Principios Electricos y Aplicaciones Digitales ISC

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Principios Eléctricos Y

Aplicacione

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Principios eléctricos y aplicaciones digitales

OBJETIVO GENERAL

: Desarrollar aplicaciones electrónicas, manejando instrumentos de

medición que ayuden a implementar el diseño de circuitos digitales, que solucionen

problemas computacionales.

INDICE INDICE

CAPITULO No. 1.- ELECTRONICA ANALOGICA.

1.- Corriente eléctrica.

1.1.- Introducción.

1.2.- Corriente Directa (CD).

1.3.- Corriente Alterna (CA).

2.- Elementos de circuitos básicos.

2.1.- Pasivos. (ejem: Resistencia, capacitor, y bobina)

2.2.- Activos. (ejem: Transformador, fuente de alimentación, etc.).

3.- Análisis de circuitos.

3.1.- Técnicas de solución para circuitos de CD y CA.

3.2.- Circuitos RLC.

4.- Características de los semiconductores.

4.1.- Silicio y Germanio.

4.2.- Materiales tipo p y n.

5.- Dispositivos semiconductores.

5.1.- Diodos. (Diodo normal, Diodo Zener, LED, Fotodiodo,

Fotocelda, Fotorresistencia y Optoacoplador).

5.2.- Transistores: Bipolares (NPN y PNP), FET y MOSFET.

5.3.- Tiristores: (SCR, SCS, Triac y Diac)

6.- Aplicaciones con semiconductores.

6.1.- Rectificadores. (media onda, onda completa y tipo puente).

6.2.- Amplificadores.

6.3.- Osciladores.

6.4.- Conmutadores.

6.5.- Fuentes de poder.

7.- Amplificadores operacionales (AmpOp).

7.1.- Introducción a los circuitos integrados (CIs)

7.2.- Configuraciones principales. (Amplificador Inversor, No Inversor,

Sumador, Integrador, Restador, Diferenciador).

8.- Circuitos de Tiempo (MV).

8.1.- Características.

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4 Prácticas en el Laboratorio 4 Prácticas en el Laboratorio

::

1- Diseño de un circuito eléctrico con 10 resistencias para medir I, V y R

(5 ptos).(5 ptos).

2.- Diseño y medición en prototipo de una

2.- Diseño y medición en prototipo de una Fuente Alimentación regulada

Fuente Alimentación regulada

(20 ptos).(20 ptos).

3.- Diseño de una CI 741 como Amplificador No inversor en 2 etapas.

(5 ptos).(5 ptos).

4.- Diseño de un circuito electrónico empleando CD, CA y un optoacoplador

(10 ptos).(10 ptos).

CAPITULO No. 2- ELECTRONICA DIGITAL.

1.- Sistemas Numéricos.

1.1.- Representación y conversiones entre diferentes bases. (Decimal,

Binario, Octal y Hexadecimal).

1.2.- Operaciones básicas (suma, resta, multiplicación y división).

1.3.- Códigos Binarios (BCD, Gray, Exceso a

1.3.- Códigos Binarios (BCD, Gray, Exceso a 3 y ASCII).

3 y ASCII).

2.- Álgebra booleana.

2.1.- Teoremas y postulados.

2.2.- Compuertas lógicas (NOT, OR, AND, XOR, etc.)

2.3.- Simplificación de funciones (Teoremas y postulados, Miniterminos,

Maxiterminos y Mapas de Karnaugh).

3.- Lógica combinacional.

3.1.-Análisis, Síntesis y Diseño de circuitos.

3.2.- Diseño de circuitos combinacionales.

3.3.- Aplicaciones de los Circuitos Combinacionales MSI. (

Exposiciones Exposiciones

))

(Mux, Demux, Decoder, Coder).

4.- Lógica secuencial.

4.1- Flip-Flops. (Tipos: T, D, JK y SR).

4.2.- Aplicaciones de los Flip-Flops. (Registros y contadores).

4.3.- Diseño de circuitos secuenciales.

5.- Familias lógicas. (

Exposiciones Exposiciones

))

5.1.- Las 5 características más importantes de las Familias Lógicas.

(Niveles lógicos, Factor de carga, Flujo/Reflujo de corriente, Disipación

de potencia y Rapidez, y Nivel de ruido).

5.2.- TTL, ECL, MOS y CMOS.

5.3.- Familias más recientes y de

5.3.- Familias más recientes y de bajo voltaje (LVT, LV, LVC y ALVC).

bajo voltaje (LVT, LV, LVC y ALVC).

4.- Prácticas en el Laboratorio: 4.- Prácticas en el Laboratorio:

5.- Operación de las compuertas lógicas.

(5 ptos.).(5 ptos.).

6.- Diseño de un circuito Combinacional (ejem.: Suma y Resta de 4 bits

6.- Diseño de un circuito Combinacional (ejem.: Suma y Resta de 4 bits))

(5 ptos.).(5 ptos.).

7.- Diseño de un circuito Secuencial (ejem.: Contador del 0 al 99 con displays).

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CAPITULO No. 3- APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DIGITALES.

1.- Convertidores.

1.1.- Conceptos y características de los convertidores.

1.2.- Tipos: Analógico/Digital y Digital/Analógico.

2.- Lenguajes HDL.

2.1.- Dispositivos Lógicos Programables (PLD).

2.1.1.- Tipos, características y fabricantes.

2.1.2.- Pasos para el diseño con PLD´s.

2.2.- Programación de circuitos combinacionales con HDL

2.2.1.- Por captura esquemática, por tabla de verdad, por ecuaciones

Booleanas y por descripción de comportamiento.

2.3.- Programación de circuitos secuenciales con HDL

2.3.1.- Por captura esquemática, por tabla de verdad, por ecuaciones

Booleanas y por descripción de comportamiento.

2.- Prácticas en el Laboratorio:

9.- Circuito de conversión de digital a analógico o de analógico a digital.

(20 ptos.).

10.- Simulación de la implementación de un circuito con PLD´s

(20 ptos.).

ANEXOS

Manual de Prácticas

BIBLIOGRAFIA:

Electrónica Básica Ed. Prentice Hall Aut. Grobb

ABC de la electrónica. Ed. Esteren

Lógica Digital y Diseño de Computadoras Ed. Prentice Hall Aut. M.Morris Manno

Diseño Digitales Principios y Prácticas

Ed. Prentice Hall Aut. John F. Wakerly

Sistemas digitales (Principios y Aplicaciones) Ed. Prentice Hall Aut. Ronald J Tocci

VHDL El arte de programar sistemas digitales Ed. CECSA Aut. David G. Maxinez /

Jessica Alcalá. TEC de Monterrey.

Notas:

 Habrán 3 evaluaciones: en las que el 40 % será de prácticas, 10 % reporte de las prácticas y el 50 % el examen escrito.

 Para tener derecho a segundas oportunidades, necesariamente habrán pasado al menos una evaluación. Es decir en segundas solo podrán presentar 1 evaluación el mismo día.

 Habrán puntos extras para la calificación de cada examen que será por participación durante clases. Los puntos extras son para subir calificación, no para pasar un examen.

 No se cambiaran fechas de evaluaciones. Se avisarán una semana antes.

 No se pasara lista, por lo que personas que lleguen retrazados o no asistan a alguna clase, tendrán la responsabilidad de ponerse al día con algún compañero.

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CAPITULO No. 1.- ELECTRONICA ANALOGICA.

1.- Corriente eléctrica.

1.1.- Introducción.

Electrónica se deriva de la palabra electrón , que se emplea para denotar una cantidad muy pequeña e invisible de electricidad que está presente en todos los materiales. Todas las substancias están constituidas de partículas diminutas llamadas átomos.

Una sustancia está formada totalmente de un tipo de átomo conocido como elemento. Los átomos a su vez están formados por partículas aún más pequeñas llamadas:protones, neutrones y electrones.

Estructura básica de un átomo

Carga eléctrica:

Cuando un electrón se separa de un átomo exhibe una pequeña carga eléctrica. La unidad básica para medir una carga eléctrica es el Coulomb, la carga combinada de 6.25 x 1018e- equivale a la carga de un Coulomb.

Actualmente existe dos tipos de cargas eléctricas: la carga negativa que es la que exhibe el electrón y la carga positiva que exhibe un protón que tiene la misma cantidad de carga eléctrica pero es de tipo opuesto. Dos partículas similarmente cargadas (es decir, 2e-, ó 2 protones) tienden a repelarse uno a otra. Por otro lado 2 partículas con cargas opuestas (un e- y un protón) tienden a atraerse.

Corriente eléctrica:

Cuando un electrón se separa de un átomo se desplaza a través del espacio hasta que choca un segundo átomo el cual lo acepta incorporándolo a su estructura y expulsa a uno de sus electrones originales. Este electrón a su vez golpea a un tercer átomo y así sucesivamente. Cada electrón individual no viaja muy lejos, pero la energía de los electrones en movimiento puede transmitirse cual largo sea la longitud del conductor.

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Ahora, si consideramos a la corriente como flujo efectivo de electrones, esto es si un coulomb fluye pasando por un punto dado en un segundo, se dice que la corriente es de 1 Amper que viene siendo la unidad básica para la medición de la corriente eléctrica. De tal forma que la electricidad estudia los fenómenos eléctricos mientras que laelectrónicaestudia la aplicación práctica de estos fenómenos.

Voltaje:

Ya que la corriente especifica el número de electrones que se mueven pasando por cierto punto en un intervalo de tiempo dado, se puede considerar como la rapidez del flujo electrónico. Ya que las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y cargas opuestas se atraen, en una fuente de alimentación un montón de electrones fluirá de punto más negativo a un punto mas positivo. La intensidad de corriente que fluye dependerá de la diferencia de esta carga, entre el punto más negativo y el punto más positivo del circuito. Esta diferencia de potencial recibe el nombre de voltaje o fuerza electromotriz (f.e.m).

Resistencia:

Es el equivalente eléctrico de la fricción donde normalmente se representa por la letra R que es un componente electrónico diseñado para introducir una cantidad específica de resistencia en un circuito.

La unidad de fundamental de la resistencia es el ohm (Ω). Un volt puede hacer que circule un ampere de

corriente a través de una resistencia de un ohm.

La relación de estos tres factores es quizás el concepto más importante en la electrónica. Esa relación queda definida por el principio denominado Ley de Ohm.

I = V/R, efecto=causa/oposición

Potencia:

Es la rapidez en la que la carga se mueve por el efecto de un voltaje o dicho de otra forma, es la energía total consumida en un circuito con un voltaje y corriente determinada.

P=VI=I2_R=V2_/R

La potencia se mide en watts, donde un watt de potencia se consume cuando un volts impulsa un ampere a través de un circuito.

Nota: Para evitar que la resistencia se caliente demasiado y se dañe se deberá calcular la potencia nominal que será la doble de la potencia real.

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Ejemplo práctico de los anteriores conceptos:

Consideremos que tenemos una mesa en donde uno de sus extremos tenemos un auto de juguete, éste no se moverá mientras la mesa esta parada paralelamente con respecto al piso. Esto es porque no hay ninguna fuerza que la mueva.

Ahora si inclinamos la mesa haciendo que la parte más alta sea por el lado donde está el auto, éste se deslizará hacia la parte inferior de la mesa, donde se tiene:

Kilowatt-Hora:

Es la unidad empleada par medir grandes cantidades de trabajo o energía eléctrica. El trabajo se obtiene multiplicando la potencia en kilowats por el tiempo en horas.

Kwh=P*h/1000 Ejercicios:

1) La corriente a través de una resistencia de 100 Ω que será empleado en un circuito es de 150 miliampers. ¿Cuál deberá ser la potencia nominal de la resistencia?

2) ¿Qué corriente fluye por el filamento de un foco de 100 watts cuando este se conecte a la energía de 120 volts.

3) Si deseamos conectar un led a una batería de 9 volts que valor de resistencia debemos conectar en serie para evitar que el led se queme, considerando que la corriente nominal del led es de 10 miliampers.

4) Si alimentamos una resistencia de 150 Ohms por medio de una fuente de alimentación de +48 Vcd, calcular el valor de la potencia adecuada para evitar que la resistencia se dañe.

5) Si un foco de 100 watts se deja prendido toda la noche durante 8 horas. Como impactara en el recibo de la luz si CFE cobra $4.00 el kwh.

6) ¿Cuál será el costo de operación de una plancha de 1200 watts durante 2 horas?.

7) Para las posiciones del siguiente cuadrante calcule la factura que va a recibir, si la lectura anterior fue 4,650 kwh.

Medidor en KWhatts-Hora

1000 100 10 1

8) Se desea calcular el costo de operación de una clase durante 2 horas en la LSC del TEC, para ello se deberá considerar 8 lámparas de 75 watts y 2 aires acondicionados de 12,000 watts cada uno.

Rapidez (Corriente) Exceso de electrones (Carga negativa) Ausencia de electrones (Carga positiva) Porosidad de la mesa (Resistencia) Intensidad de la luz (Potencia)

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1.2.- Corriente Directa ( ) :

En todas las aplicaciones eléctricas en las que se necesita utilizar corriente, los componentes se representan en forma de un circuito, que viene siendo la trayectoria cerrada para el flujo de la corriente. Un circuito eléctrico básico consta de 4 elementos:

1) Fuente de energía: Funciona de una bomba de agua que hace que se muevan los electrones. 2) Los conductores: Funcionan como la tubería donde se observa el flujo de electrones llamado

corriente y está dada en Amper.

3) La carga se transforma la energía de los electrones en movimiento en alguna otra forma útil de energía (Térmica o luminosa).

4) Dispositivos de control: le sirve para habilitar o deshabilitar la corriente a través del circuito es conocido como switch o interruptor.

Existen 3 maneras de representar los circuitos: 1. Diagrama a bloques

2. Diagrama pictórico 3. Diagrama esquemático

En conclusión la corriente directa o corriente continua (CD o CC) es la corriente que fluye en una sola dirección y esto se debe a que la polaridad de su fuente de alimentación no varía.

1.3.- Corriente Alterna ( ).

Si la corriente fluye en una sola dirección debido a que la polaridad del voltaje no varía significa que estamos hablando de corriente eléctrica y continua.

Existe otro tipo de corriente eléctrica que no siempre fluye en una misma dirección sino alterna y fluye primero en una dirección y luego se invierte hacia la otra, a este tipo de electricidad se llama corriente alterna.

+

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-A menudo es muy útil saber como cambia la corriente y el voltaje al transcurrir el tiempo. La forma más fácil de hacer esto consiste en graficar con una forma de onda senoidal, por lo cual se tiene una representación gráfica de la corriente del voltaje donde nos muestra la magnitud y dirección de cualquier instante.

Otra forma de representar la I y el V es por medio de grados de rotación tal como se ilustra continuación:

VALOR PROMEDIO:

Como su nombre lo indica el valor promedio de un voltaje a una CA es el promedio de todos los valores instantáneos durante medio ciclo, o sea una alteración, puesto que durante medio ciclo el voltaje o la corriente aumentan del 0 al valor pico luego disminuyen a 0, el valor promedio deberá encontrarse en algún punto entre 0 y el valor pico.

VALOR EFECTIVO (RMS):

También llamado raíz cuadrática media o RMS donde es igual a la raíz cuadrada del valor medio de las cuadradas de todos los valores instantáneos de corriente o voltaje durante medio ciclo. Este valor es utilizado en circuitos donde se maneja CA y CD y se emplea para determinar con exactitud la dimensión de corriente o voltaje para situaciones de variaciones en diferentes casos.

VALOR PICO:

Es el máximo valor de la corriente o voltaje durante medio ciclo. Cuando se toman en cuenta las amplitudes [la (+) y la (-)], se dice que tiene un valor pico a pico. Observe de los 2 valores picos no pueden ocurrir al mismo tiempo y no necesariamente tiene que ser simétricos y eso dependerá de la forma de onda.

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# intervalo Angulo θ Sen θ 2 (Sen θ) 1 15 0.26 0.07 PROMEDIO= 7,62/12 2 30 0.50 0.25 = 0,637 3 45 0.71 0.50 4 60 0.87 0.75 V. efectivo=√ 6/12 =√ 0.5= 0.707 5 75 0.97 0.93 6 90 1.00 1.00 7 105 0.97 0.93 8 120 0.87 0.75 9 135 0.71 0.50 10 150 0.50 0.25 11 165 0.26 0.07 12 180 0.00 0.00 7,62 6,00 Ecuaciones básicas de la CA

(Valor efectivo o eficaz) Valor RMS= 0.707 * Vpico=1.11*valor promedio (Valor medio) Valor promedio=0.637*Vpico = 0.9*Valor RMS

(Valor pico)Vp=1.57*Valor promedio = 1.4*valor efectivo(RMS) Valor pico a pico = 2*Vpico(Sólo valores simétricos)

Nota: Los anteriores se usan para V ó I.

FRECUENCIA:

Es un voltaje con corriente, es el número de ciclos generados cada segundo y se denota con la letra f y sus unidades son CPS ó hz.

f = 1/T

kHz=1*103Hz MHz=1*106_HZ

GHz=1*109Hz

PERIODO:

Es el tiempo de duración de un ciclo y se simboliza con la letra T ya que el periodo depende de la frecuencia de la onda, se dice que el periodo y la frecuencia son recíprocos.

T=1/f

Miliseg=1*10-3 seg Microseg=1*10-6 seg Nanoseg=1*10 -9 seg

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LONGITUD DE ONDA:

Ya que la frecuencia es una medida del número de ciclos por determinado tiempo, es posible calcular

hasta donde puede llegar la onda en recorrer cierta “distancia”, también durante determinado “tiempo”.

Esta distancia recibe el nombre de Longitud de Onda, que es igual a la longitud de un ciclo completo de

la onda. El símbolo para representar una longitud de onda es λ (lambda).

λ = v/f = velocidad (cm/seg) / frecuencia (Hz) = Unidades métricas: metros o centímetros

ANGULO DE FASE:

El término de “fase” se utiliza para comparar la relación de tiempo de 2 ondas, como también se usa para indicar un punto de una onda en determinado instante. Es decir, si 2 generadores de voltaje se pusieran a funcionar al mismo instante y a la misma velocidad, las 2 formas de onda comenzarán y terminarán simultáneamente. También alcanzarán sus valores máximos y pasarán por cero al mismo tiempo.

Entonces se dice que las 2 formas de onda “coinciden” entre si y que las tensiones que representan están “en fase “.

Ejercicios

1. ¿Cual es el valor eficaz de una tensión cuya amplitud maxima es de 200 volts?

2. ¿Cual es el valor promedio de la tensión de salida de una batería de 6 volts? ¿y cual es el valor efectivo?

3. El valor medio de una corriente de una onda senoidal es de 5 amp. ¿Cuáles son sus valores pico, efectivo, pico a pico?

4. ¿Cual es el periodo y la frecuencia de la energía comercial?

5. ¿Cual es el periodo para frecuencia de un 1MHZ Y 2MHZ?

6. Grafica la forma de ondas y periodo de las señales de radio FM de la comadre (98.5MHz) y exa (99.3MHz).

7. La velocidad de las ondas de radio electromagnéticas en el aire o en el vacío es de 186,000 millas/seg o 3x1010 cm/seg, que también es la velocidad de la luz, por consiguiente cual es la λ

para una frecuencia de 2 GHz?

8. Calcúlese la λ para una onda de radio con una frecuencia de 30 GHz ?

9. En la banda de 6 m que utilizan los radioaficionados ¿Cuál es la frecuencia correspondiente?

10. Dibuje las formas de onda para las tensiones de 120 Vca, 220 Vca y un consumo de corriente de 10 amp. Mencionar si están en fase o no.

2.- Elementos de circuitos básicos.

2.1.- Elementos pasivos:

Son aquellos que consumen una parte de la energía eléctrica de un sistema eléctrico transformándola en otro tipo de energía. Dicho de otra manera, son aquellos que suponen un gasto de energía y que al circular corriente producen una diferencia de potencial entre sus bornes y disipan potencia en forma de calor (consumen energía).

Los componentes ideales pasivos basan su funcionamiento en uno de los siguientes efectos electromagnéticos:

1.- Efecto resistivo.- Representa la caída de tensión electrocinética en el interior del conductor.

2.- Efecto capacitivo.- Se produce por el almacenamiento de cargas en un sistema formado por dos conductores separados por una pequeña distancia.

3.- Efecto inductivo.- Producido por la influencia de los campos magnéticos. RESISTENCIA (Ω):

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que puede manejar. La característica fundamental de este componente es que la tensión que aparece entre sus extremos, sólo depende del valor instantáneo de la corriente que lo atraviesa (y viceversa), es decir V = R.I. La acción de una resistencia provoca su calentamiento convirtiéndolo de energía eléctrica en térmica (calor). Si una resistencia se calienta demasiado puede llegar a alterar su valor ohmico hasta dañarse (estallar). Existen 3 formas de resistencia:

R. normal R. variable R. variable o potenciómetro

Código de colores para poder diferenciarlas.

Para conocer el valor de cada resistencia utiliza un código de colores con 4 bandas alrededor de su cuerpo. Estas bandas son de color y se toman como banda más significativa la banda más próxima al extremo de la resistencia. La banda siguiente es la segunda más significativa. La tercera banda es el multiplicador y la cuarta es la tolerancia.

CAPACITOR:

La capacitancia es la facultad que posee un dieléctrico para almacenar una carga eléctrica. La unidad de la capacitancia es el farad. Un capacitor está formado por un aislador colocado entre 2 placas conductoras. Los capacitores comerciales se fabrican con valores específicos de capacitancia. Los diferentes tipos de capacitores reciben su nombre de acuerdo a su material dieléctrico en que fueron hechos. (Por ejemplo: papel, cerámica, electrolitos, tantalio). Un dieléctrico es un material aislador que no puede conducir corriente, pero si almacenar carga eléctrica.

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Ejemplo de su uso:

La capacitancia es una constante física que indica la cantidad de carga que puede almacenarse para un determinado valor de voltaje aplicado donde:

Q=CV=It Donde:

Q=Carga del capacitor en coulomb C=Valor de la capacitancia en farad V=Voltaje aplicado I=Corriente en amper t=tiempo en segundos qe = 0.16 x 10-18 Coulombs 1 Coulomb = 6.25 x 10 18 e-Capacitancias en paralelo:

Para hallar la capacitancia total en paralelo se usa la siguiente formula:

C_T= C1+C2+C3 +…….+ _Cn

Capacitancias en serie:

Para hallar la capacitancia total en serie se usa la siguiente formula:

Constante tiempo RC:

Si una resistencia y un capacitor se conectan en serie con una fuente de voltaje, el capacitor se cargará a través de la resistencia donde ésta pedirá (de acuerdo a su valor ohmico) el flujo de electrones para finalmente cargar el capacitor. El tiempo que se requiere para el capacitor quede cargado en un 63% de su nivel de carga al pleno potencial, se llama la constante de tiempo. Esta dado por t=RC

CT

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Para descargarse emplea un 37% de su valor a plena carga y se requiere de 5 veces la constante de tiempo para que el capacitor se quede cargando completamente.

Para cargar cerramos S1 y abrimos S2. Para descargar abrimos S1 y cerramos S2.

Donde:

T = R x C = 3 MOhms x 1 μFarad = 3 Seg.

5 T para que se cargue al 100 %, para que se descargue al 63 % transcurrirán una T.

Ejercicios:

1. Cuanta carga puede almacenarse en un capacitor de 2 microfarad y de 40 microfarad. Cuando se aplica a través de él una diferencia de potencial de 50 V.

2. Una corriente constante de 2 microamper carga un capacitor durante 20 segundos ¿Cuál es la cantidad de la carga almacenada en el capacitor después de este tiempo? ¿Que pasaría si el voltaje después del capacitor cargado es de 20 V cual es el valor del capacitor?

3. Una corriente constante de 5 miliampers carga un capacitor de 10 microfarad durante 1 segundo ¿Cuál es el voltaje del capacitor después de este tiempo?

4. Por cuanto tiempo fluirá la corriente en el siguiente circuito:

¿Qué pasaría si el voltaje aumenta a 200 watts por cuanto tiempo fluirá la corriente?

5. Si disponemos de 4 capacitores de 2 microfarad ¿Cómo los conectamos para tener una capacidad de: ?

a) 0.8 microfarad b) 8 microfarad

6. Calcular el valor de la capacitancia total de:

(16)

b)

BOBINA:

Una bobina es un solenoide cilíndrico de N espiras de radio a y longitud total l. El material que forma el solenoide se supone conductor con resistencia nula. Una corriente eléctrica crea un campo magnético en la región del espacio que la rodea (Ley de Biot y Savart). A su vez, un campo magnético variable induce una f.e.m. en un conductor que lo abrace (Ley de Faraday). También llamado inductor o reactor donde es un pedazo de alambre en forma de espiral, el cual se representa por la letra L y su unidad es el henry (H). Su escala está en microhenrys y milihenrys, y generalmente tiene un núcleo de aire o de hierro que sirve para aumentar ó disminuir la inductancia.

Inductancia en serie:

L_T=L1+L2+…….._+Ln

Inductancia en paralelo

Factores que afectan a la inductancia: 1) Número de vueltas

2) Permeabilidad de núcleo 3) Área transversal del núcleo 4) Longitud de núcleo

5) Y esparcimiento de las espiras

Nota: La bobina puede probarse con un multímetro es ohms, donde si da circuito abierto (R = 1) significa que esta dañada y si da circuito cerrado (R = 0) significa que esta buena.

2.2.- Elementos activos:

Los elementos o componentes activos son aquellos que introducen energía eléctrica a un sistema eléctrico tomándolo a su vez de cualquier otro sistema, es decir toda fuente de alimentación o transformador actúa como elemento activo. Los generadores o fuentes son los componentes que aportan la energía para que exista circulación de corriente en un circuito eléctrico. Los generadores se pueden clasificar de dos modos diferentes:

1.- Por la forma de suministrar la energía: a) Generadores de tensión

b) Generadores de corriente Ct

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2.- Por la dependencia con otras tensiones o corrientes del circuito.

a) Generadores dependientes: mantiene una tensión fija entre sus bornes dependiendo de una tensión o de la corriente que lo atraviesa. (ejemplo un transformador).

b) Generadores independientes: mantiene una tensión fija entre sus bornes independientemente de la corriente que lo atraviesa. (ejemplo una fuente de alimentación).

Transformadores:

Cuando existe una inductancia mutua entre dos bobinas o devanados, entonces un cambio de corriente en una de ellas induce una tensión en la otra. Todo transformador tiene un devanado primario y uno o más devanados secundarios.El devanado primario (lado que tiene 2 cables) recibe la energía eléctrica y acopla ésta energía al devanado secundario por medio de un campo magnético variable. Por medio de los transformadores, se puede transferir energía de un circuito a otro sin que exista una conexión física entre ellos. La transferencia de energía se efectúa a través del campo magnético, por lo que un transformador funciona con un dispositivo de acoplamiento.

Si conectáramos un voltaje al primario, el voltaje del secundario dependerá del número de espiras del devanado secundario, comparado con el número de espiras del devanado primario. Cuando el devanado secundario tiene más espiras que el primario, el voltaje secundario es mayor que el voltaje primario, en

éste caso ocurre un aumento de voltaje y al transformador se le conoce como “transformador elevador de tensión”. Así mismo, si el devanado secundario tiene menor número de espiras que el primario, el voltaje secundario será menor que la primaria (en la mayoría de los casos) y al transformador se le conoce

como “transformador reductor de tensión”.

Donde:

VP=Voltaje del devanado primario

VS=Voltaje del devanado secundario

NP=Número de vueltas ó espiras del devanado primario

NS=Número de vueltas ó espiras del devanado secundario.

Ejemplo:

Calcular la tensión de salida de un transformador conectado a la energía comercial, si existe una relación de 10:1 entre el devanado primario y el secundario respectivamente.

Fuentes de alimentación:

Todos los circuitos electrónicos requieren de alguna fuente de voltaje. Esto quiere decir que los circuitos de las fuentes de alimentación son extremadamente importantes. Si un circuito requiere de un voltaje de CA, la fuente de alimentación será simplemente un transformador conectado a la energía comercial, ahora si un circuito requiere de CD significa que tiene baja demanda de potencia y se puede utilizar baterías. Sin embargo, la mayoría de los circuitos prácticos son operados con CD, y requieren niveles de potencia que harían antieconómica la operación con baterías, por lo tanto necesitarán de un circuito de fuente de alimentación. En realidad los circuitos de fuente de alimentación o de potencia tienen un nombre que no les corresponde, ya que no suministran potencia, mas bien son “convertidores de potencia”. Por lo general convierten voltajes de CA a voltajes de CD. El proceso para realizar dicha

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Diseño de las Fuentes de Alimentación:

Debido a que en éste curso no corresponde efectuar paso a paso los cálculos matemáticos para diseñar una fuente de alimentación, a continuación se menciona el material a emplear:

Para ensamblar las partes electrónicas en una tableta existen dos formas de realizarlo, por medio de un circuito impreso o por medio de una tabla tipo kit, la diferencia es que en ésta última los huecos ya están hechos y las interconexiones entre los dispositivos se realizan por medio de cables telefónicos. En el primer caso, se realiza por medio de un circuito impreso utilizando cloruro férrico (feCl3). Los materiales básicos a emplear para hacer una fuente de alimentación son:

1.- Una clavija de CA con todo y su cable calibre 12 AWG (aprox. 2 mts de longitud).

2.- Un transformador a 120 Vca primario a 12 Vca secundario con derivación central a 3 amp. 3.- Un fusible de ½ amp a 250 V con su portafusible tipo rosca.

4.- Un interruptor para CA de preferencia con luz.

5.- Un puente de diodos en CI (RB158) o 4 diodos de silicio IN4001 6.- Dos capacitares electrolíticos de 4,700 μFd a 25 V.

7.- Regulador de voltaje de acuerdo al voltaje secundario deseado y la corriente máxima a proporcionar. (Ejemplo si se requiere sacar +5 Vcd se requiere un CI 7805, para +12 Vcd un CI 7812, para -12Vcd un CI 7912, etc.)

8.- Un capacitor de tantálio de 0.1 μFd a 25 V.

9.- La tablilla para armar los dispositivos electrónicos, según el método seleccionado.

10.- Una caja de plástico, madera ó metálica (tener cuidado con los cortos) para ensamblar los dispositivos.

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3.- Análisis de Circuitos.

3.1.- Técnicas de solución para CD:

Circuitos en serie:

Cuando dos o más componentes de un circuito se conectan en orden sucesivo uno detrás de otro, se dice que están conectados en serie.

VT= V1 +V2+V3

It = I1 = I2 = I3

RT= R1+R2+R3

VT=V1-V2+V3

Circuitos en paralelo:

Cuando 2 o más componentes se conectan a través de una fuente de voltaje forman un circuito en paralelo. Cada trayectoria recibe el nombre de rama o maya, y por ella circula una corriente de determinado valor. Por lo tanto los circuitos en paralelo tienen un voltaje común a través de todas las demás ramas, pero las corrientes que circulan a lo largo de ellas son diferentes, es decir:

VT=V1=V2=V3 It = I1 + I2 + I3

La suma de todas las corrientes es igual a la corriente total ( IT.).

1/RT=1/R1 + 1/R2 +1/R3 Si RT < R1 ó R2 ó R3

Para # R>2 y R1 ≠ R2 ≠ R3 Casos especiales:

1.- Si R1=R2=R3=> RT Cualquier valor de las resistencias entre el numero de resistencias R/3.

2.- Si R1≠ R2 => RT= R1*R2 / R1+R2 solo cuandoR1 ≠ R2 y # R = 2

Ejercicios:

(20)

Rt = 7.5 Ohm

2.- Del siguiente circuito, calcular el Vt y la It.

IT= 4.5 Amp

VT= 1.5 V

Circuitos en serie y paralelo:

En la mayoría de los circuitos algunos componentes se conectan en serie para que por ellos circule la misma corriente, mientras que para otros se conectan en paralelo para que tengan el mismo voltaje.

Los circuitos en serie-paralelo se utilizan cuando es necesario proporcionar diferentes cantidades de corrientes y voltaje; y se tienen una sola fuente de alimentación aplicada. Para analizar este tipo de circuitos se realiza por separado para obtener un circuito final simplificado. La manera más fácil de simplificar circuitos cuando se requiere obtener la resistencia total, se va simplificando de derecha a izquierda hasta obtener la resistencia total, una vez obtenida se calcula la corriente total por la ley de ohm. Después se va calculando la corriente que consume cada resistencia de izquierda a derecha. Recordar que la corriente que circula por todo el circuito es la misma que regresa.

Ejercicios: 1. Hallar IT, VR1 y VR2 y VT 2. Hallar I1, I2, VR1 y VR2 It= 3 amp A A´ B B´ 12V 3 amp

(21)

3.- Hallar el VR1, Vt, VReq, I2 y R2.

4.- Hallar todas las Is y Vs.

5.- Determinar la intensidad de la corriente que circula para cada una de las ramas del circuito, y la diferencia de potencial entre los puntos C y D.

3.1.- Técnicas de solución para CA:

En circuitos de CA con resistencias en configuración serie-paralelo, se utiliza una fuente de voltaje en forma de una onda senoidal (120 Vca mientras no se indique otra cosa). Cuando esta fuente de voltaje se conecta a través de cualquier resistencia externa de carga, produce una CA que tiene la misma forma de onda, frecuencia y fase de la fuente de voltaje lo único que diferencia es la magnitud. Para realizar los cálculos de los valores de los componentes se utilizan la ley de Ohm, aplicando el mismo principio para fuentes de CD.

Cuando se combinan resistencia serie-paralelo en un circuito de corriente alterna, su análisis es el mismo que para circuitos de CD, lo único que diferencia es que estos tipos de circuitos además de usar resistencias se usan bobinas y capacitores.

Ejemplo:

Calcular todas las corrientes y voltajes del siguiente circuito: R3= 10 Ohm I3= 2 amp R1= 1 Ohm It= 4 amp R2 D A B

(22)

Reactancia:

La oposición que presenta la inductancia L y la capacitancia C al paso de una corriente senoidal alterna recibe el nombre de reactancia, y se simboliza con X, el símbolo para la reactancia inductiva será XL

mientras que para la reactancia capacitiva será Xc. La reactancia se mide en Ω como si fuera una

resistencia, pero la reactancia tiene un ángulo de frase más o menos 90º. Para XL la fase es de más 90º,

mientras que para XC es de menos 90º. La resistencia tiene un Angulo de fase de 0º, mientras que el de

la reactancia es de mas o menos 90º, por lo tanto cuando se combina R con X, el ángulo de fase del circuito de CA se encuentra de 0º y 90º o entre 0º y menos 90º.

Puesto que el voltaje que se crea en un inductor es determinado por la inductancia (L) de una bobina y la frecuencia (f) de la corriente, entonces la reactancia inductiva se puede calcular de la siguiente manera;

XL=2π f L

Donde:

XL= Reactancia inductiva en Ω

2π = constante 6.28 (periodo completo)

f = frecuencia de la corriente en hertz (Hz) = 60Hz L = Inductancia de la bobina en Henrys

En el caso de un capacitor puede usarse la oposición al flujo de corriente, ya que la oposición depende también de la frecuencia y la capacitancia. Sin embargo como el flujo de la corriente es directamente proporcional a la frecuencia y a la capacitancia, la oposición a la corriente debe ser inversamente proporcional a esas cantidades. Entonces la reactancia capacitiva se calcula de la siguiente manera:

Donde:

XC= Reactancia capacitiva enΩ

2π = constante 6.28 (periodo completo)

f = frecuencia de la corriente en hertz (Hz) = 60Hz C = Capacitancia en farads

Finalmente la resistencia y la reactancia deben combinarse por medio de una suma fasorial, ya que el ángulo de fase es de 90º, la suma resultante se llama impedancia y se representa por la letra Z. Donde es la oposición total que representa la resistencia y la reactancia al paso de una corriente senoidal de

(23)

Lo anterior se debe entender mejor con un diagrama vectorial de resistencia y reactancia, donde siempre adopta la forma de un triangulo rectángulo. Si se conoce la longitud de sus lados que forman el ángulo recto, se puede resolver el tercer lado por la fórmula algebraica: c2=√ a2+b2

Entonces, adaptando la fórmula tenemos:

Z=√R2

+ X

2

Donde:

Z = Impedancia en Ω

R = Resistencia en Ω

X = Reactancia L ó C en Ω

Nota: La fórmula adoptará la configuración de acuerdo al circuito, es decir:

Z

T=√ R2

+ (X

L

-X

C

)

2

Z

T=√ R2

+ (X

C

- X

L

)

2

I

T

= V

T

/z

T

3.2.- Circuitos RCL.

Circuitos RL:

Un circuito RL es el que tiene tanto resistencias (R) como inductancias (L). Cuando se mezclan resistencias como inductancia en un circuito eléctrico, el procedimiento para su cálculo y análisis varía en comparación que si se analizara de forma independiente. Así como la resistencia es la oposición del paso de una corriente, para el caso de una inductancia L, la oposición al paso de una corriente senoidal alterna recibe el nombre de reactancia y se indica con la letra X. Para poderla distinguir se simboliza como XL. La reactancia también se da en Ohms como la resistencia. Puesto que el voltaje que se crea en

un inductor es determinado por la inductancia (L) de un inductor y la frecuencia (f) de la corriente, entonces la reactancia inductiva se puede calcular de la siguiente manera:

XL= 2 πf L

Donde XLes la recatancia inductiva en Ohms, 2 π = 6.28 que simboliza un período completo de la CA, f

es la frecuencia de la corriente en Hz y L es la inductancia en henrys.

Aunque tanto la resistencia como la reactancia inductiva se oponen al flujo de la corriente, algunas de sus características y efectos son diferentes. Por esta razón, la oposición total al flujo de corriente en circuitos RL no se expresa en función de la resistencia ni de la reactancia inductiva. En lugar de ello se usa una suma resultante llamada Impedancia. La cual se representa con la letra Z y su unidad es el Ohm. Donde:

Z = R2+ XL2

Los métodos que se usan para calcular la impedancia dependen de si la resistencia y la reactancia inductiva están en serie o paralelo.

Circuitos en serie RL: Resistencia Impedancia Reactancia Por Pitágoras: c = a2_{+ b}2

(24)

Cuando se conectan resistencia e inductores en serie, de tal manera que por cada uno fluye la misma corriente total del circuito, aún que el mismo circuito contenga una o más resistencias o una o más bobinas.

Si una resistencia se conecta en serie con una o más bobinas, generalmente la resistencia es mucho mayor que la resistencia de las bobinas. Cuando es diez o más veces mayor, puede hacerse caso omiso del efecto de la resistencia de la bobina. Dado que las fórmulas en serie tanto para las resistencias como para las bobinas es la misma, cuando se tienen más de una resistencia o bobina en serie en el circuito, se sumarán de manera independiente, es decir resistencias con resistencias y bobinas con bobinas. Ya teniendo la resultante de cada caso, se calcula la resistencia total utilizando la fórmula de la impedancia. Para calcular el voltaje total, se calcula el voltaje de la resistencia como VR= I R y el voltaje de la bobina

como VL= I XL. Dado que estamos analizando un circuito en serie, la suma de todos los voltajes deberá

ser igual al voltaje total, más sin embargo en este tipo de circuitos no pasa así, ya que si se midiera o se sumara algebraicamente, se encontraría que la suma es mayor que el voltaje total realmente aplicado. Esto se debe a que cada caída de tensión o voltaje no están en fase, por lo tanto deberá usarse una suma vectorial en lugar de una suma aritmética. Es decir:

VT= VR2 + VL2

O también: tanө = c.o./c.a.=VL / VR

Potencia:

En circuitos resistivos toda la potencia que transmite la fuente es disipada por la carga, en un circuito RL sólo una parte de la potencia de entrada se disipa. La parte transmitida a la inductancia regresa a la fuente cada vez que desaparece el campo magnético que está alrededor de la inductancia. Por lo tanto existen dos clases de potencia en un circuito RL. Una es la potencia aparente (Papar) y la otra es la

potencia real(Preal) que efectivamente consume el circuito.

Preal= Papar ITcosө = IT2 ZT cosө = (VT2 /ZT) cos ө = VT.ITcosө

El valor del cos ө puede variar entre 0 y 1, el cual recibe el nombre defactor de potencia del circuito. Factores de potencia pequeños (próximos a 0) son inconvenientes, ya que significan que la fuente de energía tiene que trasmitir más potencia de la que se usa. El factor de potencia se determina como:

Potencia real Factor de potencia =

---Potencia aparente Ejemplo:

1.- Si se tiene un circuito en serie RL, donde la fuente de energía total es de 200 V a 50 c.p.s o Hz, R = 1 kOhms y L = 10 H, calcular la corriente que circula por el circuito.

Solución:

Calculamos XL = 2 πf L = 6.28 (50 Hz) (10 H) = 3,140 Ohms

Calculamos Z= R2 + XL2 = (1,000)2+ (3,140)2 = 3,295 Ohms

Calculamos por la ley de Ohm: IT = V/R = V/Z = 200 V/3,295 Ohms = 0.061 amp = 61 mAmp

Circuitos en paralelo RL:

En un circuito en paralelo RL tanto la resistencia como la inductancia están conectadas en paralelo a una fuente de tensión, lo que significa que los voltajes para cada dispositivo es el mismo, y las corrientes en cada rama son diferentes. El análisis de circuitos en paralelo RL y los métodos que se usan para

(25)

resolverlos son diferentes al análisis y solución de circuitos en serie RL. Para resolver este tipo de circuitos se deberá considerar lo siguiente:

1.- La corriente total en un circuito paralelo RL es igual a la suma vectorial de las corrientes: IT = IR2+IL2

las ramas resistiva (IR = V/R) e inductiva (IL = V/XL). O también se puede calcular como IT = VT /ZT.

2.- La impedancia Z de un circuito paralelo RL es la oposición total al flujo de corriente, presentado por la resistencia de la rama resistiva y la reactancia inductiva de la rama correspondiente. Ya que XL y R son magnitudes vectoriales, se deberán sumar vectorialmente, es decir:

R.XL

Z = ---R2+XL2

3.- Para calcular la potencia del circuito se realiza similarmente que para un circuito en serie RL. 4.- Para calcular el ángulo de fase ө entre el VTe ITse calcula de la siguiente manera:

RTot

Tang ө = ---XL Tot

Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms y la L = 150 Henrys.

Circuitos RC:

Un circuito con resistencia (R) y capacitancia (C) se conoce como circuito RC. Los métodos para resolver circuitos RC dependen de si la resistencia y la capacitancia están en serie o en paralelo. Se usan las mismas consideraciones que para los circuitos RL. La única diferencia es que en el caso del capacitor puede usarse la oposición al flujo de la corriente, ya que la oposición depende también de la frecuencia y la capacitancia. Sin embargo como el flujo de corriente es directamente proporcional a la frecuencia y a la capacitancia, la oposición de la corriente debe ser inversamente proporcional a esas cantidades. Entonces la reactancia capacitiva se puede calcular de la siguiente manera:

1 XC =

---2 πf C

Donde XCes la reactancia capacitiva en Ohms, 2π = 6.28 que simboliza un período completo de la CA, f

es la frecuencia de la corriente en Hz y C es la capacitancia en farads. De manera similar la impedancia se calcula de la siguiente manera:

Z = R2 + XC2

Los métodos que se usan para calcular la impedancia dependerán si la resistencia y la reactancia capacitiva están en serie o paralelo.

(26)

Circuitos en serie RC:

En un circuito RC en serie donde una o más resistencias están conectadas en serie con una o mas capacitancias, de manera que la misma corriente total fluye a través de cada uno de los componentes. En caso de que exista más de un componente de igual naturaleza, se deberá simplificar resistencia con resistencias (sumándolas) y capacitancias con capacitancias (el inverso de la suma de los inversos). De manera similar, para calcular los voltajes se hará VR = I.R y VC = I.XC. Para calcular el VT se hará:

VT= VR2 + VC2

O también: tanө = c.o./c.a.=VC / VR

Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms y los C = 150 microFarads.

Circuitos en paralelo RC:

En un circuito en paralelo RC, una o más resistencias y uno o más capacitores se conectan en paralelo a una fuente de tensión. Por lo que al final se tendrá ramas resistivas que solo tendrán resistencias, y ramas capacitivas que solo tendrán capacitores. La corriente que sale de la fuente de tensión se divide entre las ramas, de manera que se tiene diferentes corrientes en diferentes ramas. Las caídas de tensión para cada rama serán la misma que el voltaje total aplicado por estar en paralelo. Cuando se calculan las magnitudes totales del circuito correspondientes al voltaje aplicado, corriente total, impedancia y potencia, las ramas resistivas y capacitivas se deberán reducir primeramente a sus equivalentes más simples. Para resolver este tipo de circuitos se deberá considerar lo siguiente:

1.- Cuando se tienen 2 resistencias en paralelo se deberá aplicar la fórmula: Requiv= (R1.R2 /R1+ R2), y

cuando se tengan 2 capacitores en paralelo se deberán sumar (Cequiv= C1 + C2).

2.- La corriente de cada rama en un circuito en paralelo RC es independiente de la corriente en las demás ramas. La corriente en una rama solo va depender de la tensión en la rama y la resistencia o reactancia capacitiva que exista en ella. O sea: IR = V/R ó IC = V/XC.

3.- La corriente total en un circuito paralelo RC es igual a la suma vectorial de las corrientes (IT= IR2+IC2). O también se puede calcular como IT = VT /ZT.

4.- La impedancia Z de un circuito paralelo RC es la oposición total al flujo de corriente, presentado por la resistencia de la rama resistiva y la reactancia capacitiva de la rama correspondiente. Ya que XC y R son

magnitudes vectoriales, se deberán sumar vectorialmente, es decir: R.XC

Z = ---R2+XC2

5.- Para calcular la potencia del circuito se utiliza la siguiente fórmula:

Preal= Papar ITcosө = IT2 ZT cosө = (VT2 /ZT) cos ө = VT.ITcosө

6.- Para calcular el ángulo de fase ө entre el VTe ITse calcula de la siguiente manera:

RTot

tan ө = ---XC Tot

(27)

Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si las R = 15 Ohms y el C = 150 microFarads.

Circuitos RCL:

Este tipo de circuito cuenta con las propiedades de elementos resistivos (R), inductivos (L) y capacitivos (C), que puede tener combinaciones ya sea en serie o en paralelo. Todas las características vistas anteriormente se aplican para el análisis de los circuitos RCL. Algunas de las propiedades y características nuevas que hay que considerar son las siguientes:

Para circuitos RCL en serie:

1.- Si se tiene en la malla solo un capacitor y una bobina la impedancia total del circuito será: XT= XL – XC (cuando el circuito es inductivo o sea si XL> XC)

XT= XC – XL (cuando el circuito es capacitivo o sea si XC> XL)

2.- Si se tiene en la misma malla un capacitor, una bobina y una resistencia, la impedancia total será: ZT = RT2 + (XL – XC)2ó ZT = RT2 + (XC –XL)2

3.- Si se tiene en la misma malla un capacitor, una bobina y una resistencia, el voltaje total será: VT = VR2+ (VL –VC)2 ó VT= VR2 + (VC – VL)2

4.- Para calcular la corriente total como será la misma para todos los dispositivos que se encuentren en ella, se podrá calcular como:

IT= VT / ZT

5.- Para calcular la potencia consumida por la malla se podrá utilizar:

Papar = VT.IT y Preal= VTIT. cosө = IT2 RT

6.- Para calcular el ángulo de fase ө entre el VTe ITse calcula de la siguiente manera:

ZTot

tan ө = ---RTot

Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms, el C = 150 microFarads y la L = 150 Henrys.

Para circuitos RCL en paralelo:

1.- Dado que para circuitos en paralelo los voltajes son los mismos para cada dispositivo, para calcular el voltaje total se utilizará la siguiente fórmula:

(28)

VT = IT.ZT

2.- Las corrientes para cada malla en paralelo serán diferentes, entonces para calcular las corrientes se hará:

IL = VT /XL, IC= VT /XC, IR = VT /R

3.- Para calcular la corriente total del circuito se hace:

IT= IR2 + (IC –IL)2 si IC> IL ó IT = IR2 + (IL –IC)2 si IL> IC

4.- Para determinar la impedancia de un circuito paralelo RCL, primero deberá obtenerse la reactancia total (XT) de las ramas inductiva y capacitiva, y luego determinar la impedancia total (ZT) del circuito.

XL.XC R.XT

XT = --- y ZT =

---XL + XC R2+ XT2

Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms, el C = 150 microFarads y la L = 150 Henrys.

Para circuitos RCL en general.

Son los circuitos que combinan las combinaciones serie-paralelo para RCL. Ejemplo: Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito.

Ejercicios:

1) Cual es la reactancia inductiva de una bobina de 10 mili Henrys que frecuencias de 100 Hz un 1 KHZ y 100 KHz.

2) Cual es la impedancia de un circuito si la resistencia total es de 10Ω y la reactancia de 1 kΩ. 3) Si conectas una resistencia de 1.5 KΩ en serie con un capacitor de 4700 microfarad y una bobina

de 150 miliHenrys, calcular la impedancia total, así como la corriente fluye en el circuito. 4) Para que frecuencia una inductancia de un Henry tendría una reactancia de 1000Ω. 5) Calcular la reactancia de un circuito si la impedancia de 150Ω y la resistencia a 100 Ω. 6) Calcular la impedancia total y la corriente que circula por el siguiente circuito.

4.- Características de los semiconductores.

4.1.- Silicio y Germanio.

Un semiconductor es un dispositivo que tiene las características entre un conductor y un aislador. Los elementos semiconductores usan generalmente el silicio (Si) y el Germanio (Ge), donde la arena es igual

XL = 870Ω

(29)

al dióxido de silicio y las cenizas del carbón es el germanio. Las características principales de los semiconductores puros son:

1. Su resistencia es mayor que la de los metales conductores pero menor que la de los aisladores.

2. El coeficiente de temperatura es negativa, es decir su resistencia disminuye conforme aumenta su temperatura.

3. Su valencia electrónica es de más o menos 4. Esta valencia significa que el átomo tiene 4 electrones en su capa más externa.

Estructura atómica del silicio

Enlace covalente: Es cuando los átomos comparten sus electrones de valencia, dando como resultado una configuración estable. El enlace covalente forma una estructura cristalina y debido a esto, es posible añadir impurezas para contaminar el material. El propósito de este proceso es cambiar las características eléctricas del semiconductor.

Estructura cristalina del silicio

De acuerdo al tipo de enlace covalente los semiconductores se dividen en 2 grupos:

a) Semiconductores intrínsecos: Son los átomos de un mismo elemento o en otras palabras, es u semiconductor puro sin contaminación. El cristal de silicio formado por el enlace covalente es un ejemplo de ésta característica.

T (oC)

(30)

b) Semiconductores extrínsecos: Es la contaminación de los semiconductores mediante la introducción de otros átomos (impurezas) dentro de la red cristalina. (Ej. Arsenio, indio, galio).

4.2.- Materiales de tipo P y de tipo N.

Los elementos utilizados como impurezas tienen en general valencia electrónica de 5 o 3. Como consecuencia de esto, un semiconductor contaminado tiene un exceso o una deficiencia de electrones en su estructura formada por enlaces covalentes. Un semiconductor de tipo N (-) tiene un exceso de electrones, mientras que uno de tipoP(+) tiene una deficiencia de ellos.

Unión

PN.-Polarización inversa:

(31)

5.- Dispositivos semiconductores.

5.1.- Diodos.

Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica.

Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.

Diodo Normal.

El diodo semiconductor es un dispositivo unidireccional ya que permite el flujo de electrones en un solo sentido (en el sentido contrario al indicar de la flecha de su símbolo).

También se puede decir que es un dispositivo electrónico que permite al flujo de electrones huecos en el sentido indicado por la flecha de su símbolo (es como generalmente se estudia).

Símbolo:

Corriente de huecos i

Ánodo (+) Cátodo ( - ) ie

Una de las aplicaciones más comunes del diodo es como rectificador, ya que convierte valores de CA a CD.

Las 2 características electrónicas mas importantes son su voltaje pico con polarización inversa (PIV), y su corriente de polarización directa (IF). El PIV es igual al máximo voltaje que el diodo puede tolerar

cuando se polariza inversamente. La IF es el valor de la corriente que puede circular por el diodo sin

dañarlo cuando ese se encuentra en el estado de conducción.

La manera de verificar si un diodo esta funcionando correctamente, es conectar por medio de un multímetro en la escala de Ohms para tener únicamente dos posibilidades:

1.- Que en polarización directa la lectura este entre 20 Ohm a 1 kOhm (resistencia interna del diodo y el multímetro).

2.- Que en polarización inversa la lectura sea el número 1, que significa infinito o una resistencia muy grande.

(32)

Diodo Zener.

El diodo zener es una variante especial del diodo semiconductor normal, ya que responde al voltaje y polaridad inversa de forma única, es decir cuando a este diodo se le aplica un voltaje con polarización inversa, mientras no sobrepase el voltaje nominal de fábrica, el diodo no conducirá. Esta condición se mantendrá hasta el punto de la fuente de alimentación exceda al voltaje nominal del diodo zener (por ej. 6.8 V de CD). A este punto se le conoce como punto de avalancha, debido a que la corriente por el diodo se eleva abruptamente desde prácticamente cero (0), hasta un valor muy alto limitado únicamente por la baja resistencia interna del diodo.

Con polarización directa el diodo actúa como un semiconductor normal pero generalmente no se utiliza de esta manera. Un diodo zener se checa de igual manera que un diodo convencional. Los voltaje normales típicos para el zener van desde 2.4 a 200 volts y sus voltajes de potencia van de ¼ a 50 watts. Símbolo: Corriente de huecos

Ánodo (+) Cátodo ( - )

R

Diodo emisor de luz (LED).

Este dispositivo como su nombre lo indica es un diodo que emite luz. Es fabricado normalmente con semiconductores especiales (arseniuro de galio) que permite emitir luz roja, verde, amarilla, blanca, azul ó infrarroja (no visible), cuando es recorrida la unión por una corriente. Se utilizan como dispositivos indicadores, se checan al igual que un diodo semiconductor normal o con una batería de 1.5 Vcd emitiendo luz en polarización directa. Con polarización inversa el LED permanecerá obscuro. Dentro de ciertos límites, mientras el voltaje aumente el LED brillará con mayor intensidad, y si el voltaje disminuye el LED se opacará. Los LED’s están diseñados únicamente para utilizarlos con CI’s de bajo voltaje. Típicamente no deberá aplicarse más de 3 a 6 Vcd a un LED, y su corriente nominal es de 10 mA. Existen diversos tipos de LED´s, por ejemplo los dobles que de acuerdo a su polarización es el color. O también hay encapsulados en forma de 8 llamados displays.

Símbolo:

Corriente de huecos

Ánodo (+) Cátodo ( - ) 2 Vcd a 12 Vcd

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Celda Solar.

Una celda solar se forma con la unión de 2 semiconductores diferentes, siendo uno de ellos tan delgado que hasta cierto punto es traslúcido. Cuando esta unión PN es iluminada entrega un voltaje que es proporcional a la intensidad luminosa (Lumenes). Este tipo de dispositivo es utilizado para el almacenamiento de energía, como es el caso de lugares donde no llega la energía comercial ó para equipos electrónicos como son calculadoras hasta satélites de comunicación. También las celdas solares se emplean para activar o desactivar circuitos o lámparas que tienen contacto con el sol.

Símbolo: Ejemplo: Diseñe un circuito eléctrico que utilice una celda solar para controlar el encendido de un foco de 25 Watts a 120 Vca.

λ

Fotodiodo.

Son dispositivos que utilizan principalmente como detectores de luz ya que al inducir luz en ellos liberan electrones induciendo una corriente inversa a mayor cantidad de luz mayor cantidad de corriente inversa generada. Aspecto físico:

Símbolo:

Ánodo (+) Cátodo ( - )

Fotorresistencia.

Son dispositivos sensibles a la luz ya que disminuyen su resistencia al aumentar la energía luminosa. Este fenómeno se produce ya que los materiales utilizados (Cadmio, Galio, etc.) liberan electrones al ser iluminados (sulfuro de cadmio). Para probarlos basta conectar el multímetro en Ω e ir acercando y alejando una fuente luminosa de el. Donde la resistencia obtenida deberá ser menor a medida que se tenga mayor cantidad de luz.

Simbolo: Aspecto físico:

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Optoacoplador.

Es un dispositivo que se compone simplemente de un paquete que contiene un LED infrarrojo como emisor y un fotodetector. Los optoaclopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal luminosa modulada y volverla a convertir en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador es el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida. El funcionamiento se basa en el que al llegarle una señal al LED infrarrojo emisor, varía la intensidad de acuerdo a la magnitud de la señal de entrada, esta luz puede activar ya sea a un fotodiodo, un fototriac o un fototransistor. Una de las mayores aplicaciones son como interfaz de potencia de un sistema digital a un motor, un swich, una maquina o cualquier otro sistema que no trabaje al nivel del voltaje a corriente de los circuitos digitales (por lo general de 3 a 10 Vcd), logrando manejar niveles altos de voltaje (por ejemplo de 120 Vca).

Los tipos de optoacopladores se clasifican de acuerdo al arreglo que se emplee para el elemento fotosensible. El modelo más usado es el siguiente:

DIP (Dual Inline Package) o con un módulo con necesidad de superficie reflejante. Un ejemplo de este puede ser el MOC 3010.

Ventajas del optoacoplador:

 Es económico

 Es confiable en estado sólido

 Velocidad de transmisión de mediana a alta  Transmisión DC

 Alto aislamiento de voltaje  Alto impedancia de aislamiento

 Tamaño pequeño del encapsulado del circuito  Eliminación de rebotes

 Bajo consumo de potencia

Desventajas

 Resistencia de encendido y apagado finitas  Baja eficacia de transmisión

5.2.-Transistor.

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador o interruptor. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se les encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavarropas automáticas, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc.

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes drenadas artificialmente que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene

(35)

diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Existen dos familias principales de transistores: Los Bipolares y los de efecto campo.

De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es amplificada y se inyecta al "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común.

Los Transistores Bipolares (BJT Bipolar Junction Transsistor).

Son dispositivos fabricados con materiales semiconductores, cuentan con 3 elementos y su característica principal es poder amplificar y conmutar una señal. Todo transistor está formado por 3 terminales:

1. Emisor

Se suministra los portadores mayoritarios para el flujo de la corriente. Es la terminal que se simboliza por medio de una flecha.

2. Colector

Recoge los portadores mayoritarios al emisor para la operación del circuito. 3. Base

Controla el flujo de corriente entre el emisor y el colector.

Estos transistores pueden ser de dos tipos: Los NPN y los PNP. Estos se diferencian por la manera como son polarizados.

Los Transistores FET.

(36)

material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial. Los Fets se han vuelto más importantes que los transistores bipolares, ya que son fáciles de fabricar y requieren de menos silicio.

Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.

Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. Los transistores de efecto de campo MOS son usados generalmente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados o chips digitales.

Símbolos esquemáticos del transistor de efecto campo Canal P

Canal N

Símbolos esquemáticos para los FETs canal-n y canal-p. G=Puerta(Gate),

D=Drenador(Drain) y S=Fuente(Source).

Ventajas del FET:

1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 _{a 10}12

ohmios).

2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT. 3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos en un CI.

5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.

6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.

7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes. Desventajas que limitan la utilización de los FET:

1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada. 2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT. 3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.

Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET).