ELECTRÓNICA ANALÓGICA

No cabe duda que en el mundo de hoy en día la Electrónica juega un papel de vital importancia. En las comunicaciones, en el transporte, en el hogar, en el Instituto,... encontramos infinidad de aplicaciones de esta rama de la Tecnología. Nada más que por ello, merece la pena su estudio.

 

La electricidad dio origen a la electrónica. La electrónica es la ciencia que estudia y diseña dispositivos relacionados con el comportamiento de los electrones en la materia.

     

Los dispositivos electrónicos se encargan de convertir en señales eléctricas la información procedente del mundo exterior (luz, sonidos, cambios de temperatura, etc), de procesar estas señales y transformarlas en otra fuente de energía que produce un cierto efecto (activa un timbre, hace vibrar un altavoz, ilumina una pantalla....)

 

Diferencia entre electricidad y electrónica, mientras que en la primera son frecuentes tensiones de 220V o 380V (tensión industrial), y en pocos casos inferiores a los 12V, así como intensidades del orden o superiores al amperio, en la electrónica hablamos de tensiones máximas precisamente de 12 voltios, e intensidades típicas del orden de los miliamperios (mA).

    

La diferencia entre la electricidad y la electrónica es que la electricidad trabaja con conductores y la electrónica con semiconductores (silicio y germanio), que tienen unas propiedades diferentes, normalmente, son aislantes, pero en determinadas circunstancias permiten el paso de la corriente eléctrica.

     

A continuación vamos a estudiar uno por uno  los componentes básicos de un circuito electrónico, que son los que vamos a encontrar si abrimos cualquier aparato electrónico, como un ordenador, un DVD, MP3, etc.

1.- COMPONENTES ELECTRÓNICOS

Los circuitos electrónicos están formados por componentes individuales, cuyos comportamientos, funciones, características, e incluso formas, se deben conocer para diseñar y construir correctamente circuitos electrónicos.

 

1.- RESISTENCIAS.  

 

La resistencia es un operador electrónico, cuya principal función en un circuito es la disminuir la intensidad de corriente que lo atraviesa (con ello, ayudará a proteger otros elementos que haya en el circuito).

• En electricidad, la oposición al paso de la corriente hace que las resistencias produzcan calor (un horno, secador,..)
• En electrónica se trabajan con resistencias mucho más pequeñas que, al oponerse al paso de corriente, limitan el valor de la intensidad que pasa por el circuito.

 Hay dos tipos de resistencias: fijas y variables. Las fijas tienen un valor que no cambia, pero las variables pueden ajustarse a voluntad del usuario, normalmente con un mando giratorio o deslizante.

 

Se representan igual que en electricidad, se mide en ohmios, aunque en ocasiones también pueden ser múltiplos.

  a) Resistencias fijas: están formadas por carbono:

 

 

Código de colores.

Las cuatro barras de color que puedes ver en una resistencia tienen la función de indicarnos sus valor, es decir, de cuántos ohmios son.

 

- La primera banda de color nos indica la primera cifra del valor de la resistencia.

- La segunda banda, el segundo valor.

- La tercera banda, nos indica el número de ceros que siguen a los dos números anteriores.

- La cuarta banda nos indica la tolerancia, o lo que es lo mismo, el margen de error de la resistencia. Ninguna resistencia tiene una valor exacto. En cada momento, el valor puede oscilar entre el indicado y un porcentaje que viene dado por la banda de tolerancia, según el siguiente código:

 

 

 

 

Ejercicios

b) Resistencias variables
   
1. Potenciómetros. Son resistencias de valor variable, su valor se modifica haciendo girar la pieza de dentro con un destornillador, llamado cursor.

Se emplea como regulador de la intensidad que atraviesa un circuito (o una parte de él). Gracias a un potenciómetro, podremos ajustar la sensibilidad de nuestros circuitos: la sensibilidad a la temperatura, etc..

Puedes entender como funciona el potenciómetro fijándote en estos circuitos. En el de la izquierda, el potenciómetro está en su máximo valor, 10K, por lo que la bombilla no brilla. En cambio, en el de la derecha hemos girado su palanca y hemos reducido su valor a 0 Ohmios por lo que la bombilla brilla.

 

2. LDR (Light Dependent Resistor). Son resistencias que varían con la luz, también llamadas fotorresistores.

 Una LDR se fabrica de un material que en la oscuridad tiene una elevada resistencia eléctrica y, al ser iluminado, aumenta su conductividad y, por tanto, disminuye su resistencia. Decimos que el material es un fotoconductor.

Una LDR se emplea, por ejemplo, en un circuito detector de luminosidad o de oscuridad, como vemos en el vídeo.

 

3. Termistores. Son resistencias de valor  variable, en esta ocasión, varían con la temperatura. Hay de dos tipos:

•  NTC (negative temperature coefficient), cuya resistenica disminuye con la temperatura.

Pueden emplearse como sensores de temperatura, por ejemplo, en un termo eléctrico o en una alarma contraincendios, etc.)

 

• PTC (positive temperature coefficient), cuya resistencia aumenta con la temperatura.

 

Los siguientes circuitos explican el funcionamiento del termistor.

2.- DIODOS. 

 

Los semiconductores son materiales que están a medio camino entre los aislantes y los conductores.

Se trata de un componente semiconductor que deja pasar la corriente en un sentido y la bloquean en el otro sentido.

 

Símbolo, la flecha es el polo positivo del diodo y la barra el polo negativo. Cuando conectamos el polo positivo del diodo al polo positivo de la pila y el negativo del diodo con el negativo de la pila, la polarización es directa y deja pasar la corriente.

 

 

Diodo LED, son diodos que emiten luz cuando se encuentran en polarización directa.

Si las patillas están cortadas podemos distinguir los polos mirando dentro del encapsulado. La patilla corta de su interior es el ánodo (+).

Los LED son muy utilizados en los aparatos electrónicos como pilotos de testigo. Sus ventajas frente a una bombilla son:

- Consumen poca energía

- Tienen muchas horas de vida.

Cuando los diodos LED se conectan directamente a una pila de petaca de 4,5V, suelen dar un pequeño resplandor y quemarse, debido a que su voltaje de trabajo es de 2V, consumiendo al mismo tiempo una intensidad de 10mA.

Para evitar que el LED se estropee se coloca una resistencia en serie. Pero, ¿qué valor debe tener esa resistencia para que el LED no se estropee y al mismo tiempo deje circular, al menos, una intensidad de 10mA?  

3.- CONDENSADORES. 

Un condensador (o capacitor) es un operador electrónico destinado a la acumulación de carga eléctrica y utilizarla cuando se necesite. Consta de  dos placas metálicas paralelas, llamadas armaduras, separadas entre sí por un material aislante, llamado dieléctrico.

Entre las placas se genera un voltaje, que permite que la carta eléctrica se separe: en una de las placas se guarda carga negativa y en la otra carga positiva.

La capacidad de un condensador nos indica la cantidad de carga que éste puede acumular. Se mide en faradios (F).

Veamos su funcionamiento:

 

En primer lugar, cerramos el interruptor de la izquierda, al hacerlo, pasará  corriente por el condensador y el condensador se carga.

 

 

Una vez cargado, podemos desconectar el interruptor de la izquierda y conectar el de la derecha. Al hacerlo, el condensador hará las veces de pila suministrando corriente a la bombilla durante un tiempo, hasta que se descargue. En función de la capacidad del condensador, la bombilla durará más o menos tiempo encendida.

 

  Cuando un condensador se está cargando deja pasar la corriente a través de él, pero al finalizar la carga se comporta como un interruptor abierto. 

• Tipos de condensadores: 

• Asociación de condensadores: al igual que las resistencias, los condensadores también se pueden disponer tanto en serie como en paralelo, resultando entonces que dos o más condensadores resultan iguales a cierto condensador o capacitancia equivalente. En cada caso, se calcula como nos indica la siguiente tabla. Observa que el cálculo es el mismo que para las resistencias, sólo que invirtiendo los términos.

• La Capacidad:  La relación entre la carga eléctrica que almacenan un condensador y el voltaje al que está sometido se llama capacidad. Su unidad es el Faradio.

C = q / V

Se mide en Faradios (F), pero resulta una unidad excesivamente grande, por lo que se
emplean normalmente submúltiplos:
1 milifaradio = 1mF = 10 ^-3 Faradios
1 microfaradio = 1 μF = 10 ^-6 Faradios
1 nanofaradio = 1 nF = 10 ^-9 Faradios
1 picofaradio = 1 pF = 10 ^-12 Faradios

• Circuito temporizador: 

Al accionar el interruptor la corriente eléctrica sale de la pila encendiendo la bombilla y cargando el condensador. Si ahora abrimos el interruptor la bombilla no se apaga inmediatamente ya que el condensador está cargado y se descarga a través de la bombilla. Por eso decimos que se temporaliza el apagado.

En la posición inicial, el condensador se está cargando, se llama constante de tiempo y se calcula de la siguiente forma, al producto de  R·C, que se representa por la letra T, y nos indica cuánto tarda el condensador en estar lleno al 63% de su capacidad.

Transcurridos 5 constantes de tiempo, o sea, 5·R·C, se puede considerar que el condensador está completamente cargado a efectos prácticos.

T = 5·R·C

Otro tanto sucede en la descarga, que también se completa en cinco constantes de tiempo. 

Es por ello que usamos el condensador en circuitos temporizadores (que son aquellos que realizan una tarea durante un tiempo) o retardadores (que retrasan la realización de una tarea un tiempo).

4.- RELÉ
     Los relés son unos dispositivos electromecánicos que están compuestos por un electroimán y un conmutador de uno o varios circuitos de conmutación, funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835.

a.- Partes de un relé:

b.- Pasos de su funcionamiento:

     1º El relé está en reposo

     2º Hacemos pasar electricidad por el electroimán

     3º El electroimán se convierte en un imán y genera un campo magnético a su alrededor.

     4º El electroimán atrae la armadura. Ésta empuja los contactos haciendo que se toquen.

   5º La corriente eléctrica puede pasar a través de los contactos y activar un receptor, como una bombilla o un motor.

     Tiene dos circuitos diferenciados. Un circuito, "CIRCUITO DE CONTROL", el de una bobina que cuando es activada por corriente eléctrica cambia el estado de los contactos y otro "CIRCUITO DE POTENCIA"que abrirá o cerrará los contactos en función de cómo se encuentre la bobina.

     

c.- El símbolo del relé es: 

Enlaces para poder entender mejor su funcionamiento:

- Presentación

- Vídeo


5.- TRANSISTORES

Los transistores son componentes electrónicos formados por semiconductores como los diodos, que en un circuito cumplen funciones de conmutador, amplificador o rectificador.

Aplicaciones: están en todas partes, no hay circuitos sin transistores, como: radio, TV, reproductores, microondas, relojes, calculadores, móvil,...

Podemos definir los semiconductores como aquellos materiales que se comportan como conductores solo en determinadas condiciones, en otras condiciones se comportan como aislantes. Por eso se dice que están en un punto intermedio entre los conductores y los aislantes.

Los transistores está formado por la unión de tres cristales de tipo P y N. De cada uno de ellos sale un terminal que nos permite conectar el componente al circuito y se denominan: colector, base y emisor.

Aquí tienes imágenes de transistores:

Se simbolizan de la siguiente manera:

En el NPN la flecha que indica el sentido de la corriente sale hacia fuera (la corriente irá de colector a emisor) mientras que en el PNP la flecha entra (la corriente irá de emisor a colector).

El transistor es un componente algo más complejo que los que hemos estudiado hasta ahora, puede considerarse como la unión de dos diodos.

FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento de ambos transistores es similar, por lo que vamos a analizar el que va a ser más fácil de comprender: el NPN. En ambos casos se distinguen tres zonas en el interior: emisor (E), base (B) y colector (C).

Para disparar el transistor bipolar, hay que proporcionar algo más de la tensión de la unión P-N (diodo)  que forman base y emisor:

- 0,7V en silicio

- 0,4V en germanio.

El funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente que pase por su base. 

Los transistores pueden funcionar de tres formas diferentes que vamos a ver a continuación, para entenderlos, conviene que se use un símil hidráulico:

 

Imagina que tenemos una tubería vertical:

que conecta dos puntos C y E. Estos puntos están separados entre sí por un tapón, que obstruye la tubería, pero que se puede empujar por la izquierda y retrocede a su posición de reposo en caso de que se deje de empujar, gracias al muelle.

Para mover el tapón, se debe introducir una corriente a través de la tubería B. entonces, lo que hagamos en B nos va a marcar los tres posibles estados del transistor:

1. Si no hacemos nada en B, el tapón estará en reposo, obstruyendo el paso de C a E. En nuestro transistor, esto equivale a decir que, si por la base no entra corriente, el colector y el emisor estarán aislados. A esto lo llamaremos estado de corte. En esta situación, el transistor está funcionando como un interruptor abierto.

Ejemplo:

En ambos casos, la resistencia de la parte inferior es muy pequeña; en el circuito de la izquierda porque incide luz sobre la LDR y por lo tanto la resistencia es baja, y el circuito de la derecha porque la palanca del potenciómetro está en posición de mínima resistencia.

Como la resistencia en la zona inferior es pequeña, la corriente prefiere irse por ahí y no por la base. La bombilla está apagada.

2. Si introducimos una pequeña corriente por B, se producirá un pequeño desplazamiento del tapón, pudiendo pasar la corriente de C a E. En nuestro transistor, esto significará que sí pasa corriente del colector al emisor, simplemente introduciendo una pequeña corriente por la base. A esta situación se le llama estado de activa o, simplemente, activa.

En el estado de activa, el transistor se comporta como un amplificador, puesto que multiplica la corriente de base por un factor que se llama ganancia del transistor, y que se representa por β.

Ejemplo:

Veamos los mismos circuitos que antes; pero ahora es de noche y la LDR no recibe luz por lo que su resistencia es alta. En el circuito de la derecha, la palanca del potenciómetro está en posición de máxima resistencia.

Como la resistencia en la parte inferior es muy alta, la corriente va a preferir irse por la base del transistor. Como hay corriente en la base, se permite también que haya corriente por los otros terminales; la bombilla se enciende.

La ventaja de utilizar el transistor y no un interruptor convencional es que el transistor corta o reanuda la corriente de forma mucho más rápida.

3.  Por último, si se introduce una corriente suficientemente grande por B, produciremos el completo desplazamiento del tapón, y C y E quedarán comunicados por completo. En el transistor, el paso de corriente del C al E será el mayor que pueda producir. A este estado se le llama saturación, y el transistor estará funcionando como un interruptor cerrado.

En la siguiente tabla se resumen estos comportamientos, indicando características que te permitan identificar fácilmente el estado de cualquier transistor.

Para comprender un poco mejor el funcionamiento del transistor, te recomiendo este vídeo:

CARACTERÍSTICAS 

1- ¿Por qué utilizamos una resistencia delante de la base del transistor? La base de los transistores es muy sensible y una corriente elevada podría destruirle. Su misión por tanto es la de protección. 

2- ¿Cómo se conecta un transistor NPN? La base y el colector deben conectarse al polo positivo de la pila. El emisor al negativo. 

3- ¿Cuándo decimos que un transistor entra en zona activa? Cuando la pequeña corriente en la base tiene el suficiente valor como para activarle. Es decir, deja de pasar la corriente entre su colector y su emisor. 

4- ¿Cuándo decimos que un transistor está en zona de corte? Cuando la corriente en la base no es lo suficientemente grande como para activarle. 

5- ¿Cuándo un transistor está en zona de saturación? Si aumentamos progresivamente la corriente en la base, aumenta también la cantidad de electrones que circulan entre el colector y el emisor. Decimos que un transistor está saturado cuando ya no aumenta más la intensidad en el colector aunque sigamos aumentando la intensidad de la base. 

Ejercicios resueltos