Tema 1: Componentes de los circuitos elctricosImparte: Dra. Elsi MejaCCADET UNAME-mail: elsi.mejia@ccadet.unam.mx

Que son los circuitos elctricos?Un circuito elctrico es una interconexin de componentes elctricos unidos entre s de forma que pueda fluir una corriente elctrica.

Qu es la corriente elctrica?Es la circulacin de electrones a travs de un circuito elctrico cerrado, de un material sometido a una diferencia de potencial.

Magnitudes elctricas fundamentales Carga elctrica: Es una fuerza fundamental de la naturaleza y es una propiedad intrnseca de la materia. Su unidad es el Coulomb (C). 1 Coulomb = 6,25x1018 electrones

Intensidad de la corriente elctrica: La variacin de carga elctrica a travs de la seccin trasversal de un conductor se define como corriente elctrica o Intensidad de corriente elctrica.Su unidad es el Ampre (A), y es equivalente a Coulomb dividido entre segundos (C/s).A= C/s

Voltaje: La diferencia de potencial o tensin entre dos puntos, es el trabajo realizado al mover la carga unidad entre esos puntos. Se mide en Voltios (V).

Vab= dw / dq

Vab: Tensin entre a y bw: Trabajoq: CargaComo se puede deducir de la definicin las dimensiones del voltio son:V=J/C = N.m /C

Energa elctrica: es causada por el movimiento de las cargas elctricas en el interior de los materiales conductores, y produce efectos luminosos, trmico y magntico.Se la representa con la letra w. Su unidad es el Joule (J).Potencia elctrica: Se define potencia elctrica como el trabajo realizado por unidad de tiempo.

La potencia elctrica consiste en la capacidad que tiene un determinado circuito elctrico para desarrollar un trabajo, en un determinado tiempo. Est dada por la variacin de la energa en el tiempo.Su unidad es el Watt (W), que es equivalente a J/s.

Qu son los componentes electrnicos y para que sirven?Son los elementos que integran un circuito electrnico.

Los cuales se ensamblan para poder conseguir la accin necesaria sobre el flujo de electrones.

Se clasifican segn:Su estructura fsica:Discretos: Encapsulados, como las resistencias, condensadores, diodos, etc.Integrados: Llevan ms de un elemento, como un amplificador, etc.Su material de fabricacinSemiconductores: Silicio y germanioNo semiconductoresSu funcionamientoActivos: generan corriente, ganancia o control.Pasivos: son los que sirven de puente o unin entre los componentes activos.Su consumo de energaElectromagnticos: propiedades electromagnticas como transformadores .Electroacsticos: transforman energa acstica en elctrica o viceversa como micrfonos, bocinas, etc.Optoelectrnicos: transforman energa luminosa en elctrica o viceversa como diodos LED, celdas fotoelctricas, etc.

Principalmente se dividen en:Activos: los componentes que son capaces de aportar energa elctrica para crear esta diferencia de potencial o tensin, se denominan componentes activos. Pasivos: Los componentes pasivos son aquellos que consumen energa o la almacenan.

Componentes pasivos:

1.- Resistencias 2.- Condensador 3.- Inductores 4.- Potencimetros 5.- Transductores 6.- Transformador 7.- Zumbador 8.- Fusible 9.- Interruptor controlador por compuerta (rel)Componentes activos: 1.- Transistores 2.- Amplificadores Operacionales 3.- Comparadores de Voltaje 4.- Diodos 5.- Bateras 6.- Compuerta Lgica 7.- FPGA 8.- Emisor de Campo 9.- Triac

Los fenmenos electromagnticos bsicos empleados en los circuitos elctricos son tres:Efecto resistivo: Representa la cada de tensin electrocintica en el interior de un conductor.

Efecto capacitivo: Se produce por el almacenamiento de cargas en un sistema formado por dos conductores separados por una pequea distancia.

Efecto inductivo: Producido por la influencia de los campos magnticos. Los componentes ideales pasivos basan su funcionamiento en uno de estos tres efectos electromagnticos.

ResistenciaLa resistencia elctrica de un componente del circuito se define como la proporcin entre el voltaje aplicado y la intensidad de corriente elctrica que fluye a travs de el:

CondensadorLa funcin de un capacitor es almacenar cargas elctricas de forma instantnea y liberarla de la misma forma en el preciso momento que se requiera. La relacin entre la cantidad de carga acumulada y la diferencia de potencial que ha provocado dicha acumulacin, determinan una constante que caracteriza a todo condensador, denominada capacidad C. La capacidad se mide en Faradios (F) y se puede expresar como:

InductoresSon construidos con hilos conductores arrollado con un nmero N de vueltas. Cada vuelta es una espira, cuando la bobina es recorrida por una corriente elctrica i(t), el campo magntico creado dar lugar a un flujo que recorre el interior del solenoide, atravesando todas las espiras.

Toda bobina queda determinada por el valor de una constante (L) llamado coeficiente de autoinduccin, que se mide en Henrios (H), y relaciona el flujo creado en la bobina con la intensidad que la recorre:

PotencimetrosLos potencimetros son resistencias variables que limitan el paso de la corriente elctrica provocando una cada de tensin en ellos al igual que en una resistencia, pero en este caso el valor de la corriente y la tensin en el potencimetro las podemos variar solo con cambiar el valor de su resistencia.Hay diferentes tipos de potencimetros: rotatorios, lineales, logartmicos y senoidales.Smbolo del potencimetro mecnico

TransductoresLos transductores son aquellas partes de una cadena de medicin que transforman una magnitud fsica en una seal elctrica. Los transductores son especialmente importantes para que los medidores puedan detectar magnitudes fsicas. Normalmente, estas magnitudes, como por ejemplo temperatura, presin, humedad del aire, presin sonora, caudal o luz se convierten en una seal normalizada

TransformadorSe denomina transformador a un dispositivo elctrico que permite aumentar o disminuir la tensin en un circuito elctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La relacin de transformacin (a) nos indica el aumento decremento que sufre el valor de la tensin de salida con respecto a la tensin de entrada, esto quiere decir, por cada volt de entrada cuntos volts hay en la salida del transformadorDonde: (Np) es el nmero de espiras del devanado primario, (Ns) del devanado secundario, (Vp) es la tensin en el devanado primario tensin de entrada, (Vs) del devanado secundario tensin de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario corriente de entrada, e (Is) del devanado secundario corriente de salida.

ZumbadorEs un transductor electroacstico que produce un sonido o zumbido continuo o intermitente de un mismo tono. Sirve como mecanismo de sealizacin o aviso, y son utilizados en mltiples sistemas como en automviles o en electrodomsticos, incluidos los despertadores. Smbolo electrnico.

FusibleLos fusibles son pequeos dispositivos que permiten el paso constante de la corriente elctrica hasta que sta supera el valor mximo permitido. Cuando aquello sucede, entonces el fusible, inmediatamente, cortar el paso de la corriente elctrica a fin de evitar algn tipo de accidente, protegiendo los aparatos elctricos de "quemarse" o estropearse.

Interruptor controlado por compuerta (rel)Un relevador o rel elctrico es un interruptor que est controlado elctricamente. Pueden ser energizados con fuentes de alimentacin AC (corriente alterna) o CC (corriente continua). Funciona como un interruptor controlado por un circuito elctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimn, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos elctricos independientes, puede considerarse como un amplificador elctrico.

TransistoresSus funcione son: Dejar pasar o corta seales elctricas a partir de una pequea seal de mando y funciona como un elemento amplificador de seales. Hay dos tipos bsicos de transistor:a) Transistor bipolar o BJT (Bipolar Junction Transistor)Consta de tres cristales semiconductores unidos entre s. Segn como se coloquen los cristales hay dos tipos bsicos de transistores bipolares: Transistor NPN: un cristal P est situado entre dos cristales N y el transistor PNP: un cristal N est situado entre dos cristales P

b) Transistor de efecto de campo, FET (Field Effect Transistor) o unipolar. Es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal semiconductor, aplicando un campo elctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente.

Aplicaciones:Generacin de seal (osciladores, generadores de ondas, emisin de radiofrecuencia)Conmutacin, actuando de interruptores (control de rels, fuentes de alimentacin conmutadas, control de lmparas, modulacin por anchura de impulsos PWM)Deteccin de radiacin luminosa (fototransistores)

Amplificadores operacionalesSe trata de un dispositivo electrnico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G(V+ V)el ms conocido y comnmente aplicado es el UA741 o LM741.

Comparadores de voltajeUn comparador es un circuito analgico que monitorea dos entradas de voltaje. Uno es llamado voltaje de referencia (Vref) y el otro voltaje de entrada (Vin). Cuando Vin se incrementa por encima o se reduce por debajo de Vref, la salida (Vout) del comparador cambia de estado entre bajo y alto.

DiodosEs el dispositivo semiconductor ms sencillo y se puede encontrar prcticamente en cualquier circuito electrnico. Constan de la unin de dos tipos de material semiconductor, uno tipo N y otro tipo P, separados por una juntura llamada barrera o unin. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la ms utilizada) y de germanio. Esta barrera o unin es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.

El diodo se puede hacer funcionar de 2 maneras diferentes:

Polarizacin directa: Cuando la corriente circula en sentido directo, es decir del nodo A al ctodo K, siguiendo la ruta de la flecha (la del diodo). En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportndose prcticamente como un corto circuito. El diodo conduce.

Polarizacin inversa: Cuando una tensin negativa en bornes del diodo tiende a hacer pasar la corriente en sentido inverso, opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del ctodo al nodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prcticamente como un circuito abierto. El diodo est bloqueado.

Diodo ZenerTambin llamado diodo regulador de tensin, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la caracterstica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensin de valor constante. Este fenmeno de tensin constante en el sentido inverso convierte a los diodos de Zener en dispositivos excepcionalmente tiles para obtener una tensin relativamente invisible a las variaciones de la tensin de alimentacin, es decir, como dispositivos reguladores de tensin.

Diodo rectificadorLos diodos rectificadores son aquellos dispositivos semiconductores que solo conducen en polarizacin directa (arriba de 0.7 V) y en polarizacin inversa no conducen. Estas caractersticas son las que permite a este tipo de diodo rectificar una seal.Los hay de varias capacidades en cuanto al manejo de corriente y el voltaje en inverso que pueden soportar.

Diodo Varactor (Varicap)Este diodo, tambin llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya caracterstica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensin inversa a l aplicada.Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisin y los de receptores de radio en FM.

Diodo tnelSu curva caracterstica describe un tnel de all su nombre. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido de paso ofrece unas variantes segn la tensin que se le somete. La intensidad de la corriente crece con rapidez al principio con muy poco valor de tensin hasta llegar a la cresta (C) desde donde, al recibir mayor tensin, se produce una prdida de intensidad hasta D que vuelve a elevarse cuando se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensin.

FotodiodoEs una unin de material P y materials N polarizada inversamente. Son diodos sensibles a la luz. Generan un voltaje de corriente continua proporcional a la cantidad de luz que incide sobre su superficie, es decir, son diodos de unin PN cuyas caractersticas elctricas dependen de la cantidad de luz que incide sobre la unin. Se utilizan como medidores y sensores de luz y en receptores pticos de comunicaciones

Diodo emisor de luz (LED)El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado. El voltaje de polarizacin de un LED vara desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.

MaterialLongitud de OndaColorVd TpicaAsGa904 nmIR1 VInGaAsP1300 nmIR1 VAsGaAl750-850 nmRojo1,5 VAsGaP590 nmAmarillo1,6 VInGaAlP560 nmVerde2,7 VCSi480 nmAzul3 V

Cuando una unin PN es polarizada en sentido directo, los electrones, que son mayoritarios en la regin tipo N, son inyectados en la regin tipo P donde ellos se recombinan con huecos. Sucede inversamente para los huecos. La estructura base de un diodo electroluminiscente, LED (Light Emitting Diode), es una unin PN realizada con semiconductores en los cuales las recombinaciones de los portadores en exceso son esencialmente radiativos.Diagrama de emisin del LED

Diodo Schottky (diodo de barrera)A diferencia del diodo semiconductor normal que tiene una unin PN, este diodo tiene una unin Metal-N.Son dispositivos que tienen una cada de voltaje directo (VF) muy pequea, del orden de 0.3 V o menos. Operan a muy altas velocidades y se utilizan en fuentes de potencia, circuitos de alta frecuencia y sistemas digitales. Reciben tambin el nombre de diodos de recuperacin rpida (Fast recovery) o de portadores calientes. Su smbolo es:

Diodo lserTodos los lseres de diodo estn construidos con materiales semiconductores, y todos muestran propiedades que son caractersticas de diodos elctricos.Las bandas de energa en un semiconductor se dividen en dos grupos : Banda de Valencia - Los electrones en la banda de valencia estn ligados a los tomos del semiconductor. Banda de Conduccin - Los electrones en la banda de conduccin estn libres y pueden moverse por el semiconductor.

Poblacin de las bandas de energaEquilibrio termodinmico Inversin de poblacin a 0KInversin de poblacin a 300K

Diagrama de diodo lserCavidad lserDistribucin espectral de ganancia y prdidasG(E)>p(E) +1/L Ln 1/R

Diodo GunnTambin conocido como un dispositivo de transferencia de electrones, es una forma de diodo, un componente electrnico semiconductor (GaAs y InP), utilizado en la electrnica de alta frecuencia y es un instrumento eficaz para la generacin de oscilaciones en el rango de las microondas en los materiales semiconductores. Su construccin interna es a diferencia de otros diodos en que consta slo de material semiconductor dopado N, mientras que la mayora de los diodos consisten tanto en las regiones N-dopadas P.El efecto Gunn es una propiedad del cuerpo de los semiconductores y no depende de la unin misma, ni de los contactos, tampoco depende de los valores de voltaje y corriente y no es afectado por campos magnticos.

Bateras o acumulador elctricoEs un dispositivo que consiste en una o ms celdas electroqumicas que pueden convertir la energa qumica almacenada en electricidad. Cada celda consta de un electrodo positivo, o ctodo, un electrodo negativo, o nodo y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, facilitando que la corriente fluya fuera de la batera para llevar a cabo su funcin.Tipos de bateras:Plomo-cidoNquel-hierroNquel-calmioNquel-hidruro metlicoIones de litio:Que utilizan un nodo de grafito y un ctodo de xido de cobalto, trifilina (LiFePO4) u xido de manganeso.

Compuertas lgicasSon circuitos que generan voltajes de salida en funcin de la combinacin de entrada correspondiente a las funciones lgicas, las cuales trabajan con estados lgicos (0,1), que se asignan de acuerdo a la lgica positiva o negativa.Lgica Positiva: Una tensin alta representa un 1 binario y una tensin baja representa un 0 binario.

Lgica Negativa: Una tensin alta equivale a un 0 binario y una tensin baja equivale a 1 binario.

Existen diferentes tipos de compuertas:AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR

FPGA (Fields Programmable Gate Array)Es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lgica cuya interconexin y funcionalidad puede ser configurada 'in situ mediante un lenguaje de descripcin especializado. La lgica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lgica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un chip.

Emisor de campoLos emisores de campo son componentes electrnicos capaces de arrancar electrones de un slido por la accin exclusiva de un campo elctrico fuerte. Se fabrican por micromecanizado de un conductor, habitualmente molibdeno o silicio dopado convenientemente, y mediante tcnicas de capa fina. Aplicaciones: fuente de electrones para vlvulas de vacoMotores de satlites artificialesPantallas planasLitografa por haz de electrones, espectrmetros de masas, microscopia electrnica, etc.

TriacEs un dispositivo semiconductor de la familia de los transistores y es de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversin de la tensin o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El triac puede ser disparado independientemente de la polarizacin de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa.

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