad (C). Los condensadores no tienen una cantidad de electrones máxima que pueden almacenar, sino que esta cantidad máxima es distinta dependiendo de la tensión a la que el condensador está conectado. Cuanto mayor sea la tensión, mayor será el número de electrones que pueden acumular. La capacidad de un condensador se refiere a la posibilidad que tiene el condensador de acumular cargas eléctricas cuando se aplica una determinada tensión a sus extremos. En fórmula matemática:
C=Q/V
El símbolo de un condensador es el siguiente:
Hay que tener cuidado para no confundirlo con una batería
2.3 Componentes basados en materiales semiconductores.
Son los que hacen que un circuito sea considerado electrónico.2.3.1 Materiales semiconductores:
En general todos los materiales de la naturaleza suelen presentar una resistencia eléctrica que se mantiene constante en cualquier dirección que la corriente atraviese dicho material. Esta propiedad se llama isotropía eléctrica. Sin embargo, a partir de mediados del siglo XX se empezaron a modificar algunos materiales para conseguir que la electricidad pasara fácilmente en un sentido (resistencia baja) y con mucha dificultad en el sentido contrario (resistencia alta). Dichos materiales se llamaron semiconductores.
es decir, se le inyectan unos pocos átomos de un material distinto, por ejemplo As o Ga, lo que crea un desequilibrio entre las cargas, formando un material con exceso de cargas positivas o negativas según el material dopante. El material semiconductor es una unión de uno y otro, es decir, una especie de placa con dos caras, una positiva y otra negativa. Esta placa se denomina unión P-N
2.3.2. Diodos
Un diodo es un componente electrónico con dos polos formado por una unión P-N. Esto significa que la electricidad pasará en un sentido pero no en el sentido contrario.
Si conectamos el polo positivo del diodo, llamado ánodo, con el polo positivo de la batería, la electricidad fluye a través del mismo. En este caso decimos que el diodo está en polarización directa. En el caso contrario (polo positivo del diodo con el polo negativo de la batería) decimos que está en polarización inversa (el diodo actúa como aislante).
El símbolo del diodo es el siguiente:
La flecha indica el sentido en el que el diodo conduce la corriente.
Hay un tipo especial de diodos que tienen la propiedad de emitir luz cuando se encuentran en polarización directa. Estos diodos se llaman diodos LED (Light Emitting Diode)
El símbolo de un diodo LED es:
forman otros tantos enlaces covalentes con otros electrones de valencia de átomos vecinos. A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia pueden absorber la energía calorífica suficiente como para liberarse del enlace y moverse a través de la red cristalina del sólido, convirtiéndose en electrones libres portadores de carga negativa, que al aplicarles un potencial eléctrico se dirigen al polo positivo o ánodo de la pila. Cuando un electrón libre abandona un átomo deja un hueco o vacante en la red, que pasa a ser un portador de carga positiva. A estos semiconductores se les denomina intrínsecos. En la práctica, para mejorar la conductividad eléctrica de los materiales semiconductores se les añaden impurezas formadas por ciertos átomos que consiguen modificar sus propiedades eléctricas, en un proceso denominado dopado, que da lugar a los semiconductores extrínsecos. Las impurezas pueden ser átomos pentavalentes, que proporcionan electrones libres y que dan lugar a semiconductores tipo N, o átomos trivalentes, que proporcionan huecos en la estructura y que dan lugar a semiconductores tipo P.
Cuando a un material semiconductor se le introducen impurezas de tipo P por un lado y de tipo N por el otro se forma una unión PN. Los electrones libres de la región N se difunden por la región P recombinándose con los huecos, por lo que en la región N se crean iones positivos y en la P iones negativos que interaccionan entre sí. Esta distribución de cargas en la unión establece una barrera de potencial o región umbral que repele los huecos de la región P y los electrones de la región N. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante.
ELECTRÓNICA. Componentes electrónicos
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Si se polariza la unión PN en sentido inverso (polo positivo de la pila a la región N y el negativo a la P), la tensión de la pila ensancha la barrera de potencial creada en la unión PN, produciendo un aumento de iones negativos en la región P y de iones positivos en la región N, impidiendo la circulación de electrones y de huecos a través de la unión. El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre él, ya que la resistencia interna es muy elevada. Si el diodo se polariza de forma inversa se comporta como un interruptor abierto.
Cuando un diodo ideal se polariza en inverso (línea horizontal de su curva característica) no existe intensidad de corriente eléctrica cualquiera que sea el valor de la tensión aplicada entre el ánodo y el cátodo, por lo que se comporta como un circuito abierto. Cuando se polariza en directo (línea vertical de su curva característica) existe una intensidad de corriente a través de él limitada por el circuito exterior, siendo nula la tensión entre el ánodo y el cátodo, por lo que se comporta como un cortocircuito.
Cuando un diodo real se polariza en inverso existe una pequeña intensidad de corriente eléctrica I0,
denominada corriente inversa de saturación del diodo. Si la tensión inversa aplicada aumenta, la intensidad de corriente crece rápidamente. Si se supera el valor de la tensión de ruptura VRM, la
unión PN se destruye por avalancha de portadores. Cuando se polariza en directo, la intensidad de corriente Id aumenta exponencialmente con respecto a la tensión aplicada entre el ánodo y el cátodo
Vd. Se considera que no existe intensidad de corriente hasta que se supera una tensión umbral V?.
2.3.2 Transistores
Los transistores se pueden reconocer fácilmente porque de todos los componentes electrónicos que hemos visto hasta ahora es el único que tiene tres conectores en lugar de dos. Estos conectores se denominan base, colector y emisor.Para simplificar, nos referiremos a ellos por sus iniciales B, C y E.
Consiste en una doble unión de materiales semiconductores, en otras palabras, en la unión de TRES CAPAS de material semiconductor, es decir, pueden ser uniones PNP o uniones NPN.
Su funcionamiento es fácil de entender si pensamos que la corriente de la rama correspondiente a la B del transistor actúa como una señal de entrada, (o en la llave de un grifo), y que dependiendo de cómo sea esta señal de entrada (o de cuánto se abra la llave del grifo), el transistor dejará pasar más o menos electricidad entre C y E. (Para la explicación aquí detallada, se utiliza el modelo de transistor NPN)
1. Si la corriente de base es muy pequeña, (o el grifo se abre muy poco), el transistor no dejará pasar corriente entre el colector y el emisor. Se dice entonces que se halla en corte. Es equivalente a un circuito abierto.
Tiene que existir un valor mínimo de corriente en la base para que se permita el paso de la corriente entre el C y el E. Si ese valor mínimo no se alcanza, el transistor
NO CONDUCE - > semejante a un CIRCUITO ABIERTO.
2. Si la corriente de base es muy grande (la llave del grifo se abre mucho), el transistor se comporta como un buen conductor entre C y E. Se dice entonces que está en saturación. Es equivalente a
UN CIRCUITO CERRADO - > SÍ CONDUCE
En la electrónica digital a menudo se utilizan transistores para abrir y cerrar el circuito entre C y E, como si fueran interruptores que en lugar de estar controlados manualmente estuvieran controlados electrónicamente (por la intensidad que entra por la base B). Esta manera de funcionar del transistor se denomina conmutación.
3. Sin embargo, entre el corte y la saturación hay un margen de intensidades de B que hace que la corriente entre C y E sea proporcional a la de B, es decir, que la señal tenga la misma forma pero más amplitud. Cuando se trabaja dentro de este margen se dice que el transistor trabaja en modo lineal o de amplificación, se encuentra en ACTIVA y se utiliza para amplificar señales.
. La constante de proporcionalidad se llama ganancia (β) del transistor. Esto es: IE=β·IB
Dependiendo pues del valor de la corriente de base (en realidad de la tensión entre la base y emisor) podrán ocurrir tres cosas:
1. La corriente de base no es suficiente para que haya corriente entre emisor y colector o viceversa. En este caso decimos que el transistor está en corte
2. La corriente de base permite el paso de corriente entre emisor y colector o viceversa y esta última se mantiene por debajo del valor máximo que puede alcanzar. En este caso la intensidad de base y la de emisor se mantienen proporcionales. Esta es la zona activa
3. La máxima corriente de emisor se ha alcanzado, a partir de ahí, el aumento de la corriente de base no produce aumento en la de emisor por lo que ya no se mantienen proporcionales. En este caso el transistor está trabajando en saturación
Aplicaciones del transistor.
Conociendo el funcionamiento y características de los transistores, ya podemos entender sus aplicaciones en electrónica. Las fundamentales son dos:
Como interruptor: si manejamos el transistor entre la zona de corte y la de trabajo, podemos hacer que una circuito (entre el emisor y el colector) se abra o se cierre en función de una corriente distinta (la de base). Esa corriente a la base puede estar controlada por medio de sensores. Esta es la
diferencia esencial que hace que se utilicen transistores en lugar de interruptores...
Llamamos sensores a los dispositivos que convierten magnitudes físicas como la temperatura en determinados valores de tensión que sirven de señales eléctricas que se traducen en pequeñas intensidades de corrientes. Pueden ser LDR, PTC o NTC.
Como amplificador: cuando manejamos el transistor en la zona de trabajo, cualquier variación de la corriente de base se ve multiplicada por la ganancia en la corriente de emisor, es decir estamos amplificando la señal que es la corriente de base.
Los relés son unos componentes electromagnéticos muy utilizados en electrónica, que pueden funcionar como un interruptor o como un conmutador activado mediante un electroimán. Constan de dos circuitos independientes:
Circuito electromagnético o de mando. Este circuito es alimentado por una corriente de bajo voltaje, denominada corriente de maniobra, que es capaz de activar el electroimán. Cuando una corriente de baja intensidad circula por la bobina del electroimán se crea un campo magnético que imanta un núcleo de hierro dulce que es capaz de atraer un inducido móvil. En este circuito es necesario instalar un elemento de maniobra y de protección para evitar que permanezca siempre activado, ya que la bobina es un cable conductor enrollado que ofrece poca resistencia y que da lugar a un consumo elevado que puede producir un calentamiento en la bobina por cortocircuito. Las características técnicas de este circuito son:
Corriente de excitación. Es la intensidad necesaria para activar el relé. Tensión nominal. Es la tensión de trabajo para la cual el relé se activa.
Consumo nominal de la bobina. Es la potencia que consume la bobina cuando el relé está excitado con la tensión nominal a 20 ºC.
Circuito eléctrico de potencia. Es el circuito de uso, esto es, donde se produce la conexión/desconexión de unos contactos por lo que pasan corrientes mayores. Los contactos se fabrican con aleaciones de plata con cobre, níquel u óxido de cadmio, dependiendo del uso, aplicación y vida útil necesaria del relé. Como el número de contactos puede ser muy elevado, con un relé es posible gobernar varios circuitos diferentes. Las características técnicas de este circuito son:
Tensión de conexión. Es la tensión entre los contactos antes de cerrar o después de abrir. Intensidad de conexión. Es el valor de la intensidad máxima que el relé puede conectar. Intensidad máxima de trabajo. Es el valor máximo de la intensidad que puede circular por los contactos cuando se han cerrado.