Curso de Instrumentación y Electrónica UAM

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Curso de Instrumentacin y Electrnica

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  • 1. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINConcepto de electricidad Fenmeno fsico originado por las fuerzas de interaccin entre partculas subatmicasTema2: Introduccin a la electrnica11

2. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINModelo atmico Consideramos que el tomo est compuesto de ncleo y corteza. Entre los electrones y protones se ejercen fuerzas de atraccin. Las fuerzas se deben a una propiedad denominada carga elctrica. Las cargas del electrn y del protn tienen el mismo valor, pero de signo opuesto. Electrn: Carga negativa (-) Protn: Carga positiva (+)En la regin del espacio donde se manifiestas las fuerzas sobre cargas elctricas, decimos que hay un Campo Elctrico.Tema2: Introduccin a la electrnica2Entre los protones y electrones se ejercen fuerzas mutuas, adems de las fuerzas gravitacionales. Estas fuerzas se explican adjudicando a los protones y electrones una propiedad denominada carga elctrica. Las cargas elctricas crean en el espacio que les rodea un campo elctrico. Al igual que la regin del espacio donde se manifiestan las fuerzas entre masas se denomina campo gravitatorio. A diferencia de las fuerzas gravitacionales, las fuerzas elctricas ocasionadas por las cargas elctricas pueden ser atractivas o repulsivas. Cualquier tomo de cualquier sustancia contiene el mismo nmero de protones que de neutrones, por lo que resulta elctricamente neutro. Cualquier tomo o sustancia es elctricamente neutra. Podemos valorar la magnitud del Campo Elctrico observando la fuerza ejercida sobre la unidad de carga: E=F/q , unidades N/C2 3. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINFuerza entre cargas elctricas estticas De distinto signo se atraen: Del mismo signo se repelen:La magnitud de la fuerza entre las cargas fue deducida experimentalmente por Culomb. Valoramos la magnitud de un campo elctrico observando la fuerza que ejerce sobre la unidad de carga: F=q . E (N) Un Culombio es la cantidad de carga que a la distancia de 1m ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9 x 109 NTema2: Introduccin a la electrnica3El Campo Elctrico en un punto del espacio es la fuerza que experimenta por unidad de carga. E = F/q Si en un punto hay n cargas, la fuerza que experimentan es F=n.q.E Un cuerpo cargado es aquel que tiene un nmero de protones o electrones en exceso. En 1776 Charles Agustn de Coulomb (1736-1806) invent la balanza de torsin con la cual, midi con exactitud la fuerza entre las cargas elctricas y corrobor que dicha fuerza era proporcional al producto de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Ley de Culomb:La fuerza de atraccin o repulsin entre cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La carga de un electrn o un protn es 1,601 E-10 Culombios La unidad de carga es el Culombio, y se define como la cantidad de carga por segundo que atraviesa una seccin de conductor por el cual circula una corriente constante de un amperio. En el sistema electrosttico, la unidad de carga se define como aquella que repele (o atrae) a otra con la fuerza de un 1 dina cuando ambas cargas estn separadas 1 centmetro.3 4. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINEnerga QumicaElctricaEn fsica, llamamos Energa a la capacidad de obrar, transformar y poner en movimiento. Cuando esta capacidad se materializa, hablamos de realizacin de Trabajo.PotencialPara que haya trabajo debe existir desplazamiento, en caso contrario solo hay esfuerzo.La potencia es la facilidad que tiene un sistema para convertir energa en trabajo.Tema2: Introduccin a la electrnica4Todos los cuerpos, pueden poseer energa debido a su movimiento, a su composicin qumica, a su posicin, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la fsica y la ciencia, se dan varias definiciones de energa, por supuesto todas coherentes y complementarias entre s, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo. Las unidades de Trabajo son las de Fuerza x Distancia (N x m), y se denominan Julios. Tambin podemos expresar el trabajo en Caloras, Watios, Caballos de Vapor. Las unidades de potencia son unidades de trabajo en la unidad de tiempo (Caloras/hora, Watios/segundo, Kilowatios/hora, etc.) En electricidad la fuerza que desencadena el trabajo es la del campo elctrico, y el movimiento es el de los portadores de carga.4 5. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTensin Diferencia de Potencial A la diferencia del valor del campo elctrico que existe entre dos puntos, multiplicado por la distancia que los separa se la llama diferencia de potencial elctrica.(E1 E2 ) d = V - V2 1(Voltios)A la diferencia de potencial elctrico se la denomina Tensin Elctrica (V), se mide en Voltios. Entre dos puntos en los que existe una diferencia de potencial elctrico, tender a producirse un flujo de cargas elctricas.Esta diferencia de potencial representa el trabajo que hay que realizar para transportar la unidad de carga entre los dos puntos. Tema2: Introduccin a la electrnicaW = Fd W = q (E1 E2 ) d = q(V1 - V2 ) P=W tW q = E d = i (V1 - V 2 ) t t P = i (V1 V 2 )5La tensin elctrica de un punto respecto de otro punto, tambin denominada diferencia de potencial entre 2 puntos, representa el trabajo que hay que realizar sobre la unidad de carga elctrica para trasladarla entre los dos puntos de un campo elctrico. El trabajo por unidad de carga que hay que realizar, es el producto de la Fuerza por el desplazamiento (F x r)/q. Como resulta que la Fuerza por unidad de carga es el Campo Elctrico (E), resulta que el trabajo que hay que realizar para desplazar la unidad de carga entre dos puntos V1-V2 es igual a E x r, es decir, la diferencia de potencial. El flujo de cargas en un conductor metlico son electrones libres, que se mueven por la fuerza ejercida por un campo elctrico (diferencia de potencial o tensin). La unidad de tensin elctrica es el Voltio5 6. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCorriente elctrica Flujo de cargas elctricas en una direccin determinada por unidad de tiempo. Se mide en Amperios; 1 Amperio es igual al flujo de cargas en una seccin de material de un Culombio por segundo. Para que se produzca un flujo de cargas entre dos puntos, tiene que existir una diferencia de potencial elctrico entre ellos.El tipo y la geometra del material sobre el que se establezca este flujo de cargas (corriente elctrica) tiene mucha influencia sobre la magnitud de la corriente establecida. Tema2: Introduccin a la electrnica6Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producir un flujo de corriente elctrica. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladar a travs del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesar cuando ambos puntos igualen su potencial elctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente elctrica. La corriente elctrica se establece porque los portadores de carga se desplazan en el seno del material. En funcin de la densidad volumtrica de portadores y de la velocidad de desplazamiento, se puede expresar la corriente elctrica como I=n.q.vd.A n=numero de portadores de carga por unidad de volumen Vd= velocidad de desplazamiento( hay que tener en cuenta que se producen numerosas colisiones que detienen el avance de los portadores de carga) q=carga de los portadores A= seccin del conductor El flujo de cargas en un electrolito son iones (positivos o negativos) Al ser flujo de cargas (Q) por unidad de tiempo(t), las unidades de Amperios y Culombios/segundo son equivalentes.6 7. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINConductores y Aislantes Tema2: Introduccin a la electrnicaLos materiales se pueden clasificar segn la facilidad para ser recorridos por una corriente elctrica en Conductores Semiconductores AislantesEsta propiedad elctrica depende de los elementos que formen el material y del tipo de enlace qumico que presenten.7Dependiendo de la distancia interatmica y del nmero de electrones de enlace entre otros factores, pueden formarse distintos conjuntos de bandas que pueden estar llenas, vacas o separaciones entre bandas por zonas prohibidas o bandas prohibidas, formndose as bandas de valencia, bandas de conduccin y bandas prohibidas. As en un aislante la separacin entre la banda de valencia y la banda de conduccin es muy grande ( 10 eV), y esto significa que un electrn en la banda de valencia necesita mucha energa para ser liberado y convertirse en un electrn libre necesario para la conduccin. En un conductor las dos bandas estn solapadas, no necesitndose ninguna energa para alcanzar la conduccin. En un semiconductor la banda prohibida es estrecha, o lo que es lo mismo, es fcil que un electrn sea liberado y pueda contribuir a la conduccin. Los metales tienen hasta 3 electrones corticales (en la ultima capa), que pueden ceder a la red cristalina del metal, bajo efecto de un campo elctrico externo producido por distintos medios. El flujo o movimiento de dichos electrones a travs del metal es la corriente elctrica, y genera efectos magnticos en su entorno, y efectos trmicos como consecuencia de su choque en su desplazamiento, con los tomos de la red, calentando el metal. Los semiconductores, como el Carbono y silicio, tienen cuatro electrones en su capa externa, permitiendo formar enlaces covalentes sobre los cuales se pueden introducir impurezas de otros elementos con 3 o 5 electrones en su capa externa, que sern los que favorezcan la movilidad electrnica. Los aislantes, como los plsticos y polmetros orgnicos, la madera seca,7 8. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDensidad de Corriente La densidad de corriente J en un conductor es la corriente elctrica establecida por unidad de rea del conductor:J=I S(A / m ) 2Al disminuir la seccin del conductor, y recorrerlo la misma corriente aumentar la densidad de corriente en la seccin ms estrecha. La densidad de corriente mxima admitida por un hilo conductor suele estar comprendida entre 2 o 3 A por mm2 de seccinTema2: Introduccin a la electrnica8(para corrientes uniformes y seccin transversal perpendicular a la direccin de la corriente)8 9. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINResistencia elctrica La facilidad de un material a ser atravesado por la corriente depende de una propiedad fsica denominada Resistividad.Se denomina Resistencia Elctrica, R, de una sustancia, a la oposicin que encuentra la corriente elctrica para atravesarla, y depende del material, la geometra y su temperatura. Su valor se mide en Ohmios, y se designa con la letra griega omega mayscula ().R=L S( ) La resistividad es una propiedad del material La resistencia es una propiedad del objeto.Tema2: Introduccin a la electrnica99 10. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINLey de Ohm La Intensidad de la corriente que circula por un dispositivo es directamente proporcional a la Tensin aplicada, e inversamente proporcional a la Resistencia del mismo.La resistencia elctrica forma parte de un circuito, bien en la resistencia de los propios conductores y/o en componentes receptores de energa.Se representa grficamente en un esquema mediante su smbolo Tema2: Introduccin a la electrnica1010 11. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCircuito y Componentes Un circuito es la representacin grfica de una serie de elementos elctricos o electrnicos (componentes) interconectados mediante conductores, en uno o ms bucles cerrados, con la finalidad de implementar una funcin.Cada uno de los componentes tiene una representacin grfica normalizada para su identificacin dentro del circuito. Cada uno de los componentes tiene una ecuacin que modela su funcionamiento (ideal o aproximadamente)Tema2: Introduccin a la electrnica1111 12. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINAnlisis de Circuitos Disciplina que tiene por objeto establecer y resolver las ecuaciones matemticas que describen el comportamiento del circuito. En un circuito elctrico se cumplen las relaciones entre tensiones y corrientes descritas en las Leyes de Kirchhoff Nudo: Punto de interconexin de dos o mas componentes Malla: Camino cerrado que contenga dos o ms nudos. Circuito serie: La corriente es la misma por todos los elementos. Circuito paralelo: La tensin es la misma en todos los elementos.Tema2: Introduccin a la electrnica12Ley de Kirchhoff de Tensiones: La suma de las diferencias de tensin a lo largo de una malla cerrada en de un circuito debe de ser nula. Justificacin: La diferencia de potencial entre dos puntos del circuito es independiente del camino recorrido. Ley de Kirchhoff de corrientes: La suma de las corrientes entrantes a un nudo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen de el. Justificacin: No puede existir acumulacin de cargas en un nudo de un circuito. TEOREMA DE THEVENIN. El teorema de Thevenin es una herramienta muy til para el estudio de circuitos complejos. Se basa en que todo circuito que contenga nicamente componentes y generadores lineales puede reducirse a otro ms sencillo, denominado circuito equivalente Thevenin, formado por un generador de tensin ideal mas una resistencia en serie. TEOREMA DE NORTON Es un teorema similar al de Thevenin, que se emplea cuando se tienen generadores de corriente en el circuito. El circuito equivalente de Norton est formado por un generador de intensidad con una resistencia en paralelo.12 13. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINResistencia Equivalente Circuito serie: La corriente es la misma por todos los elementos. La resistencia equivalente es la suma de las resistencias en serie. Circuito paralelo: La tensin es la misma en todos los elementos. La resistencia equivalente es la inversa de la suma de la suma de las inversas de las resistencias en paralelo. = V L1 + V L 2 Req = R L1 + R L 2 Tema2: Introduccin a la electrnicaI Total = I L 1 + I L 2 1 1 1 = + R eq R L1 R L 2 13Comentar que en serie si falla cualquiera de las lmparas, el circuito entero se apaga13 14. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINClasificacin de los Componentes 1.Segn su presentacin Discretos: Integrados:2.- Segn el material base de fabricacin Semiconductores: No semiconductores:3.- Segn su comportamiento Activos. Pasivos.Tema2: Introduccin a la electrnica14Clasificacin de los componentes. De acuerdo con el criterio que se elija podemos obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comnmente ms aceptadas.Discretos: Son aquellos que estn encapsulados uno a uno, como es el caso de las resistencias, condensadores, bobinas, diodos, etc. Integrados: Forman conjuntos ms complejos, como por ejemplo un amplificador operacional o una puerta lgica. Pueden contener desde unos pocos componentes discretos hasta millones de ellos. Son los denominados circuitos integrados. Semiconductores. Utilizan cristales de silicio o germanio dopados. Normalmente forman parte de los Circuitos Integrados.Activos: Los componentes activos son aquellos que son capaces de excitar los circuitos o de realizar ganancias o control del mismo.Pasivos: Son los encargados de la conexin entre los diferentes componentes activos, asegurando la transmisin de las seales elctricas o modificando su nivel, sin aportar excitacin, ganancia o control.14 15. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINComponentes Electrnicos Pasivos Componente Resistencia Potencimetro Condensador Bobina Fusible Conmutador Interruptor Pulsador Rel Cable Transductor Varistor Display Altavoz Resistencia no Lineal CRISTAL DE CUARZOFuncin ms comn Divisin de intensidad o tensin, limitacin de intensidad. Variacin la corriente elctrica o la tensin. Almacena energa, filtrado, adaptacin de impedancias Almacena energa, adaptacin de impedancias. Proteccin contra sobre-intensidades. Reencaminar una entrada a una salida elegida e dos o ms. Apertura o cierre permanente de circuitos manualmente. Apertura o cierre temporal de dos circuitos manualmente Apertura o cierre de circuitos mediante seales control. Conduccin de la electricidad. Transformacin de una magnitud fsica en una elctrica Proteccin contra sobre-tensiones. Muestra de datos o imgenes. Reproducccin de sonido. VDR, NTC, PTC, LDR. OsciladoresTema2: Introduccin a la electrnica15Altavoz Reproducccin de sonido. Cable Conduccin de la electricidad. Condensador Almacenamiento de energa, filtrado, adaptacin impedancias. Conmutador Reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o ms. Fusible Proteccin contra sobre-intensidades. Inductor Adaptacin de impedancias. Interruptor Apertura o cierre de circuitos manualmente. Potencimetro Variacin la corriente elctrica o la tensin. Rel Apertura o cierre de circuitos mediante seales de control. Resistor Divisin de intensidad o tensin, limitacin de intensidad. Transductor Transformacin de una magnitud fsica en una elctrica (ver enlace). Varistor Proteccin contra sobre-tensiones. Resistencias no lineales Dependientes de la tensin (VDR) Con coeficiente de temperatura negativo (NTC) Con coeficiente de temperatura positivo (PTC) Con resistencias dependiente de la luz (LDR)15 16. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTipos de Resistencias De pelcula metlicaDe pelcula cermetBobinadasBobinadas VitrificadasSobre circuitos impresosSMD de pelcula gruesa Tema2: Introduccin a la electrnicaDe carbn aglomerado De pelcula de carbnSMD de pelcula metlica 16De carbn aglomerado: El elemento resistivo es una masa de grafito mezclado con una resina que acta como aglomerante. Tienen varios inconvenientes: oxidacin del carbn que repercute en variacin de su valor, adems tienen un elevado nivel de ruido. Son las ms baratas. De pelcula de carbn: El elemento resistivo es una capa de grafito cristalizado depositada sobre un cuerpo aislante. Ventaja: estabilidad frente a cambios de corriente, frente a la humedad, nivel reducido de ruido, baratas. De pelcula metlica: El elemento resistivo es una capa de aleacin metlica y xido metlico. Ventajas: mayor precisin. Inconvenientes, ms caras y no pueden disipar mucha potencia (unos pocos watios). De pelcula cermet. El elemento resistivo es una capa de cermet (material cermico refractario mezclado con metales en polvo). Ventaja: se pueden fabricar elevado valores de resistencia. Bobinadas:El elemento conductor es hilo de constantn (cobre, nquel, manganeso) u otros metales que tengan resistividad elevada, este hilo se bobina sobre una base aislante de cermica, mica, etc. con un diseo hueco que favorezca la refrigeracin. Ventajas: Pueden soportar grandes potencias. Inconvenientes: son muy grandes en tamao, y no se pueden fabricar de valores elevados (220K). Bobinadas Vitrificadas: El elemento resistivo es idntico a las bobinadas, pero se recubren de un prisma cermico vitrificado por razones de aislamiento trmico.16 17. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCaractersticas Tcnicas Valor hmico: Oposicin al paso de la corriente. No tiene relacin con su tamao. Estn disponibles los valores normalizados por la E.I.A. Potencia de disipacin: Lmite de carga en vatios que puede disipar antes de destruirse por calentamiento. Tiene relacin con el tamaoTolerancia: mxima desviacin relativa admisible en el valor de una resistencia.Valor real - Valor terico 100 (%) Valor terico Tensin de ruido: o ruido defondo, es una variacin de tensin provocada por la propia agitacin molecular trmica del componente.Coeficiente de Temperatura: valor que indica la variacin porcentual de la resistencia con la temperatura. Lmites de Frecuencia: Variacin de la resistencia con la frecuencia debido a efectos inductivos. Tema2: Introduccin a la electrnica1717 18. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINIdentificacin de resistencias /1Tema2: Introduccin a la electrnica1818 19. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINValores NormalizadosCOLUMNA TOLERANCIA E1920,5%E961%E482%E245%E1210%E620%Tema2: Introduccin a la electrnica19Esta serie de valores fue confeccionada durante los aos 40 por la E.I.A. (Asociacin de Industrias Electrnicas de EEUU). Se recogen los valores de resistencia disponibles para cada serie de tolerancias. COLUMNATOLERANCIAE1920,5%E961%E482%E245%E1210%E620%19 20. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINUnidades de Prefijo en Ingeniera PrefijoAbreviacin AbreviaciValorTeraT1012GigaG109MegaM106Kilok103 100(nada) Milim10-3Micro10-6Nanon10-9Picop10-12Femptof10-15Attoa10-18Tema2: Introduccin a la electrnica2020 21. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINResistencias variables. Potencimetros Son resistencias que pueden variar entre un valor mnimo (normalmente 0 hmios) y su valor nominal. Cuando slo se utilizan dos terminales se denominan resistencia ajustable. Cuando se utilizan los tres terminales se denomina potencimetro.Tipos de potencimetros: Lineales Logartmicos.Tema2: Introduccin a la electrnica21Los potencimetros son unas resistencias especiales que estn formadas por una parte fija con la resistencia y una mvil en contacto con la misma que, al desplazarse, hace variar la resistencia entre las tomas. Consiguen variar la resistencia que ofrecen en funcin de un mayor o menor giro manual de su parte mvil. Suelen disponer de unos mandos giratorios que facilitan la operacin, o bien unas muescas para introducir un destornillador adecuado. TIPOS DE POTENCIMETRO En funcin del modo de regulacin: - Lineales, que recorren casi 360 y que van respondiendo progresivamente con el giro. - Logartmicos, que al principio responden con una progresin muy pequea, y despus, con unos pocos grados de giro, sus valores crecen rpidamente. Otras formas de variacin menos empleadas son las antilogartmicas y las de senocoseno. En funcin del modo de fabricacin: Bobinados, llamados reostatos, para potencias elevadas. De pelcula de carbn, en diversos tamaos y formas, de gran precisin.21 22. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINResistencias no lineales - Sensores Son resistencias cuyo valor hmico no es constante, sino que depende de una magnitud fsica externa a ellas: -Termistores o resistencias NTC y PTC. En ellas la resistencia es funcin de la temperatura. -Varistores o resistencias VDR. En ellas la resistencia es funcin de la tensin. -Fotoresistencias o resistencias LDR. En estas ltimas la resistencia es funcin de la luzTema2: Introduccin a la electrnica22Estas resistencias se caracterizan porque su valor ohmico, que vara de forma no lineal, es funcin de distintas magnitudes fsicas como puede ser la temperatura, tensin, luz, campos magnticos,etc.. As estas resistencias estn consideradas como sensores.22 23. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTermistores Tema2: Introduccin a la electrnicaNTC: Resistencias con coeficiente de temperatura negativo. PTC: Resistencias con coeficiente de temperatura positivo.2323 24. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCondensadores Es el componente que resulta del enfrentamiento de dos placas conductoras (armaduras)que estn separadas por un material aislante (dielctrico).Al aplicar una tensin en sus armaduras, almacena energa en forma de Campo Elctrico.Se define la CAPACIDAD de un condensador como el cociente entre la carga de una de las armaduras y la tensin que exista entre las mismas. Sus unidades son Culombios/Voltio, y se denominan Faradios Tema2: Introduccin a la electrnica24Principio de Funcionamiento: Al aplicar una diferencia de potencial elctrico a las armaduras del condensador, se produce un almacenamiento de cargas en una de las placas. Estas cargas originan un campo elctrico sobre el dielctrico, que a su vez induce un almacenamiento de cargas igual pero de signo contrario en la armadura inferior. Las cargas almacenadas provienen de la fuente de potencial, y provocan una corriente elctrica que perdura hasta que el campo elctrico generado en el condensador iguala al de la fuente de potencial aplicada.24 25. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCapacidad La capacidad de un condensador dependen de su geometra (plana, cilndrica, esfrica, etc.), y es funcin de: Superficie de las armaduras A Distancia entre armaduras d Constante dielctrica o permitividad C = A (Faradios) dLas diferentes geometras y materiales empleados como dilctricos originan los diversos tipos de condensadores fabricados. Las caractersticas elctricas de cada uno determinarn el condensador adecuado para cada aplicacin. Tema2: Introduccin a la electrnica25La permitividad es una cantidad fsica que describe cmo un campo elctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vaco (o) es 8,85x10-12 F/m. La permitividad de un material respecto a la del vacio se denomina permitividad relativa (r= /o) La permitividad es determinada por la habilidad de un material de polarizarse en respuesta a un campo elctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el campo dentro del material. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma cantidad de carga elctrica sea guardada con un campo elctrico menor y, por ende, a un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.25 26. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTipos de condensadores Condensador electrolticoCondensador de aireCondensador de micaCondensador de poliesterCondensadores de polipropileno Condensadores cermicosCondensador tntaloTema2: Introduccin a la electrnica26Tipos de condensador Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dielctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad elctrica es la unidad, slo permite valores de capacidad muy pequeos. Se utiliz en radio y radar, pues carecen de prdidas y polarizacin en el dielctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas. Condensador de mica. La mica es un silicato de aluminio con una mezcla variable de sales, de resistividad muy elevada, posee varias propiedades que la hacen adecuada para dielctrico de condensadores: Bajas prdidas, exfoliacin en lminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidacin o con la humedad. Condensadores de papel. El dielctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algn otro tratamiento que reduce su higroscopa aumenta el aislamiento. Condensadores autoregenerables.. Los condensadores autoregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situacin de sobrecarga que supere la rigidez dielctrica del dielctrico, el papel se rompe en algn punto, producindose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras. Condensador electroltico. El dielctrico es una disolucin electroltica que ocupa una cuba electroltica. Con la tensin adecuada, el electrolito deposita una capa aislante muy fina sobre la cuba, que acta como una armadura y el electrolito como la otra. Consigue capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad determinada, por lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La polarizacin inversa destruye el xido, produciendo una corriente en el electrolito que aumenta la temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador. Existen de varios tipos: Condensador de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolucin de cido brico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta prdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentacin y equipos de audio. Condensador de aluminio seco. Es una evolucin del anterior, que funciona a frecuencias ms altas. Muy utilizado en fuentes de alimentacin conmutadas.26 27. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCaractersticas Tcnicas Valor Capacitivo Tolerancia Tensin mxima de trabajo Tensin de prueba Tangente de delta Coeficiente de temperaturaTema2: Introduccin a la electrnica27Valor Capacitivo Cantidad de carga almacenada por voltio Tolerancia Discrepancia del valor real respecto del terico Tensin mxima de trabajo Tensin nominal o de servicio. Mayor valor de tensin al que puede ser utilizado. Es funcin de la frecuencia. Tensin de prueba Tensin que al aplicarse al condensador se perfora el dielctrico. Tangente de delta Proporcin de la corriente de fuga debido a que el dielctrico no es perfecto (equivale a una resistencia en paralelo con el condensador, y vara con la temperatura). Coeficiente de temperatura Variacin de la capacidad debido al cambio en la conductividad del dielctrico en funcin de la temperatura27 28. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINIdentificacin de Condensadores Identificacin por colores. La unidad base es el picofaradio.Codificacin 101. La unidad base es el picofaradio. Con este sistemaCodificacin mediante letras y nmeros. ConCondensadores de tntalo: La unidad base es el Fse imprimen tres cifras; las dos primeras son significativas y la tercera es el factor multiplicador (nmero de ceros).este sistema se indica el valor de la capacidad y la tolerancia, que se indica con una letra. La unidad base es el picofaradio, a no se que se indique lo contrario con las letras n (nano) 0 (micro)Tema2: Introduccin a la electrnica28Los valores de la capacidad de los condensadores vienen impresos sobre el mismo componente, o estn indicados mediante aros coloreados, de forma anloga a como se hace con las resistencias. El cdigo 101 se utiliza en los condensadores cermicos como alternativa al cdigo de colores. Con este sistema se imprimen 3 cifras, las dos primeras son las significativas y la tercera indica el nmero de ceros que se deben aadir a las precedentes. El resultado se expresa siempre en picofaradios (pF).28 29. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINMagnetismo Cuando circula una corriente elctrica por un conductor, crea un campo magntico a su alrededor . Este campo magntico se puede detectar con una brjula situada en sus inmediaciones. Un campo magntico variable provoca una circulacin de corriente inducida en un conductor situado en sus inmediacionesSe observa que al mover el iman cerca del conductor bobinado, el ampermetro detecta una corriente elctrica..Tema2: Introduccin a la electrnica29El estudio de los fenmenos magnticos se basa en dos hechos experimentales: 1.- Cuando circula una corriente elctrica por un conductor, crea un campo magntico a su alrededor. (Experimento de Oersted). Los estudios de Biot y Savart demostraron que el campo magntico es proporcional a la corriente, y disminuye con el cuadrado de la distancia. La manera de obtener con facilidad el sentido del campo magntico es la regla de la mano derecha: si con esta mano envolvemos el conductor, como si nos fusemos a afirmar de l, de modo que el pulgar apunte en el sentido de la corriente (de + a ), las puntas de los restantes dedos sealarn el sentido del campo magntico B. Si la corriente que circula por el conductor cambia de sentido, el campo magntico generado tambin variar de sentido. 2.- Un campo magntico variable provoca una circulacin de corriente inducida en un conductor situado en sus inmediaciones (Ley de Faraday). Los estudios de Lenz demostraron que la f.e.m. Inducida en el conductor depende de la rapidez de la variacin del campo magntico y de la geometra del circuito. Actualmente el estudio de los fenmenos electromagnticos se basa principalmente en las fuerzas originadas por las cargas elctricas en movimiento.29 30. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINBobinas Autoinduccin f.c.e.m.= L di (Voltios) dtUna bobina es un componente pasivo formado por varias espiras de un conductor, enrolladas sobre un ncleo (que puede ser aire). Se llama autoinduccin de un circuito a la formacin de corrientes inducidas en el circuito por la variacin su propio campo magntico. La corriente autoinducida genera una fuerza contraelectromotiz f.c.e.m. autoinducida que se opone a la f.e.m. aplicada a la bobina.La f.c.e.m. autoinducida es proporcional a la velocidad de variacin de la corriente. El coeficiente de proporcionalidad, que depende de la geometra y construccin del circuito, se llama Coeficiente de autoinduccin L se mide en HenriosTema2: Introduccin a la electrnica30Segn la experiencia de Oersted, cuando circula una corriente por una bobina, se genera un campo magntico. Si la corriente que circula por la bobina es variable, se genera un campo magntico tambin variable. Y Segn la ley de Faraday, la bobina sometida a su propio campo magntico variable generar una f.e.m. autonducida sobre las propias espiras del conductor en forma de bobina, ahora ser f.e.m. Autoinducida, y que segn la ley de Lenz se opone a la f.e.m. Aplicada a la propia bobina. Esta tensin recibe el nombre de fuerza contra electromotriz fcem.30 31. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINReles electromecnicos Es un interruptor controlado por un electroiman. Cuando aplicamos a la bobina una tensin, se genera un campo magntico que magnetiza el ncleo de la bobina.. Este ncleo imantado atrae a la armadura, que es solidaria a los contactos elctricos, los cuales pueden ser abiertos o cerrados. Los contactos permanecen en esta situacin hasta que cesa la tensin en la bobina.Tema2: Introduccin a la electrnica31Es un dispositivo electromecnico, que funciona como un interruptor controlado por un electroiman. Consta de dos circuitos diferentes: un circuito electromagntico (electroimn) y un circuito de contactos, al cual aplicaremos el circuito que queremos controlar. Su funcionamiento se basa en el fenmeno electromagntico. Cuando la corriente contnua atraviesa la bobina, produce un campo magntico que magnetiza un ncleo de hierro dulce (ferrita). Este atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la corriente se desconecta vuelven a separarse. Cuando se excita la bobina de un rel con corriente alterna, el flujo magntico en el circuito magntico, tambin es alterno, produciendo una fuerza pulsante sobre los contactos.. Este hecho se aprovecha en algunos timbres y zumbadores31 32. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTipos de Reles Rels de Nucleo Movil.Rel tipo Reed o de LengetaTema2: Introduccin a la electrnicaRel de Tipo ArmaduraRels Polarizados32Tipo Armadura. Son los ms antiguos y tambin los ms utilizados. Su esquema se corresponde con la figura de la transparencia anterior. El electroimn hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es N.O N.C (normalmente abierto o normalmente cerrado). Rels de Nucleo Movil. Estos tienen un mbolo en lugar de la armadura anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su mayor fuerza atractiva (por ello es til para manejar altas corrientes). Rel tipo Reed o de Lengeta Formados por una ampolla de vidrio, en cuyo interior estn situados los contactos (pueden se mltiples) montados sobre delgadas lminas metlicas. Dichos contactos se cierran por medio de la excitacin de una bobina, que est situada alrededor de dicha ampolla. Rels Polarizados Llevan una pequea armadura, solidaria a un imn permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un electroimn y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al electroimn, se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad es la opuesta girar en sentido contrario, abriendo los contactos cerrando otro circuito( varios)32 33. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTransformadores Mquina elctrica utilizada para variar tensiones y corrientes alternas manteniendo fija la frecuencia.Tema2: Introduccin a la electrnicaConstan de dos bobinados sobre un ncleo de material ferromagntico. La relacin de transformacin entre las tensiones est en proporcin a la relacin entre el nmero de espiras de los bobinados.33Principio de funcionamiento: Cuando sobre las espiras de una de las bobinas (primario) se aplica una tensin alterna, la corriente alterna que circula por ella origina un campo magntico tambin variable en el tiempo, y por tanto un flujo magntico variable en el tiempo. El ncleo de material ferromagntico se utiliza para que la mayor cantidad posible de lneas de flujo magntico queden confinadas en l. De este modo, por la espiras de la otra bobina (secundario) sern atravesadas por ese flujo magntico variable en el tiempo, por lo que de acuerdo a la Ley de Faraday, aparecer una fuerza electromotriz inducida.33 34. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINGeneradores de Tensin El dispositivo que suministra la energa elctrica suficiente para que se produzca una corriente estacionaria en un conductor se llama fuente de fuerza electromotriz (fem ). Convierte la energa qumica o mecnica en energa elctrica El generador ideal mantiene la tensin constante entre sus bornes, independientemente de la corriente suministrada En el generador real la tensin disminuye al solicitarle ms corriente, debido a su resistencia internaTema2: Introduccin a la electrnica3434 35. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINPilas Son generadores de corriente contnua basados en dos metales (electrodos) de distinta tensin electroqumica, puestos en contacto mediante un electrolito.En las pilas hmedas el electrolito es una disolucin que permite el movimiento de las cargas entre los electrodos. En las pilas secas el electrolito es una pasta densa de sales de amoniaco.Tema2: Introduccin a la electrnica3535 36. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINAcumuladores Son generadores que almacenan energa qumica en forma de energa elctrica en el proceso de carga, para suministrarla a los receptores en el proceso de descargaLos ms usados son los de plomo y los de hierro/niquelLa capacidad de un acumulador es la energa que se puede obtener en el proceso de descarga. Se mide en Amperios/horaEl rendimiento de la descarga vara con la intensidad de descarga y la temperatura.Tema2: Introduccin a la electrnicaPor ejemplo, una bateria de 40 Ah quiere decir que debe suministrar una corriente de 1 A durante 1 h sin bajar su tensin en bornes. Otro dato importante son los ciclos de carga descarga (vida til), la descarga mxima admisible y el porcentaje de descarga espontnea. 3636 37. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINSemiconductores Estructura cristalina: Cada tomo comparte sus 4 electrones de valencia con los 4 tomos vecinos, formando una estructura muy estable.Semiconductor: Al aplicar una tensin, se produce una corriente muy baja, originada por los pocos electrones que son arrancados de la estructura estable.Tema2: Introduccin a la electrnica37Con la denominacin general de semiconductores, se califican ciertos cuerpos simples, tales como el silicio, germanio, etc., cuya estructura cristalina hace que no dispongan de electrones libres capaces de establecer una corriente elctrica; sin embargo, bajo determinadas condiciones, sus electrones exteriores o de valencia pueden ser liberados y, como consecuencia, se convierten en cuerpos conductores. Para conseguir este efecto se recurre a diversos procedimientos, tales como la luz o el calor, y sin duda el ms importante, introduciendo en la estructura cristalina del cuerpo ciertas sustancias de constitucin atmica determinada. Entre los materiales ms utilizados en la fabricacin de diodos semiconductores destacan el germanio y el silicio. Si se somete el cristal a una diferencia de tensin, se producen dos corrientes elctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conduccin, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tendern a saltar a los huecos prximos (2), originando una corriente de huecos en la direccin contraria al campo elctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conduccin.37 38. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDopado Consiste en introducir impurezas en los cristales de silicio o germanioLos tomos de 5 electrones de valencia aportan electrones libres al material. Obtenemos un cristal semiconductor tipo NTema2: Introduccin a la electrnicaLos tomos de 3 electrones de valencia aportan huecos libres al material. Obtenemos un cristal semiconductor tipo P 38Semiconductores extrnsecos Si a un semiconductor intrnseco, como el anterior, se le aade un pequeo porcentaje de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrnseco, y se dice que est dopado. Evidentemente, las impurezas debern formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente tomo de silicio. Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso, negativas), que se denominan portadores mayoritarios. Cuando el material dopante es aadido, ste aporta sus electrones ms dbilmente vinculados a los tomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es tambin conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones. Al aplicar una diferencia de potencial elctrico entre dos catas de un cristal tipo N, los portadores mayoritarios (electrones), son atraidos y se desplazan hacia el polo positivo de la fuente de alimentacin. Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, aadiendo un cierto tipo de tomos al semiconductor para poder aumentar el nmero de portadores de carga libres (en este caso positivos). Cuando el material dopante es aadido, ste libera los electrones ms dbilmente vinculados de los tomos del semiconductor. Este agente dopante es tambin conocido como material aceptor y los tomos del semiconductor que han perdido un electrn son conocidos como huecos. Al aplicar una diferencia de potencial elctrico entre dos catas de un cristal tipo P, los portadores mayoritarios (huecos), son atrados y se desplazan hacia el polo negativo de la fuente de alimentacin.38 39. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINUnin P-N Al combinar un cristal tipo P con otro tipo N, obtenemos una unin P-N.En la zona de unin, los electrones de la zona N se recombinan con los huecos de la zona P, creando una zona libre de portadores de carga, en la que el semiconductor tipo P tiene un exceso de electrones y el semiconductor tipo N tiene un exceso de huecos (Barrera de Potencial).Tema2: Introduccin a la electrnica39Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductore extrnsecos tipos p y n, por lo que tambin reciben la denominacin de unin pn. Hay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga elctrica, ya que en cada cristal, el nmero de electrones y protones es el mismo, de lo que podemos decir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0). La unin no es la composicin de dos cristales, sino que constituye un nico cristal que ha sido dopado con diferentes impurezas en cada una de sus mitades durante su fabricacin. Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusin de electrones del cristal n al p. Al establecerse estas corrientes de difusin, aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unin, zona que recibe diferentes denominaciones como zona de carga espacial, de agotamiento, de deplexin, de vaciado, etc. A medida que progresa el proceso de difusin, la zona de carga espacial va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unin. Sin embargo, la acumulacin de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo elctrico (E) que actuar sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondr a la corriente de electrones y terminar detenindolos. Este campo elctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensin entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.39 40. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDiodo Dispositivo semiconductor formado por una unin P-N y encapsulada convenientemente.SmboloEncapsulado Curva caractersticaPolarizacin Directa: CONDUCEPolarizacin Inversa: NO CONDUCETema2: Introduccin a la electrnica40Polarizacin directa El bloque PN en principio no permite el establecimiento de una corriente elctrica entre sus terminales puesto que la zona de deplexin no es conductora. Sin embargo, si se aplica una tensin positiva en el nodo, se generar un campo elctrico que "empujar" los huecos hacia la unin, provocando un estrechamiento de la zona de deplexin. Sin embargo, mientras sta exista no ser posible la conduccin. Si la tensin aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplexin y el dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es que: 1. Electrones y huecos se dirigen a la unin. 2. En la unin se recombinan. En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensin positiva a la zona P y negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas mviles la zona de deplexin La tensin aplicada se emplea en: Vencer la barrera de potencial.Mover los portadores de carga.Polarizacin inversa Al aplicar una tensin positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores mayoritarios prximos a la unin. Estos portadores son atrados hacia los contactos aumentando la anchura de la zona de deplexin. Esto hace que la corriente debido a los portadores mayoritarios sea nula . Ahora bien, en ambas zonas hay portadores minoritarios. Un diodo polarizado en inversa lo est en directa para los minoritarios, que son atrados hacia la unin. El movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior que la obtenida en polarizacin directa para los mismos niveles de tensin. Al aumentar la tensin inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la zona de deplexin, al igual que sucede en un material aislante: el campo elctrico puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes entre los tomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha.40 41. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDiodo RectificadorRectificador de media ondaRectificador de onda completaTema2: Introduccin a la electrnica41Los fabricantes clasifican sus diodos en dos grandes grupos: diodos para pequea seal y diodos rectificadores. Adems deben tenerse en cuenta las caractersticas de tensin y corriente que soportar el diodo: Tensin inversa mxima. Tensin inversa de pico repetitivo mxima Intensidad de corriente mxima en sentido directo Intensidad de corriente de pico repetitivo mxima en sentido directo Temperatura ambiente mxima. Cuando se desea rectificar una corriente alterna de RadioFrecuencia (RF), es preciso recurrir a un tipo especial de diodo rectificador de recuperacin rpida cuya peculiaridad principal est en la conmutacin rpida del estado de conduccin al de bloqueo, ya que los diodos rectificadores de uso comn tardan un cierto tiempo en pasar de un estado a otro.41 42. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDiodo Zener Polarizado inversamente, se produce una gran conduccin al llegar a la tensin de avalancha, manteniendo la tensin constante (V zener)Tema2: Introduccin a la electrnicaDiodo preparado para trabar en la zona inversa: Polarizado directamente funciona como un diodo normal.Se emplea como regulador de tensin 42El diodo Zener es un tipo especial de diodo preparado para trabajar en la zona inversa. Cuando se alcanza la denominada tensin Zener en polarizacin inversa, ante un aumento de la corriente a travs del diodo, ste mantiene la tensin constante entre sus terminales dentro de ciertos mrgenes. Si la corriente es muy pequea la tensin empezar a disminuir, pero si es excesiva puede destruir el diodo. Para conseguir esto se aprovecha la propiedad que tiene la unin PN cuando se polariza inversamente al llegar a la tensin de ruptura (tensin de zener), pues, la intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco. Para evitar la destruccin del diodo por la avalancha producida por el aumento de la intensidad se le pone en serie una resistencia que limita dicha corriente. Se producen desde 3,3v y con una potencia mnima de 250mW. Los encapsulados pueden ser de plstico o metlico segn la potencia que tenga que disipar. Esta propiedad hace que el diodo Zener sea utilizado como regulador de tensin en las fuentes de alimentacin. Cuando la tensin de entrada aumenta se produce un aumento de la corriente de entrada, como la tensin del diodo zener es constante no le queda ms remedio que absorber el exceso de corriente, mientras en la resistencia de entrada se absorbe esta variacin de tensin. Si se produce una disminucin de la tensin de entrada la cada de tensin en la resistencia de entrada disminuir, compensando la disminucin inicial, por el zener circular menor corriente. Del circuito se deduce que para que el zener estabilize correctamente, la tensin mnima a su entrada (UIN), debe ser mayor que la tensin de referencia del zener (Vz). Tambin hay un lmite de tensin mxima debida a las limitaciones de potencia del dispositivo. Si se cumplen estas premisas, la tensin en la carga ser muy aproximada igual a la del zener.42 43. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDiodos emisores de luz (LED) MaterialColorGaAs Ga AsP N/GaP GaPAs GaP CSiInfrarrojo Rojo Naranja Amarillo Verde Azul (nm) 880 660 610 590 555 480Diodos capaces de radiar luz visible cuando por ellos circula una corriente elctrica en sentido directo.Tensin en directo 1,3v 1,7v 2,0v 2,5v 2,5v 3,0vAl recombinarse los portadores (electrones-huecos) se libera energa radiante en el espectro visibleTema2: Introduccin a la electrnica43Este diodo presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador sin embargo, su tensin de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color del diodo. El conocimiento de esta tensin es fundamental para el diseo del circuito en el que sea necesaria su presencia, pues, normalmente se le coloca en serie una resistencia que limita la intensidad que circular por el. Cuando se polariza directamente se comporta como una lamparita que emite una luz cuyo color depende de los materiales con los que se fabrica. Cuando se polariza inversamente no se enciende y adems no deja circular la corriente. La intensidad mnima para que un diodo LED emita luz visible es de 4mA y, por precaucin como mximo debe aplicarse 50mA. Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el ctodo ser el terminal ms corto, siendo el ms largo el nodo. Adems en el encapsulado, normalmente de plstico, se observa un chafln en el lado en el que se encuentra el ctodo. Se utilizan como seal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. Se fabrican algunos LEDs especiales: LED bicolor.- Estn formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se suele utilizar en la deteccin de polaridad. LED tricolor.- Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado con el ctodo comn. El terminal ms corto es el nodo rojo, el del centro, es el ctodo comn y el tercero es el nodo verde. Display.- Es una combinacin de diodos LED que permiten visualizar letras y nmeros. Se denominan comnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en dos configuraciones: nodo comn y ctodo comn.43 44. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTransistoresTema2: Introduccin a la electrnica44Dentro de la denominacin de transistor se engloban un conjunto de dispositivos semiconductores que tienen en comn disponer de tres terminales en el encapsulado y un funcionamiento parecido, que consiste en controlar una corriente principal entre dos de sus terminales por medio de una tensin o corriente en el tercero. Pueden cumplir funciones de amplificacin, oscilacin, rectificacin o conmutacin. Los transistores son componentes esenciales porque toda la electrnica moderna los utiliza, ya sea en forma individual (discreta) como tambin formando parte de circuitos integrados, analgicos o digitales, de todo tipo: microprocesadores, controladores de motores elctricos, procesadores de seal, reguladores de voltaje, etc. Los transistores bipolares son dispositivos controlados por corriente, que constan de dos uniones PN. Los transistores JFET (Junction Field Effect Transistor) y MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), son dispositivos semiconductores de tres terminales cuyas corrientes se controlan mediante un campo elctrico creado por una tensin aplicada entre dos de sus terminales. Son dispositivos controlados por tensin. Tambin a diferencia de los BJT los procesos de conduccin tienen lugar en ellos fundamentalmente por los portadores mayoritarios, lo cual da pie a la denominacin de transistores unipolares. Existen dos tipos bsicos de transistores unipolares: FET de unin (JFET) y FET de puerta aislada (IGFET). Este ltimo tipo se conoce ms por las denominaciones: MOS, MOST o MOSFET. Se usarn las denominaciones FET para el primer tipo y MOSFET para el segundo. De cada uno de los dos tipos de transistores unipolares, FET o MOSFET, existen dos formas bsicas: canal n y canal p.44 45. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTransistor bipolar Segn la disposicin de las regiones se denominan PNP NPNTema2: Introduccin a la electrnicaDispositivo semiconductor formado por dos uniones PNLa regin comn que queda en medio se denomina base (es la ms estrecha), y las otras dos regiones emisor y colector.4545 46. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINPrincipio FuncionamientoTema2: Introduccin a la electrnica461.- El transistor tiene mayor concentracin de impurezas en el emisor. La regin tipo P (base) es ms estrecha que las regiones tipo N (Colector y Emisor). 2.- Al Al polarizar el transistor, este no conduce, ya que equivale a dos diodos conectados en serie-contrafase. En las uniones se produce una difusin de electrones y huecos del colector hacia el polo positivo de la pila, y de emisor hacia la regin de la base (empujados por el campo negativo de la pila). 3.- El campo elctrico forzado por la fuente e voltaje se divide entre las dos uniones, siendo mayor en la zona donde es mayor el dopado. 4.- Al polarizar el diodo base-emisor, se suprime la barrera en su unin, lo que permite no solo la circulacin de portadores en el mismo, sino que tambin obliga a la difusin de portadores hacia el colector.46 47. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINFuncionamiento del transistor En conmutacin funciona como un interruptor controlado por la corriente de base. En zona lineal se comporta como un amplificador de corriente. Se define la ganancia en corriente como la relacin entre la IC corriente de colector y la corriente de base:h fe =IBTema2: Introduccin a la electrnica47Al polarizar nicamente las zonas N (emisor y colector), no se establecer corriente ya que los portadores no pueden atravesar la zona P de la base. En esta situacin, tenemos dos diodos (Colector-Base y Base-Emisor) sin polarizar. Si aplicamos una pequea polarizacin positiva en la base, tendremos el diodo Emisor-Base polarizado en directa, por lo que conducir. Debemos recordar que la tensin de polarizacin de un diodo en directa est entre 0 a 0,7V. Como la base es muy estrecha, los portadores mayoritarios procedecentes del emisor se sentirn atrados por la tensin de colector que debe ser mucho mayor que la de base, con lo cual la corriente de electrones que atraves la unin Emisor-Base atravesar tambin la unin Base-Colector, y la corriente principal mayoritaria establecida en el dispositivo ser la corriente Emisor Colector, que ser tanto ms potente cuanto mayor sea la tensin del diodo base-emisor. En conclusin, aplicando una polarizacin entre Emisor y Colector, la tensin de base controla la corriente por el dispositivo.47 48. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTransistores Unipolares JFETTema2: Introduccin a la electrnica48La construccin de este tipo de transistores consiste en un canal que puede ser P N (n en la figura), que dispone de dos terminales denominados Fuente y Drenaje, entre los cuales es posible hacer circular una corriente elctrica proporcional a la tensin aplicada V- DS. A los lados del canal se encuentra una capa de material semiconductor del tipo distinto al del canal (p en la figura), que es accesible mediante un terminal denominado Compuerta (G gate). Polarizando convenientemente la compuerta respecto al terminal de Fuente, polarizaremos una unipon P-N en sentido inverso, aumentando la zona de empobrecimiento y disminuyendo la anchura del canal inicial. Al disminuir el canal la corriente entre Drenador y Fuente disminuir, pudiendo llegar a extinguirla completamente. De esta forma, controlamos la corriente entre Drenador y Fuente mediante la tensin aplicada al terminal de Puerta.48 49. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTransistores unipolares MOSFET Dispositivo semiconductor en los que la puerta se encuentra aislada de los cristales. Enriquecimiento: No existe el canal hasta que la tensin V gs no supera un valor humbral Vt. Empobrecimiento: Funciona de manera similar al JFET, la tensin de puerta controla la anchura del canal.Tema2: Introduccin a la electrnica49MOSFET: Metal-Oxido-Semiconductor Fiel-Effect Transistor. Tambin se denominan Transistores de Efecto de Campo con Puerta Aislada (Insulated Gate Field Effect Transistor, IGFET). Su caracterstica diferenciadores respecto a los JFET es que el cristal semiconductor denominado Puerta no se encuentra en contacto con el cristal principal, sino que se encuentra aislada mediante una placa y un xido metlico. Los pares complementarios CMOS constituyen el elemento bsico de los circuitos integrados digitales de las familia lgica CMOS. Con esta tecnologa se fabrican actualmente la mayora de los circuitos digitales de los ordenadores personales.49 50. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTiristores Tema2: Introduccin a la electrnicaUn tiristor es un rectificador controlado, donde la corriente circula de forma unidireccional (desde el nodo al ctodo). Esta circulacin de corriente es iniciada por una corriente pequea de seal desde la puerta al ctodo (haciendo su puerta positiva respecto al ctodo) Permanece activado hasta que la corriente Anodo-Ctodo desciende de un valor.50IL= Corriente de carga que debe atravesar el dispositivo para que este se mantenga disparado, es decir, si aplicamos una tensin de puerta pero la corriente Anodo Ctodo no se mantiene por encima del valor de IL, el dispositivo no se activar. IH= Corriente de carga mnima para garantizarnos que el dispositivo se encuentra bloqueado. Es decir, si la corriente de carga no desciende de IH, es posible que el siguiente ciclo vuelva a conducir incluso sin tensin de puerta.50 51. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINTRIAC Tema2: Introduccin a la electrnicaUn triac poder mirarse como un "tiristor bidireccional" debido a que conduce en ambas direcciones, la corriente circula actual en cualquiera de las dos direcciones entre los terminales principales MT1 y MT2. El disparo es iniciado por una corriente pequea (positiva o negativa) aplicada entre el terminal de puerta y MT1.5151 52. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINComprobacin de Semiconductores Un polmetro digital en la posicin de diodo permite medir la cada de tensin en la unin. 0,4 a 0,7 en directa Circuito abierto en inversaDiodo Transistor Bipolar Tiristor Transistor MOSFETTema2: Introduccin a la electrnica52DIODOS Al conectar el diodo con la pinza positiva (rojo) en el nodo y la pinza negativa (negro) en el ctodo, el polmetro medir la cada de tensin en la unin. Al conectar las pinzas alternadas, estaremos polarizando el diodo en sentido inverso, y marcar circuito abierto (normalmente 1) TRANSISTOR Para comprobar el transistor, en primer lugar deberemos identificar los terminales de Emisor, Base y Colector, y el tipo de transistor (NPN PNP). A continuacin se procede comprobando cada una de las uniones como en el caso del diodo. TIRISTOR Para comprobar el tiristor, en primer lugar deberemos identificar los terminales de nodo, Ctodo y Puerta. Al situar las pinzas en el nodo y ctodo alternativamente, marcar circuito abierto. A continuacin situamos la pinza positiva en el nodo y la pinza negativa en el ctodo, conectamos momentneamente la Puerta con el nodo, lo cual permitir el paso de corriente, y el multmetro marcar la cada de tensin en la unin (depende del tipo de tiristor). TRANSISTOR MOSFET Situar la pinza negativa en el terminal de fuente. Situar la pinza positiva en el terminal de puerta. A continuacin situar la pinza positiva al terminal drenaje. Debemos obtener una lectura baja. La capacidad de la puerta se ha cargado y el dispositivo es altamente conductor. Con el terminal an situada en el drenaje, tocar con el dedo entre fuente y puerta. La puerta se descarga a travs de la impedancia de la piel, y el medidor52 53. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINEncapsuladosTema2: Introduccin a la electrnica53Se llama encapsulado al soporte fsico en el que se aloja el dispositivo semiconductor. Existen multitud de encapsulados distintos, cada uno con unas propiedades trmicas o de tamao que las hace indicadas para cada aplicacin. Los encapsulados mostrados para transistores son tambin utilizado para otros dispositivos semiconductores, tanto discretos (transistores, diodos, etc.) como integrados (reguladores, comparadores, etc.). En la figura se muestran, a modo de ejemplo, algunos de los tipos de encapsulados ms utilizados.53 54. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINAmplificador Un circuito electrnico, formado por dispositivos activos y pasivos, cuya misin es aumentar o amplificar el valor (en tensin, corriente o potencia) de una seal aplicada.La seal a amplificar se aplica en los terminales de entrada, y la seal obtenida se obtiene de los terminales de salida. Se pueden encontrar como equipos aislados o como bloque que forma parte de otros sistemasLas principales caractersticas que debemos observar en la eleccin de un amplificador son:Ganancia (en potencia, tensin o corriente) Impedancia de entrada Impedancia de salida Ancho de banda Distorsin Respuesta en frecuenciaTema2: Introduccin a la electrnica54Un amplificador puede ser definido como un dispositivo o circuito capaz de aumentar una seal dada. Para conseguir una amplificacin trabajamos con los llamados componentes activos, que son dispositivos capaces de provocar cambios en las condiciones de un circuito reaccionando ante las seales aplicadas. Podemos considerar que los elementos activos aportan energa al circuito (que obtienen de la fuente de alimentacin), en lugar de consumirla (como es el caso con las resistencias, condensadores y bobinas). La mayora de los elementos activos utilizados en los circuitos modernos son dispositivos creados a partir de materiales semiconductores. TIPOS DE AMPLIFICADORES: Amplificadores clase A Son aquellos amplificadores cuyas etapas de potencia consumen corrientes altas y continuas de su fuente de alimentacin, independientemente de si existe seal de entrada o no. Amplificadores de clase B Son aquellos amplificadores que tienen la peculiaridad de no disponer de corriente a travs de los semiconductores de salida si no existe una seal de entrada presente. Amplificadores de clase AB Son aquellos amplificadores que producen a la salida una pequea alimentacin constante, independiente del estado de las entradas. Amplificadores de clase D Los amplificadores de clase D se basan en la conmutacin entre dos estados (aunque existen variaciones multinivel), con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en corte o en saturacin.54 55. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCaractersticas de un amplificador Ganancia en tensin: Es la relacin entre la tensin de salida y la tensin de entrada del amplificadorAV =V salida V entradaGanancia en corriente: Es la relacin entre la corriente de salida y la corriente de entrada del amplificadorRespuesta en frecuencia: curva que nos muestra el comportamiento de la ganancia del amplificador para cada frecuencia de entrada.Ancho de banda: Intervalo de frecuencias en las que la ganancia es de al menos el 70% de la mxima del amplificador.Ganancia en potencia: Es la relacin entre la potencia entregada a la salida y la potencia de entrada del amplificador Impedancia de entrada: la impedancia que presenta el amplificador desde sus terminales de entrada. Impedancia de salida: impedancia que presenta el amplificador desde sus terminales de salidaTema2: Introduccin a la electrnicaDistorsin: Deformacin sufrida por la seal de entrada al pasar por el amplificador.55La distorsin es el fenmeno por el cual una seal pura (una sola frecuencia) se deforma al pasar por el amplificador, apareciendo a la salida la seal introducida ms una serie de armnicos de esta. Esto se traduce en que en el dominio del tiempo (osciloscopio) al comparar las dos seales se apreciar una distorsin entre ambas, y en el dominio de la frecuencia (analizador de espectro) aparecern componentes de otras frecuencias.55 56. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINDecibelios GananciadB1 20 0,30130,47740,699 1201,301301,477401,602501,699100 2002 2,3013002,4774002,2625002,699100Es una unidad de medida utilizada en electrnica para indicar la relacin entre un valor de entrada y salida cuando su rango es muy amplio.0,6025 103Tema2: Introduccin a la electrnicaLa ganancia en dB del amplificador ser:dB = 10 logP salida P entrada56Las expresiones en decibelios (dB), son comparaciones logartmicas (en base 10) entre magnitudes del mismo tipo, por tanto son adimensionales. Se utilizan ampliamente en telecomunicaciones por razones de tipo prctico: convierten las multiplicaciones y divisiones en sumas y restas respectivamente, simplificando por tanto las expresiones numricas. Para calcular la ganancia total de un sistema de varias etapas, se multiplican las ganancia de cada etapa. De forma que si la ganancia viene expresada en dB, la ganancia total de sistema ser la suma de los dB de cada etapa56 57. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINAmplificador Operacional Alimentacin positiva (+Vcc) Entrada inversoraEntrada no inversora+Salida Alimentacin negativa (-Vcc)Componente electrnico integrado que bsicamente realiza la funcin de amplificar. Se utiliza y analiza como un bloque (sin tener en cuenta sus elementos constitutivos) La tensin de salida es igual al producto de la ganancia A por la diferencia de tensin entre las entradas Vd.CaractersticaIDEALESGanancia en lazo abiertoInfinitaAncho de BandaREALES 103 a 106Infinito0 a MHzImpedancia de entradaInfinita6Impedancia de salidaNula100 ?Ofset de entradaCeroV10a 1012 ?Tema2: Introduccin a la electrnica57Parmetros Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensin en ausencia de realimentacin. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o logartmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V. Tensin en modo comn. Es el valor medio de tensin aplicado a ambas entradas del operacional. Tensin de Offset. Es la diferencia de tensin, aplicada a travs de resistencias iguales, entre las entradas de un operacional que hace que su salida tome el valor cero. Corriente de Offset. Es la diferencia de corriente entre las dos entradas del operacional que hace que su salida tome el valor cero. Margen de entrada diferencial. Es la mayor diferencia de tensin entre las entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las especificaciones. Corrientes de polarizacin (Bias) de entrada. Corriente media que circula por las entradas del operacional en ausencia de seal Slew rate. Velocidad de cambio de la tensin de salida ante un escaln a la entrada. Se mide en V/s, kV/s o similares. Rechazo de Rizado en modo comn. Cociente entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo comn (Relacin entre la tensin de salida y la semisuma de las entradas cuando ambas estn al mismo potencial).. Se mide en dB.57 58. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINCircuitos con Amplificadores Operacionales Tema2: Introduccin a la electrnicaLas caractersticas reales se pueden modificar con la realimentacin aplicada. La realimentacin normalmente es negativa. Existen multitud de montajes para realizar diversas operaciones5858 59. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINFiltros Frecuencia: Es una medida que indica el nmero veces que se repite una seal elctrica en la unidad de tiempo. Periodo: Indica la duracin temporal de una onda completa de la seal. Es la inversa de la frecuencia.Espectro de frecuencia: Representacin de la localizacin de las frecuencias de una seal respecto de su intensidadTema2: Introduccin a la electrnica59Frecuencia: La frecuencia es el nmero de oscilaciones completas que una onda efecta en el intervalo de tiempo de 1 segundo. Tambin llamada ciclos por segundo, se mide en Hertz (Hz), en honor al famoso fsico austriaco. Longitud de onda: indica el tamao de una onda. Entendiendo por tamao de la onda, la distancia entre el principio y el final de una onda completa (ciclo). Por ser una distancia se mide en metros, o en cualquiera de sus submltiplos (centmetros o milmetros). Tambin se define como la separacin espacial existente entre dos puntos cuyo estado de movimiento es idntico. La longitud de onda se representa con la letra griega (lambda). El espectro de frecuencia es una medida de la distribucin de amplitudes de cada frecuencia. Tambin se llama espectro de frecuencia al grfico de intensidad frente a frecuencia de una onda particular.59 60. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINFiltros 2 Filtro: elemento que elimina (filtra) la seal que tiene una determinada frecuencia, sin modificar el resto.Filtrado paso-bajo: Mantiene las bandas de frecuencia por debajo de la frecuencia de corte del filtroFiltrado paso-alto: Mantiene las bandas de frecuencia por encima de la frecuencia de corte del filtroFiltrado paso-banda: Elimina las bandas de frecuencia anterior y posterior a la frecuencia de paso del filtroFiltrado banda-eliminada: Elimina una bandas de frecuencia que no coinciden con las frecuencias del filtroTema2: Introduccin a la electrnica60Un filtro elctrico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de frecuencias de una seal elctrica que pasa a travs de l, pudiendo modificar tanto su amplitud como su fase. La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la seal entrante cae hasta un 70.7 % de su valor mximo. El rango de frecuencias que resultan eliminadas se denomina Banda Eliminada El rango de frecuencias que dejan pasar se denomina Banda de Paso Tipos de filtro Atendiendo a sus componentes constitutivos, naturaleza de las seales que tratan, respuesta en frecuencia y mtodo de diseo, los filtros se clasifican en los distintos grupos: Segn respuesta frecuencia Filtro paso bajo: Es aquel que permite el paso de frecuencias bajas, desde frecuencia 0 o continua hasta una determinada. Presentan ceros a alta frecuencia y polos a bajas frecuencia. Filtro paso alto: Es el que permite el paso de frecuencias desde una frecuencia de corte determinada hacia arriba, sin que exista un lmite superior especificado. Presentan ceros a bajas frecuencias y polos a altas frecuencias. Filtro paso banda: Son aquellos que permiten el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Filtro banda eliminada: Tambin llamado filtro rechaza banda, es el que dificulta el paso de componentes frecuenciales contenidos en un determinado rango de frecuencias, comprendido entre una frecuencia de corte superior y otra inferior. Filtros activos y pasivos Filtro pasivo: Es el constituido nicamente por componentes pasivos como condensadores, bobinas y resistencias. Filtro activo: Es aquel que puede presentar ganancia en toda o parte de la seal de salida respecto a la de entrada. En su implementacin se combinan elementos activos y pasivos. Siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales60 61. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINSeales en un circuito elctrico Seal analgica: Puede tomar cualquier valor de amplitud. Variacin continua de amplitud en el tiempo Normalmente la seal obtenida fsicamente es analgicaTema2: Introduccin a la electrnicaSeal digital: Solo toma un numero finito de amplitudes En lgica binaria dos Usualmente cambia la amplitud en instantes espaciados uniformemente6161 62. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINSistemas de Codificacin binariosTema2: Introduccin a la electrnica6262 63. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINConversin Analgico/DigitalTema2: Introduccin a la electrnica63Se trata de convertir la seal analgica continua, que puede tomar cualquier valor en el tiempo, a seal digital, que solo puede tomar dos valores. Para realizar la conversin se utiliza un sistema de codificacin binario, que asigna a cada rango de valores analgicos una cifra decimal.63 64. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINConversin Digital/AnalgicaTema2: Introduccin a la electrnica64Se trata de reconstruir la seal analgica original a partir de las cifras decimales en las que se encuentra codificada. Para ello se asigna un valor de tensin a cada palabra.64 65. CURSO DE ELECTRNICA BSICA E INSTRUMENTACINProcesamiento Digital de SealesTema2: Introduccin a la electrnica6565

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