cuadernillo taller de electrónica profesores: conte
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Cuadernillo Taller de Electrónica
Profesores:
Conte, Nahuel
Frassi, Lucas
Curso: 304
Índice
Resumen…………………………………………………………………………………………..pág. 1
Unidad N° 1: Conceptos básicos ……………………………………………………………pág. 2
Unidad N° 2: Introducción a los semiconductores………………………......................pág. 60
Unidad N° 3: Introducción a la programación de Arduino...…………………………..pág. 103
Anexo 1: Trabajos prácticos
Anexo 2: Hojas de datos de los componentes utilizados
Anexo 3: Referencias históricas
Anexo 4: Seguridad eléctrica
Anexo 5: Programa de examen
Bibliografía
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Resumen
Unidad 1: Conceptos básicos
- Cantidades y unidades.
- Voltaje, corriente y resistencia.
- Ley de Ohm.
- El circuito eléctrico. Mediciones básicas. Protoboard.
- Circuitos serie y paralelo. Leyes de Kirchhoff.
- Capacitores.
- Energía y potencia.
Unidad 2: Introducción a los semiconductores
- El diodo. Polarización directa e inversa.
- Aplicaciones del diodo. Corriente y Voltaje en alterna. Circuitos rectificadores.
- Osciloscopio. Ensayos.
- Diodos LED.
Unidad 3: Introducción a la programación de Arduino
- Sistema electrónico. Entradas, salidas y unidad de control.
- Qué es Arduino. Hardware y software, nociones básicas.
- Introducción a la programación. Diagrama de flujo.
- Sketch del Arduino, nociones y aplicaciones básicas.
- Prácticas de programación y conexión de nivel básico.
Unidad 4: Seguridad eléctrica
- Choque eléctrico.
- Efectos de la corriente en el cuerpo humano.
- Precauciones de seguridad.
Anexo 1: Trabajos prácticos
Anexo 2: Hojas de datos de los componentes utilizados
Anexo 3: Referencias históricas
Anexo 4: Programa de examen diciembre/febrero
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Unidad Nª 1: Conceptos básicos
Cantidades y unidades
Unidades de medición
En el siglo XIX, las principales unidades de medición y peso tenían que ver con el
comercio. Conforme avanzó la tecnología, los científicos e ingenieros vislumbraron la
necesidad de utilizar unidades internacionales de medición estándar. En 1875, en una
conferencia convocada por los franceses, representantes de dieciocho países firmaron un
tratado que establecía estándares internacionales. En la actualidad, todos los trabajos de
ingeniería y científicos utilizan un sistema internacional de unidades mejorado. El Système
International d’Unités, abreviado SI.
Se utiliza un símbolo para representar el nombre de la cantidad y otro para identificar la
unidad de medición de dicha cantidad.
Notación científica
En los campos de la electricidad y la electrónica, se presentan tanto cantidades muy
pequeñas como muy grandes. Por ejemplo, es común tener valores de corriente eléctrica
de sólo unas cuantas milésimas o incluso de unos cuantos millonésimos de ampere, o tener
valores de resistencia hasta de varios miles o millones de ohms.
Potencias de diez
La potencia de diez se expresa como un exponente de la base 10 en cada caso. Un
exponente es un número al cual se eleva un número base. Indica la cantidad de lugares
que el decimal se mueve hacia la derecha o a la izquierda para producir el número
decimal.
Para una potencia positiva de diez, el punto decimal se mueve hacia la derecha para
obtener el número decimal equivalente. Por ejemplo, para un exponente de 4:
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Para una potencia negativa de diez, el punto decimal se mueve hacia la izquierda para
obtener el número decimal equivalente. Por ejemplo, para un exponente de -4:
Práctica
Exprese cada número en notación científica.
a- 200 =
b- 5000 =
c- 85,000 =
d- 3,000,000 =
e- 0.2 =
f- 0.005 =
g- 0.00063 =
h- 0.000015 =
Notación de ingeniería
La notación de ingeniería es similar a la notación científica. Sin embargo, en notación de
ingeniería un número puede tener de uno a tres dígitos a la izquierda del punto decimal y
el exponente de potencia de diez debe ser un múltiplo de tres. Por ejemplo:
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Práctica
Convierta los siguientes números a notación de ingeniería:
a- 0,0022 =
b- 0,000000047 =
c- 0,00033 =
Prefijos métricos
En notación de ingeniería, los prefijos métricos representan cada una de las potencias de
diez más comúnmente utilizadas. Se utilizan prefijos métricos sólo con números que tienen
una unidad de medida, tal como volts, amperes y ohms, y preceden al símbolo de la
unidad.
Ejemplos:
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Práctica:
Exprese utilizando prefijos métricos:
a- 56.000.000Ω =
b- 0,000470A =
c- 2200w =
d- 0,037A =
Conversiones de unidades métricas
En ocasiones es necesario o conveniente convertir la cantidad de una unidad que tiene
un prefijo métrico a otra, tal como de miliamperes (mA) a microamperes (mA).
Recorriendo el punto decimal del número una cantidad apropiada de lugares hacia la
izquierda o la derecha, según la conversión de que se trate, se obtiene la conversión de
unidad métrica.
Las siguientes reglas básicas son aplicables a conversiones de unidades métricas:
1. Cuando se convierte una unidad grande en otra más pequeña, el punto decimal se
mueve hacia la derecha.
2. Cuando se convierte una unidad pequeña en otra más grande, el punto decimal se
mueve hacia la izquierda.
3. Se determina el número de lugares que debe recorrerse el punto decimal encontrando
la diferencia en las potencias de diez de las unidades a convertir.
Ejemplos:
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Práctica:
Convierta los siguientes valores:
a- 1mA (miliamper) en µA (microamper) =
b- 1000µv (microvoltios) en mV (milivoltios) =
c- 893nA (nanoamperes) en µA (microamper) =
d- 47000pF (picofaradios) en µF (microfaradios) =
e- 10000pF en µF =
f- 0,00022µF en pF =
g- 2,2KΩ = 2K2 (kilohms) en MΩ (megohms) =
h- 0,01 MV a kilovolts (kV) =
i- 250000 pA a miliamperes (mA) =
Nota: Cuando se suman (o restan) cantidades con diferentes prefijos métricos, primero se
convierte una de la cantidades al mismo prefijo que la otra.
j- Sume 0.05 MW y 75 kW y exprese el resultado en kW =
k- Sume 50 mV y 25,000 µV y exprese el resultado en mV =
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Voltaje, corriente y resistencia
El voltaje es esencial en cualquier tipo de circuito eléctrico. El voltaje es la energía
potencial de la carga eléctrica requerida para que el circuito trabaje. También es
necesaria la corriente para que operen los circuitos eléctricos, pero se requiere voltaje
para producirla. La corriente es el movimiento de electrones que tiene lugar a través del
circuito. En un circuito eléctrico, la resistencia limita la cantidad de corriente.
Estructura atómica
Toda la materia se compone de átomos, y todos los átomos se componen de electrones,
protones y neutrones.
Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento que conserva las características
de dicho elemento. Cada uno de los 109 elementos conocidos tiene átomos que son
diferentes de los átomos de todos los demás elementos. Esto da a cada elemento una
estructura atómica única. Según el modelo básico de Bohr, en un átomo se visualiza
como una estructura de tipo planetario que consta de un núcleo central rodeado por
electrones que lo orbitan. El núcleo se compone de partículas cargadas positivamente y
llamadas protones, así como de partículas no cargadas que se denominan neutrones. Las
partículas básicas de carga negativa se llaman electrones.
Número atómico
Todos los elementos están dispuestos en la tabla periódica de los elementos en un orden
que va de acuerdo con su número atómico. El número atómico es igual al número de
protones presentes en el núcleo. Por ejemplo, el número atómico del hidrógeno es 1 y el
del helio es 2. En su estado normal (o neutro), todos los átomos de un elemento dado
tienen el mismo número de electrones y de protones; las cargas positivas igualan a las
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cargas negativas, y el átomo tiene una carga neta de cero que lo vuelve eléctricamente
neutro.
Capas, órbitas y niveles de energía
Tal como se ha visto en el modelo de Bohr, los electrones describen órbitas alrededor del
núcleo a ciertas distancias de éste y están restringidos a dichas órbitas específicas. Dentro
del átomo, cada órbita corresponde a un nivel de energía diferente conocido como
capa. Las capas se designan con 1, 2, 3, y así sucesivamente, siendo la capa 1 la más
cercana al núcleo. Los electrones más alejados del núcleo están a niveles de energía más
altos.
Electrones de valencia
Los electrones que describen órbitas alejadas del núcleo tienen más energía y están
flojamente enlazados al átomo que aquellos más cercanos al núcleo. Esto se debe a que
la fuerza de atracción entre el núcleo cargado positivamente y el electrón cargado
negativamente disminuye con la distancia al núcleo. En la capa más externa de un
átomo existen electrones con un alto nivel de energía y están relativamente enlazados al
núcleo. Esta capa más externa se conoce como la capa de valencia y los electrones
presentes en esta capa se llaman electrones de valencia. Estos electrones de valencia
contribuyen a las reacciones químicas y al enlace dentro de la estructura de un material y
determinan sus propiedades eléctricas.
Ionización
Cuando un átomo absorbe energía de una fuente calorífica o luminosa, por ejemplo, las
energías de los electrones se elevan. Los electrones de valencia poseen más energía y
están ligeramente enlazados al átomo que los electrones internos, así que pueden saltar
con facilidad a órbitas más altas dentro de la capa de valencia cuando el átomo
absorbe energía externa.
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Si un átomo de valencia adquiere una cantidad suficiente de energía puede escapar con
facilidad de la capa externa y la influencia del átomo. La partida de un electrón de
valencia deja a un átomo previamente neutro con un exceso de carga positiva (más
protones que electrones). El proceso de perder un electrón de valencia se conoce como
ionización y el átomo cargado positivamente resultante se conoce como ion positivo.
El átomo de cobre
El cobre es el metal más comúnmente utilizado en aplicaciones eléctricas. El átomo de
cobre tiene 29 electrones que orbitan el núcleo en cuatro capas. El número de electrones
presentes en cada capa sigue un patrón predecible de acuerdo con la fórmula 2N2,
donde N es el número de la capa.
La primera capa de cualquier átomo puede tener hasta 2 electrones, la segunda capa
hacia arriba hasta 8 electrones, la tercera capa hacia arriba hasta 18 electrones, y la
cuarta capa hacia arriba hasta 32 electrones.
Cuando el electrón de valencia presente en la capa más externa del átomo de cobre
adquiere suficiente energía térmica, puede liberarse del átomo padre y convertirse en
electrón libre. En un pedazo de cobre a temperatura ambiente, un “mar” de estos
electrones libres está presente. Tales electrones no están ligados a un átomo dado sino
que son libres de moverse en el material de cobre. Los electrones libres hacen del cobre
un excelente conductor y posibilitan la corriente eléctrica.
Categorías de materiales
En electrónica se utilizan tres categorías de materiales: conductores, semiconductores y
aislantes.
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Conductores: Los materiales conductores son aquellos que permiten el paso de la
corriente.
Tienen un gran número de electrones libres y se caracterizan por poseer de uno a tres
electrones de valencia en su estructura. La mayoría de los metales son buenos
conductores. La plata es el mejor material conductor, y el cobre es el siguiente. El cobre es
el material conductor más ampliamente utilizado porque es menos caro que la plata. En
circuitos eléctricos, comúnmente se emplea alambre de cobre como conductor.
Semiconductores: Los materiales semiconductores se clasifican por debajo de los
conductores, en cuanto a su capacidad de transportar corriente, porque tienen menos
electrones libres que los conductores.
Los semiconductores tienen cuatro electrones de valencia en sus estructuras atómicas. Sin
embargo, a causa de sus características únicas, ciertos materiales semiconductores
constituyen la base de artefactos electrónicos tales como el diodo, el transistor y el
circuito integrado. El silicio y el germanio son materiales semiconductores comunes.
Aislantes: Los materiales aislantes son conductores deficientes de la corriente eléctrica. De
hecho, los aislantes se utilizan para evitar la corriente donde no es deseada. Comparados
con los materiales conductores, los aislantes tienen muy pocos electrones libres y se
caracterizan por poseer más de cuatro electrones de valencia en sus estructuras
atómicas.
Voltaje, corriente y resistencia
El voltaje, la corriente y la resistencia son las cantidades básicas presentes en todos los
circuitos eléctricos. El voltaje es necesario para producir corriente, y la resistencia limita la
cantidad de corriente en un circuito. La relación de estas tres cantidades se describe
mediante la ley de Ohm.
Voltaje
Como se ha visto, existe una fuerza de atracción entre una carga positiva y una negativa.
Se debe aplicar cierta cantidad de energía, en forma de trabajo, para vencer dicha
fuerza y separar las cargas a determinada distancia. Todas las cargas opuestas poseen
cierta energía potencial a causa de la separación que hay entre ellas. La diferencia en la
energía potencial por carga es la diferencia de potencial o voltaje. En circuitos eléctricos,
el voltaje es la fuerza propulsora y es lo que establece la corriente.
Corriente
El voltaje proporciona energía a los electrones, lo que les permite moverse por un circuito.
Este movimiento de electrones es la corriente, la cual produce trabajo en un circuito
eléctrico.
Como hemos visto, en todos los materiales conductores y semiconductores están
disponibles electrones libres. Estos electrones se mueven al azar en todas direcciones, de
un átomo a otro, dentro de la estructura del material, tal como indica la imagen:
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Si en un material conductor o semiconductor se establece voltaje, un extremo del material
se vuelve positivo y el otro negativo. La fuerza repulsiva producida por el voltaje negativo
en el extremo izquierdo hace que los electrones libres (cargas negativas) se muevan
hacia la derecha. La fuerza de atracción producida por el voltaje positivo en el extremo
derecho tira de los electrones libres hacia la derecha. El resultado es un movimiento neto
de los electrones libres desde el extremo negativo del material hasta el extremo positivo,
como indica la siguiente imagen:
El movimiento de estos electrones libres del extremo negativo del material al extremo
positivo es la corriente eléctrica, simbolizada mediante I.
La corriente eléctrica es la velocidad que lleva el flujo de la carga.
Resistencia eléctrica
Cuando en un material existe corriente, los electrones libres se mueven en éste y de vez en
cuando chocan con átomos. Estas colisiones provocan que los electrones pierdan algo
de su energía, con lo cual se restringe su movimiento. Entre más colisiones haya, más se
restringe el flujo de electrones. Esta restricción varía y está determinada por el tipo de
material. La propiedad de un material de restringir u oponerse al flujo de electrones se
llama resistencia, R.
La resistencia es la oposición a la corriente.
La resistencia se expresa en ohms, simbolizada mediante la letra griega omega (Ω).
Resistores (resistencias)
Un componente diseñado específicamente para que tenga cierta cantidad de
resistencia eléctrica se llama resistor. La aplicación principal de los resistores es limitar la
corriente en un circuito, dividir el voltaje, y, en ciertos casos, generar calor. Aun cuando los
resistores vienen en muchas formas y tamaños, todos pueden ser colocados en dos
categorías principales: fijos y variables.
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Resistores fijos
Los resistores fijos están disponibles con una gran selección de valores de resistencia
establecidos durante su fabricación y que no son fáciles de cambiar. Se construyen
utilizando diversos métodos y materiales.
Un tipo común de resistor fijo es el de composición de carbón, el cual está hecho con una
mezcla de carbón finamente pulverizado, un relleno aislante, y un aglutinante de resina.
La proporción de carbón a relleno aislante establece el valor de resistencia. La mezcla se
hace en forma de varillas, y se realizan las conexiones conductoras. Luego se encapsula
todo el resistor en un recubrimiento aislado para protección.
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Código de colores para resistencias fijas
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Práctica:
Determinar el valor nominal y el porcentaje de tolerancia de las siguientes resistencias:
a) R, Vi, Na, P =
b) M, Ne, M, P =
c) Ve, Az, Ve, D =
d) M, Ne, Ne, D =
e) Am, Vi, D, D =
f) R, R, R, P =
g) R, R, Ne, D =
h) R, Vi, Ne, D, R =
i) Am, Ne, R, Ne, M =
j) Na, Na, R, Na, Ve =
Códigos de rotulado para resistores
No todos los tipos de resistores se codifican con bandas de color. Muchos, incluidos los de
montaje superficial, utilizan marcado tipográfico para indicar su valor de resistencia y su
tolerancia. Estos códigos de rotulado se componen de puros números (numéricos) o de
una combinación de números y letras (alfanuméricos). En algunos casos, cuando el
cuerpo del resistor es lo suficientemente grande, el valor de resistencia completo y la
tolerancia se imprimen en él en forma estándar.
Rotulación numérica
Este tipo de marcado utiliza tres dígitos para indicar el valor de resistencia. Los primeros
dos dígitos proporcionan los primeros dos dígitos del valor de resistencia, y el tercer dígito
corresponde al multiplicador o cantidad de ceros que van después de los primeros dos
dígitos. Este código está limitado a valores de 10Ω o más grandes.
Rotulación alfanumérica
Otro tipo común de marcado es un rótulo de tres o cuatro caracteres que utiliza tanto
dígitos como letras. Este tipo de rótulo se compone, en general, de sólo tres dígitos o de
dos o tres dígitos y una de las letras R, K o M. La letra se utiliza para indicar el multiplicador,
y su posición señala el lugar del punto decimal. La letra R significa un multiplicador de 1
(nada de ceros después de los dígitos), la K indica un multiplicador de 1000 (tres ceros
después de los dígitos), y la M indica un multiplicador de 1.000.000 (seis ceros después de
los dígitos).
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En este formato, los valores que van desde 100 hasta 999 se componen de tres dígitos y
ninguna letra para representar los tres dígitos presentes en el valor de resistencia.
Práctica:
Interpretar los siguientes rotulados alfanuméricos:
a) 470 =
b) 5R6 =
c) 68K =
d) 10M =
e) 3M3 =
f) 3K3 =
Un sistema de rotulado para valores de tolerancia y resistencia utiliza las letras F, G y J:
Por ejemplo, 620F indica un resistor de 620Ω con tolerancia de ±1%, 4R6G es un resistor de
4,6Ω ± 2%, y 56KJ es un resistor de 56kΩ ±5%.
Cálculo del rango de tolerancia
Para saber el valor mínimo y máximo de lo que debe medir el resistor según la banda de
tolerancia indicada por el fabricante se realiza el siguiente cálculo:
Valor tolerancia = (Valor nominal x tolerancia) / 100
Valor mínimo = Valor nominal – Valor tolerancia
Valor máximo = Valor nominal + Valor tolerancia
Ejemplo:
Na, B, M, D
Valor nominal = 390Ω ±5%
Valor tolerancia = (390Ω x 5) / 100
Valor tolerancia = 19,5Ω
Valor mínimo = 390Ω - 19,5Ω
Valor mínimo = 370,5Ω
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Valor máximo = 390Ω + 19,5Ω
Valor máximo = 409,5Ω
Estos resultados significan que al medir la resistencia con un óhmetro, el valor medido
deberá estar situado en el rango establecido por los valores mínimo y máximo, es decir,
entre 370,5Ω y 409,5Ω. De no ser así el componente no cumplirá con lo establecido por el
fabricante y se encontrará desvalorizada.
Práctica:
Calcular el rango de tolerancia (Val. Mín. y Val. Máx.) de las siguientes resistencias:
a) M, Ne, M, D
b) Na, Na, R, D
c) M, Ne, Ve, P
d) M, Ne, Am, D
e) 560F
f) 1M8J
g) 10KG
Resistores variables
Los resistores variables están diseñados de modo que sus valores de resistencia sean fáciles
de cambiar mediante un ajuste manual o automático.
Dos usos básicos de los resistores variables son dividir el voltaje y controlar la corriente. El
resistor variable utilizado para dividir voltaje se llama potenciómetro. El resistor variable
empleado para controlar corriente se denomina reóstato. El potenciómetro es un
dispositivo de tres terminales. Las terminales 1 y 2 tienen resistencia fija entre ellas, que es la
resistencia total. La terminal 3 está conectada a un contacto móvil (rozador o cursor). Se
puede variar la resistencia entre 3 y 1 o entre 3 y 2 subiendo o bajando el contacto.
Los potenciómetros y reóstatos pueden ser clasificados como lineales o no lineales
(ajustables). En el ejemplo siguiente tenemos un potenciómetro con resistencia total de
100Ω. De acuerdo con la parte (a), en un potenciómetro lineal, la resistencia entre una u
otra terminales y el contacto móvil varía linealmente con la posición del contacto móvil.
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Por ejemplo, la mitad del movimiento total del contacto produce la mitad de la
resistencia total.
Tres cuartos de movimiento total producen tres cuartos de la resistencia total entre el
contacto móvil y una terminal, o un cuarto de la resistencia total entre la otra terminal y el
contacto móvil.
En el potenciómetro no lineal (ajustable), la resistencia no varía linealmente con la
posición del contacto móvil, de modo que la mitad de una vuelta no necesariamente
produce la mitad de la resistencia total.
El potenciómetro se utiliza como un dispositivo de control de voltaje porque cuando se
aplica un voltaje fijo a través de las terminales extremas, se obtiene un voltaje variable en
el contacto del cursor con respecto a una u otra terminales. El reóstato es empleado
como dispositivo de control de corriente porque ésta puede ser cambiada al variar la
posición del contacto cursor.
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Dos tipos de resistores automáticamente variables
Un termistor es un tipo de resistor variable sensible a la temperatura. Cuando su
coeficiente de temperatura es negativo, la resistencia cambia inversamente con la
temperatura. Cuando su coeficiente es positivo, la resistencia cambia directamente con
la temperatura.
La resistencia de una celda fotoconductora cambia con un cambio de la intensidad
luminosa.
Esta celda también tiene un coeficiente de temperatura negativo.
Práctica:
Testear con un óhmetro el comportamiento resistivo de la fotoresistencia, la resistencia
variable y el termistor. Determinar si el termistor es NTC o PTC.
El circuito eléctrico
Un circuito eléctrico básico es una agrupación ordenada de componentes físicos que
utilizan voltaje, corriente y resistencia para realizar alguna función útil.
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Dirección de la corriente
Durante algunos años después del descubrimiento de la electricidad, las personas
suponían que toda la corriente se componía de cargas positivas móviles. Sin embargo, en
los años de 1890, se identificó al electrón como el portador de carga en conductores
sólidos.
Hoy día, existen dos convenciones aceptadas en cuanto a la dirección de la corriente
eléctrica.
La dirección del flujo de electrones, preferida por muchos en los campos de la tecnología
eléctrica y electrónica, supone para propósitos de análisis que la corriente sale de la
terminal negativa de una fuente de voltaje, a través del circuito, y hacia la terminal
positiva de la fuente.
La dirección convencional de la corriente supone, también para propósitos de análisis,
que la corriente sale de la terminal positiva de una fuente de voltaje, a través del circuito,
y hacia la terminal negativa de la fuente. Cuando se sigue la dirección convencional de
la corriente, el voltaje se eleva a través de una fuente (negativo a positivo) y se reduce al
cruzar un resistor (positivo a negativo).
Como en realidad no se puede ver la corriente, sólo sus efectos, no importa qué dirección
se suponga en tanto sea utilizada consistentemente. Los resultados del análisis de un
circuito eléctrico no se ven afectados por la dirección de la corriente supuesta para
propósitos analíticos. La dirección utilizada para análisis es, principalmente, una cuestión
de preferencia, y existen muchas propuestas sobre cada una de las modalidades
Tierra
En circuitos eléctricos, la tierra es el punto de referencia. El término tierra se originó a partir
del hecho de que el conductor de un circuito normalmente se conectaba a una barra de
metal de 8 pies de largo enterrada en el suelo. Hoy en día, este tipo de conexión se
conoce como tierra en tierra.
En instalaciones eléctricas domésticas, la tierra en tierra se indica mediante un alambre de
color verde o de cobre desnudo. La tierra en tierra normalmente se conecta al chasis
metálico de un aparato o a una caja metálica por seguridad. Desafortunadamente, ha
habido excepciones a esta regla, las cuales pueden representar un riesgo de seguridad si
un chasis metálico no es tierra en tierra. Es una buena idea confirmar que un chasis
metálico en realidad se encuentre a un potencial de tierra en tierra antes de realizar
cualquier trabajo en un instrumento o aparato.
Otro tipo de tierra se denomina tierra de referencia. Los voltajes siempre se especifican
con respecto a otro punto. Si dicho punto no se establece explícitamente, se entiende
que es la tierra de referencia.
Tierra de referencia define 0V para el circuito. La tierra de referencia puede estar a un
potencial completamente diferente de la tierra en tierra. A la tierra de referencia también
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se le denomina común, y se le identifica mediante COM o COMM porque representa un
conductor común.
Cuando se está alambrando una tarjeta prototipo en el laboratorio, normalmente se
reserva una de la tiras colectoras (una extensa línea a todo lo largo de la tarjeta) para
este conductor común.
En la figura siguiente se muestran tres símbolos de tierra. Desafortunadamente, no existe
otro símbolo para distinguir entre la tierra en tierra y la tierra de referencia. El símbolo
ilustrado en (a) representa o una tierra en tierra o una tierra de referencia, (b) muestra una
tierra en chasis, y (c) es un símbolo de referencia alterno utilizado normalmente cuando
hay más de una conexión (tal como una tierra analógica y digital en el mismo circuito).
Mediciones de circuito básicas
Un técnico en electrónica no puede realizar su trabajo si no sabe cómo medir voltaje,
corriente y resistencia.
En el trabajo electrónico se requieren comúnmente mediciones de voltaje, corriente y
resistencia.
El instrumento utilizado para medir voltaje es un voltímetro, para medir corriente se usa un
amperímetro y para la resistencia un ohmmetro. Estos tres instrumentos se combinan a
menudo en un solo mecanismo llamado multímetro, en el cual se puede elegir qué
cantidad específica se va a medir seleccionando la función apropiada mediante un
interruptor.
Medición de corriente
La figura siguiente ilustra cómo medir corriente con un amperímetro. La parte (a) muestra
un circuito simple en el cual la corriente que pasa por el resistor tiene que ser medida.
Primero hay que asegurarse de que el ajuste del intervalo del amperímetro es mayor que
la corriente esperada, y entonces se conecta el amperímetro en la trayectoria de la
corriente abriendo primero el circuito, como indica la parte (b). Acto seguido se inserta el
medidor en la forma que muestra la parte (c).
Tal conexión es una conexión en serie. La polaridad del medidor debe ser tal que la
corriente esté en la terminal positiva y salga por la terminal negativa.
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Medición de voltaje
Para medir voltaje, el voltímetro se conecta a través del componente para el cual el
voltaje ha de ser medido. Tal conexión es una conexión en paralelo. La terminal negativa
del medidor se conecta al lado negativo del circuito, y la terminal positiva se conecta al
lado positivo del circuito.
El voltaje es relativo. Es decir, en un punto de un circuito, el voltaje siempre se mide con
respecto a otro punto. Por ejemplo, cuando se declara que hay +100 V en cierto punto de
un circuito, esto significa que el punto está 100 V más positivo que algún otro punto de
referencia designado en el circuito. Este punto de referencia se llama tierra o punto
común.
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La tierra de referencia tiene un potencial de cero volts (0 V) con respecto a todos los
demás puntos del circuito relacionados, como lo muestra la figura siguiente. En la parte
(a), el lado negativo de la fuente está conectado a tierra, y todos los voltajes indicados
son positivos con respecto a tierra. En la parte (b), el lado positivo de la fuente es la tierra.
En todos los demás puntos los voltajes son, por consiguiente, negativos con respecto a
tierra. Recordemos que todos los puntos mostrados conectados a tierra en un circuito
están conectados entre sí mediante la tierra y, eléctricamente, son el mismo punto.
Medición de voltajes con respecto a tierra
Cuando se miden voltajes con respecto a la tierra de referencia en un circuito, un
conector del medidor se conecta a la tierra de referencia y el otro al punto donde se va a
medir el voltaje.
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En un circuito con tierra negativa, como el ilustrado en la figura siguiente, la terminal
negativa del medidor se conecta a la tierra de referencia. La terminal positiva del
voltímetro se conecta entonces al punto de voltaje positivo. El medidor lee el voltaje
positivo en el punto A con respecto a tierra.
En un circuito con tierra positiva, el conector positivo del voltímetro se conecta a la tierra
de referencia y el conector negativo al punto de voltaje negativo, como indica la figura
siguiente. Aquí el medidor lee el voltaje negativo en el punto A con respecto a tierra.
Cuando se miden voltajes en varios puntos de un circuito, se puede conectar el conector
de tierra un punto del circuito y dejarlo allí. Luego se mueve el otro conector de punto en
punto al medir los voltajes.
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Medición de voltaje a través de un resistor no conectado a tierra
El voltaje se puede medir normalmente a través de un resistor aun cuando ningún lado del
resistor esté conectado a tierra.
Si el instrumento de medición no está aislado de la tierra de la línea de potencia, el
conductor negativo del medidor conectará a tierra un lado del resistor y modificará la
operación del circuito. En esta situación, se debe utilizar otro método, tal como ilustra la
figura siguiente. Se mide el voltaje en cada lado del resistor con respecto a tierra. La
diferencia entre estas dos mediciones representa la caída de voltaje del resistor.
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Medición de resistencia
Para medir la resistencia, primero se corta la energía eléctrica y se desconecta uno o
ambos extremos del resistor del circuito; luego se conecta el ohmmetro a través del
resistor.
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Ley de Ohm
En 1826 Georg Simon Ohm encontró que la corriente, el voltaje y la resistencia están
relacionados de una forma específica y predecible. Ohm expresó esta relación con una
fórmula que hoy en día se conoce como ley de Ohm.
La relación de corriente, voltaje y resistencia
La ley de Ohm describe matemáticamente la relación entre voltaje, corriente y resistencia
en un circuito. La ley de Ohm se expresa en tres formas equivalentes según qué cantidad
se requiera determinar. Como veremos, la corriente y el voltaje son linealmente
proporcionales. Sin embargo, la corriente y la resistencia son inversamente proporcionales.
Ohm determinó experimentalmente que si el voltaje a través de un resistor se incrementa,
la corriente a través del resistor también lo hará; y, asimismo, si el voltaje disminuye, la
corriente hará lo mismo. Por ejemplo, si el voltaje se duplica, la corriente se duplicará. Si el
voltaje se reduce a la mitad, la corriente lo hará también.
Ohm también determinó que si el voltaje se mantiene constante, menos resistencia
produce más corriente, y, además, más resistencia produce menos corriente. Por ejemplo,
si la resistencia se reduce a la mitad, la corriente se duplica. Si la resistencia se duplica, la
corriente se reduce a la mitad.
La ley de Ohm establece que la corriente es directamente proporcional al voltaje e
inversamente proporcional a la resistencia.
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Uso del protoboard
Este dispositivo sirve para ensayar circuitos electrónicos lo cual lo hace indispensable para
el técnico electrónico.
Está conectado internamente a través de metal en forma de columnas hasta el
separador intermedio como muestra la figura siguiente:
Por ende en la imagen siguiente podemos ver la forma correcta de conectar los
componentes:
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Como podemos ver, en la forma correcta los terminales de los componentes “no se
tocan”, por ende la corriente atravesará el componente. En la forma incorrecta los
terminales están “en corto”, es decir, la unión metálica que está por debajo hace
contacto en ambos terminales al mismo tiempo.
Circuitos serie y paralelo. Leyes de Kirchhoff.
Circuito serie
Cuando se conectan resistores en serie y se aplica voltaje entre los extremos de la
conexión en serie, existe sólo una trayectoria para la corriente; y, por consiguiente, cada
resistor en serie tiene la misma cantidad de corriente a través de él. Todas las resistencias
en serie se suman para producir una resistencia total. Las caídas de voltaje entre cada
uno de los resistores se suman al voltaje aplicado entre los extremos de toda la conexión
en serie.
Un circuito en serie proporciona sólo una trayectoria para el paso de la corriente entre dos
puntos, de modo que la corriente es la misma a través de cada resistor en serie.
En un diagrama de circuito real, un circuito en serie no siempre es tan fácil de identificar
visualmente como los circuitos de la figura anterior. Por ejemplo, en la figura siguiente se
muestran resistores en serie dibujados de otras maneras con voltaje aplicado. Recordemos
que si entre dos puntos existe sólo una trayectoria para la corriente, los resistores ubicados
entre esos dos puntos están en serie, no importa cómo aparezcan en un diagrama.
29
Representación del circuito serie en protoboard
Corriente en un circuito serie
La figura siguiente muestra tres resistores conectados en serie a una fuente de voltaje de
CD. En cualquier punto de este circuito, la corriente que entra a dicho punto debe ser
igual a la corriente que sale de ese punto, tal como se ilustra mediante las flechas
direccionales de corriente. Observemos también que la corriente que sale de cada
resistor debe ser igual a la que entra porque no hay un lugar por donde pueda escaparse
o dirigirse a otro lugar. Por consiguiente, en cada sección del circuito la corriente es la
misma que hay en todas las demás secciones.
Resistencia total en serie
La resistencia total de un circuito en serie es igual a la suma de todas las resistencias de
cada resistor individual dispuesto en serie.
30
Suma de valores de resistores en serie
Cuando los resistores se conectan en serie, sus valores se suman porque cada resistor
ofrece oposición a la corriente en proporción directa a su resistencia. Un mayor número
de resistores conectados se opone más a la corriente. Más oposición a la corriente implica
un valor más alto de resistencia. Por tanto, cada vez que un resistor se agrega en serie, la
resistencia total aumenta.
Fórmula de la resistencia en serie
Para cualquier número de resistores individuales conectados en serie, la resistencia total es
la suma de cada uno de los valores individuales.
RT = R1 + R2 + R3 +…+ RN
Fuentes de voltaje en serie
Recordemos que una fuente de voltaje es una fuente de energía que proporciona un
voltaje constante a una carga. Las baterías y las fuentes de potencia electrónicas son
ejemplos prácticos de fuentes de voltaje de cd.
Cuando dos o más fuentes de voltaje están en serie, el voltaje total es igual a la suma
algebraica de los voltajes de fuente individuales. La suma algebraica implica que las
polaridades de las fuentes deben ser incluidas cuando las fuentes se combinan en serie.
Las fuentes con polaridades opuestas tienen voltajes con signos opuestos.
VS(tot) = VS1 + VS2 +…+ VSN
31
Cuando todas las fuentes de voltaje están en la misma dirección en cuanto a sus
polaridades, como en la figura (a), todos los voltajes tienen el mismo signo cuando se
suman; existe un total de 4.5 V de la terminal A a la terminal B, siendo A más positiva que
B.
VAB = 1.5 V + 1.5 V + 1.5 V = +4.5 V
En la figura (b), la fuente de voltaje intermedia se opone a las otras dos fuentes; por lo que
su voltaje tiene un signo opuesto cuando se suma a los otros voltajes. En este caso el
voltaje total de A a B es:
VAB = +1.5 V - 1.5 V + 1.5 V = +1.5 V
Ley de voltaje de Kirchhoff
La ley del voltaje de Kirchhoff es una ley fundamental de circuito que establece que la
suma algebraica de todos los voltajes localizados en una sola trayectoria cerrada es cero
o, en otras palabras, que la suma de las caídas de voltaje es igual al voltaje de fuente
total.
En un circuito eléctrico, los voltajes de un lado a otro de los resistores (caídas de voltaje)
siempre tienen polaridades opuestas a la polaridad del voltaje de fuente. Por ejemplo, en
la figura siguiente, recorramos el circuito en el sentido de las agujas del reloj. Observe que
la polaridad de la fuente es de menos a más, y que cada caída de voltaje es de más a
menos. Las caídas de voltaje de uno a otro lado de los resistores están señaladas
mediante V1, V2, y así sucesivamente.
La corriente sale del lado positivo de la fuente y pasa a través de los resistores tal como
indican las flechas. La corriente se dirige hacia el lado positivo de cada resistor y sale por
el lado negativo. La caída en el nivel de energía de uno a otro lado de un resistor crea
una diferencia de potencial, o una caída de voltaje, con polaridad más a menos en
dirección de la corriente.
El voltaje del punto A al punto B es el voltaje de la fuente, VS. Asimismo, el voltaje de A a B
es la suma de las caídas de voltaje de los resistores en serie. Por consiguiente, el voltaje de
fuente es igual a la suma de las tres caídas de voltaje, conforme lo establece la ley del
voltaje de Kirchhoff.
32
En un circuito, la suma de todas las caídas de voltaje localizadas en una trayectoria
cerrada única (malla) es igual al voltaje de fuente total encontrado en dicha espira.
Vs = V1 + V2 + V3 +…+ Vn
Al sumar todas las caídas de voltaje localizadas en una trayectoria cerrada y restar luego
ese total al voltaje de fuente, el resultado es cero. Este resultado ocurre porque la suma
de las caídas de voltaje siempre es igual al voltaje de la fuente.
La suma algebraica de todos los voltajes (tanto de fuente como de caídas) localizados en
una trayectoria cerrada única es cero.
Por consiguiente, otra forma de expresar la ley del voltaje de Kirchhoff en forma de
ecuación es:
VS – V1 – V2 – V3 - … - Vn = 0
Divisores de voltaje
Un circuito compuesto a partir de una serie de resistores conectada a una fuente de
voltaje actúa como divisor de voltaje. La figura siguiente muestra un circuito con dos
resistores en serie, aunque puede haber cualquier cantidad. Existen dos caídas de voltaje
en los resistores: una en R1 y una en R2. Estas caídas de voltaje son V1 y V2,
respectivamente, como indica el diagrama esquemático.
33
Dado que cada resistor tiene la misma corriente, las caídas de voltaje son proporcionales
a los valores de resistencia. Por ejemplo, si el valor de R2 es dos veces el de R1, entonces el
valor de V2 es dos veces el valor de V1.
La caída de voltaje total localizada en una trayectoria cerrada única se divide entre los
resistores en serie en cantidades directamente proporcionales a los valores de resistencia.
Fórmula del divisor de voltaje
Con pocos cálculos, se puede desarrollar una fórmula para determinar cómo se dividen
los voltajes entre resistores en serie.
Sean Vx la caída de voltaje a través de cualquiera de los resistores y Rx el número de un
resistor en particular o de una combinación de resistores.
Vx = (Rx / Rt) x Vs
Un potenciómetro como divisor de voltaje ajustable
Anteriormente vimos que un potenciómetro es un resistor variable con tres terminales. En la
figura siguiente) se muestra un potenciómetro conectado a una fuente de voltaje con el
diagrama esquemático ilustrado en la parte (b). Observemos que las dos terminales
extremas están marcadas con 1 y 2. La terminal ajustable o contacto deslizable lleva el
número 3.
El potenciómetro funciona como divisor de voltaje, lo cual puede ser ilustrado separando
la resistencia total en dos partes, según indica la figura en la parte(c). La resistencia entre
la terminal 1 y la terminal 3 (R13) es una parte, y la resistencia entre la terminal 3 y la
terminal 2 (R32) es la otra parte. Así que este potenciómetro equivale a un divisor de
voltaje de dos resistores que puede ser ajustado manualmente.
La figura siguiente muestra lo que sucede cuando el contacto deslizable (3) se mueve. En
la parte (a), el contacto deslizable está exactamente en el centro, lo cual iguala a las dos
resistencias. Al medir el voltaje a través de las terminales 3 a 2 como se indica mediante el
símbolo de voltímetro, se tiene la mitad del voltaje de fuente. Cuando el contacto
deslizable sube, como en la parte (b), la resistencia entre las terminales 3 y 2 se
34
incrementa y el voltaje a través de ella aumenta proporcionalmente. Cuando el contacto
deslizable baja, como en la parte (c), la resistencia entre las terminales 3 y 2 disminuye, y
el voltaje disminuye proporcionalmente.
Circuito paralelo
Cuando dos o más resistores se conectan individualmente entre dos puntos distintos, están
en paralelo entre sí. Un circuito en paralelo proporciona más de una trayectoria para la
corriente.
Cada trayectoria para la corriente se denomina rama, y un circuito en paralelo es uno
que tiene más de una rama. En la figura siguiente se muestran dos resistores conectados
en paralelo.
Tal como indica la parte (b), la corriente que sale de la fuente (IT) se divide cuando llega
al punto A. I1 pasa por R1 e I2 por R2. Si se conectan más resistores en paralelo con los dos
primeros, se crean más trayectorias para la corriente entre el punto A y el punto B, como
aparece en la figura (c). Todos los puntos ubicados a lo largo de la parte superior en gris
son, eléctricamente, el mismo punto que el punto A, y todos los puntos localizados a lo
largo de la parte inferior son, eléctricamente, el mismo punto que el punto B.
A menudo, en diagramas de circuito reales, la relación en paralelo no queda clara. Es
importante aprender a reconocer circuitos en paralelo sin importar cómo estén trazados.
Una regla para identificar circuitos en paralelo es la siguiente:
35
Si existe más de una trayectoria (rama) para la corriente entre dos puntos distintos, y si el
voltaje entre dichos puntos también aparece a través de cada una de las ramas,
entonces existe un circuito en paralelo entre esos dos puntos.
La figura siguiente muestra resistores en paralelo trazados de diferentes formas entre dos
puntos distintos designados con A y B. Observe que en cada caso la corriente tiene dos
trayectorias que van de A a B, y el voltaje a través de cada rama es el mismo. Aunque
estos ejemplos muestran sólo dos trayectorias en paralelo, puede haber cualquier
cantidad de resistores en paralelo.
Representación del circuito paralelo en protoboard
Voltaje en un circuito paralelo
El voltaje a través de cualquier rama de un circuito dispuesto en paralelo es igual al
voltaje a través de cada una de las demás ramas en paralelo. Como ya se sabe, en un
circuito en paralelo, cada trayectoria para la corriente se denomina rama.
Para ilustrar el voltaje presente en un circuito en paralelo, examinemos la figura siguiente:
36
Los puntos A, B, C y D ubicados a lo largo del lado izquierdo del circuito en paralelo son
eléctricamente el mismo punto porque el voltaje es el mismo a lo largo de esta línea. Se
puede pensar en estos puntos como que están conectados por un solo conductor a la
terminal negativa de la batería.
Los puntos E, F, G y H situados a lo largo del lado derecho del circuito están a un voltaje
igual al de la terminal positiva de la fuente. Por tanto, el voltaje a través de cada resistor
en paralelo es el mismo, y cada voltaje es igual al voltaje de fuente
La figura (b) es el mismo circuito de la parte (a), pero dibujado en forma levemente
distinta. En este caso, el lado izquierdo de cada resistor está conectado a un solo punto, el
cual es la terminal negativa de la batería. El lado derecho de cada resistor está
conectado a un solo punto, que es la terminal positiva de la batería. Los resistores siguen
estando en paralelo a través de la fuente.
En la figura siguiente, una batería de 12 V está conectada por medio de tres resistores en
paralelo. Cuando se mide el voltaje a través de la batería y luego a través de cada uno
de los resistores, las lecturas son las mismas. Como se puede advertir, en un circuito en
paralelo aparece el mismo voltaje a través de cada rama.
37
Ley de las corrientes de Kirchhoff
La ley de la corriente de Kirchhoff es aplicable a corrientes que circulan por múltiples
trayectorias.
La ley de las corrientes de Kirchhoff, abreviada a menudo como KCL, por sus siglas en
inglés, puede ser enunciada como sigue:
La suma de las corrientes que entran a un nodo (corriente total de entrada) es igual a la
suma de las corrientes que salen de dicho nodo (corriente total de salida).
Un nodo es cualquier punto o unión en un circuito donde dos o más componentes están
conectados.
En un circuito en paralelo, un nodo o unión es un punto donde se juntan las ramas
dispuestas en paralelo. Por ejemplo, en el circuito de la figura siguiente, el punto A es un
nodo y el punto B otro nodo.
Iniciemos en la terminal positiva de la fuente y sigamos la corriente. La corriente total IT
que viene de la fuente entra al nodo A. En este punto, la corriente se divide entre las tres
ramas como se indica. Cada una de las tres corrientes de rama (I1, I2 e I3) sale del nodo
A. La ley de las corrientes de Kirchhoff establece que la corriente total que entra al nodo
A es igual a la corriente total que sale del nodo A; es decir:
IT = I1 + I2 + I3
Ahora, cuando se siguen las corrientes a través de las tres ramas, se advierte que regresan
al nodo B. Las corrientes I1, I2 e I3 se encuentran en el nodo B e IT sale de éste. La fórmula
de la ley de la corriente de Kirchhoff en el nodo B es, por consiguiente, la misma que en el
nodo A.
IT = I1 + I2 + I3
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La ley de la corriente de Kirchhoff también puede ser enunciada de esta manera:
La suma algebraica de todas las corrientes que entran a y salen de un nodo es igual a
cero.
Se puede verificar la ley de la corriente de Kirchhoff conectando un circuito y midiendo
cada corriente de rama y la corriente total suministrada por la fuente, como ilustra la
figura siguiente. Cuando se suman las corrientes de rama, su suma es igual a la corriente
total. Esta regla es aplicable a cualquier cantidad de ramas.
Resistencia total en paralelo
Cuando se conectan resistores en paralelo, la resistencia total del circuito se reduce. La
resistencia total de un circuito dispuesto en paralelo siempre es menor que el valor del
resistor más pequeño. Por ejemplo, si un resistor de 10Ω y otro de 100Ω se conectan en
paralelo, la resistencia total es menor que 10Ω.
En la figura siguiente parte(a), hay sólo una trayectoria para corriente porque es un
circuito en serie. Existe cierta cantidad de corriente, I1, a través de R1. Si el resistor R2 se
conecta en paralelo con R1, como indica la parte (b), existe una corriente adicional de
corriente, I2, a través de R2. La corriente total suministrada por la fuente se ha
incrementado con la adición del resistor en paralelo.
Suponiendo que el voltaje de fuente permanece constante, un incremento de la corriente
total suministrada por la fuente significa que la resistencia total ha disminuido, de acuerdo
con la ley de Ohm. La conexión de más resistores en paralelo reducirá aún más la
resistencia e incrementará la corriente total.
39
Fórmula de la resistencia total en paralelo
El caso de dos resistores en paralelo
La ecuación anterior es la fórmula general para determinar la resistencia total de
cualquier número de resistores en paralelo. La combinación de dos resistores en paralelo
ocurre comúnmente en la práctica. Asimismo, cualquier número de resistores en paralelo
puede ser descompuesto en pares como una forma alterna de encontrar RT. Con base en
la ecuación anterior, la fórmula de la resistencia total de dos resistores en paralelo es:
El caso de resistores en paralelo que tienen igual valor
Otro caso especial de circuitos en paralelo es la conexión en paralelo de varios resistores
que tienen cada uno el mismo valor de resistencia. Existe un método abreviado para
calcular RT cuando ello ocurre.
RT = R / n
La ecuación anterior establece que cuando cualquier número de resistores (n) de la
misma resistencia (R) se conectan en paralelo, RT es igual a la resistencia dividida entre el
número de resistores en paralelo.
Notación para resistores en paralelo
En ocasiones, por conveniencia, los resistores en paralelo se designan mediante dos
marcas verticales. Por ejemplo, R1 en paralelo con R2 puede ser escrito como R1R2.
Además, cuando varios resistores están en paralelo entre sí, se puede utilizar esta
notación. Por ejemplo R1R2R3R4R5 indica que los resistores R1 a R5 están en
paralelo.
40
Esta notación también se utiliza con valores de resistencia. Por ejemplo 10KΩ5KΩ significa
que un resistor de 10KΩ está en paralelo con un resistor de 5KΩ.
Divisores de corriente
Un circuito en paralelo actúa como divisor de corriente porque la corriente que entra a la
unión de ramas dispuestas en paralelo “se divide” en varias corrientes individuales.
Entre los resistores en paralelo, la corriente total se divide en corrientes con valores que
son inversamente proporcionales a los valores de resistencia.
Las ramas con más alta resistencia tienen menos corriente, y las ramas con más baja
resistencia tienen más corriente, de acuerdo con la ley de Ohm. Si todas las ramas tienen
la misma resistencia, las corrientes de rama son iguales.
Fórmula del divisor de corriente
Se puede desarrollar una fórmula para determinar cómo se dividen las corrientes entre
cualquier número de resistores en paralelo como indica la figura siguiente, donde n es el
número total de resistores.
41
La corriente (Ix) a través de cualquier rama es igual a la resistencia total en paralelo (RT)
dividida entre la resistencia (Rx) de dicha rama, y multiplicada entonces por la corriente
total (IT) que entra a la unión de ramas en paralelo.
Práctica:
Resolver los siguientes circuitos aplicando las leyes hasta aquí vistas. Armar los circuitos y
confirmar resultados con el multímetro.
a) b)
c)
V1
12V R1
1kΩ
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d) Averiguar It, V1, V2 y V3. Confirmar resultados.
e) Averiguar It, I1, I2 e I3. Confirmar resultados.
Circuitos serie-paralelo
Un circuito en serie-paralelo consiste en combinaciones de trayectorias para corriente
dispuestas tanto en serie como en paralelo. Es importante ser capaz de identificar la forma
en que están dispuestos los componentes en un circuito en función de sus relaciones en
serie y en paralelo.
La figura siguiente muestra un ejemplo de una combinación simple de resistores en serie-
paralelo. Observe que la resistencia del punto A al punto B es R1. La resistencia del punto
B al punto C es R2 y R3 en paralelo (R2R3). La resistencia total del punto A al punto C es
R1 en serie con la combinación en paralelo de R2 y R3, tal como indica la parte (b).
Cuando el circuito de la figura (a) se conecta a una fuente de voltaje como se muestra
en la figura (c), la corriente total pasa por R1 y se divide en el punto B hacia las dos
VT
24V
R1
390Ω
R2
1.27kΩ
R3
2.2kΩ
V1
12V
R1
1.8kΩ
R2
560Ω
R3
1kΩ
43
trayectorias en paralelo. Estas dos corrientes de rama se recombinan entonces y la
corriente total entra a la terminal negativa de la fuente como se indica.
Resistencia total
Para encontrar la resistencia total (RT) de una combinación en serie-paralelo, simplemente
se definen las relaciones serie-paralelo y luego se realizan los cálculos que previamente se
aprendieron.
Ejemplo:
:
Práctica:
Encontrar la Rt entre las terminales positiva y negativa de la batería del circuito:
44
Práctica:
Armar los siguientes circuitos en protoboard:
45
Corrientes y voltajes
Aplicando las leyes vistas anteriormente (Ohm y Kirchhoff), divisor de corriente y de
tensión, podemos calcular todas las caídas de voltaje y corrientes de rama de los circuitos
serie-paralelo.
Práctica:
Resolver y medir el siguiente circuito:
Valor teórico Valor medido
R1=3k3
R2=6k2
R3=1k
R4=1k
R5=680Ω
R6=390Ω
Vt=8v
Rt=
It=I3=
V1=
V2=
V3=
V4=
V5=
V6=
I1=
I2=
I4=
I56=
46
Divisores de voltaje con cargas resistivas
El divisor de voltaje mostrado en la figura siguiente parte(a) produce un voltaje de salida
(VSALIDA) de 5 V porque los dos resistores son del mismo valor. Este voltaje es el voltaje de
salida sin carga.
Cuando un resistor de carga, RL, se conecta de la salida a tierra como se muestra en la
figura parte (b), el voltaje de salida se reduce en una cantidad que depende del valor de
RL. El resistor de carga está en paralelo con R2, por lo que se reduce la resistencia del
nodo A a tierra y, en consecuencia, también se reduce el voltaje entre los extremos de la
combinación en paralelo. Este es un efecto de la aplicación de carga a un divisor de
voltaje. Otro efecto de una carga es que se extrae más corriente de la fuente porque la
resistencia total del circuito se reduce.
Mientras más grande es RL, en comparación con R2, menos se reduce el voltaje de salida
con respecto a su valor sin carga, como ilustra la figura siguiente. Cuando dos resistores se
conectan en paralelo y uno de ellos es mucho más grande que el otro, la resistencia total
se aproxima al valor de la resistencia más pequeña.
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Práctica:
a) Determinar la tensión de salida sin carga
b) Determinar a tensión de salida con una carga RL. Primero con un valor RL=10k y
luego RL=100k
48
Capacitores
El capacitor básico
Construcción básica
En su más simple forma, un capacitor es un dispositivo eléctrico que guarda energía
eléctrica y se construye con dos placas conductoras paralelas separadas por un material
aislante llamado dieléctrico. Los conectores están unidos a las placas paralelas. En la
figura siguiente parte(a) se muestra un capacitor básico, y la parte (b) ilustra el símbolo
esquemático.
Cómo guarda carga un capacitor
En estado neutro, las dos placas de un capacitor tienen el mismo número de electrones
libres, como se indica en la figura siguiente parte(a). Cuando el capacitor se conecta a
una fuente de voltaje mediante una resistencia, según muestra la parte (b), se liberan
electrones (carga negativa) de la placa A, los cuales se depositan en la placa B en un
número igual que el liberado. A medida que la placa A pierde electrones y la placa B los
gana, la placa A se vuelve positiva con respecto a la placa B.
Durante este proceso de carga, los electrones fluyen sólo a través de los contactos. Por el
dieléctrico del capacitor no fluyen electrones porque es un aislante. El movimiento de
electrones cesa cuando el voltaje presente en el capacitor es igual al voltaje de fuente,
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como se indica en la figura (c). Si el capacitor se desconecta de la fuente, retiene la
carga almacenada durante un largo periodo (el cual depende del tipo de capacitor) y
aún tiene voltaje de un lado a otro de él, como ilustra la figura (d). Un capacitor cargado
es capaz de actuar como batería temporal.
Capacitancia
La cantidad de carga que un capacitor puede almacenar por unidad de voltaje entre
sus placas es su capacitancia, designada mediante C. Es decir, la capacitancia es una
medida de la capacidad de un capacitor de guardar carga. La unidad de capacitancia
es el faradio (F).
La mayoría de los capacitores que se utilizan en trabajos de electrónica tienen valores de
capacitancia especificados en microfaradios (µF) y picofaradios (pF).
Tipos de capacitores
Los capacitores se clasifican normalmente de acuerdo con el tipo de material dieléctrico
y si están o no polarizados. Los tipos más comunes de materiales dieléctricos son mica,
cerámica, película plástica, y electrolíticos (óxido de aluminio y óxido de tantalio).
50
Capacitores fijos
Capacitores de mica
Dos tipos de capacitores de mica son los de laminillas y hojas de mica plateada. La
construcción básica del tipo apilado se muestra en la figura siguiente.
Consta de capas alternas de laminillas metálicas y delgadas hojas de mica. Las laminillas
metálicas forman la placa, con las laminillas alternas conectadas entre sí para
incrementar el área de placas. Se utilizan más capas para incrementar el área de placas,
y por tanto, se incrementa la capacitancia. El apilamiento de hojas de mica/laminillas se
encapsula en un material aislante, como Bakelite®, según muestra la figura (b). Un
capacitor de mica plateada se forma de modo similar apilando hojas de mica con
material de electrodo de plata depositado en ellas.
Los capacitores de mica están disponibles con valores de capacitancia que van desde 1
pF hasta 0.1 µF y voltajes nominales desde 100 V de cd hasta 2500 V de cd.
Capacitores de cerámica
Los dieléctricos de cerámica proporcionan constantes dieléctricas muy altas (1200 es un
valor típico). Por consiguiente, se pueden alcanzar valores de capacitancia
comparativamente altos en un tamaño físico pequeño. Los capacitores de cerámica
están disponibles comúnmente en forma de disco, como se muestra en la figura siguiente:
51
También una configuración multicapas con conductor radial
En forma de “chip” de cerámica sin conductores, para montaje en superficie sobre
tarjetas de circuito impreso.
Los capacitores de cerámica por lo general están disponibles con valores de
capacitancia que van desde 1 pF hasta 2.2 µF con voltaje nominal de hasta 6 kV
Capacitores de película plástica
Los materiales dieléctricos comunes utilizados en capacitores de película plástica incluyen
policarbonato, propileno, poliéster, poliestireno, polipropileno, y mylar. Algunos de estos
tipos tienen valores de capacitancia de hasta 100 µF, pero la mayoría son de menos de
1µF.
La figura siguiente muestra una construcción básica común utilizada en muchos
capacitores de película plástica.
52
Una delgada tira de dieléctrico de película plástica se intercala entre dos delgadas tiras
metálicas que actúan como placas. Un conductor se conecta a la placa interna y el otro
a la externa como se indica. Las tiras se enrollan luego en una configuración espiral y
encapsulan el empaque moldeado. Por tanto, un área de placas grande puede ser
empaquetada en un tamaño físico relativamente pequeño, con lo cual se consiguen
grandes valores de capacitancia. Otro método utiliza metal depositado directamente
sobre la película dieléctrica para formar las placas.
Capacitores electrolíticos
Los capacitores electrolíticos se polarizan de modo que una placa sea positiva y la otra
negativa. Estos capacitores se utilizan para valores de capacitancia que van desde 1 µF
hasta más de 200,000 µF, pero sus voltajes de ruptura son relativamente bajos (350 V es un
máximo característico) y sus cantidades de fuga son altas.
Los capacitores electrolíticos ofrecen valores de capacitancia mucho más altos que los
de mica o cerámica, pero sus voltajes nominales son generalmente más bajos. Los
electrolíticos de aluminio son, probablemente, el tipo más utilizado. En tanto que otros
capacitores utilizan dos placas similares, el capacitor electrolítico consta de una placa de
hoja de aluminio y de otra placa elaborada a partir de un electrolito conductor aplicado
a determinado material, tal como película plástica. Estas dos “placas” están separadas
por una capa de óxido de aluminio depositada sobre la superficie de la placa de
aluminio.
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La figura (a) ilustra la construcción básica de un capacitor electrolítico de aluminio típico
con conductores axiales. En la figura (b) se muestran otros capacitores electrolíticos con
conductores radiales; la parte (c) ilustra el símbolo para un capacitor electrolítico.
Rotulación de capacitores
Los valores de capacitor se indican en el cuerpo del capacitor por medio de rotulación
tipográfica o con códigos de colores. Los rótulos tipográficos constan de letras y números
que indican diversos parámetros, tales como capacitancia, voltaje nominal y tolerancia.
Algunos capacitores no portan ninguna designación de unidad de capacitancia. En estos
casos, las unidades están implícitas en el valor indicado y se reconocen gracias a la
experiencia. Por ejemplo, un capacitor de cerámica marcado con .001 o .01 tiene
unidades de microfaradios porque valores en picofaradios así de pequeños no están
disponibles. Otro ejemplo: un capacitor de cerámica cuya designación sea de 50 o 330
tendrá unidades de picofaradios porque unidades en microfaradios así de grandes
normalmente no están disponibles en este tipo de dispositivo.
En algunos casos se utiliza designación de tres dígitos. Las primeras dos unidades son los
primeros dos dígitos del valor de capacitancia. El tercer dígito es el número de ceros
después del segundo dígito. Por ejemplo 103 significa, 10,000 pF. En algunos casos, las
unidades se marcan como pF o µF; en ocasiones la unidad microfaradios se rotula como
MF o MFD.
54
55
Tabla del código de tensiones
Práctica:
Medir los capacitores dados con el código previamente visto. Comprobar resultados con
el capacímetro.
Capacitores en serie
Cuando se conectan capacitores en serie, la capacitancia total es menor que el valor de
la capacitancia más pequeña porque la separación efectiva entre las placas se
incrementa. El cálculo de capacitancia total en serie es análogo al de resistencia total de
resistores dispuestos en paralelo.
Capacitores en paralelo
Cuando se conectan capacitores en paralelo, la capacitancia total es la suma de las
capacitancias individuales porque el área de las placas se incrementa. El cálculo de la
capacitancia total en paralelo es análogo al de la resistencia total en serie.
CT = C1 + C2 + C3 +…+ Cn
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Energía y potencia
Energía es la capacidad de realizar trabajo, y potencia es la velocidad a la cual se utiliza
la energía. La corriente transporta energía eléctrica a través de un circuito. A medida que
los electrones libres pasan por la resistencia del circuito, ceden su energía cuando chocan
con átomos presentes en el material resistivo.
Cuando existe corriente a través de una resistencia, la energía eléctrica se transforma en
calor o en otra forma de energía, como energía luminosa. Un ejemplo común de esto es
un foco que se calienta demasiado como para tocarlo. La corriente a través del filamento
que produce luz también produce un calentamiento indeseado porque el filamento tiene
resistencia.
Los componentes eléctricos deben ser capaces de disipar cierta cantidad de energía en
un periodo determinado.
Potencia (P) es cierta cantidad de energía (W) utilizada en cierto tiempo (t) y expresada
como sigue:
Un watt (W) es la cantidad de potencia cuando se utiliza un joule en un segundo.
Por tanto, el número de joules utilizados en un segundo siempre es igual al número de
watts. Por ejemplo, si se utilizan 75 J en 1 s, la potencia es P = W/t = 75 J/1 s = 75 W.
Cantidades de energía mucho menores que un watt son comunes en ciertas áreas de la
electrónica. De igual forma que con valores pequeños de corriente y voltaje, se utilizan
prefijos métricos para designar pequeñas cantidades de potencia. Por tanto, en algunas
aplicaciones comúnmente se encuentran miliwatts (mW), microwatts (mW), e incluso
picowatts (pW).
En el campo de las compañías eléctricas, los kilowatts (kW) y megawatts (MW) son
unidades comunes. Las estaciones de radio y televisión también utilizan grandes
cantidades de potencia para transmitir señales. Los motores eléctricos se clasifican
comúnmente en caballos de fuerza (hp), donde 1 hp = 746 W.
57
Práctica: expresar los siguientes valores en el prefijo métrico adecuado
a) 0,045W
b) 0,000012W
c) 3.500W
d) 10.000.000W
La unidad de energía kilowatt-hora (kWh)
El joule ha sido definido como una unidad de energía. Sin embargo, existe otra forma de
expresar la energía. Dado que la potencia se expresa en watts y el tiempo en segundos,
se pueden utilizar unidades de energía llamadas watt-segundo (Ws), watt-hora (Wh), y
kilowatt-hora (kWh).
Cuando pagamos el recibo de electricidad, nos cobran con base en la cantidad de
energía que utiliza, no la potencia. Como las compañías de electricidad comercian con
enormes cantidades de energía, la unidad más práctica resulta ser el kilowatt-hora. Se
consume un kilowatt-hora de energía cuando se utilizan mil watts durante una hora. Por
ejemplo, un foco de 100 W que permanezca encendido durante 10 h consume 1 kWh de
energía.
W = Pt = (100 W)(10 h) = 1000 Wh = 1 kWh
Práctica: determinar el número de kilowatts-hora (kWh) para cada uno de los siguientes
consumos de energía:
a) 1400 W durante 1 h
b) 2500 W durante 2 h
c) 100,000 W durante 5 h
Potencia en un circuito eléctrico
En un circuito eléctrico la generación de calor, que ocurre cuando la energía eléctrica se
transforma en energía calorífica, con frecuencia es un subproducto indeseable generado
por el paso de la corriente a través de la resistencia presente en el circuito. En algunos
casos, sin embargo, la generación de calor es el propósito primordial de un circuito como,
por ejemplo, en un calentador resistivo eléctrico.
Cuando circula corriente a través de una resistencia, las colisiones de los electrones
producen calor a consecuencia de la conversión de la energía eléctrica, tal como se
indica en la figura siguiente:
58
En un circuito eléctrico, la cantidad de potencia disipada depende de la cantidad de
resistencia y de corriente, lo cual se expresa como sigue:
Una expresión equivalente para potencia se obtiene, en función de voltaje y corriente,
sustituyendo IR por V (I2 es I x I).
Sustituyendo I por V/R (ley de Ohm) se obtiene otra expresión equivalente.
La relación entre potencia y corriente, voltaje, y resistencia expresada en las fórmulas
precedentes se conoce como ley de Watt. En cada caso, I debe estar en amperes, V en
volts y R en ohms. Para calcular la potencia en una resistencia, se puede utilizar cualquiera
de las tres fórmulas de potencia, según la información que se tenga.
Práctica: calcule la potencia en cada uno de los tres circuitos de la figura siguiente:
59
Potencia nominal en resistencias
La potencia nominal es la cantidad máxima de potencia que un resistor puede disipar sin
que sufra daños por calentamiento excesivo. La potencia nominal no está relacionada
con el valor óhmico (resistencia), sino más bien está determinada principalmente por la
composición física, el tamaño y la forma del resistor. Si todas las características anteriores
son iguales, mientras más grande es el área superficial de un resistor más potencia puede
disipar. El área superficial de un resistor cilíndrico es igual a la longitud (l) por la
circunferencia (c), tal como indica la figura siguiente:
Resistores de película metálica están disponibles en capacidades de potencia estándar
desde 1⁄8W hasta 1 W:
Cuando se utiliza un resistor en un circuito, su potencia nominal debe ser mayor que la
potencia máxima que deberá manejar. Por ejemplo, si un resistor tiene que disipar 0.75 W
en una aplicación de circuito, su capacidad debe ser de por lo menos el siguiente valor
estándar más alto, en este caso 1 W. Se deberá utilizar una potencia nominal más grande
que la potencia existente siempre que sea posible, como un margen de seguridad.
60
Unidad N°3
Introducción a los semiconductores
Bandas de energía
Recordemos que la capa de valencia de un átomo representa una banda de niveles de
energía y que los electrones de valencia están confinados a dicha banda. Cuando un
electrón adquiere suficiente energía adicional puede abandonar la capa de valencia,
convertirse en un electrón libre y existir en lo que se conoce como banda de conducción.
La diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción se llama
banda prohibida. Ésta es la cantidad de energía que un electrón de valencia debe tener
para saltar de la banda de valencia a la de conducción. Una vez en la banda de
conducción, el electrón es libre de moverse por todo el material y no queda enlazado a
ningún átomo dado.
La figura siguiente muestra diagramas de energía de aislantes, semiconductores y
conductores: la parte (a) muestra que los aislantes tienen una banda prohibida muy
ancha. Los electrones de valencia no saltan a la banda de conducción excepto en
condiciones de ruptura en las que se aplican voltajes extremadamente altos a través del
material. La parte (b) ilustra cómo los semiconductores tienen una banda prohibida
mucho más angosta, la cual permite que algunos átomos de valencia salten a la banda
de conducción y se conviertan en electrones libres. En contraste, como la parte (c) lo
muestra, las bandas de energía en conductores se traslapan. En un material conductor
metálico siempre existe un mayor número de electrones de valencia que electrones libres.
61
El electrón de valencia del átomo de cobre “siente” una fuerza de atracción de +1, en
comparación con un electrón de valencia del átomo de silicio, que “siente” una fuerza
de atracción de +4. Por consiguiente, existe más fuerza que trata de retener un electrón
de valencia en el átomo de silicio que en el de cobre. El electrón de valencia del cobre
se encuentra en la cuarta capa, que está a mayor distancia de su núcleo que el electrón
de valencia del silicio, residente en la tercera capa. Recordemos que los electrones más
alejados del núcleo tienen más energía: el electrón de valencia del cobre tiene más
energía que el electrón de valencia del silicio. Esto significa que es más fácil que los
electrones de valencia del cobre adquieran suficiente energía adicional para escapar de
sus átomos y convertirse en electrones libres que los del silicio. En realidad, un gran número
de electrones de valencia en cobre ya tienen suficiente energía como para convertirse
en electrones libres a temperatura ambiente normal.
Silicio y germanio
La figura siguiente permite comparar las estructuras atómicas del silicio y el germanio. El
silicio es, por mucho, el material más utilizado en diodos, transistores, circuitos integrados y
otros dispositivos semiconductores. Observe que tanto el silicio como el germanio tienen
los cuatro electrones de valencia característicos.
62
Los electrones de valencia del germanio residen en la cuarta capa, mientras que los del
silicio están en la tercera, más cerca al núcleo. Esto significa que los electrones de
valencia del germanio se encuentran a niveles de energía más altos que aquellos en el
silicio y, por consiguiente, requieren una cantidad de energía adicional más pequeña
para escaparse del átomo. Esta propiedad hace que el germanio sea más inestable a
altas temperaturas, lo que produce una excesiva corriente en inversa. Por eso el silicio es
un material semiconductor más utilizado.
Enlaces covalentes
La figura siguiente muestra cómo cada átomo de silicio se sitúa con cuatro átomos de
silicio adyacentes para formar un cristal de silicio.
Un átomo de silicio (Si), con sus cuatro electrones de valencia, comparte un electrón con
cada uno de sus cuatro vecinos. Esto crea efectivamente ocho electrones de valencia
compartidos por cada átomo y produce un estado de estabilidad química. Además,
compartir electrones de valencia produce enlaces covalentes que mantienen a los
átomos juntos; cada electrón de valencia es atraído igualmente por los dos átomos
adyacentes que lo comparten.
La figura siguiente muestra el enlace covalente de un cristal de silicio intrínseco. Un cristal
intrínseco es uno que no tiene impurezas. El enlace covalente en el germanio es similar
porque también tiene cuatro electrones de valencia.
63
Electrones de conducción y huecos
Un cristal de silicio intrínseco (puro) a temperatura ambiente tiene energía calorífica
(térmica) suficiente para que algunos electrones de valencia salten la banda prohibida
desde la banda de valencia hasta la banda de conducción, convirtiéndose así en
electrones libres, que también se conocen como electrones de conducción. Esto se ilustra
en el diagrama de energía de la figura siguiente parte (a) y el diagrama de enlaces en la
parte (b).
Cuando un electrón salta a la banda de conducción, deja un espacio vacío en la banda
de valencia dentro del cristal. Este espacio vacío se llama hueco. Por cada electrón
elevado a la banda de conducción por medio de energía externa queda un hueco en la
banda de valencia y se crea lo que se conoce como par electrón-hueco; ocurre una
recombinación cuando un electrón de banda de conducción pierde energía y regresa a
un hueco en la banda de valencia. Resumiendo, un trozo de silicio intrínseco a
temperatura ambiente tiene, en cualquier instante, varios electrones de banda de
conducción (libres) que no están enlazados a ningún átomo y en esencia andan a la
deriva por todo el material. También existe un número igual de huecos en la banda de
valencia que se crean cuando estos electrones saltan a la banda de conducción.
64
Corriente de electrón y hueco
Cuando se aplica voltaje a través de un trozo de silicio intrínseco, como muestra la figura
siguiente, los electrones libres generados térmicamente presentes en la banda de
conducción (que se mueven libremente y al azar en la estructura cristalina) son entonces
fácilmente atraídos hacia el extremo positivo. Este movimiento de electrones es un tipo de
corriente en un material semiconductor y se llama corriente de electrón.
Otro tipo de corriente ocurre en la banda de valencia, donde existen los huecos creados
por los electrones libres. Los electrones que permanecen en la banda de valencia siguen
estando unidos a sus átomos y no pueden moverse al azar en la estructura cristalina como
lo hacen los electrones libres. No obstante, un electrón de valencia puede moverse a un
hueco cercano con poco cambio en su nivel de energía y por lo tanto deja otro hueco
en el lugar de donde vino: el hueco se habrá movido entonces de un lugar a otro en la
estructura cristalina, como se puede ver en la figura siguiente.
Semiconductores tipo N y tipo P
Los materiales semiconductores en su estado intrínseco no conducen bien la corriente y su
valor es limitado. Esto se debe al número limitado de electrones libres presentes en la
banda de conducción y huecos presentes en la banda de valencia. El silicio intrínseco (o
germanio) se debe modificar incrementando el número de electrones libres o huecos
para aumentar su conductividad y hacerlo útil en dispositivos electrónicos. Esto se hace
65
añadiendo impurezas al material intrínseco. Dos tipos de materiales semiconductores
extrínsecos (impuros), el tipo n y el tipo p, son los bloques de construcción fundamentales
en la mayoría de los tipos de dispositivos electrónicos.
Dopado
La conductividad del silicio y el germanio se incrementa drásticamente mediante la
adición controlada de impurezas al material semiconductor intrínseco (puro). Este
proceso, llamado dopado, incrementa el número de portadores de corriente (electrones
o huecos). Los dos portadores de impurezas son el tipo n y el tipo p.
Semiconductor tipo N
Para incrementar el número de electrones de banda de conducción en silicio intrínseco se
agregan átomos de impureza pentavalente. Estos son átomos son cinco electrones de
valencia tales como arsénico (As), fósforo (P), bismuto (Bi) y antimonio (Sb).
Como ilustra la figura anterior, cada átomo pentavalente (antimonio, en este caso) forma
enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio adyacentes. Se utilizan cuatro de los
electrones de valencia del átomo de antimonio para formar enlaces covalentes con
átomos de silicio y queda un electrón extra. Este electrón extra llega a ser un electrón de
conducción porque no interviene en el enlace. Como el átomo pentavalente cede un
electrón, se conoce como átomo donador. El número de electrones de conducción
puede ser controlado con cuidado mediante el número de átomos de impureza
agregados al silicio. Un electrón de conducción creado mediante este proceso de
dopado no deja un hueco en la banda de valencia porque excede el número requerido
para llenarla.
66
Portadores mayoritarios y minoritarios
Como la mayoría de los portadores de corriente son electrones, el silicio (o el germanio)
dopado con átomos pentavalentes es un semiconductor tipo n (n expresa la carga
negativa de un electrón). Los electrones se conocen como portadores mayoritarios en
material tipo n. Aunque la mayoría de los portadores de corriente en un material tipo n son
electrones, también existen algunos huecos que se crean cuando térmicamente se
generan pares electrón-hueco (estos huecos no se producen por la adición de átomos de
impureza pentavalentes). Los huecos en un material tipo n reciben el nombre de
portadores minoritarios.
Semiconductor tipo P
Para incrementar el número de huecos en silicio intrínseco, se agregan átomos de
impureza trivalentes: átomos con tres electrones de valencia tales como boro (B), indio (In)
y galio (Ga).
Como muestra la figura anterior, cada átomo trivalente (boro, en este caso) forma
enlaces covalentes con cuatro átomos de silicio adyacentes. Se utilizan los tres electrones
de valencia del átomo de boro en los enlaces covalentes y, como son necesarios cuatro
electrones, resulta un hueco cuando se agrega cada átomo trivalente. Como el átomo
trivalente puede tomar un electrón, a menudo se hace referencia a él como átomo
aceptor. El número de huecos se controla cuidadosamente con el número de átomos de
impureza trivalente agregados al silicio. Un hueco creado mediante este proceso de
dopado no está acompañado por un electrón de conducción (libre).
67
Portadores mayoritarios y minoritarios
Como la mayoría de los portadores de corriente son huecos, el silicio (o germanio)
dopado con átomos trivalentes se llama semiconductor tipo p. Los huecos son los
portadores mayoritarios en un material tipo p. Aunque la mayoría de los portadores de
corriente en un material tipo p son huecos, también existen algunos electrones de banda
de conducción que se crean cuando térmicamente se generan pares electrón-hueco.
Estos electrones de banda de conducción no se producen por la adición de átomos de
impureza trivalentes. Los electrones de banda de conducción en un material tipo p son los
portadores minoritarios.
El diodo
Si se toma un bloque de silicio y se dopa una parte de él con una impureza trivalente y la
otra con una impureza pentavalente, se forma un límite llamado unión pn entre las partes
tipo p y tipo n resultantes y se crea un diodo básico. Un diodo es un dispositivo que
conduce corriente en sólo una dirección. La unión pn es la característica que permite
funcionar a diodos, ciertos transistores y otros dispositivos.
Un material tipo p consta de átomos de silicio y átomos de impureza trivalentes tales
como el boro. El átomo de boro agrega un hueco cuando se enlaza con los átomos de
silicio. Sin embargo, como el número de protones y el número de electrones son iguales en
todo el material, no existe carga neta en el material y por lo tanto es neutro.
Un material de silicio tipo n se compone de átomos de silicio y átomos de impureza
pentavalentes tales como el antimonio. Como ya se vio, un átomo de impureza libera un
electrón cuando se enlaza a cuatro átomos de silicio. Como sigue habiendo un número
igual de protones y electrones (incluidos los electrones libres) por todo el material, no
existe carga neta en el material y por lo tanto es neutro.
Si un trozo de silicio intrínseco es dopado de tal forma que una parte es tipo n y la otra tipo
p, se forma una unión pn en el límite entre las dos regiones y se crea un diodo.
68
Formación de la región de empobrecimiento
Los electrones libres en la región n se mueven aleatoriamente en todas direcciones. En el
instante en que se forma la unión pn, los electrones libres que se encuentran cerca de la
unión en la región n comienzan a difundirse a través de la unión hacia la región p, donde
se combinan con los huecos que se encuentran cerca de la unión, como se muestra en la
figura siguiente.
El término empobrecimiento se refiere al hecho de que la región cercana a la unión pn se
queda sin portadores de carga (electrones y huecos) debido a la difusión a través de la
unión. Tengamos en cuenta que la región de empobrecimiento se forma muy rápido y
que es muy delgada en comparación con la región n y la región p.
Después del aumento súbito inicial de electrones libres a través de la unión pn, la región
de empobrecimiento se expande hasta un punto donde se establece el equilibrio y no
hay más difusión de electrones a través de la unión. Esto ocurre de la siguiente manera:
conforme los electrones continúan difundiéndose a través de la unión, más y más cargas
positivas y negativas se crean cerca de la unión a medida que se forma la región de
empobrecimiento. Se llega a un punto donde la carga negativa total en la región de
empobrecimiento repele cualquier difusión adicional de electrones (partículas cargadas
negativamente) hacia la región p (las cargas iguales se repelen) y la difusión se detiene.
En otras palabras, la región de empobrecimiento actúa como barrera ante el movimiento
continuado de electrones a través de la unión.
Potencial de barrera
En cualquier momento que exista una carga positiva y una carga negativa, una cerca de
la otra, existe una fuerza que actúa en la carga como lo describe la ley de Coulomb.
69
En la región de empobrecimiento existen muchas cargas positivas y muchas cargas
negativas en los lados opuestos de la unión pn. Las fuerzas entre las cargas opuestas
forman un campo eléctrico, como se indica en la anterior mediante flechas entre las
cargas positivas y las cargas negativas.
Este campo eléctrico es una barrera para los electrones libres en la región n y se debe
consumir energía para mover un electrón a través del campo eléctrico; es decir, se debe
aplicar energía externa para hacer que los electrones se muevan a través de la barrera
del campo eléctrico en la región de empobrecimiento.
La diferencia de potencial del campo eléctrico a través de la región de empobrecimiento
es la cantidad de voltaje requerido para mover electrones a través del campo eléctrico.
Esta diferencia de potencial se llama potencial de barrera y se expresa en volts. Expresado
de otra manera, se debe aplicar una cierta cantidad de voltaje igual al potencial de
barrera y con la polaridad apropiada a través de una unión pn para que los electrones
comiencen a fluir a través de la unión.
El potencial de barrera de una unión pn depende de varios factores, incluido el tipo de
material semiconductor, la cantidad de dopado y la temperatura. El potencial de barrera
típico es aproximadamente de 0.7 V para el silicio y de 0.3 V para el germanio a 25°C.
Polarización de un diodo
Polarización en directa
Para polarizar un diodo se aplica un voltaje de cc a través de él. Polarización en directa es
la condición que permite la circulación de corriente a través de la unión pn. La figura
siguiente muestra una fuente de voltaje de cc conectada por un material conductor
(contactos y alambres) a través de un diodo en la dirección que produce polarización en
directa. Este voltaje de polarización externo se expresa como VPOLARIZACIÓN. El resistor
limita la corriente en condición de polarización en directa a un valor que no dañe al
diodo. Observemos que el lado negativo de VPOLARIZACIÓN está conectado a la región
n del diodo y el lado positivo está conectado a la región p: éste es un requisito para que
se dé la polarización en directa. Un segundo requerimiento es que el voltaje de
polarización, VPOLARIZACIÓN, debe ser más grande que el potencial de barrera.
70
Como las cargas iguales se repelen, el lado negativo de la fuente de voltaje de
polarización “empuja” a los electrones libres, los cuales son los portadores mayoritarios en
la región n, hacia la unión pn. Este flujo de electrones libre se llama corriente de
electrones. El lado negativo de la fuente también genera un flujo continuo de electrones
a través de la conexión externa (conductor) y hacia la región n como muestra la figura
siguiente.
La fuente de voltaje de polarización proporciona suficiente energía a los electrones libres
para que venzan el potencial de barrera de la región de empobrecimiento y continúen
moviéndose hacia la región p. Una vez que llegan a la región p, estos electrones de
conducción han perdido suficiente energía para combinarse de inmediato con los
huecos presentes en la banda de valencia. Entonces, los electrones quedan en la banda
de valencia de la región p simplemente porque perdieron demasiada energía al vencer
el potencial de barrera y permanecer en la banda de conducción.
Como las cargas diferentes se atraen, el lado positivo de la fuente de voltaje de
polarización atrae los electrones de valencia hacia el extremo izquierdo de la región p.
Los huecos en la región p proporcionan el medio o “ruta” para que estos electrones de
valencia se desplacen hacia la región p. Los electrones de valencia se desplazan de un
hueco al siguiente hacia la izquierda. Los huecos, que son portadores mayoritarios en la
región p, efectivamente (no en realidad) se desplazan a la derecha hacia la unión, como
ilustra la figura anterior. Este flujo efectivo de huecos es la corriente de huecos. También se
ve que el flujo de electrones de valencia a través de la región p crea la corriente de
huecos y los huecos son el único medio para que estos electrones fluyan.
A medida que los electrones salen de la región p a través de la conexión externa
(conductor) en dirección al lado positivo de la fuente de voltaje de polarización, dejan
huecos en la región p; al mismo tiempo, estos electrones se convierten en electrones de
conducción en el conductor metálico. Recordemos que la banda de conducción de un
conductor se traslapa con la banda de valencia de modo que se requiere mucho menos
energía para que un electrón sea un electrón libre en un conductor que en un
semiconductor, y que los conductores metálicos no tienen huecos en su estructura.
Existe disponibilidad continua de huecos que efectivamente se mueven hacia la unión pn
para combinarse con la corriente continua de electrones cuando atraviesan la unión pn
hacia la unión p.
71
Efecto de la polarización en directa en la región de empobrecimiento
A medida que fluyen más electrones hacia la región de empobrecimiento, el número de
iones se reduce. Conforme más huecos fluyen hacia la región de empobrecimiento del
otro lado de la unión pn, el número de iones negativos se reduce. Esta reducción de iones
positivos y negativos durante la polarización en directa hace que la región de
empobrecimiento se estrecha, como muestra la figura siguiente.
Cuando se aplica polarización en directa, los electrones libres reciben suficiente energía
de la fuente de voltaje de polarización para vencer el potencial de barrera y “escalar la
colina de energía”, atravesando así la región de empobrecimiento. La energía que
requieren los electrones para pasar a través de la región de empobrecimiento es igual al
potencial de barrera. En otras palabras, los electrones ceden una cantidad de energía
equivalente al potencial de barrera cuando atraviesan la región de empobrecimiento.
Esta pérdida de energía produce una caída de voltaje a través de la unión pn igual al
potencial de barrera (0.7 V) (parte b). Ocurre una caída de voltaje adicional a través de
las regiones p y n debido a la resistencia interna del material. En el caso de un material
semiconductor dopado, esta resistencia, llamada resistencia dinámica, es muy pequeña y
casi siempre se puede despreciar.
Polarización en inversa
La polarización en inversa es la condición que en esencia evita la circulación de corriente
a través del diodo. La figura siguiente muestra una fuente de voltaje de cc conectada a
través de un diodo en la dirección que produce polarización en inversa. Este voltaje de
polarización externo se designa como VPOLARIZACIÓN, como en el caso de polarización
en directa. Observemos que el lado positivo de VPOLARIZACIÓN está conectado a la
región n del diodo y el lado negativo está conectado a la región p. Observemos también
que la región de empobrecimiento se muestra mucho más ancha que la condición de
polarización en directa o equilibrio.
72
La figura siguiente ilustra lo que sucede cuando un diodo se polariza en inversa.
Como las cargas diferentes se atraen, el lado positivo de la fuente de voltaje de
polarización “tira” de los electrones libres, los cuales son los portadores mayoritarios en la
región n, lejos de la unión pn. A medida que los electrones fluyen hacia el lado positivo de
la fuente de voltaje, se crean iones positivos adicionales. Esto produce el ensanchamiento
de la región de empobrecimiento y el consecuente empobrecimiento de los portadores
mayoritarios.
En la región p, los electrones procedentes del lado negativo de la fuente de voltaje entran
como electrones de valencia y se desplazan de hueco en hueco hacia la región de
empobrecimiento, donde crean iones negativos adicionales. Esto ensancha la región de
empobrecimiento y agota los portadores mayoritarios. El flujo de electrones de valencia
puede ser considerado como huecos que están siendo “atraídos” hacia el lado positivo.
El flujo inicial de portadores de carga es transitorio y subsiste sólo durante un lapso muy
poco después de que se aplica el voltaje de polarización en inversa. Conforme la región
de empobrecimiento se ensancha, la disponibilidad de portadores mayoritarios se reduce.
A medida que más regiones n y p se quedan sin portadores mayoritarios, la intensidad del
campo eléctrico entre los iones positivos y negativos se incrementa hasta que el potencial
a través de la región de empobrecimiento es igual al voltaje de polarización,
VPOLARIZACIÓN. En ese momento, la corriente de transición en esencia cesa, excepto
por una muy pequeña corriente en inversa que casi siempre se puede despreciar.
73
Corriente en inversa
La corriente extremadamente pequeña que existe en la condición de polarización en
inversa después de que la corriente de transición se disipa es provocada por los
portadores minoritarios en las regiones n y p producidos por pares de electrón-hueco
generados térmicamente. El pequeño número de electrones minoritarios libres en la región
p son “empujados” hacia la unión pn por el voltaje de polarización negativo. Cuando
estos electrones llegan a la región de empobrecimiento ancha, “descienden la colina de
energía”, se combinan con huecos minoritarios presentes en la región n como electrones
de valencia, fluyen hacia el voltaje de polarización positivo y se crea una pequeña
corriente de huecos.
Ruptura en inversa
Normalmente, la corriente en inversa es tan pequeña que se puede despreciar. No
obstante, si el voltaje de polarización en inversa externo se incrementa a un valor llamado
voltaje de ruptura, la corriente en inversa se incrementará drásticamente.
Esto es lo que sucede. El alto voltaje de polarización en inversa proporciona energía a los
electrones minoritarios, así que a medida que adquieren velocidad a través de la región p
chocan con átomos con suficiente energía para sacar a los electrones de valencia de su
órbita para enviarlos hacia la banda de conducción. Los electrones de conducción
recién creados también contienen mucha energía y repiten el proceso. Si un electrón
expulsa a sólo otros dos electrones de su órbita de valencia durante su recorrido a través
de la región p, los números se multiplican con rapidez.
A medida que estos electrones de alta energía pasan a través de la región de
empobrecimiento, su energía es suficiente para atravesar la región n como electrones de
conducción en lugar de combinarse con huecos.
La multiplicación de los electrones de conducción recién descrita se conoce como efecto
avalancha y la corriente en inversa puede incrementarse dramáticamente si no se toman
las medidas pertinentes para limitar la corriente. Cuando no se limita la corriente en
inversa, el calentamiento resultante daña permanentemente el diodo. La mayoría de los
diodos no son operados en condición de ruptura en inversa, pero si se limita la corriente
(por ejemplo mediante la adición de un resistor limitador en serie), el diodo no sufre daños
permanentes.
74
La curva de característica V-I
Si combinara las curvas tanto de polarización en directa como de polarización en inversa,
obtendría la curva de característica V-I de un diodo, como la que muestra la figura
siguiente.
Encapsulados típicos de diodos
La figura siguiente parte(a) ilustra varias configuraciones físicas comunes de diodos
montados a través de un orificio en placas de circuitos impresos. El ánodo (A) y cátodo (K)
se indican en un diodo de distintas maneras, según el tipo de encapsulado. El cátodo
normalmente se marca con una banda, una pestaña o algún otro elemento. En aquellos
encapsulados donde un conductor está conectado a la capsula (case), ésta es el
cátodo.
La figura anterior parte (b) muestra los encapsulados típicos de diodos para montaje
superficial en tarjetas de circuito impreso.
75
Prueba de un diodo
Cuando el diodo está funcionando
En la figura siguiente, el conector positivo del medidor (representado en la ilustración con
un tono claro de gris) está conectado al ánodo y el negativo (en un tono más oscuro)
está conectado al cátodo para polarizar en directa el diodo. Si el diodo está bien, se
tendrá una lectura de entre aproximadamente 0.5 V y 0.9 V, con 0.7 V como valor típico
para polarización en directa.
Si la posición del diodo se invierte para polarización en inversa y el diodo está
funcionando apropiadamente, en general se obtendrá una lectura de “OL” o un “1” a la
izquierda del display. Algunos multímetros pueden mostrar el voltaje interno en la
condición de polarización en inversa.
Cuando el diodo está defectuoso
Cuando un diodo se abre, se obtiene una indicación de fuera de escala “OL” tanto en la
condición de polarización en directa como en la condición de polarización en inversa,
como se ilustra en la figura de la izquierda. Si un diodo se encuentra en cortocircuito, el
medidor lee 0 V tanto en la prueba de polarización en directa como en la prueba de
polarización en inversa, como se indica en la figura de la derecha.
76
Práctica: medir los diodos dados y comprobar su funcionamiento.
Aplicaciones del diodo
Conceptos básicos de la corriente alterna
Para ver las aplicaciones más utilizadas de los diodos, primero deberemos ver los valores
básicos de una tensión alterna.
La forma de onda senoidal
La forma de onda sinusoidal u onda seno es el tipo fundamental de corriente alterna (ca)
y voltaje alterno. También se conoce como onda sinusoidal o, simplemente, sinusoide. El
servicio eléctrico provisto por la compañía de electricidad es en la forma de voltaje y
corriente sinusoidales.
Dos tipos de fuentes producen voltajes sinusoidales: las máquinas eléctricas rotatorias
(generadores de ca) y los circuitos osciladores electrónicos, los cuales se utilizan en
instrumentos comúnmente conocidos como generadores de señales electrónicas. La
figura siguiente muestra el símbolo utilizado para representar cualquier fuente de voltaje
sinusoidal.
77
La figura siguiente es una gráfica que muestra la forma general de una onda seno, la cual
puede ser o una corriente alterna o un voltaje alterno. El voltaje (o la corriente) se muestra
en el eje vertical y el tiempo (t) en el eje horizontal. Observemos cómo varía el voltaje (o la
corriente) con el tiempo. Comenzando en cero, el voltaje (o la corriente) se incrementa
hasta un máximo positivo (pico), regresa a cero, y luego se incrementa hasta un máximo
negativo (pico) antes de regresar otra vez a cero, y así completa un ciclo.
Polaridad de una onda seno
Como ya se mencionó, una onda seno cambia de polaridad en su valor cero; esto es,
alterna entre valores positivos y negativos. Cuando se aplica una fuente de voltaje
sinusoidal (VS) a un circuito resistivo, como en la figura siguiente, se produce una corriente
sinusoidal. Cuando el voltaje cambia de polaridad la corriente, en correspondencia,
cambia de dirección como se indica.
Periodo de una onda seno
Una onda seno varía con el tiempo (t) de una manera que es definible.
El tiempo requerido para que una onda seno complete todo un ciclo se llama periodo (T)
La figura siguiente parte (a) ilustra el periodo de una onda seno. De modo característico,
una onda seno continúa repitiéndose a sí misma en ciclos idénticos, según muestra la
78
figura parte (b). Como todos los ciclos de una onda seno repetitiva son iguales, el periodo
siempre es un valor fijo para una onda seno dada. El periodo de una onda seno se puede
medir desde su cruce por cero hasta el siguiente cruce por cero correspondiente, como
indica la figura parte (a). En un ciclo dado, el periodo también puede medirse desde
cualquier pico hasta el correspondiente pico alcanzado en el siguiente ciclo.
Medición del período
Como vimos anteriormente, se puede medir el período de la señal de varias formas:
Frecuencia de una onda seno
La frecuencia (f) es el número de ciclos que una onda seno completa en un segundo.
Mientras más ciclos se completan en un segundo, más alta es la frecuencia. La frecuencia
(f) se mide en unidades de hertz. Un hertz (Hz) equivale a un ciclo por segundo; 50 Hz son
50 ciclos por segundo, por ejemplo. La figura siguiente muestra dos ondas seno. En la
parte (a), la onda seno completa dos ciclos en un segundo. En la parte (b), completa
cuatro ciclos en un segundo. Por consiguiente, la onda seno de la parte (b) tiene dos
veces la frecuencia de la onda mostrada en la parte (a).
79
Relación de frecuencia y periodo
Las fórmulas para calcular la relación entre frecuencia (f) y periodo (T) son las siguientes:
Esta relación inversa tiene sentido porque una onda seno con un periodo más largo realiza
menos ciclos en un segundo que una con un periodo más corto.
Valores sinusoidales de voltaje y corriente
Cinco formas de expresar el valor de una onda seno en función de su magnitud de voltaje
o de su magnitud de corriente son los valores instantáneos pico, pico a pico, rms, y
promedio. En este apunte los veremos todos a excepción del instantáneo.
Valor pico
El valor pico de una onda seno es el valor de voltaje (o corriente) en el punto máximo
(pico) positivo o negativo con respecto a cero. Como los valores pico positivos y
negativos son iguales en magnitud, una onda seno se caracteriza por un solo valor pico.
Esto se ilustra en la figura siguiente. Para una onda seno dada, el valor pico es constante y
está representado por Vp o Ip.
Valor pico a pico
El valor pico a pico de una onda seno, como se muestra en la figura siguiente, es el voltaje
o la corriente desde el pico positivo hasta el pico negativo. Siempre es dos veces el valor
pico, tal como se expresa en las siguientes ecuaciones. Los valores de voltaje o de
corriente pico a pico están representados por Vpp o Ipp.
80
Valor RMS (eficaz)
El término rms proviene de las siglas de root mean square, y significa raíz cuadrada de la
media de los cuadrados. La mayoría de los voltímetros muestran voltaje rms. Los 220 volts
de una toma de corriente doméstica es un valor rms. El valor rms, conocido también
como valor eficaz, de un voltaje sinusoidal es en realidad una medida del efecto de
calentamiento de la onda seno.
Por ejemplo, cuando se conecta un resistor entre las terminales de una fuente de voltaje
(sinusoidal) de ca, como indica la figura siguiente parte (a), se genera cierta cantidad de
calor por la potencia en el resistor.
La figura parte (b) muestra el mismo resistor conectado entre las terminales de una fuente
de voltaje de cd. El valor del voltaje de cd puede ajustarse de modo que el resistor disipe
la misma cantidad de calor como cuando se conecta a la fuente de ca.
El valor rms de un voltaje sinusoidal es igual al voltaje de cd que produce la misma
cantidad de calor en una resistencia que un voltaje sinusoidal.
El valor pico de una onda seno puede convertirse en el valor rms correspondiente con las
siguientes relaciones:
81
Valor promedio
El valor promedio de una onda tomado durante un ciclo completo siempre es cero
porque los valores positivos (sobre el cruce por cero) neutralizan los valores negativos
(debajo del cruce por cero).
El osciloscopio
El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización que traza, en su pantalla,
una gráfica de una señal eléctrica medida. En la mayoría de las aplicaciones, la gráfica
muestra cómo cambian las señales con el tiempo. El eje vertical de la pantalla de
visualización representa voltaje, y el eje horizontal representa tiempo. Se puede medir la
amplitud, el periodo y la frecuencia de una señal por medio de un osciloscopio. Además,
se puede determinar el ancho de pulso, el ciclo de trabajo, el tiempo de subida y el
tiempo de caída de una forma de onda pulsante. La mayoría de los osciloscopios son
capaces de mostrar en pantalla por lo menos dos señales a la vez, lo cual permite
observar su relación de tiempo. En la figura siguiente se muestran osciloscopios típicos.
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Se pueden utilizar dos tipos básicos de osciloscopio, analógico y digital, para visualizar
formas de onda digitales.
El osciloscopio digital se utiliza mucho más que el analógico. Sin embargo, uno u otro tipo
puede ser utilizado en muchas aplicaciones; cada cual tiene características que lo hacen
más adecuado en cierta situación. Un osciloscopio analógico muestra las formas de onda
conforme ocurren en “tiempo real”. Los osciloscopios digitales son útiles para medir pulsos
transitorios que pueden ocurrir aleatoriamente o sólo una vez. Además, como en un
osciloscopio digital la información sobre la forma de onda medida puede ser
almacenada, es posible verla más tarde, imprimirla, o analizarla a fondo mediante una
computadora u otros medios.
Operación básica de los osciloscopios analógicos
Para medir un voltaje, se debe conectar una punta de prueba del osciloscopio al punto
donde el voltaje está presente en un circuito. En general, se utiliza una punta de prueba
X10 que reduce (atenúa) la amplitud de la señal en diez.
83
La señal pasa a través de la punta de prueba hacia los circuitos verticales donde es
atenuada aún más, o amplificada según la amplitud real y dónde se ponga el control
vertical del osciloscopio. Los circuitos verticales excitan entonces las placas deflectoras
verticales del CRT. Asimismo, la señal se dirige hacia los circuitos de disparo que activan los
circuitos horizontales para iniciar barridos horizontales repetitivos del haz de electrones de
un lado al otro de la pantalla por medio de ondas diente de sierra. Ocurren muchos
barridos por segundo, de modo que el haz parece formar una línea sólida de un lado al
otro de la pantalla mediante la configuración de la forma de onda.
Operación básica de los osciloscopios digitales
Algunas partes de un osciloscopio digital son similares a las del osciloscopio analógico. No
obstante, el osciloscopio digital es más complejo que el analógico y, por lo general, tiene
una pantalla de cristal líquido (LCD, por sus siglas en inglés) en lugar de un CRT (tubo de
rayos catódicos).
Antes que mostrar una forma de onda en el momento que ocurre, el osciloscopio digital
adquiere primero la forma de onda analógica medida y la convierte en forma digital por
medio de un convertidor analógico a digital (ADC). Los datos digitales se guardan y
procesan; luego se dirigen a los circuitos de reconstrucción y visualización para
examinarlos en pantalla en su forma analógica original.
84
Controles del osciloscopio
Controles verticales
En la sección vertical del osciloscopio de la figura anterior, hay controles idénticos para
cada uno de los dos canales (CH1 y CH2). El control Position permite mover verticalmente
una forma de onda hacia arriba o hacia abajo en la pantalla. El botón Menu permite
seleccionar varios elementos que aparecen en la pantalla, tales como los modos de
acoplamiento (de ca, de cd o tierra) y el ajuste fino o grueso del control Volts/Div.
El control Volts/Div ajusta el número de volts representados por cada división vertical en la
pantalla. El ajuste de Volts/Div para cada canal aparece en la parte inferior de la
pantalla. El botón Math Menu permite seleccionar las operaciones que pueden ser
realizadas en las formas de onda de entrada, tales como la sustracción y adición de
señales.
Controles horizontales
En la sección horizontal, los controles manejan ambos canales. El control Position permite
mover horizontalmente una forma de onda hacia la izquierda o la derecha en la pantalla.
El botón Menu permite seleccionar varios elementos que aparecen en pantalla, tales
como la base de tiempo principal, la vista ampliada de una parte de una forma de onda,
y otros parámetros. El control Sec/Div ajusta el tiempo, el cual está representado por cada
una de las divisiones horizontales o la base de tiempo principal. El ajuste Sec/Div aparece
en la parte inferior de la pantalla.
85
Controles de disparo
En la sección Trigger, el control Level determina el punto sobre la forma de onda de
disparo donde ocurre el disparo para iniciar el barrido y mostrar en pantalla las formas de
onda de entrada. El botón Menu permite seleccionar varios elementos que aparecen en
la pantalla, incluidos el borde o la pendiente de disparo, la fuente de disparo, el modo de
disparo, y otros parámetros, como se muestra en la figura siguiente. También existe una
entrada para una señal de disparo externa.
La acción de disparo estabiliza una forma de onda en la pantalla y dispara
apropiadamente un pulso que ocurre sólo una vez o al azar. También, permite observar
demoras entre dos formas de onda. La figura siguiente compara una señal disparada con
una no disparada. La señal no disparada tiende a moverse a la deriva, de un lado a otro
de la pantalla, y produce lo que parecen ser múltiples formas de onda.
86
Acoplamiento de una señal al osciloscopio
El método utilizado para conectar al osciloscopio una señal de voltaje a ser medido es el
de acoplamiento. En el menú Vertical se seleccionan los modos de acoplamiento de CD
y de CA. El acoplamiento CD permite que una forma de onda aparezca en pantalla
incluida su componente de cd. El acoplamiento de CA bloquea el componente de cd de
una señal, de modo que se ve la forma de onda centrada en 0 V. El modo Ground
permite conectar la entrada de canal a tierra para ver dónde está localizada la
referencia de 0 V en la pantalla. La figura siguiente ilustra el resultado del acoplamiento
de CD y de CA utilizando una forma de onda sinusoidal que tiene un componente de cd.
La punta de prueba
La punta de prueba de voltaje, mostrada en la figura siguiente, se utiliza para conectar
una señal al osciloscopio.
Como todos los instrumentos tienden a afectar el circuito que se va a medir debido al
efecto de carga, la mayoría de las puntas de prueba del osciloscopio disponen de una
alta resistencia en serie para reducir al mínimo los efectos de carga. Las puntas de prueba
con una resistencia en serie diez veces más grande que la resistencia de entrada del
osciloscopio se llaman puntas de prueba X10 (por diez). Las puntas de prueba sin
resistencia en serie se llaman sensores X1 (por uno). El osciloscopio ajusta su calibración
para atenuar el tipo de punta de prueba que se está utilizando. En la mayor parte de las
mediciones, se deberá utilizar una punta de prueba X10. Sin embargo, cuando se van a
medir señales muy pequeñas, un X1 puede ser la mejor opción.
87
La punta de prueba tiene un ajuste que permite compensar la capacitancia de entrada
del osciloscopio. Casi todos los osciloscopios disponen de una salida de compensación
que proporciona una onda cuadrada calibrada para hacer la compensación. Antes de
realizar una medición, debe asegurarse de que la punta de prueba esté compensada
apropiadamente para eliminar cualquier distorsión introducida. Por lo general existe un
tornillo u otro elemento para ajustar la compensación. La figura siguiente muestra formas
de onda en un osciloscopio para tres condiciones de la punta de prueba: compensada
apropiadamente, subcompensada y sobrecompensada.
Si la forma de onda aparece sobre o subcompensada, ajuste la punta de prueba hasta
que aparezca una onda cuadrada compensada en forma correcta.
Práctica:
Determinar Vp, Vpp, Vrms, T y f de las siguientes señales:
Ejemplo a):
Vp = Volts/Div x cant. div. (desde el cero) Vp = 1,5V
Vp = 0,5V x 3div.
88
Vpp = 2 x Vp T = Sec/Div x cant. div. f = 1/T
Vpp = 3V T = 2ms x 10 div. f = 1/20ms
Vrms = 0,707 x Vp T = 20ms f = 50Hz
Vrms = 2,12V
Rectificadores de media onda
La figura siguiente ilustra el proceso llamado rectificación de media onda. Se conecta un
diodo a una fuente de ca y a un resistor de carga, RL, para formar un rectificador de
media onda. Tenga en cuenta que todos los símbolos de tierra representan el mismo
punto en términos de electricidad.
Examinemos lo que sucede durante un ciclo del voltaje de entrada por medio del modelo
ideal del diodo. Cuando el voltaje senoidal de entrada (Vent) se hace positivo, el diodo
está polarizado en directa y conduce corriente a través del resistor de carga, como se
muestra en la parte (a). La corriente produce un voltaje de salida a través de la carga RL,
cuya forma es igual a la forma del semiciclo positivo del voltaje de entrada.
89
Cuando el voltaje de entrada se vuelve negativo durante el segundo semiciclo, el diodo
se polariza en inversa. No hay corriente, por lo que el voltaje a través del resistor de carga
es de 0 V, como lo muestra la figura siguiente.
El resultado neto es que sólo los semiciclos positivos del voltaje de entrada de ca
aparecen a través de la carga. Como la salida no cambia de polaridad, es un voltaje de
cd pulsante.
Valor promedio del voltaje de salida de media onda
El valor promedio del voltaje de salida rectificado de media onda es el valor que se
mediría con un voltímetro de cd. Matemáticamente, se determina calculando el área
bajo la curva correspondiente a un ciclo completo, como ilustra la figura siguiente, y
luego dividiendo entre 2Π, el número de radianes de un ciclo completo. El resultado se
expresa en la ecuación siguiente, donde Vp es el valor pico del voltaje. Esta ecuación
muestra que VPROM es aproximadamente 31.8% de Vp con un voltaje rectificado de
media onda.
Efecto del potencial de barrera en la salida de un rectificador de media onda
En análisis previo, el diodo se consideró ideal. Cuando se utiliza el modelo práctico del
diodo con el potencial de barrera de 0.7 V tomado en cuenta, sucede lo descrito a
90
continuación: Durante el semiciclo positivo, el voltaje de entrada debe superar el
potencial de barrera para que el diodo se polarice en directa. Esto produce una salida de
media onda con un valor pico 0,7 V menor que el valor pico de la entrada, como lo
muestra la figura siguiente. La expresión para el voltaje de salida pico es:
Vp(sal) = Vp(ent) – 0,7v
Voltaje de pico inverso (PIV)
El voltaje de pico inverso (PIV) es igual al valor pico del voltaje de entrada y el diodo debe
ser capaz de soportar esta cantidad de voltaje en inversa repetitivo. Para el diodo de la
figura siguiente, el valor máximo del voltaje en inversa, designado como PIV, ocurre al
valor pico de cada alternación negativa del voltaje de entrada, cuando el diodo está
polarizado en inversa. La capacidad de un diodo deberá ser por lo menos 20% más alta
que el PIV.
Acoplamiento por transformador
El acoplamiento por transformador ofrece dos ventajas: primera, permite que la fuente de
voltaje se reduzca como sea necesario; segunda, la fuente de ca se aísla eléctricamente
del rectificador, con lo que se evita el peligro de choques eléctricos en el circuito del
secundario.
91
La relación de vueltas del transformador determina la cantidad que el voltaje se reduce,
la cual es: “El número de vueltas del secundario (Nsec) dividido entre el número de vueltas
del primario (Npri)”. Así pues, un transformador con una relación de vueltas menor que 1
es reductor y uno con una relación de vueltas mayor que 1 es elevador. Para mostrar la
relación de vueltas en un esquema, es práctica común mostrar la relación numérica
directamente sobre los devanados.
El voltaje secundario de un transformador es igual a la relación de vueltas, n, por el voltaje
primario.
V(sec) = nV(pri)
Si n > 1, el voltaje secundario es mayor que el voltaje primario. Si n < 1, el voltaje
secundario es menor que el voltaje primario. Si n = 1, entonces Vsec = Vpri.
El voltaje pico del secundario, Vp(sec), en un rectificador de media onda acoplado por
transformador es el mismo que Vp(ent), por ende:
Vp(sal) = Vp(sec) – 0,7v
La relación de vueltas es útil para entender la transferencia de voltaje del primario al
secundario. No obstante, las hojas de datos de transformador rara vez incluyen la relación
de vueltas. En general, un transformador se especifica con base en el voltaje secundario
en lugar de en la relación de vueltas.
Ejemplo:
Determinar el valor pico del voltaje de salida del siguiente circuito:
92
Rectificadores de onda completa
Aunque los rectificadores de media onda tienen algunas aplicaciones, los de onda
completa son los más utilizados en fuentes de alimentación de cd. Si bien existen dos tipos
de rectificadores de onda completa, los de puente y los de derivación central, nosotros
veremos solamente el tipo puente.
Un rectificador de onda completa permite corriente unidireccional (en un sentido) a través
de la carga durante los 360° del ciclo de entrada, mientras que un rectificador de media
onda permite corriente a través de la carga sólo durante la mitad del ciclo. El resultado
de la rectificación de onda completa es un voltaje de salida con una frecuencia del
doble de la frecuencia de entrada y que pulsa cada semiciclo de la entrada, como lo
muestra la figura siguiente.
El número de alternaciones positivas que conforman el voltaje rectificado de onda
completa es dos veces el del voltaje de media onda durante el mismo intervalo. El valor
promedio (medido con un voltímetro de cd) de un voltaje senoidal rectificado de onda
completa es dos veces el de media onda, como se muestra en la siguiente fórmula:
Rectificador de puente de onda completa
El rectificador de puente utiliza cuatro diodos conectados como ilustra la figura siguiente.
93
Cuando el ciclo de entrada es positivo, los diodos D1 y D2 están polarizados en directa y
conducen corriente en la dirección mostrada. Se desarrolla un voltaje a través de RL
parecido al semiciclo positivo de entrada. Durante este tiempo, los diodos D3 y D4 están
polarizados en inversa.
Cuando el semiciclo de entrada es negativo como en la figura siguiente, los diodos D3 y
D4 están polarizados en directa y conducen corriente en la misma dirección a través de
RL que durante el semiciclo positivo. Durante el semiciclo negativo, D1 y D2 están
polarizados en inversa. A consecuencia de esta acción a través de RL aparece un voltaje
de salida rectificado de onda completa.
Voltaje de salida del puente
Como se puede ver en la figura siguiente, dos diodos siempre están en serie con el resistor
de carga, tanto durante los semiciclos positivos como durante los semiciclos negativos. Si
estas caídas de diodo se toman en cuenta, el voltaje de salida es:
Vp(sal) = Vp(sec) - 1.4 V
Si las caídas de los diodos polarizados en directa se incluyen como anterior, el voltaje de
pico inverso a través de cada diodo polarizado en inversa en función de Vp(sal) es:
PIV = Vp(sal) + 0.7 V
94
Ejemplo:
Determinar el voltaje de pico de salida del siguiente rectificador. También indicar el PIV
(voltaje de pico inverso) nominal de cada diodo. La tensión del primario es de 220V rms y
la VP(sec) = 12V rms
Primero debemos pasar el voltaje rms (eficaz) al valor de pico:
VP = 1,414 x Vrms VP(sal) = VP(sec) – 1,4V
VP(sec) = 1,414 x 12V VP(sal) = 17V – 1,4V
VP(sec) = 16,96V (apróx. 17V) VP(sal) = 15,6V
El voltaje de pico inverso para cada diodo es:
PIV = VP(sal) + 0,7V
PIV = 15,6V + 0,7V
PIV = 16,3V
La fuente de alimentación de cd básica
Todos los dispositivos electrónicos activos requieren una fuente de cd constante que
provenga de una batería o una fuente de alimentación de cd. La fuente de alimentación
de cd convierte el voltaje de ca estándar de 220 V, 50 Hz disponible en las tomas de
corriente de pared en un voltaje cd constante a través de los circuitos rectificadores. La
fuente de alimentación de cd es uno de los circuitos más comunes, por lo que es
importante entender cómo funciona. Se utiliza el voltaje producido para alimentar todo
tipo de circuito electrónico, incluyendo aparatos electrónicos tales como televisiones,
reproductores de DVD, computadoras, controladores industriales y la mayoría de los
sistemas y equipos de instrumentación de laboratorio. El nivel de voltaje de cd requerido
depende de la aplicación, aunque la mayoría de las aplicaciones requieren voltajes
relativamente bajos.
Filtros y reguladores de la fuente de alimentación
Un filtro de fuente de alimentación idealmente elimina los rizos del voltaje de salida de un
rectificador de media onda o de onda completa y produce un voltaje de cd de nivel
constante.
95
El filtrado es necesario porque los circuitos electrónicos requieren una fuente constante de
voltaje y corriente continuos para proporcionar alimentación y polarización para la
operación apropiada. Los filtros se implementan con capacitores.
Normalmente, la regulación de voltaje en fuentes de alimentación se realiza con
reguladores de voltaje integrados. Un regulador de voltaje impide cambios en el voltaje
de cd filtrado debido a las variaciones del voltaje de entrada o en la carga.
En la mayoría de las aplicaciones de fuentes de alimentación, el voltaje de línea de ca
estándar de 50 Hz debe ser convertido en un voltaje de cd aproximadamente constante.
La salida de cd pulsante de 50 Hz de un rectificador de media onda o la salida pulsante
de 100 Hz de un rectificador de onda completa deben ser filtradas para reducir las
grandes variaciones de voltaje. La figura siguiente ilustra el concepto de filtrado que
muestra un voltaje de salida de cd casi uniforme del filtro. La pequeña cantidad de
fluctuación en el voltaje de salida del filtro se llama rizo.
Filtro de entrada con capacitor
En las figuras siguientes analizaremos un rectificador de media onda con un filtro de
entrada con capacitor. El filtro simplemente está conectado de la salida del rectificador a
tierra. RL representa la resistencia equivalente de una carga. Utilizaremos el rectificador de
media onda para ilustrar el principio básico y luego se ampliará el concepto a la
rectificación de onda completa.
96
Durante el primer cuarto de ciclo positivo de la entrada, el diodo está polarizado en
directa, lo que permite que el capacitor se cargue a 0.7 V del valor pico de entrada.
Cuando la entrada comienza a decrecer por debajo de su valor pico, como se muestra
en la parte (b), el capacitor retiene su carga y el diodo se polariza en inversa porque el
cátodo es más positivo que el ánodo. Durante la parte restante del ciclo, el capacitor se
descarga sólo a través de la resistencia de carga a una velocidad determinada por la
constante de tiempo RLC, la cual es normalmente larga comparada con el periodo de la
entrada. Mientras mayor sea la constante de tiempo, menos se descargará el capacitor.
Durante el primer cuarto del siguiente ciclo, como se ilustra en la parte (c), el diodo de
nuevo se polarizará en directa cuando el voltaje de entrada excede el voltaje del
capacitor en aproximadamente 0,7 V.
Voltaje de rizo
Como ya vimos, el capacitor se carga con rapidez al inicio de un ciclo y lentamente se
descarga a través de RL después del pico positivo del voltaje de entrada (cuando el
diodo está polarizado en inversa). La variación del voltaje del capacitor debido a la
carga y descarga se llama voltaje de rizo. En general, el rizo es indeseable; por lo tanto,
mientras más pequeño sea el rizo, mejor será la acción de filtrado, como lo ilustra la figura
siguiente.
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Para una frecuencia de entrada dada, la frecuencia de salida de un rectificador de onda
completa es dos veces la de un rectificador de media onda, como se ilustra en la figura
siguiente.
Esto hace que el voltaje de un rectificador de onda completa sea más fácil de filtrar
debido al tiempo más corto entre picos. Cuando está filtrado, el voltaje rectificado de
onda completa tiene un rizo más pequeño que un voltaje de media onda con los mismos
valores de resistencia de carga y capacitor. El capacitor se descarga menos durante el
intervalo más corto entre los pulsos de onda completa, como se muestra en la figura
siguiente.
98
Factor de rizo
El factor de rizo (r) es una indicación de la efectividad del filtro y se define como:
Donde Vr(pp) es el voltaje de rizo pico a pico y VCD es el valor de cd (promedio) del
voltaje de salida del filtro.
Mientras más bajo es el factor de rizo, mejor es el filtro. El factor de rizo puede reducirse
incrementando el valor del capacitor del filtro o incrementando la resistencia de carga.
Para un rectificador de onda completa con un filtro de entrada con capacitor, en las
siguientes ecuaciones se dan aproximaciones del voltaje de rizo pico a pico, Vr(pp) y el
valor de cd del voltaje de salida del filtro, VCD. El Vp(rect) es el voltaje rectificado pico no
filtrado. Observe que si RL o C se incrementa, el voltaje de rizo se reduce y el voltaje de cd
se incrementa.
Ejemplo:
Determinar el factor de rizo para el rectificador puente filtrado con una carga que se
muestra a continuación:
99
Nota: para obtener el porcentaje de rizo se multiplica r x 100
Práctica:
Determinar el porcentaje de rizo del circuito anterior cambiando los siguientes valores:
V(pri) = 220V rms C = 1000µf
V(sec) = 12V rms RL = 2K2
Armar el circuito en protoboard y medir los resultados.
Reguladores de voltaje
Mientras los filtros pueden reducir el rizo o fluctuación de las fuentes de alimentación a un
valor bajo, el método más efectivo es una combinación de un filtro de entrada con
capacitor utilizado con un regulador de voltaje. Se conecta un regulador de voltaje a la
salida de un rectificador filtrado y mantiene un voltaje (o corriente) de salida constante
pese a los cambios de la entrada, la corriente en la carga o la temperatura. El filtro de
entrada con capacitor reduce el rizo de entrada al regulador a un nivel aceptable. La
combinación de un capacitor grande y un regulador de voltaje ayudan a producir una
excelente fuente de alimentación. La mayoría de los reguladores son circuitos integrados
y tienen tres terminales: una de entrada, una de salida y una de referencia (o ajuste).
100
Primero se filtra la entrada al regulador con un capacitor para reducir el rizo a < 10%. El
regulador reduce el rizo a una cantidad despreciable.
Además, la mayoría de los reguladores cuentan con una referencia de voltaje interno,
protección contra cortocircuitos y circuitos de interrupción térmica. Están disponibles en
una variedad de voltajes, incluidas salidas positivas y negativas, y pueden ser diseñados
para salidas variables con un mínimo de componentes externos. Típicamente, los
reguladores de voltaje proporcionan una salida constante de uno o más amperes de
corriente con un alto rechazo a los rizos. Los reguladores de tres terminales diseñados para
voltajes de salida fijos requieren sólo capacitores externos para completar la parte de
regulación de la fuente de alimentación, como muestra la figura siguiente.
El filtrado se realiza por un capacitor de gran valor entre el voltaje de entrada y tierra. Un
capacitor de salida (por lo general de 0.1 µF a 1.0 µF) está conectado de la salida a tierra
para mejorar la respuesta transitoria.
La hoja de datos del diodo
La presentación de la información en hojas de datos puede variar de un fabricante a otro
pero, en términos generales, todas dan la misma información.
Observemos la hoja de datos de la familia de diodos 1N4001-1N4007
Valores nominales máximos absolutos
Los valores nominales máximos absolutos indican los valores máximos de los diversos
parámetros conforme a los cuales el diodo se puede operar sin daños o degradación.
Para una máxima confiabilidad y larga vida útil, el diodo deberá operarse conforme a
estos valores nominales máximos. En general, los valores nominales máximos se especifican
para una temperatura ambiente de operación (TA) de 25°C, a menos que se estipule lo
contrario. La temperatura ambiente es la temperatura del aire alrededor del dispositivo.
Los parámetros más importantes dados en la hoja son los siguientes:
VRRM: El voltaje pico en inversa que puede ser aplicado repetidamente a través del diodo.
Observe que es de 50 V para el 1N4001 y de 1000 V para el 1N4007. Esta capacidad es la
misma que el PIV.
IF(AV): El valor promedio máximo de una corriente con polarización en directa rectificada
de media onda de 60 Hz. Este parámetro de corriente es de 1.0 A para todos los tipos de
diodo y está especificado para una temperatura ambiente de 75°C.
101
IFSM: El valor pico máximo de sobrecorriente con polarización en directa de media onda
senoidal única no repetitiva con duración de 8.3 ms. Este parámetro de corriente es de
30A para todos los tipos de diodo.
Características eléctricas
Las características eléctricas se especifican en ciertas condiciones y son las mismas para
cada tipo de diodo. Estos valores son típicos y pueden ser más o menos para un diodo
dado. Algunas hojas de datos dan un valor mínimo un valor máximo además de un valor
típico para un parámetro.
VF: La caída de voltaje a través del diodo con polarización en directa cuando hay 1 A de
corriente de polarización en directa. Para determinar el voltaje de polarización en directa
con otros valores de corriente de polarización en directa, se debe examinar la gráfica de
características de polarización en directa.
Irr: Corriente máxima con polarización en inversa a plena carga durante un ciclo
completo de ca a 75°C.
El diodo emisor de luz (LED)
La operación básica del diodo emisor de luz (LED) es la que a continuación se describe.
Cuando el dispositivo está polarizado en directa, los electrones atraviesan la unión pn
desde el material tipo n y se recombina con huecos en el material tipo p. Recordemos
que estos electrones libres están en la banda de conducción y a una energía más alta
que los huecos en la banda de valencia. Cuando ocurre la recombinación, los electrones
recombinantes liberan energía en la forma de fotones. Una gran área expuesta en una
capa del material semiconductor permite que los fotones sean emitidos como luz visible.
Este proceso es llamado electroluminiscencia.
102
Identificación y partes de un LED
103
Unidad N°3: Introducción a la programación de Arduino
Sistema Electrónico
Un sistema electrónico es un conjunto de: sensores, circuitería de procesamiento y control,
actuadores y fuente de alimentación.
Los sensores obtienen información del mundo físico externo y la transforman en una señal
eléctrica que puede ser manipulada por la circuitería interna de control. Existen sensores
de todo tipo: de temperatura, de humedad, de movimiento, de sonido (micrófonos), etc.
Los circuitos internos de un sistema electrónico procesan la señal eléctrica
convenientemente. La manipulación de dicha señal dependerá tanto del diseño de los
diferentes componentes hardware del sistema, como del conjunto lógico de instrucciones
(es decir, del “programa”) que dicho hardware tenga pregrabado y que sea capaz de
ejecutar de forma autónoma.
Los actuadores transforman la señal eléctrica acabada de procesar por la circuitería
interna en energía que actúa directamente sobre el mundo físico externo. Ejemplos de
actuadores son: un motor (energía mecánica), una lamparita (energía lumínica), un
altavoz (energía acústica), etc.
Dentro del bloque "procesamiento y control", podemos tener circuitos analógicos (por
ejemplo un interruptor crepuscular transistorizado) o digitales (lógica discreta de
compuertas, microcontroladores, etc). El sistema Arduino está basado en un
microcontrolador.
El microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado o “chip” (es decir, un dispositivo electrónico
que integra en un solo encapsulado un gran número de componentes) que tiene la
característica de ser programable. Es decir, que es capaz de ejecutar de forma
autónoma una serie de instrucciones previamente definidas por nosotros. En el diagrama
104
anterior, representativo de un sistema electrónico, el microcontrolador sería el
componente principal de la circuitería de procesamiento y control.
Por definición, un microcontrolador (también llamado comúnmente “micro”) ha de incluir
en su interior tres elementos básicos:
CPU (Unidad Central de Proceso): es la parte encargada de ejecutar cada instrucción y
de controlar que dicha ejecución se realice correctamente. Normalmente, estas
instrucciones hacen uso de datos disponibles previamente (los “datos de entrada”), y
generan como resultado otros datos diferentes (los “datos de salida”), que podrán ser
utilizados (o no) por la siguiente instrucción.
Diferentes tipos de memorias: son en general las encargadas de alojar tanto las
instrucciones como los diferentes datos que estas necesitan. De esta manera posibilitan
que toda esta información (instrucciones y datos) esté siempre disponible para que la CPU
pueda acceder y trabajar con ella en cualquier momento. Generalmente encontraremos
dos tipos de memorias: las que su contenido se almacena de forma permanente incluso
tras cortes de alimentación eléctrica (llamadas “persistentes”), y las que su contenido se
pierde al dejar de recibir alimentación (llamadas “volátiles”). Según las características de
la información a guardar, esta se grabará en un tipo u otro de memoria de forma
automática, habitualmente.
Diferentes conectores de E/S (entrada/salida): son los encargados de comunicar el
microcontrolador con el exterior. En los conectores de entrada del microcontrolador
podremos conectar sensores para que este pueda recibir datos provenientes de su
entorno, y en sus pines de salida podremos conectar actuadores para que el
microcontrolador pueda enviarles órdenes y así interactuar con el medio físico. De todas
formas, muchos conectores de la mayoría de los microcontroladores no son
exclusivamente de entrada o de salida, sino que pueden ser utilizados indistintamente
para ambos propósitos (de ahí el nombre de E/S).
Es decir, un microcontrolador es una computadora completa (aunque con prestaciones
limitadas) en un solo chip, el cual está especializado en ejecutar constantemente un
conjunto de instrucciones predefinidas. Estas instrucciones irán teniendo en cuenta en
cada momento la información obtenida y enviada por los pines de E/S y reaccionarán en
consecuencia. Lógicamente, las instrucciones serán diferentes según el uso que se le
quiera dar al microcontrolador, y deberemos de decidir nosotros cuáles son.
Cada vez existen más productos domésticos que incorporan algún tipo de
microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su
tamaño y coste, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo. Así, podemos encontrar
microcontroladores dentro de multitud de dispositivos electrónicos que usamos en nuestra
vida diaria, como pueden ser desde un simple timbre hasta un completo robot pasando
por juguetes, heladeras, televisores, lavarropas, microondas, impresoras, el sistema de
arranque de nuestro auto, etc.
105
¿Qué es Arduino?
Arduino (www.arduino.cc) es en realidad tres cosas:
Una placa hardware libre que incorpora un microcontrolador reprogramable y una serie
de pines-hembra (los cuales están unidos internamente a los conectores de E/S del
microcontrolador) que permiten conectar allí de forma muy sencilla y cómoda diferentes
sensores y actuadores.
Cuando hablamos de “placa hardware” nos estamos refiriendo en concreto a una PCB
(del inglés “printed circuit board”, o sea, placa de circuito impreso). Las PCBs son
superficies fabricadas de un material no conductor (normalmente resinas de fibra de vidrio
reforzada, cerámica o plástico) sobre las cuales aparecen laminadas (“pegadas”) pistas
de material conductor (normalmente cobre).
Un software (más en concreto, un “entorno de desarrollo”) gratis, libre y multiplataforma
(ya que funciona en Linux, MacOS y Windows) que debemos instalar en nuestra
computadora y que nos permite escribir, verificar y guardar (“cargar”) en la memoria del
microcontrolador de la placa Arduino el conjunto de instrucciones que deseamos que
este empiece a ejecutar. Es decir: nos permite programarlo.
Un lenguaje de programación libre. Por “lenguaje de programación” se entiende
cualquier idioma artificial diseñado para expresar instrucciones (siguiendo unas
determinadas reglas sintácticas) que pueden ser llevadas a cabo por máquinas.
Características del micro de la placa Arduino
Existen varios tipos de placas Arduino, cada una con características específicas que hay
que conocer para poder elegir el modelo que más nos convenga según el caso. No
obstante, existe un modelo “estándar” de placa, que es el más utilizado y que es el que
utilizaremos también nosotros en este cuadernillo en todos los proyectos: la placa Arduino
UNO. Desde que apareció en 2010 ha sufrido tres revisiones, por lo que el modelo actual
se suele llamar UNO Rev3 o simplemente UNO R3.
El encapsulado del microcontrolador
La placa convencional (izquierda) lo lleva montado en formato DIP (“Dual In-line
Package”) y la placa SMD (derecha) lo lleva en formato SMD (“Surface Mount Device”).
106
El microcontrolador que lleva la placa Arduino UNO es el modelo ATmega328P de la
marca Atmel.
Introducción a la programación
Se llama Programación a la implementación de un algoritmo en un determinado lenguaje
de programación en una computadora, para realizar un programa.
Algoritmo es una secuencia no ambigua, finita y ordenada de instrucciones que han de
seguirse para resolver un problema.
Programa (Software en inglés) es una secuencia de instrucciones que una computadora
puede interpretar y ejecutar.
Lenguaje de programación es el idioma utilizado para controlar el comportamiento de
una máquina, particularmente una computadora. Consiste en un conjunto de símbolos y
reglas sintácticas y semánticas que definen su estructura y el significado de sus elementos
y expresiones.
En la actualidad los lenguajes de programación están escritos para ser comprensibles por
el ser humano, a este código se le llama código fuente (por ejemplo el IDE Arduino), pero
no es comprendido por la máquina ya que esta solo maneja el lenguaje ensamblador (en
inglés assembler).
La compilación es el proceso de traducir un programa en código fuente a programa
en código objeto (que usa el lenguaje binario), el programa encargado de compilar se
llama compilador. La mayoría de software de programación trae su propio compilador.
107
Diagrama de flujo
El diagrama de flujo o también diagrama de actividades es una manera de representar
gráficamente un algoritmo o un proceso de alguna naturaleza, a través de una serie de
pasos estructurados y vinculados que permiten su revisión como un todo.
La representación gráfica de estos procesos emplea, en los diagramas de flujo, una serie
determinada de figuras geométricas que representan cada paso puntual del proceso que
está siendo evaluado. Estas formas definidas de antemano se conectan entre sí a través
de flechas y líneas que marcan la dirección del flujo y establecen el recorrido del proceso,
como si de un mapa se tratara.
Hay cuatro tipos de diagrama de flujo en base al modo de su representación:
Horizontal. Va de derecha a izquierda, según el orden de la lectura.
Vertical. Va de arriba hacia abajo, como una lista ordenada.
Panorámico. Permiten ver el proceso entero en una sola hoja, usando el modelo
vertical y el horizontal.
Arquitectónico. Representa un itinerario de trabajo o un área de trabajo.
Los diagramas de flujo son un mecanismo de control y descripción de procesos,
que permiten una mayor organización, evaluación o replanteamiento de secuencias de
actividades y procesos de distinta índole, dado que son versátiles y sencillos. Son
empleados a menudo en disciplinas como la programación, la informática, la economía
las finanzas y los procesos industriales entre otros.
Los principales símbolos convencionales que se emplean en los diagramas de flujo son los
siguientes:
108
Ejemplos:
"Lenguaje" Arduino
Al conectar la placa Arduino a nuestra computadora y ejecutar el IDE oficial, lo primero
que debemos hacer es seleccionar (si no lo está ya) el tipo de placa adecuado (en el
menú Tools->Board) y el puerto USB utilizado (en el menú Tools->Serial port).
Un programa diseñado para ejecutarse sobre un Arduino (un “sketch”) siempre se
compone de tres secciones:
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La sección de declaraciones de variables globales: ubicada directamente al principio del
sketch.
La sección llamada “void setup()”: delimitada por llaves de apertura y cierre.
La sección llamada “void loop()”: delimitada por llaves de apertura y cierre.
La primera sección del sketch (que no tiene ningún tipo de símbolo delimitador de inicio o
de final) está reservada para escribir, tal como su nombre indica, las diferentes
declaraciones de variables que necesitemos. En el interior de las otras dos secciones (es
decir, dentro de sus llaves) deberemos escribir las instrucciones que deseemos ejecutar en
nuestra placa, teniendo en cuenta lo siguiente:
Las instrucciones escritas dentro de la sección “void setup()” se ejecutan una única vez,
en el momento de encender (o resetear) la placa Arduino.
Las instrucciones escritas dentro de la sección “void loop()” se ejecutan justo después de
las de la sección “void setup()” infinitas veces hasta que la placa se apague (o se
resetee). Es decir, el contenido de “void loop()” se ejecuta desde la 1ª instrucción hasta la
última, para seguidamente volver a ejecutarse desde la 1ª instrucción hasta la última,
para seguidamente ejecutarse desde la 1ª instrucción hasta la última, y así una y otra vez.
Por tanto, las instrucciones escritas en la sección “void setup()” normalmente sirven para
realizar ciertas preconfiguraciones iniciales y las instrucciones del interior de “void loop()”
son, de hecho, el programa en sí que está funcionando continuamente.
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Prácticas con Arduino
1. Intermitente
Se trata de realizar un ejercicio básico que consiste en encender y apagar un led que
conectamos en el PIN 13 de Arduino que lo configuramos como salida. El tiempo de
encendido y apagado es de 1 segundo.
Obsérvese que se ha colocado el diodo led sin resistencia en serie dado que el PIN13 de
Arduino ya lleva incorporada una resistencia interior, en el caso de colocar el diodo LED
en otra salida deberíamos colocar una resistencia de al entre 220 y 500 ohmios
dependiendo del consumo de corriente del diodo.
111
112
2. Alarma-1
Cuando se pulsa el pulsador (entrada5 a “0”) se enciende y se apaga de forma
intermitente la salida 13.
Funcionamiento:
Cuando la E5 = 1 Entonces S13 = 0
Cuando la E5 = 0 Entonces S13 = 0-1 (Intermitente 200,200 ms)
113
Anexo 1
Trabajos Prácticos
Trabajo Práctico N°1: Conceptos básicos
a) Medir las resistencias dadas con el código de colores y ordenarlas de menor a
mayor, siendo R1 la más chica.
b) Armar el siguiente circuito en protoboard y completar la tabla.
De R1 a R4 (cód. colores) Valor teórico
(para las R incluir rango
de tolerancia)
Valor medido
R1 =
R2 =
R3 =
R4 =
R5 =
RT
IT
VT 12V
V1
V2
V3
V4
V5
I35
I4
C) Medir los capacitores dados, ordenarlos de menor a mayor y completar la siguiente
tabla:
Código impreso Valor teórico Valor medido
Trabajo Práctico N°2: Fuente regulada ajustable de polaridad simple
Circuito esquemático
-Ensayo y medición (multímetro y osciloscopio) del proyecto en protoboard.
-Diseño y construcción en placa de circuito impreso.
-Presentación del informe detallando todo el proceso.
Lista de materiales (por alumno)
4 x Diodos rectificadores 1N4007
1 x Capacitor electrolítico 2200uf x 50v
2 x Capacitores poliéster 100nf
1 x Regulador LM317T
1 x Plaqueta pertinax 5 x 10 cm
1 x R1KΩ
1 x R220Ω
1 x LED 5mm Verde/rojo
1 x Potenciómetro B5KΩ
2 x Borneras para circuito impreso de 2 contactos
1 x Borneras rosca rojas p/gabinete
1 x Bornera rosca negra p/gabinete
1 x Llave tipo palanca 250V x 3A
1 x Fusible 1A
1 x Portafusible
Trabajo Práctico Opcional: Luces estroboscópicas
Circuito esquemático
-Ensayo y medición (multímetro y osciloscopio) del proyecto en protoboard.
-Diseño y construcción en placa de circuito impreso.
-Presentación del informe detallando todo el proceso.
Listado de materiales (por alumno)
1 x Circuito integrado NE555
1 x Zócalo DIL4
1 x R4K7 1 x R2K2 1 x R100Ω 1 x R220Ω
1 x Potenciómetro B100k
1 x Capacitor electrolítico 1uf x 25v
1 x Capacitor electrolítico 47uf x 25v
1 x Capacitor poliéster de 100nf
3 x LEDs de alta luminosidad (blancos o de colores) 5mm
1 x Transistor BC548
1 x Plaqueta de pertinax de 5 x 10 cm
1 x Switch p/impreso
Anexo 2
Data sheet
Anexo 3
Referencias históricas
La historia de la Electrónica, como la de muchas otras ciencias, está marcada por
pequeños y grandes descubrimientos. Algunos de ellos fortuitos y otros, fruto de mentes
visionarias de investigadores y científicos. Este es un pequeño resumen cronológico de
algunos de los eventos y personajes que contribuyeron en el desarrollo de la ciencia y la
tecnología eléctrica y electrónica. Conocerlos, nos ayudará a comprender y valorar
mejor esta ciencia. Descubrimientos, inventos y personajes relevantes en la historia de la
electrónica
600 antes de Cristo - Electricidad estática
Alrededor de esta fecha Tales de Mileto (630-550 antes de Cristo) descubre la electricidad
estática, al darse cuenta de que al frotar el ámbar éste posee la propiedad de atraer
algunos objetos.
310 antes de Cristo - Primer tratado de electricidad
El filósofo griego Theophrastus (374-287 antes de Cristo) escribe el primer tratado donde se
estable que existen varias sustancias, aparte del ámbar, que poseen la propiedad de
atraer objetos al ser frotadas. Así deja constancia en lo que sería el primer estudio
científico sobre la electricidad.
1600 - Estudios sobre electrostática y magnetismo
La Reina Elizabeth I ordena al Físico Real William Gilbert (1544-1603) estudiar los imanes
para mejorar la exactitud de las brújulas usadas en la navegación, siendo este trabajo la
base principal para la definición de los fundamentos de la Electrostática y el Magnetismo.
Gilbert fue el primero en aplicar el término Electricidad del Griego "elektron" = ámbar.
1800 - Alessandro Volta, físico italiano, anuncia en la Royal Society de Londres el resultado
de sus experimentos (desde 1786) generando electricidad mediante metales diferentes
separados por un conductor húmedo. Volta apila 30 discos metálicos separados cada
uno por un paño humedecido en agua salada, obteniendo electricidad. A tal dispositivo
se le llamó "pila voltaica", de allí se origina el nombre de las "Pilas". En honor de Alessandro
Volta, la unidad de medida del potencial eléctrico se denomina Voltio.
1820 - El físico y químico danés, Hans Christian Øersted comprueba y demuestra que
alrededor de un conductor por el que circulaba una corriente eléctrica se forma un
campo magnético.
1820 - Poco después del descubrimiento de Øersted, el científico francés André Marie
Ampere logró formular y demostrar experimentalmente, la ley que explica en términos
matemáticos la interacción entre magnetismo y electricidad. En su memoria fue
nombrada la unidad de intensidad de corriente eléctrica: el Amperio
1821 - Michael Faraday, físico y químico británico, basado en los descubrimientos de
Øersted, construye los primeros aparatos para producir lo que él llamó "Rotación
Electromagnética", nacía así el motor eléctrico.
1825 - El inventor británico William Sturgeon crea un dispositivo que iba a contribuir
significativamente a la fundación de las comunicaciones electrónicas: el electroimán.
1827 - El profesor alemán Georg Simon Ohm publica el resultado de sus experimentos que
demuestran la relación entre Voltaje, Corriente y Resistencia. Conocida hoy como Ley de
Ohm. Su trascendencia fue menospreciada por sus colegas de la época y solo
reconocida dos décadas después. La unidad de medida de la resistencia eléctrica (Ohm)
fue elegida en su honor.
1831 - Michael Faraday, diez años después de su "motor eléctrico", descubre un efecto
inverso al descubierto por Øersted. Un campo magnético en movimiento sobre un
conductor induce en este una corriente eléctrica. Crea la Ley de Inducción Magnética y
base de los generadores eléctricos. También descubre que en electricidad estática, la
carga eléctrica se acumula en la superficie exterior del conductor eléctrico cargado. Este
efecto se emplea en el dispositivo denominado Jaula de Faraday y en los capacitores. En
reconocimiento a sus importantes descubrimientos, la unidad de capacidad eléctrica se
denomina Faradio.
1837 - Después de varios años desarrollando la idea, Samuel M. Morse patenta un
dispositivo que permite trasmitir mensajes a grandes distancias a través de dos cables,
usando un código de puntos y rayas (el famoso alfabeto Morse). Nacía el Telégrafo.
1846 - El físico alemán Gustav Kirchoff expone dos reglas, con respecto a la distribución de
corriente en un circuito eléctrico con derivaciones, llamadas Leyes de Kirchoff.
1847 - El Ing. Alemán Ernst Werner M. von Siemens, desarrolla el telégrafo de aguja y
presión y un sistema de aislamiento de cables eléctricos a base de látex, lo que permitió,
la fabricación y tendido de cables submarinos, fundando la compañía Siemens AG. Por
estas y otras contribuciones tecnológicas en 1888 fue ascendido a la nobleza.
1861 - El físico ingles James Clerk Maxwell desarrolla el concepto de onda
electromagnética, que permite una descripción matemática adecuada de la interacción
entre electricidad y magnetismo. Predijo que era posible propagar ondas por el espacio
libre utilizando descargas eléctricas.
1875 - William Crookes, físico y químico británico, investigando el comportamiento de las
cargas eléctricas, usando un tubo de vidrio con electrodos y alto voltaje descubre la
existencia de los rayos catódicos. Su dispositivo que se llamó "Tubo de Crookes" y sería el
precursor de los tubos de rayos catódicos o cinescopios de hoy en día.
1876 - Graham Bell y su asistente Thomas A. Watson, realizaron la primer transmisión de la
voz humana a través de cables. Nacía así, el teléfono.
1877 - Thomas Alva Edison inventa el primer aparato que permitía grabar en un cilindro de
cera, voz y sonidos para luego reproducirlos, lo llamó: Fonógrafo.
1878 - Thomas Alva Edison construyó la primera lámpara incandescente con filamentos de
bambú carbonizado
1882 - El inventor francés, Lucien H. Gaulard patenta un dispositivo que llamó generador
secundario y que sería una versión primitiva de lo que hoy llamamos transformador.
1882 - Nikola Tesla investigador estadounidense de origen croata, experimentando con
alto voltaje y corriente alterna polifásica, inventa el alternador y el primer motor eléctrico
de inducción.
1883 - Thomas Alva Edison, tratando de mejorar su lámpara incandescente descubre que
al calentar un metal este emite cargas eléctricas. Lo llamó "efecto Edison", posteriormente
conocido como emisión termoiónica. Creó un dispositivo en el cual, dentro de un tubo de
vidrio al vacío, la carga eléctrica emitida por una superficie metálica caliente (llamada
cátodo) es recogida por otra superficie fría (llamada ánodo).
1884 - Paul Nipkow patenta un artefacto explorador de imágenes, que llamó "Disco de
Nipkow" y que permitiría luego convertir imágenes en señales eléctricas.
1887 - El estadounidense de origen alemán Emile Berliner, inventa un sistema de
grabación que podía sacar muchas copias de la grabación original. Berliner sustituyó el
cilíndrico del fonógrafo de Edison, por un disco plano y patentó entonces su "gramófono",
fundando su propia compañía para fabricarlo masivamente.
1887 - Heinrich Rudolf Hertz, físico alemán, corrobora la predicción de James Clerk
Maxwell creando el primer transmisor de radio, generando radiofrecuencias. Desarrolló
también un sistema para medir la velocidad (frecuencia) de las ondas de radio. En su
honor la unidad de medida de frecuencia se denomino Hertz (o Hertzio).
1888 - El ingeniero inglés Oberlin Smith ideó y publicó, los principios básicos para grabar
sonido en un soporte magnético.
1897 - El físico inglés J. J. Thomson descubre la existencia de una partícula eléctricamente
cargada, el electrón. En el año de 1906 Thomson recibió el Premio Nóbel de Física por su
descubrimiento.
1897 - Ferdinand Braun, científico Alemán, perfecciona el TRC o Tubo de Rayos Catódicos
agregando al Tubo de Crookes una superficie de fósforo que se iluminaba al recibir los
rayos catódicos. Desarrolla el primer osciloscopio.
1897 - Guillermo Marconi ingeniero eléctrico italiano, introduce en el Reino Unido la primer
patente de la Radio.
1899 - Joseph John Thomson establece que las cargas que se liberaban al calentar una
superficie metálica son electrones.
1901 - Guillermo Marconi, logra la primer transmisión telegráfica inalámbrica a través del
Atlántico
1903 - El físico británico John Ambrose Fleming encuentra una aplicación práctica de la
válvula termoiónica de efecto Edison, que posteriormente de denominaría: "Diodo", al
usarlo como detector de ondas electromagnéticas. John Ambrose Fleming es
considerado "el padre de la electrónica"
1906 - El físico estadounidense Lee De Forest agrega un nuevo electrodo en forma de
rejilla entre el cátodo y el ánodo del tubo al vacío. Este electrodo permite regular el paso
de electrones. Nace así el Triodo, primer dispositivo amplificador electrónico.
1913 - El físico estadounidense Edwin Howard Armstrong desarrolla el primer circuito
oscilador basado en un Triodo.
1924 - El escocés John Logie Baird, usando el disco explorador de imagen de Nipkow,
logra trasmitir imágenes por ondas de radio. Nacía la Televisión electromecánica
1930 - Se perfeccionan los tubos electrónicos de vacío, nacen el Tetrodo y Pentodo con
más elementos entre el cátodo y el ánodo.
1933 - Edwin Howard Armstrong inventa un nuevo tipo modulación de señal: la FM
(frecuencia modulada).
1936 - El ingeniero austriaco Paul Eisler mientras trabajaba en Inglaterra, creo el primer
circuito impreso como parte de un receptor de radio.
1945 - Percy Spencer, ingeniero de la Raytheon Corporation, descubre los efectos de las
microondas sobre los alimentos. Inventa el Horno de Microondas.
1947 - Un equipo de ingenieros y científicos encabezados por los doctores John W.
Mauchly y J. Prester Eckert en la Universidad de Pennsylvania, Estados Unidos, crean:
ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), primera computadora digital
electrónica. Fue una máquina experimental. No era programable como las
computadoras actuales. Era un enorme aparato que ocupa todo el sótano en la
Universidad de Pennsylvania. Tenía 18,000 tubos electrónicos, consumía varios KW y
pesaba algunas toneladas. Realizaba hasta cinco mil sumas por segundo.
1947, 16 de diciembre - Fue creado el primer transistor, por William Shockley, John
Bardeen, y William Brattain en los laboratorios Bell
1951 - Los doctores Mauchly y Eckert fundan la compañía Universal Computer (Univac),
que produce la primera computadora comercial: UNIVAC I.
1955 - SONY lanza al mercado el primer receptor de radio totalmente transistorizado el TR-
55
1958 - El ingeniero Jack Kilby de la compañía norteamericana Texas Instruments, creó el
primer circuito completo integrado en una pastilla de silicio, lo llamó "circuito integrado".
Casi simultáneamente el ing. Robert Noyce de Fairchil Semiconductor desarrolla un
dispositivo similar al que llamó: "circuito unitario". A ambos se los reconoce como los
creadores de los circuitos integrados.
1962 - Nick Holonyak, ingeniero de General Electric desarrolla el primer LED (Light Emitting
Diode o Diodo Emisor de Luz) que emitía en el espectro visible.
1962 - Sony lanza al mercado mundial el primer televisor de 5 pulgadas, completamente
transistorizado.
1965 - Gordon Moore, trabajando en Fairchild Semiconductor (tres años después fundaría
Intel), predijo que la integración de circuitos crecería a un ritmo que duplicaría el número
de transistores por chip cada dos años. Esta predicción se ha cumplido hasta la fecha y se
le conoce como: "Ley de Moore"
1968 - Fairchild Semiconductor produce el primer circuito integrado regulador de voltaje
lineal el uA723. Poco tiempo después lanza al mercado la serie 7800 que incluye los
populares 7805 (de 5V), etc.
1971 - Ted Hoff, Federico Faggin de Intel y Masatoshi Shima de Busicom (ZiLOG) diseñan el
primer microprocesador, el Intel 4004
Anexo 4
Seguridad eléctrica
Seguridad eléctrica
La seguridad es un asunto del mayor interés cuando se trabaja con electricidad. La
posibilidad de recibir un choque eléctrico o una quemadura siempre está presente, de
modo que siempre se debe obrar con precaución. Nos convertimos en una trayectoria
para la corriente cuando se aplica voltaje a través de dos puntos de nuestro cuerpo, y la
corriente produce choque eléctrico.
Los componentes eléctricos a menudo operan a altas temperaturas, así que puede sufrir
quemaduras en la piel cuando entra en contacto con ellos. Además, la presencia de
electricidad crea un riesgo potencial de incendio.
Choque eléctrico
La corriente que pasa a través del cuerpo, no el voltaje, es la causa del choque eléctrico.
Desde luego, se requiere que un voltaje pase por una resistencia para producir corriente.
Cuando un punto del cuerpo se pone en contacto con un voltaje y otro punto entra en
contacto con un voltaje diferente o con tierra, tal como un chasis metálico, circulará
corriente por el cuerpo de un punto al otro. La trayectoria que tome la corriente
dependerá de los puntos por los cuales ocurra el voltaje.
La severidad del choque eléctrico resultante se relaciona con la cantidad de voltaje y
con la trayectoria que tome la corriente a través del cuerpo. La trayectoria de la corriente
determina qué tejidos y órganos serán afectados.
Efectos de la corriente en el cuerpo humano
La cantidad de corriente depende del voltaje y de la resistencia. El cuerpo humano tiene
una resistencia que depende de muchos factores, los cuales incluyen la masa corporal, la
humedad de la piel, y los puntos del cuerpo que entran en contacto con un potencial de
voltaje. La siguiente tabla muestra los efectos de varios valores de corriente en
miliamperes.
Resistencia corporal
La resistencia del cuerpo humano es típicamente de 10 a 50 kΩ y depende de los dos
puntos entre los cuales se mida. La humedad de la piel también afecta la resistencia entre
dos puntos. La resistencia determina la cantidad de voltaje requerido para producir cada
uno de los efectos enumerados en la tabla anterior.
Por ejemplo, si usted tiene una resistencia de 10 kΩ entre dos puntos dados de su cuerpo,
90 V a través de esos puntos producirán suficiente corriente (9 mA) como para provocarle
un choque doloroso.
Precauciones de seguridad
Existen muchas cosas prácticas que deben tomarse en cuenta cuando se trabaje con
equipo eléctrico y electrónico. A continuación se enlistan algunas precauciones
importantes.
Evite el contacto con cualquier fuente de voltaje. Corte la corriente antes de
trabajar con partes de un circuito que deban ser tocadas.
No trabaje solo. Siempre deberá estar disponible un teléfono para urgencias.
No trabaje cuando esté cansado o tomando medicamentos que le produzcan
somnolencia.
Quítese anillos, relojes y otra joyería metálica cuando trabaje en circuitos.
No trabaje en un equipo hasta que conozca los procedimientos apropiados y esté
consciente de peligros potenciales.
Use equipo con cordones de corriente de tres hilos (clavija de tres puntas).
Asegúrese de que los cordones de corriente estén en buenas condiciones y de
que no falten o estén dobladas las puntas de conexión a tierra.
Conserve sus herramientas en condiciones apropiadas. Asegúrese de que en los
mangos de herramientas metálicas el aislante esté en buenas condiciones.
Maneje las herramientas apropiadamente y mantenga limpia y ordenada el área
de trabajo.
Use gafas de seguridad cuando sea apropiado, en particular cuando suelde y
pele cables.
Siempre corte la energía y descargue capacitores antes de tocar cualquier parte
de un circuito con sus manos.
Conozca la ubicación del interruptor de emergencia y las salidas de emergencia.
Nunca intente anular o modificar dispositivos de seguridad tales como un
interruptor de intercierre (interlock).
Siempre use zapatos y manténgalos secos. No se pare sobre pisos húmedos o
metálicos.
Nunca manipule instrumentos con las manos húmedas.
Nunca asuma que un circuito está apagado. Verifíquelo dos veces con un
medidor confiable antes de manipularlo.
Ajuste el limitador en fuentes electrónicas de potencia para evitar corrientes más
grandes de lo necesario para abastecer el circuito que esté probando.
Algunos dispositivos, tales como los capacitores, pueden almacenar una carga
letal durante largos periodos después de que se corta la energía. Deben ser
descargados apropiadamente antes de trabajar con ellos.
Cuando realice conexiones en circuito, siempre deje la conexión al punto con el
voltaje más alto como último paso.
Evite el contacto con las terminales de fuentes de potencia.
Siempre use alambres con aislamiento y conectores o pinzas de contacto con
fundas protectoras.
Mantenga los cables y alambres tan cortos como sea posible. Conecte
apropiadamente los componentes polarizados.
Informe acerca de cualquier condición insegura.
Entérese de las reglas del lugar de trabajo o laboratorio y sígalas en todo
momento. No coloque bebidas o alimentos cerca de un equipo.
Si otra persona no puede zafarse de un conductor energizado, corte la corriente
de inmediato. Si esto no es posible, use cualquier material no conductor para tratar
de apartar su cuerpo del contacto.
Anexo 5
Programa de examen
febrero/marzo
Examen diciembre/febrero
Temas incluidos
Según la situación del estudiante deberá rendir todos o algunos de los siguientes
contenidos:
- Medición de resistencias y capacitores con código y tester. Cálculo de tolerancia.
- Armado de circuito en protoboard. Cálculo y medición del mismo. (comprobación
de ley de Ohm y leyes de Kirchhoff)
- Explicación teórica y comprobación práctica del funcionamiento de un diodo
rectificador. Justificar el resultado obtenido con el multímetro.
- Armado de un rectificador de onda completa tipo puente en protoboard y
medición con osciloscopio y multímetro. Cálculo del factor de rizado.
- Arduino. Proyecto al azar del cuadernillo.
Bibliografía/Software
- FLOYD, Thomas L.: Principios de circuitos eléctricos. Octava Edición. Ed. Pearson
Education. México. 2007.
- FLOYD, Thomas L.: Dispositivos electrónicos. Octava Edición. Ed. Pearson Education.
México. 2008.
- MALVINO, Albert; BATES, David: Principios de electrónica. Séptima Edición. Ed.
McGraw – Hill / Interamericana. España. 2007.
- ARTERO TORRENTE, Óscar: Arduino. Curso Práctico de Formación. Ed. Alfaomega
Grupo Editor. México. 2013.
- Reseñas históricas:
www.comunidadelectronicos.com
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/ElectricidadCronol.htm
- Diagramas de flujo: https://concepto.de/diagrama-de-flujo/#ixzz6JhoT4KKl
En clase se utilizarán los siguientes programas:
- Simulador de circuitos LiveWire
- Diseño de PCB Wizard
- Simulador de circuitos y de protoboard, diseño de PCB: Fritzing
- IDE oficial de Arduino
- Simulador de Arduino: UnArduSim