Curso de Instrumentación y Electrónica UAM

CURSO DE ELECTRÓNICA BÁSICA E INSTRUMENTACIÓN

Concepto de electricidad
• Fenómeno físico originado por las fuerzas de
interacción entre partículas subatómicas

Tema2: Introducción a la electrónica

1

1


Modelo atómico
•
•
•

•

•
•

Consideramos que el átomo está
compuesto de núcleo y corteza.
Entre los electrones y protones
se ejercen fuerzas de atracción.
Las fuerzas se deben a una
propiedad denominada “carga
eléctrica”.
Las “cargas” del electrón y del
protón tienen el mismo valor,
pero de signo opuesto.
Electrón: Carga negativa (-)
Protón: Carga positiva (+)

En la región del espacio donde se manifiestas las
fuerzas sobre cargas eléctricas, decimos que hay
un Campo Eléctrico.


2

Entre los protones y electrones se ejercen fuerzas mutuas,
además de las fuerzas gravitacionales.
Estas fuerzas se explican adjudicando a los protones y
electrones una propiedad denominada carga eléctrica.
Las cargas eléctricas crean en el espacio que les rodea un
campo eléctrico.
Al igual que la región del espacio donde se manifiestan las
fuerzas entre masas se denomina campo gravitatorio.
A diferencia de las fuerzas gravitacionales, las fuerzas eléctricas
ocasionadas por las cargas eléctricas pueden ser atractivas o
repulsivas.
Cualquier átomo de cualquier sustancia contiene el mismo
número de protones que de neutrones, por lo que resulta
eléctricamente neutro. Cualquier átomo o sustancia es
eléctricamente neutra.
Podemos valorar la magnitud del Campo Eléctrico observando la
fuerza ejercida sobre la unidad de carga:
E=F/q , unidades N/C

2


Fuerza entre cargas eléctricas estáticas
•

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 eléctrico 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 N


3

El Campo Eléctrico 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 número de protones o
electrones en exceso.
En 1776 Charles Agustín de Coulomb (1736-1806) inventó la balanza de
torsión con la cual, midió con exactitud la fuerza entre las cargas
eléctricas y corroboró 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 atracción o repulsión 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 electrón o un protón 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 sección de conductor por el cual circula
una corriente constante de un amperio.
En el sistema electrostático, la unidad de carga se define como aquella
que repele (o atrae) a otra con la fuerza de un 1 dina cuando ambas
cargas están separadas 1 centímetro.

3


Energía
•

•

Química

Eléctrica

En física, llamamos Energía
a la capacidad de obrar,
transformar y poner en
movimiento.
Cuando esta capacidad se
materializa, hablamos de
realización de Trabajo.

Potencial

Para que haya trabajo debe existir desplazamiento,
en caso contrario solo hay esfuerzo.

•

La potencia es la “facilidad”
que tiene un sistema para
convertir energía en trabajo.


4

Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su
composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a
algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la
ciencia, se dan varias definiciones de energía, por supuesto todas
coherentes y complementarias entre sí, 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. También podemos expresar el trabajo en Calorías,
Watios, Caballos de Vapor.
Las unidades de potencia son unidades de trabajo en la unidad de tiempo
(Calorías/hora, Watios/segundo, Kilowatios/hora, etc.)
En electricidad la fuerza que desencadena el trabajo es la del campo
eléctrico, y el movimiento es el de los portadores de carga.

4


Tensión – Diferencia de Potencial
A la diferencia del valor del campo
eléctrico que existe entre dos puntos,
multiplicado por la distancia que los
separa se la llama diferencia de potencial
eléctrica.

(E1 − E2 ) ⋅ d = V - V2
1

(Voltios)

A la diferencia de potencial eléctrico
se la denomina Tensión Eléctrica (V),
se mide en Voltios.
Entre dos puntos en los que existe
una
diferencia
de
potencial
eléctrico, tenderá a producirse un
flujo de cargas eléctricas.

Esta
diferencia
de
potencial
representa el trabajo que hay que
realizar para transportar la unidad de
carga entre los dos puntos.

W = F⋅d ⇒
W = q ⋅ (E1 − E2 ) ⋅ d = q(V1 - V2 )
P=

W
⇒
t

W q
= ⋅ E ⋅ d = i ⋅ (V1 - V 2 )
t
t
P = i⋅ (V1 − V 2 )

⇒

5

La tensión eléctrica de un punto respecto de otro punto, también
denominada diferencia de potencial entre 2 puntos, representa el trabajo
que hay que realizar sobre la unidad de carga eléctrica para trasladarla
entre los dos puntos de un campo eléctrico.
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 Eléctrico
(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 metálico son electrones libres, que se
mueven por la fuerza ejercida por un campo eléctrico (diferencia de
potencial o tensión).
La unidad de tensión eléctrica es el Voltio

5


Corriente eléctrica
•

•
•

Flujo de cargas eléctricas en
una dirección determinada por
unidad de tiempo.
Se mide en Amperios;
1 Amperio es igual al flujo de
cargas en una sección 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 eléctrico entre
ellos.

El tipo y la geometría del material sobre el que se establezca este
flujo de cargas (corriente eléctrica) tiene mucha influencia sobre la
magnitud de la corriente establecida.

6

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un
conductor, se producirá un flujo de corriente eléctrica. Parte de la carga
que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor
al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa
(generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su
potencial eléctrico (Ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se
conoce como corriente eléctrica.
La corriente eléctrica se establece porque los portadores de carga se
desplazan en el seno del material. En función de la densidad volumétrica
de portadores y de la velocidad de desplazamiento, se puede expresar la
corriente eléctrica 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= sección 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


Conductores y Aislantes
•

•
•
•
•


Los materiales se pueden
clasificar según la facilidad para
ser recorridos por una corriente
eléctrica en
Conductores
Semiconductores
Aislantes

Esta propiedad eléctrica
depende de los elementos que
formen el material y del tipo de
enlace químico que presenten.

7

Dependiendo de la distancia interatómica y del número de electrones de
enlace entre otros factores, pueden formarse distintos conjuntos de
bandas que pueden estar llenas, vacías o separaciones entre bandas por
zonas prohibidas o bandas prohibidas, formándose así bandas de
valencia, bandas de conducción y bandas prohibidas.
Así en un aislante la separación entre la banda de valencia y la banda de
conducción es muy grande (» 10 eV), y esto significa que un electrón en
la banda de valencia necesita mucha energía para ser liberado y
convertirse en un electrón libre necesario para la conducción. En un
conductor las dos bandas están solapadas, no necesitándose ninguna
energía para alcanzar la conducción. En un semiconductor la banda
prohibida es estrecha, o lo que es lo mismo, es fácil que un electrón sea
liberado y pueda contribuir a la conducción.
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
eléctrico externo producido por distintos medios. El flujo o movimiento de
dichos electrones a través del metal es la corriente eléctrica, y genera
efectos magnéticos en su entorno, y efectos térmicos como consecuencia
de su choque en su desplazamiento, con los átomos 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 serán los que favorezcan la movilidad
electrónica.
Los aislantes, como los plásticos y polímetros orgánicos, la madera seca,

7


Densidad de Corriente
• La densidad de corriente J en un conductor es la corriente
eléctrica establecida por unidad de área del conductor:

J=

•

•

I
S

(A / m )
2

Al disminuir la sección del conductor, y recorrerlo la misma
corriente aumentará la densidad de corriente en la sección más
estrecha.
La densidad de corriente máxima admitida por un hilo conductor
suele estar comprendida entre 2 o 3 A por mm2 de sección


8

(para corrientes uniformes y sección transversal perpendicular a la dirección de la
corriente)

8


Resistencia eléctrica
•

La facilidad de un material a ser
atravesado por la corriente
depende de una propiedad física
denominada Resistividad.

ρ

•

•

Se denomina Resistencia
Eléctrica, R, de una sustancia,
a la oposición que encuentra la
corriente eléctrica para
atravesarla, y depende del
material, la geometría y su
temperatura.
Su valor se mide en Ohmios, y
se designa con la letra griega
omega mayúscula (Ω).

R=ρ

L
S

(Ω )

•
•

La resistividad es una propiedad del material
La resistencia es una propiedad del objeto.


9

9


Ley de Ohm
La Intensidad de la corriente
que circula por un dispositivo
es directamente proporcional a
la
Tensión
aplicada,
e
inversamente proporcional a la
Resistencia del mismo.

La resistencia eléctrica forma parte de
un circuito, bien en la resistencia de
los propios conductores y/o en
componentes receptores de energía.

Se representa gráficamente en un esquema mediante su símbolo

10

10


Circuito y Componentes
•

•
•

Un circuito es la representación gráfica de una serie de elementos
eléctricos o electrónicos (componentes) interconectados mediante
conductores, en uno o más bucles cerrados, con la finalidad de
implementar una función.

Cada uno de los componentes tiene una representación gráfica
normalizada para su identificación dentro del circuito.
Cada uno de los componentes tiene una ecuación que modela su
funcionamiento (ideal o aproximadamente)


11

11


Análisis de Circuitos
•

Disciplina que tiene por objeto
establecer y resolver las ecuaciones
matemáticas que describen el
comportamiento del circuito.
En un circuito eléctrico se cumplen las
relaciones entre tensiones y corrientes
descritas en las “Leyes de Kirchhoff”
Nudo: Punto de interconexión de dos o
mas componentes
Malla: Camino cerrado que contenga dos
o más nudos.

•
•

Circuito serie: La corriente es la
misma por todos los elementos.
Circuito paralelo: La tensión es
la misma en todos los elementos.


12

Ley de Kirchhoff de Tensiones: La suma de las diferencias de tensión a lo largo de
una malla cerrada en de un circuito debe de ser nula.
Justificación: 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.
Justificación: No puede existir acumulación de cargas en un nudo de un circuito.
TEOREMA DE THEVENIN.
El teorema de Thevenin es una herramienta muy útil para el estudio de circuitos
complejos. Se basa en que todo circuito que contenga únicamente componentes y
generadores lineales puede reducirse a otro más sencillo, denominado circuito
equivalente Thevenin, formado por un generador de tensión 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 está formado por un generador
de intensidad con una resistencia en paralelo.

12


Resistencia 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 tensión 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.

ε = V L1 + V L 2
Req = R L1 + R L 2

I Total = I L 1 + I L 2
1
1
1
=
+
R eq
R L1 R L 2
13

Comentar que en serie si falla cualquiera de las lámparas, el circuito entero se
apaga

13


Clasificación de los Componentes
1.

Según su presentación
Discretos:
Integrados:

2.- Según el material base de
fabricación
Semiconductores:
No semiconductores:

3.- Según su comportamiento
Activos.
Pasivos.


14

Clasificación de los componentes. De acuerdo con el criterio que se elija podemos
obtener distintas clasificaciones. Seguidamente se detallan las comúnmente más aceptadas.

Discretos: Son aquellos que están encapsulados uno a uno, como es el caso de las resistencias,
condensadores, bobinas, diodos, etc.
Integrados: Forman conjuntos más complejos, como por ejemplo un amplificador operacional
o una puerta lógica. 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 conexión entre los diferentes componentes activos,
asegurando la transmisión de las señales eléctricas o modificando su nivel, sin aportar excitación,
ganancia o control.

14


Componentes Electrónicos Pasivos
Componente
Resistencia
Potenciómetro
Condensador
Bobina
Fusible
Conmutador
Interruptor
Pulsador
Relé
Cable
Transductor
Varistor
Display
Altavoz
Resistencia no Lineal
CRISTAL DE CUARZO

Función más común
División de intensidad o tensión, limitación de
intensidad.
Variación la corriente eléctrica o la tensión.
Almacena energía, filtrado, adaptación de
impedancias
Almacena energía, adaptación de impedancias.
Protección contra sobre-intensidades.
Reencaminar una entrada a una salida elegida e
dos o más.
Apertura o cierre permanente de circuitos
manualmente.
Apertura o cierre temporal de dos circuitos
manualmente
Apertura o cierre de circuitos mediante señales
control.
Conducción de la electricidad.
Transformación de una magnitud física en una
eléctrica
Protección contra sobre-tensiones.
Muestra de datos o imágenes.
Reproduccción de sonido.
VDR, NTC, PTC, LDR.
Osciladores


15

Altavoz Reproduccción de sonido.
Cable Conducción de la electricidad.
Condensador Almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancias.
Conmutador Reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más.
Fusible Protección contra sobre-intensidades. Inductor Adaptación de
impedancias.
Interruptor Apertura o cierre de circuitos manualmente.
Potenciómetro Variación la corriente eléctrica o la tensión.
Relé Apertura o cierre de circuitos mediante señales de control.
Resistor División de intensidad o tensión, limitación de intensidad.
Transductor Transformación de una magnitud física en una eléctrica (ver
enlace).
Varistor Protección contra sobre-tensiones.
Resistencias no lineales
Dependientes de la tensión (VDR)
Con coeficiente de temperatura negativo (NTC)
Con coeficiente de temperatura positivo (PTC)
Con resistencias dependiente de la luz (LDR)

15


Tipos de Resistencias
•
•
•

De película metálica

•

De película cermet

•

Bobinadas

•

Bobinadas Vitrificadas

•

Sobre circuitos impresos

•

SMD de película gruesa

•

De carbón aglomerado
De película de carbón

SMD de película metálica
16

De carbón aglomerado: El elemento resistivo es una masa de grafito mezclado
con una resina que actúa como aglomerante. Tienen varios inconvenientes:
oxidación del carbón que repercute en variación de su valor, además tienen un
elevado nivel de ruido. Son las más baratas.
De película de carbón: 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 película metálica: El elemento resistivo es una capa de aleación metálica y
óxido metálico. Ventajas: mayor precisión. Inconvenientes, más caras y no
pueden disipar mucha potencia (unos pocos watios).
De película cermet. El elemento resistivo es una capa de cermet (material
cerámico refractario mezclado con metales en polvo). Ventaja: se pueden fabricar
elevado valores de resistencia.
Bobinadas:El elemento conductor es hilo de constantán (cobre, níquel,
manganeso) u otros metales que tengan resistividad elevada, este hilo se bobina
sobre una base aislante de cerámica, mica, etc. con un diseño hueco que
favorezca la refrigeración. Ventajas: Pueden soportar grandes potencias.
Inconvenientes: son muy grandes en tamaño, y no se pueden fabricar de valores
elevados (220K).
Bobinadas Vitrificadas: El elemento resistivo es idéntico a las bobinadas, pero
se recubren de un prisma cerámico vitrificado por razones de aislamiento
térmico.

16


Características Técnicas
Valor óhmico: Oposición al
paso de la corriente.
No tiene relación con su
tamaño.
Están disponibles los valores
normalizados por la E.I.A.
Potencia de disipación:
Límite de carga en vatios que
puede disipar antes de
destruirse por calentamiento.
Tiene relación con el tamaño

Tolerancia: máxima desviación
relativa admisible en el valor de
una resistencia.

Valor real - Valor teórico
× 100 (%)
Valor teórico
Tensión de ruido: o ruido de

fondo, es una variación de tensión
provocada por la propia agitación
molecular térmica del componente.

Coeficiente de Temperatura:
valor que indica la variación
porcentual de la resistencia con
la temperatura.
Límites de Frecuencia:
Variación de la resistencia con
la frecuencia debido a efectos
inductivos.

17

17


Identificación de resistencias /1


18

18


Valores Normalizados

COLUMNA TOLERANCIA
E192

0,5%

E96

1%

E48

2%

E24

5%

E12

10%

E6

20%


19

Esta serie de valores fue confeccionada durante los años 40 por la E.I.A.
(Asociación de Industrias Electrónicas de EEUU).
Se recogen los valores de resistencia disponibles para cada serie de tolerancias.
COLUMNA

TOLERANCIA

E192

0,5%

E96

1%

E48

2%

E24

5%

E12

10%

E6

20%

19


Unidades de Prefijo en Ingeniería
Prefijo

Abreviación
Abreviació

Valor

Tera

T

1012

Giga

G

109

Mega

M

106

Kilo

k

103
100

(nada)
Mili

m

10-3

Micro

μ

10-6

Nano

n

10-9

Pico

p

10-12

Fempto

f

10-15

Atto

a

10-18


20

20


Resistencias variables. Potenciómetros
•

Son resistencias que pueden variar
entre un valor mínimo (normalmente
0 óhmios) y su valor nominal.
Cuando
sólo
se
utilizan
dos
terminales
se
denominan
resistencia ajustable.
Cuando
se
utilizan
los
tres
terminales
se
denomina
potenciómetro.

•

•

•

Tipos de potenciómetros:
Lineales
Logarítmicos.


21

Los potenciómetros son unas resistencias especiales que están formadas por
una parte fija con la resistencia y una móvil en contacto con la misma que, al
desplazarse, hace variar la resistencia entre las tomas. Consiguen variar la
resistencia que ofrecen en función de un mayor o menor giro manual de su parte
móvil.
Suelen disponer de unos mandos giratorios que facilitan la operación, o bien
unas muescas para introducir un destornillador adecuado.
TIPOS DE POTENCIÓMETRO
En función del modo de regulación:
- Lineales, que recorren casi 360º y que van respondiendo progresivamente con
el giro.
- Logarítmicos, que al principio responden con una progresión muy pequeña, y
después, con unos pocos grados de giro, sus valores crecen rápidamente.
Otras formas de variación menos empleadas son las antilogarítmicas y las de
senocoseno.
En función del modo de fabricación:
Bobinados, llamados reostatos, para potencias elevadas.
De película de carbón, en diversos tamaños y formas, de gran precisión.

21


Resistencias no lineales - Sensores
• Son resistencias cuyo valor óhmico no es constante, sino
que depende de una magnitud física externa a ellas:

• -Termistores o resistencias NTC y PTC. En ellas la
resistencia es función de la temperatura.
• -Varistores o resistencias VDR. En ellas la resistencia es
función de la tensión.
• -Fotoresistencias o resistencias LDR. En estas últimas
la resistencia es función de la luz


22

Estas resistencias se caracterizan porque su valor ohmico, que varía de
forma no lineal, es función de distintas magnitudes físicas como puede
ser la temperatura, tensión, luz, campos magnéticos,etc.. Así estas
resistencias están consideradas como sensores.

22


Termistores
•

•


NTC: Resistencias con
coeficiente de temperatura
negativo.
PTC: Resistencias con
coeficiente de temperatura
positivo.

23

23


Condensadores
Es el componente que resulta del
enfrentamiento de dos placas
conductoras
(armaduras)que
están separadas por un material
aislante (dieléctrico).

Al aplicar una tensión en sus
armaduras, almacena energía
en forma de Campo Eléctrico.

Se define la CAPACIDAD de un condensador
como el cociente entre la carga de una de las
armaduras y la tensión que exista entre las
mismas. Sus unidades son Culombios/Voltio, y
se denominan Faradios

24

Principio de Funcionamiento: Al aplicar una diferencia de potencial
eléctrico a las armaduras del condensador, se produce un
almacenamiento de cargas en una de las placas. Estas cargas originan
un campo eléctrico sobre el dieléctrico, 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 eléctrica que perdura hasta que el campo eléctrico
generado en el condensador iguala al de la fuente de potencial aplicada.

24


Capacidad

•
•
•

La capacidad de un
condensador dependen de su
geometría (plana, cilíndrica,
esférica, etc.), y es función de:
Superficie de las armaduras A
Distancia entre armaduras d
Constante dieléctrica o
permitividad є

C =ε ⋅

A
(Faradios)
d

Las diferentes geometrías y
materiales empleados como
diéléctricos originan los
diversos tipos de
condensadores fabricados.
Las características eléctricas
de cada uno determinarán el
condensador adecuado para
cada aplicación.

25

La permitividad es una cantidad física que describe cómo un campo
eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío (єo)
es 8,85x10-12 F/m. La permitividad de un material respecto a la del vacio
se denomina permitividad relativa (єr= є/єo)
La permitividad es determinada por la habilidad de un material de
polarizarse en respuesta a un campo eléctrico 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
eléctrica sea guardada con un campo eléctrico menor y, por ende, a un
potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.

25


Tipos de condensadores
•

•

•

Condensador
electrolítico

•

Condensador de aire

•

•

Condensador de mica

Condensador de poliester

Condensadores de polipropileno
•

Condensadores
cerámicos

Condensador tántalo


26

Tipos de condensador
•Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas,
con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica es la
unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar,
pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, 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 dieléctrico de condensadores: Bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta
altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad.
•Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a
algún otro tratamiento que reduce su higroscopía aumenta el aislamiento.
Condensadores autoregenerables.. Los condensadores autoregenerables son
condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el
papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico,
el papel se rompe en algún punto, produciéndose 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 electrolítico. El dieléctrico es una disolución electrolítica que ocupa una
cuba electrolítica. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante muy
fina sobre la cuba, que actúa 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 polarización inversa destruye el
óxido, 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 disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta
pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y
equipos de audio.
•Condensador de aluminio seco. Es una evolución del anterior, que funciona a
frecuencias más altas. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas.

26


Características Técnicas
• Valor Capacitivo
• Tolerancia
• Tensión máxima de trabajo
• Tensión de prueba
• Tangente de delta
• Coeficiente de temperatura


27

Valor Capacitivo
Cantidad de carga almacenada por voltio
Tolerancia
Discrepancia del valor real respecto del teórico
Tensión máxima de trabajo
Tensión nominal o de servicio. Mayor valor de tensión al que puede ser
utilizado. Es función de la frecuencia.
Tensión de prueba
Tensión que al aplicarse al condensador se perfora el dieléctrico.
Tangente de delta
Proporción de la corriente de fuga debido a que el dieléctrico no es
perfecto (equivale a una resistencia en paralelo con el condensador, y
varía con la temperatura).
Coeficiente de temperatura
Variación de la capacidad debido al cambio en la conductividad del
dieléctrico en función de la temperatura

27


Identificación de Condensadores
•

Identificación por colores. La unidad base es el picofaradio.

•

Codificación 101. La unidad base es el picofaradio. Con este sistema

•

Codificación mediante letras y números. Con

•

Condensadores de tántalo: La unidad base es el µF

se imprimen tres cifras; las dos primeras son significativas y la tercera es el
factor multiplicador (número 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 µ (micro)


28

Los valores de la capacidad de los condensadores vienen impresos sobre
el mismo componente, o están indicados mediante aros coloreados, de
forma análoga a como se hace con las resistencias.
El código 101 se utiliza en los condensadores cerámicos como
alternativa al código de colores. Con este sistema se imprimen 3 cifras,
las dos primeras son las significativas y la tercera indica el número de
ceros que se deben añadir a las precedentes. El resultado se expresa
siempre en picofaradios (pF).

28


Magnetismo
•

•

Cuando circula una corriente
eléctrica por un conductor, crea
un campo magnético a su
alrededor .
Este campo magnético se
puede detectar con una brújula
situada en sus inmediaciones.
Un campo magnético “variable”
provoca una circulación de
corriente
inducida
en
un
conductor
situado
en
sus
inmediaciones

•

Se observa que al “mover” el
iman cerca del conductor
bobinado, el amperímetro
detecta una corriente eléctrica..


29

El estudio de los fenómenos magnéticos se basa en dos hechos
experimentales:
1.- Cuando circula una corriente eléctrica por un conductor, crea un
campo magnético a su alrededor. (Experimento de Oersted). Los estudios
de Biot y Savart demostraron que el campo magnético es proporcional a
la corriente, y disminuye con el cuadrado de la distancia.
La manera de obtener con facilidad el sentido del campo magnético es la
regla de la mano derecha: si con esta mano envolvemos el conductor,
como si nos fuésemos a afirmar de él, de modo que el pulgar apunte en el
sentido de la corriente (de + a –), las puntas de los restantes dedos
señalarán el sentido del campo magnético B.
Si la corriente que circula por el conductor cambia de sentido, el campo
magnético generado también variará de sentido.
2.- Un campo magnético “variable” provoca una circulación 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 variación del campo magnético y de la
geometría del circuito.
Actualmente el estudio de los fenómenos electromagnéticos se basa
principalmente en las fuerzas originadas por las cargas eléctricas en
movimiento.

29


Bobinas – Autoinducción
•

•

f.c.e.m.= −L ⋅

•
•

di
(Voltios)
dt

Una bobina es un componente pasivo
formado por varias espiras de un
conductor, enrolladas sobre un núcleo
(que puede ser aire).
Se llama autoinducción de un circuito a
la formación de corrientes inducidas en el
circuito por la variación su propio campo
magnético.
•

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
variación de la corriente.
El coeficiente de proporcionalidad, que depende de la
geometría y construcción del circuito, se llama “Coeficiente
de autoinducción L” se mide en Henrios


30

Según la experiencia de Oersted, cuando circula una corriente por una
bobina, se genera un campo magnético.
Si la corriente que circula por la bobina es “variable”, se genera un
campo magnético también variable. Y Según la ley de Faraday, la
bobina sometida a su propio campo magnético variable generará una
f.e.m. autonducida sobre las propias espiras del conductor en forma de
bobina, ahora será f.e.m. Autoinducida, y que según la ley de Lenz se
opone a la f.e.m. Aplicada a la propia bobina. Esta tensión recibe el
nombre de fuerza contra electromotriz fcem.

30


Reles electromecánicos
Es un interruptor controlado
por un electroiman.
Cuando aplicamos a la bobina una
tensión, se genera un campo
magnético que magnetiza el núcleo de
la bobina..
Este núcleo imantado atrae a la
armadura, que es solidaria a los contactos
eléctricos, los cuales pueden ser abiertos
o cerrados.
Los contactos permanecen en esta
situación hasta que cesa la tensión en la
bobina.


31

Es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor
controlado por un electroiman. Consta de dos circuitos diferentes: un
circuito electromagnético (electroimán) y un circuito de contactos, al cual
aplicaremos el circuito que queremos controlar.
Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la
corriente contínua atraviesa la bobina, produce un campo magnético que
magnetiza un núcleo 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 relé con corriente alterna, el flujo
magnético en el circuito magnético, también es alterno, produciendo una
fuerza pulsante sobre los contactos.. Este hecho se aprovecha en
algunos timbres y zumbadores

31


Tipos de Reles
•
•

Relés de Nucleo Movil.

•

Relé tipo Reed o de Lengüeta

•


Relé de Tipo Armadura

Relés Polarizados

32

Tipo Armadura. Son los más antiguos y también los más utilizados. Su
esquema se corresponde con la figura de la transparencia anterior. El
electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los
contactos dependiendo de si es N.O ó N.C (normalmente abierto o
normalmente cerrado).
Relés de Nucleo Movil. Estos tienen un émbolo en lugar de la armadura
anterior. Se utiliza un solenoide para cerrar sus contactos, debido a su
mayor fuerza atractiva (por ello es útil para manejar altas corrientes).
Relé tipo Reed o de Lengüeta Formados por una ampolla de vidrio, en
cuyo interior están situados los contactos (pueden se múltiples) montados
sobre delgadas láminas metálicas. Dichos contactos se cierran por medio
de la excitación de una bobina, que está situada alrededor de dicha
ampolla.
Relés Polarizados Llevan una pequeña armadura, solidaria a un imán
permanente. El extremo inferior puede girar dentro de los polos de un
electroimán y el otro lleva una cabeza de contacto. Si se excita al
electroimán, se mueve la armadura y cierra los contactos. Si la polaridad
es la opuesta girará en sentido contrario, abriendo los contactos ó
cerrando otro circuito( ó varios)

32


Transformadores
•

Máquina eléctrica utilizada para
variar tensiones y corrientes
alternas manteniendo fija la
frecuencia.

•

•


Constan de dos bobinados
sobre un núcleo de material
ferromagnético.
La relación de transformación
entre las tensiones está en
proporción a la relación entre el
número de espiras de los
bobinados.

33

Principio de funcionamiento: Cuando sobre las espiras de una de las
bobinas (primario) se aplica una tensión alterna, la corriente alterna que
circula por ella origina un campo magnético también variable en el tiempo,
y por tanto un flujo magnético variable en el tiempo. El núcleo de material
ferromagnético se utiliza para que la mayor cantidad posible de líneas de
flujo magnético queden confinadas en él. De este modo, por la espiras de
la otra bobina (secundario) serán atravesadas por ese flujo magnético
variable en el tiempo, por lo que de acuerdo a la Ley de Faraday,
aparecerá una fuerza electromotriz inducida.

33


Generadores de Tensión
•

•
•

El dispositivo que suministra la energía eléctrica suficiente para
que se produzca una corriente estacionaria en un conductor se
llama fuente de fuerza electromotriz (fem ε). Convierte la energía
química o mecánica en energía eléctrica
El generador ideal mantiene la tensión constante entre sus bornes,
independientemente de la corriente suministrada
En el generador real la tensión disminuye al solicitarle más
corriente, debido a su resistencia interna


34

34


Pilas
•

Son generadores de corriente
contínua basados en dos
metales (electrodos) de distinta
tensión electroquímica, puestos
en contacto mediante un
electrolito.

•

En las pilas húmedas el
electrolito es una disolución
que permite el movimiento de
las cargas entre los electrodos.
En las pilas secas el electrolito
es una pasta densa de sales de
amoniaco.

•


35

35


Acumuladores
•

Son generadores que almacenan energía química en forma de
energía eléctrica en el proceso de carga, para suministrarla a los
receptores en el proceso de descarga

•

Los más usados son los de
plomo y los de hierro/niquel

•

La capacidad de un acumulador
es la energía que se puede
obtener en el proceso de
descarga. Se mide en
Amperios/hora

•

El rendimiento de la descarga
varía con la intensidad de
descarga y la temperatura.


•

•

Por ejemplo, una bateria de 40
Ah quiere decir que debe
suministrar una corriente de 1 A
durante 1 h sin bajar su tensión
en bornes.
Otro dato importante son los
ciclos de carga descarga (vida
útil), la descarga máxima
admisible y el porcentaje de
descarga espontánea.
36

36


Semiconductores
•

Estructura cristalina:
Cada átomo comparte sus 4
electrones de valencia con
los 4 átomos vecinos,
formando una estructura
muy estable.

•

Semiconductor: Al aplicar
una tensión, se produce
una corriente muy baja,
originada por los pocos
electrones que son
arrancados de la estructura
estable.


37

Con la denominación 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 eléctrica; 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 más importante, introduciendo en la
estructura cristalina del cuerpo ciertas sustancias de constitución atómica
determinada.
Entre los materiales más utilizados en la fabricación de diodos
semiconductores destacan el germanio y el silicio.
Si se somete el cristal a una diferencia de tensión, se producen dos
corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los
electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al
desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a
saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos en
la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es
muy inferior a la de la banda de conducción.

37


Dopado
•

•

•

Consiste en introducir “impurezas” en los cristales de silicio o germanio

Los átomos de 5 electrones de
valencia aportan electrones
libres al material.
Obtenemos un cristal
semiconductor tipo N


•

•

Los átomos de 3 electrones de
valencia aportan huecos libres al
material.
Obtenemos un cristal
semiconductor tipo P
38

Semiconductores extrínsecos
Si a un semiconductor intrínseco, como el anterior, se le añade un pequeño porcentaje
de impurezas, es decir, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se
denomina extrínseco, y se dice que está dopado. Evidentemente, las impurezas
deberán formar parte de la estructura cristalina sustituyendo al correspondiente átomo de
silicio.
Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo
un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de
portadores de carga libres (en este caso, negativas), que se denominan portadores
mayoritarios.
Cuando el material dopante es añadido, éste aporta sus electrones más débilmente
vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también
conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.
Al aplicar una diferencia de potencial eléctrico 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 alimentación.
Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo
un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores
de carga libres (en este caso positivos).
Cuando el material dopante es añadido, éste libera los electrones más débilmente
vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido
como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son
conocidos como huecos.
Al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos catas de un cristal tipo P, los
portadores mayoritarios (huecos), son atraídos y se desplazan hacia el polo negativo de
la fuente de alimentación.

38


Unión P-N
•

•

Al combinar un cristal tipo P con otro tipo N, obtenemos una unión P-N.

En la zona de unión, 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).


39

Los diodos pn son uniones de dos materiales semiconductore extrínsecos tipos
p y n, por lo que también reciben la denominación de unión pn. Hay que
destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, ya
que en cada cristal, el número 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 unión no es la composición de dos cristales, sino que constituye un único
cristal que ha sido dopado con diferentes impurezas en cada una de sus
mitades durante su fabricación.
Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al
p.
Al establecerse estas corrientes de difusión, aparecen cargas fijas en una zona
a ambos lados de la unión, zona que recibe diferentes denominaciones como
zona de carga espacial, de agotamiento, de deplexión, de vaciado, etc.
A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial va
incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la
unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones
negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los
electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento,
que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.
Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de
tensión 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


Diodo
•

Dispositivo semiconductor formado por una
unión P-N y encapsulada convenientemente.

•

Símbolo

•

Encapsulado
•

•

•

Curva característica

Polarización Directa: CONDUCE

Polarización Inversa: NO CONDUCE


40

Polarización directa
El bloque PN en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre
sus terminales puesto que la zona de deplexión no es conductora.
Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo
eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento
de la zona de deplexión. Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la
conducción.
Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de deplexión y el
dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es que:
1. Electrones y huecos se dirigen a la unión.
2. En la unión se recombinan.
En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensión positiva a la zona P y
negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas
móviles la zona de deplexión
La tensión aplicada se emplea en:
•

Vencer la barrera de potencial.

•

Mover los portadores de carga.

Polarización inversa
Al aplicar una tensión positiva a la zona N y negativa a la zona P, se retiran portadores
mayoritarios próximos a la unión. Estos portadores son atraídos hacia los contactos
aumentando la anchura de la zona de deplexión. 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 está en directa para los minoritarios, que son atraídos hacia la unión. El
movimiento de estos portadores minoritarios crea una corriente, aunque muy inferior
que la obtenida en polarización directa para los mismos niveles de tensión.
Al aumentar la tensión inversa, llega un momento en que se produce la ruptura de la
zona de deplexión, al igual que sucede en un material aislante: el campo eléctrico
puede ser tan elevado que arranque electrones que forman los enlaces covalentes
entre los átomos de silicio, originando un proceso de rotura por avalancha.

40


Diodo Rectificador

•

•

Rectificador de media onda

Rectificador de onda completa


41

Los fabricantes clasifican sus diodos en dos grandes grupos: diodos para pequeña
señal y diodos rectificadores. Además deben tenerse en cuenta las características
de tensión y corriente que soportará el diodo:
Tensión inversa máxima.
Tensión inversa de pico repetitivo máxima
Intensidad de corriente máxima en sentido directo
Intensidad de corriente de pico repetitivo máxima en sentido directo
Temperatura ambiente máxima.
Cuando se desea rectificar una corriente alterna de RadioFrecuencia (RF), es
preciso recurrir a un tipo especial de diodo rectificador “ de recuperación
rápida” cuya peculiaridad principal está en la conmutación rápida del estado de
conducción al de bloqueo, ya que los diodos rectificadores de uso común tardan
un cierto tiempo en pasar de un estado a otro.

41


Diodo Zener
•
•

•

Polarizado inversamente, se
produce una gran conducción al
llegar a la tensión de avalancha,
manteniendo la tensión constante
(V zener)


Diodo preparado para trabar en la
zona inversa:
Polarizado directamente funciona
como un diodo normal.

•

Se emplea como regulador
de tensión
42

El diodo Zener es un tipo especial de diodo preparado para trabajar en la zona
inversa. Cuando se alcanza la denominada tensión Zener en polarización
inversa, ante un aumento de la corriente a través del diodo, éste mantiene la
tensión constante entre sus terminales dentro de ciertos márgenes. Si la
corriente es muy pequeña la tensión empezará a disminuir, pero si es excesiva
puede destruir el diodo.
Para conseguir esto se aprovecha la propiedad que tiene la unión PN cuando se
polariza inversamente al llegar a la tensión de ruptura (tensión de zener), pues,
la intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco. Para evitar la
destrucción 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 mínima de 250mW.
Los encapsulados pueden ser de plástico o metálico según la potencia que
tenga que disipar.
Esta propiedad hace que el diodo Zener sea utilizado como regulador de tensión
en las fuentes de alimentación.
Cuando la tensión de entrada aumenta se produce un aumento de la corriente
de entrada, como la tensión del diodo zener es constante no le queda más
remedio que absorber el exceso de corriente, mientras en la resistencia de
entrada se absorbe esta variación de tensión. Si se produce una disminución de
la tensión de entrada la caída de tensión en la resistencia de entrada disminuirá,
compensando la disminución inicial, por el zener circulará menor corriente.
Del circuito se deduce que para que el zener estabilize correctamente, la tensión
mínima a su entrada (UIN), debe ser mayor que la tensión de referencia del
zener (Vz). También hay un límite de tensión máxima debida a las limitaciones
de potencia del dispositivo. Si se cumplen estas premisas, la tensión en la carga
será muy aproximada igual a la del zener.

42


Diodos emisores de luz (LED)
•

Material

Color

GaAs
Ga AsP
N/GaP
GaPAs
GaP
CSi

Infrarrojo
Rojo
Naranja
Amarillo
Verde
Azul

λ (nm)
880
660
610
590
555
480

Diodos capaces de radiar luz visible
cuando por ellos circula una corriente
eléctrica en sentido directo.

Tensión en directo
1,3v
1,7v
2,0v
2,5v
2,5v
3,0v

Al recombinarse los portadores (electrones-huecos) se libera energía radiante en el espectro visible


43

Este diodo presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador sin
embargo, su tensión de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del
color del diodo.
El conocimiento de esta tensión es fundamental para el diseño del circuito en el
que sea necesaria su presencia, pues, normalmente se le coloca en serie una
resistencia que limita la intensidad que circulará 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 además no deja circular la corriente.
La intensidad mínima para que un diodo LED emita luz visible es de 4mA y, por
precaución como máximo debe aplicarse 50mA.
Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será
el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado,
normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se
encuentra el cátodo.
Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a
distancia.
Se fabrican algunos LEDs especiales:
LED bicolor.- Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso.
Se suele utilizar en la detección de polaridad.
LED tricolor.- Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado con el cátodo
común. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común
y el tercero es el ánodo verde.
Display.- Es una combinación de diodos LED que permiten visualizar letras y
números. Se denominan comúnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en
dos configuraciones: ánodo común y cátodo común.

43


Transistores


44

Dentro de la denominación de transistor se engloban un conjunto de dispositivos
semiconductores que tienen en común 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 tensión o
corriente en el tercero.
Pueden cumplir funciones de amplificación, oscilación, rectificación o
conmutación.
Los transistores son componentes esenciales porque toda la electrónica
moderna los utiliza, ya sea en forma individual (discreta) como también
formando parte de circuitos integrados, analógicos o digitales, de todo tipo:
microprocesadores, controladores de motores eléctricos, procesadores de señal,
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 eléctrico creado
por una tensión aplicada entre dos de sus terminales. Son dispositivos
controlados por tensión.
También a diferencia de los BJT los procesos de conducción tienen lugar en
ellos fundamentalmente por los portadores mayoritarios, lo cual da pie a la
denominación de transistores unipolares.
Existen dos tipos básicos de transistores unipolares: FET de unión (JFET) y
FET de puerta aislada (IGFET). Este último tipo se conoce más por las
denominaciones: MOS, MOST o MOSFET. Se usarán 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 básicas: canal n y canal p.

44


Transistor bipolar
•

•

Según la disposición de las
regiones se denominan PNP ó
NPN

•


Dispositivo semiconductor
formado por dos uniones PN

La región común que queda en
medio se denomina base (es la
más estrecha), y las otras dos
regiones emisor y colector.

45

45


Principio Funcionamiento


46

1.- El transistor tiene mayor concentración de impurezas en el emisor. La región
tipo P (base) es más 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 difusión de electrones y huecos del colector hacia
el polo positivo de la pila, y de emisor hacia la región de la base (empujados por
el campo negativo de la pila).
3.- El campo eléctrico 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 unión, lo que
permite no solo la circulación de portadores en el mismo, sino que también
obliga a la difusión de portadores hacia el colector.

46


Funcionamiento del transistor

•
•
•

En conmutación 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 relación entre la
IC
corriente de colector y la corriente de base:

h fe =

IB


47

Al polarizar únicamente las zonas N (emisor y colector), no se establecerá
corriente ya que los portadores no pueden atravesar la zona P de la base.
En esta situación, tenemos dos diodos (Colector-Base y Base-Emisor) sin
polarizar.
Si aplicamos una pequeña polarización positiva en la base, tendremos el
diodo Emisor-Base polarizado en directa, por lo que conducirá. Debemos
recordar que la tensión de polarización de un diodo en directa está entre
0 a 0,7V.
Como la base es muy estrecha, los portadores mayoritarios
procedecentes del emisor se sentirán atraídos por la tensión de colector
que debe ser mucho mayor que la de base, con lo cual la corriente de
electrones que atravesó la unión Emisor-Base atravesará también la
unión Base-Colector, y la corriente principal mayoritaria establecida en el
dispositivo será la corriente Emisor – Colector, que será tanto más
potente cuanto mayor sea la tensión del diodo base-emisor.
En conclusión, aplicando una polarización entre Emisor y Colector, la
tensión de base controla la corriente por el dispositivo.

47


Transistores Unipolares JFET


48

La construcción de este tipo de transistores consiste en un canal que
puede ser P ó N (n en la figura), que dispone de dos terminales
denominados Fuente y Drenaje, entre los cuales es posible hacer circular
una corriente eléctrica proporcional a la tensión 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 disminuirá,
pudiendo llegar a extinguirla completamente.
De esta forma, controlamos la corriente entre Drenador y Fuente
mediante la tensión aplicada al terminal de Puerta.

48


Transistores unipolares MOSFET
•
•
•

Dispositivo semiconductor en los
que la puerta se encuentra
aislada de los cristales.
Enriquecimiento: No existe el
canal hasta que la tensión V gs
no supera un valor humbral Vt.
Empobrecimiento: Funciona de
manera similar al JFET, la tensión
de puerta controla la anchura del
canal.


49

MOSFET: Metal-Oxido-Semiconductor Fiel-Effect Transistor.
También se denominan Transistores de Efecto de Campo con Puerta
Aislada (Insulated Gate Field Effect Transistor, IGFET).
Su característica 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
óxido metálico.
Los pares complementarios CMOS constituyen el elemento básico de los
circuitos integrados digitales de las familia lógica CMOS. Con esta
tecnología se fabrican actualmente la mayoría de los circuitos digitales de
los ordenadores personales.

49


Tiristores
•

•

•


Un tiristor es un rectificador
controlado, donde la corriente
circula de forma unidireccional
(desde el ánodo al cátodo).
Esta circulación de corriente es
iniciada por una corriente
pequeña de señal desde la
puerta al cátodo (haciendo su
puerta positiva respecto al
cátodo)
Permanece activado hasta que
la corriente Anodo-Cátodo
desciende de un valor.

50

IL= Corriente de carga que debe atravesar el dispositivo para que este se
mantenga disparado, es decir, si aplicamos una tensión de puerta pero la corriente
Anodo Cátodo no se mantiene por encima del valor de IL, el dispositivo no se
activará.
IH= Corriente de carga mínima 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 tensión de puerta.

50


TRIAC
•

•


Un 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 pequeña (positiva o
negativa) aplicada entre el
terminal de puerta y MT1.

51

51


Comprobación de Semiconductores
•

•
•

Un polímetro digital en la posición
de diodo permite medir la caída
de tensión en la unión.
0,4 a 0,7 en directa
Circuito abierto en inversa

Diodo
Transistor Bipolar
Tiristor
Transistor MOSFET


52

DIODOS
Al conectar el diodo con la pinza positiva (rojo) en el ánodo y la pinza negativa
(negro) en el cátodo, el polímetro medirá la caída de tensión en la unión. Al
conectar las pinzas alternadas, estaremos polarizando el diodo en sentido inverso,
y marcará 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 ó PNP). A
continuación 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 Ánodo, Cátodo y Puerta. Al situar las pinzas en el ánodo y cátodo
alternativamente, marcará circuito abierto.
A continuación situamos la pinza positiva en el ánodo y la pinza negativa en el
cátodo, conectamos momentáneamente la Puerta con el Ánodo, lo cual permitirá
el paso de corriente, y el multímetro marcará la caída de tensión en la unión
(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 continuación 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 aún situada en el “drenaje”, tocar con el dedo entre fuente y
puerta. La puerta se descarga a través de la impedancia de la piel, y el medidor

52


Encapsulados


53

Se llama encapsulado al soporte físico en el que se aloja el dispositivo
semiconductor.
Existen multitud de encapsulados distintos, cada uno con unas propiedades
térmicas o de tamaño que las hace indicadas para cada aplicación.
Los encapsulados mostrados para transistores son también 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 más utilizados.

53


Amplificador
•

Un circuito electrónico, formado
por dispositivos activos y
pasivos, cuya misión es
aumentar o amplificar el valor
(en tensión, corriente o
potencia) de una señal
aplicada.

La señal a amplificar se aplica en los terminales de entrada, y la
señal obtenida se obtiene de los terminales de salida.
•

Se pueden encontrar como
equipos aislados o como
bloque que forma parte de
otros sistemas

•

Las principales características
que debemos observar en la
elección de un amplificador
son:

Ganancia (en potencia, tensión
o corriente)
Impedancia de entrada
Impedancia de salida
Ancho de banda
Distorsión
Respuesta en frecuencia


54

Un amplificador puede ser definido como un dispositivo o circuito capaz de aumentar una
señal dada. Para conseguir una amplificación trabajamos con los llamados componentes
activos, que son dispositivos capaces de provocar cambios en las condiciones de un
circuito reaccionando ante las señales aplicadas. Podemos considerar que los elementos
activos “aportan” energía al circuito (que obtienen de la fuente de alimentación), en lugar
de consumirla (como es el caso con las resistencias, condensadores y bobinas). La
mayoría 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 alimentación, independientemente de si existe señal de
entrada o no.
Amplificadores de clase B
Son aquellos amplificadores que tienen la peculiaridad de no disponer de corriente a
través de los semiconductores de salida si no existe una señal de entrada presente.
Amplificadores de clase AB
Son aquellos amplificadores que producen a la salida una pequeña alimentación
constante, independiente del estado de las entradas.
Amplificadores de clase D
Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados (aunque
existen variaciones multinivel), con lo que los dispositivos de salida siempre se
encuentran en corte o en saturación.

54


Características de un amplificador
•Ganancia en tensión: Es la relación entre
la tensión de salida y la tensión de entrada
del amplificador

AV =

V salida
V entrada

•Ganancia en corriente: Es la relación
entre la corriente de salida y la corriente de
entrada del amplificador

•

Respuesta 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
máxima del amplificador.

•Ganancia en potencia: Es la relación 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 salida


•Distorsión: Deformación sufrida por
la señal de entrada al pasar por el
amplificador.

55

La distorsión es el fenómeno por el cual una señal pura (una sola frecuencia) se
deforma al pasar por el amplificador, apareciendo a la salida la señal introducida
más una serie de armónicos de esta.
Esto se traduce en que en el dominio del tiempo (osciloscopio) al comparar las
dos señales se apreciará una distorsión entre ambas, y en el dominio de la
frecuencia (analizador de espectro) aparecerán componentes de otras frecuencias.

55


Decibelios
Ganancia

dB

1
2

0
0,301

3

0,477

4

0,699
1

20

1,301

30

1,477

40

1,602

50

1,699

100
200

2
2,301

300

2,477

400

2,262

500

2,699

100

Es una unidad de medida utilizada en electrónica
para indicar la relación entre un valor de entrada y
salida cuando su rango es muy amplio.

0,602

5
10

•

3

•


La ganancia en dB del amplificador
será:

dB = 10 × log

P salida
P entrada

56

Las expresiones en decibelios (dB), son comparaciones logarítmicas (en
base 10) entre magnitudes del mismo tipo, por tanto son adimensionales.
Se utilizan ampliamente en telecomunicaciones por razones de tipo
práctico: convierten las multiplicaciones y divisiones en sumas y restas
respectivamente, simplificando por tanto las expresiones numéricas.
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 será la suma de los dB de
cada etapa

56


Amplificador Operacional
Alimentación positiva (+Vcc)
Entrada inversora

Entrada no inversora

•

+

Salida

•

•
Alimentación negativa (-Vcc)

Componente electrónico
integrado que básicamente
realiza la función de amplificar.
Se utiliza y analiza como un
bloque (sin tener en cuenta sus
elementos constitutivos)
La tensión de salida es igual al
producto de la ganancia A por la
diferencia de tensión entre las
entradas Vd.

Característica

IDEALES

Ganancia en
lazo abierto

Infinita

Ancho de Banda

REALES
103 a 106

Infinito

0 a MHz

Impedancia de
entrada

Infinita

6

Impedancia de
salida

Nula

100 ?

Ofset de
entrada

Cero

μV

10

a 1012 ?


57

Parámetros
•Ganancia en lazo abierto. Indica la ganancia de tensión en ausencia de
realimentación. Se puede expresar en unidades naturales (V/V, V/mV) o
logarítmicas (dB). Son valores habituales 100.000 a 1.000.000 V/V.
•Tensión en modo común. Es el valor medio de tensión aplicado a ambas
entradas del operacional.
•Tensión de Offset. Es la diferencia de tensión, aplicada a través 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 tensión entre las
entradas del operacional que mantienen el dispositivo dentro de las
especificaciones.
•Corrientes de polarización (Bias) de entrada. Corriente media que circula por
las entradas del operacional en ausencia de señal
•Slew rate. Velocidad de cambio de la tensión de salida ante un escalón a la
entrada. Se mide en V/μs, kV/μs o similares.
•Rechazo de Rizado en modo común. Cociente entre la ganancia en modo
diferencial y la ganancia en modo común (Relación entre la tensión de salida y la
semisuma de las entradas cuando ambas están al mismo potencial).. Se mide en
dB.

57


Circuitos con Amplificadores Operacionales
•

•
•


Las características reales se pueden
modificar con la realimentación
aplicada.
La realimentación normalmente es
negativa.
Existen multitud de montajes para
realizar diversas “operaciones”

58

58


Filtros
•

•

•

Frecuencia: Es una medida que
indica el número veces que se
repite una señal eléctrica en la
unidad de tiempo.
Periodo: Indica la duración
temporal de una onda completa de
la señal. Es la inversa de la
frecuencia.

Espectro de frecuencia: Representación de la localización de las
frecuencias de una señal respecto de su intensidad


59

Frecuencia: La frecuencia es el número de oscilaciones completas que
una onda efectúa en el intervalo de tiempo de 1 segundo. También
llamada “ciclos por segundo”, se mide en “Hertz” (Hz), en honor al famoso
físico austriaco.
Longitud de onda: indica el tamaño de una onda. Entendiendo por
tamaño 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 submúltiplos (centímetros o milímetros). También se
define como la separación espacial existente entre dos puntos cuyo
estado de movimiento es idéntico. La longitud de onda se representa con
la letra griega “λ” (lambda).
El espectro de frecuencia es una medida de la distribución de amplitudes
de cada frecuencia. También se llama espectro de frecuencia al gráfico
de intensidad frente a frecuencia de una onda particular.

59


Filtros 2
•

Filtro: elemento que elimina (filtra)
la señal 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 filtro

•

Filtrado paso-alto: Mantiene las
bandas de frecuencia por encima
de la frecuencia de corte del filtro

•

Filtrado paso-banda: Elimina las
bandas de frecuencia anterior y
posterior a la frecuencia de paso
del filtro

•

Filtrado banda-eliminada:
Elimina una bandas de frecuencia
que no coinciden con las frecuencias
del filtro


60

Un filtro eléctrico es un elemento que discrimina una determinada frecuencia o gama de
frecuencias de una señal eléctrica que pasa a través de él, pudiendo modificar tanto su
amplitud como su fase.
La frecuencia de corte es aquella donde la amplitud de la señal entrante cae hasta un
70.7 % de su valor máximo.
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 señales que tratan,
respuesta en frecuencia y método de diseño, los filtros se clasifican en los distintos
grupos:
Según 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 límite 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: También 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 únicamente por componentes pasivos como
condensadores, bobinas y resistencias.
•Filtro activo: Es aquel que puede presentar ganancia en toda o parte de la señal de
salida respecto a la de entrada. En su implementación se combinan elementos activos y
pasivos. Siendo frecuente el uso de amplificadores operacionales

60


Señales en un circuito eléctrico
Señal analógica:
Puede tomar cualquier valor
de amplitud.
Variación continua de
amplitud en el tiempo
Normalmente la señal
obtenida físicamente es
analógica


Señal digital:
Solo toma un numero finito de
amplitudes
En lógica binaria dos
Usualmente cambia la amplitud
en instantes espaciados
uniformemente

61

61


Sistemas de Codificación binarios


62

62


Conversión Analógico/Digital


63

Se trata de convertir la señal analógica continua, que puede tomar cualquier valor
en el tiempo, a señal digital, que solo puede tomar dos valores.
Para realizar la conversión se utiliza un sistema de codificación binario, que
asigna a cada rango de valores analógicos una “cifra” decimal.

63


Conversión Digital/Analógica


64

Se trata de reconstruir la señal analógica original a partir de las cifras decimales
en las que se encuentra codificada.
Para ello se asigna un valor de tensión a cada palabra.

64


Procesamiento Digital de Señales


65

65

Curso de Instrumentación y Electrónica UAM

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (20)

Similaire à Curso de Instrumentación y Electrónica UAM

Similaire à Curso de Instrumentación y Electrónica UAM (20)

Dernier

Dernier (20)

Curso de Instrumentación y Electrónica UAM