Fundamentos de la Electrónica Analógica: Componentes y Circuitos
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Electrónica Analógica
1. Introducción
La electrónica analógica estudia los circuitos y los componentes que permiten modificar las características de la corriente eléctrica (siempre hablaremos de corriente continua):
Amplificándola, atenuándola, permitiendo o no su circulación, eliminando ruidos...
El contenido básico de la electrónica consiste en diseñar dispositivos relacionados con el comportamiento de la electricidad y evolucionan principalmente gracias a los avances en la tecnología de los materiales.
Los ámbitos más generales de aplicación de la electrónica son:
A. Electrónica Industrial
Comprende todos los procesos industriales desde sistemas automáticos de control, hasta robótica.
B. Electrónica de Comunicaciones
Comprende básicamente las telecomunicaciones y la informática.
C. Electrónica de Consumo
En este ámbito tenemos gran variedad de productos electrónicos como la televisión, grabadores de vídeo, radio, ordenadores (sin uso para comunicarse)...
2. Elementos Resistivos
a. Resistencias
Son componentes que dificultan el paso de la corriente a su través, de manera que en sus extremos aparece una caída de tensión que viene dada por la ley de Ohm.
Sus principales características son:
- Valor nominal: Es el valor óhmico resistivo marcado por el fabricante. Podemos decir que es su valor ideal aunque el valor real de la resistencia puede no coincidir con él.
- Tolerancia: Indica la variación que podemos encontrar entre el valor real y el nominal. Es un indicador que nos marca el margen en el que está comprendido el valor real para considerar que el componente está en condiciones de utilizarse.
Potencia disipable: Indica el valor máximo de potencia que puede disipar el componente sin riesgo de deterioro o destrucción.
b. Resistencias variables o potenciómetros
Como su nombre indica, son aquellas en las que el valor óhmico puede variarse a voluntad entre 0 y un valor máximo especificado por el fabricante.
Están constituidas por un hilo de material resistivo. Los extremos de ese hilo se unen a dos terminales externos. La parte fundamental es el cursor, que consiste en un terminal móvil unido a un tercer terminal externo. El cursor se puede desplazar de un extremo al otro mediante un dispositivo mecánico situado en el exterior. Constructivamente son de dos tipos: lineales y circulares.
A____C____B
Su funcionamiento es el siguiente:
Supongamos que el potenciómetro tiene un valor de 100 kΩ, si situamos el cursor en una posición determinada la resistencia entre los terminales A y C serán de x kΩ y la resistencia entre B y C será de y kΩ. En cualquier caso se debe cumplir que x+y=100 kΩ.
Se pueden conectar de dos formas diferentes:
- A Uniendo el potenciómetro al circuito por A y C o por B y C con lo que tenemos una resistencia cuyo valor puede fijarse a voluntad entre 0 y su valor nominal.
- B Haciendo uso de los tres terminales de manera que disponemos de dos resistencias distintas.
c. Termistores
Son elementos resistivos cuyo valor óhmico depende de la temperatura. Hay dos tipos distintos:
- NTC (Negative temperature coefficient | -t°): Disminuye su resistencia al aumentar la temperatura. Su curva resistencia-temperatura será:
- PTC (Positive temperature coefficient | +t°): Disminuye su resistencia al aumentar la temperatura. Su curva resistencia-temperatura será lo contrario a la anterior.
d. Fotorresistencias
Se les conoce como LDR (Light dependent resistors) resistencias dependientes de la luz.
En las LDR la resistencia disminuye cuando aumenta la intensidad luminosa. La gráfica que describe su comportamiento es la siguiente.
4. Condensadores
Después de las resistencias, los condensadores son los componentes más empleados en circuitos electrónicos. Son capaces de almacenar temporalmente cargas eléctricas. Su constitución interna se fundamenta en dos placas llamadas armaduras o electrodos, separados entre sí por un material aislante conocido como dieléctrico.
La capacidad de un condensador (que es su característica principal) viene determinada por las superficies de las armaduras, la distancia que las separa y la naturaleza del dieléctrico e indica la cantidad de carga que el condensador es capaz de almacenar por voltio aplicado en sus extremos.
El condensador en CC solo permite el paso de la corriente mientras dura el proceso de carga. Una vez cargado, deja de pasar corriente por él.
A. Tipos de condensadores
Los distintos tipos de condensadores dependen del material utilizado para su construcción. Encontramos condensadores de papel, cerámicos, de poliéster, aluminio... A su vez podemos encontrar condensadores sin polaridad y condensadores electrolíticos.
Los condensadores electrolíticos suelen ser de mayor capacidad. Debido a su composición química, al conectarlos se debe tener en cuenta la polaridad (tienen un polo negativo y un polo positivo). No ocurre lo mismo con los condensadores de papel, cerámicos, o de poliéster, que no tienen polaridad.
Al conectar las placas del condensador a los polos de una pila tenemos una relación directa entre la tensión de la pila y la carga que almacena el condensador de forma que:
Ya sabemos que la capacidad es la característica principal del condensador y es invariable. Su unidad es el faradio. Un condensador tendrá una capacidad de 1 F cuando adquiere una carga de 1 C al aplicarle una tensión de 1 V.
A efectos prácticos, el faradio es una unidad demasiado grande, por lo que normalmente se usan sus submúltiplos:
- Milifaradio → 1 mF = 10-3 F
- Microfaradio → 1 μF = 10-6 F
- Nanofaradio → 1 nF = 10-9 F
- Picofaradio → 1 pF = 10-12 F
B. Comportamiento del condensador en CC
Proceso de carga: El condensador comienza a cargarse y por el circuito circula la corriente eléctrica. Al principio la intensidad es alta, pero va disminuyendo paulatinamente a medida que el condensador va adquiriendo carga.
Llegará el momento en el que el condensador ya no admita más carga, se dirá que está cargado y dejará de circular la corriente (I=0). Esta situación se mantendrá indefinidamente si no realizamos cambios en el circuito, y en ese momento, la tensión en los terminales del condensador, será la misma que la de la pila (V).
Al tiempo que tarda en cargarse se le denomina tc.
Proceso de descarga: En este momento el condensador comienza a descargarse a través de la rama que conectemos.
El tiempo que tarda en descargarse se denomina td.
Consideraciones: Si representamos en una gráfica la tensión en los extremos del condensador y el tiempo, obtenemos una gráfica como la siguiente.
Las características de carga y descarga se pueden utilizar para fabricar.
C. Condensadores en serie y en paralelo
En serie
En paralelo
5. Materiales Semiconductores
6. Diodos
Permiten el paso de la corriente en una única dirección cuando están sometidos a una polarización directa (ánodo al polo + y cátodo a polo -).
En este caso se permite el paso de la corriente sin oposición. En caso de estar polarizado de forma inversa (ánodo en polo - y cátodo en el polo +) no se permite el paso de la corriente.
Existen varios tipos, los más comunes son:
- Diodo semiconductor (el que acabamos de ver, que es el más normal)
- Diodo LED que se ilumina en polarización directa.
- Diodo Zener
7. Transistores
El transistor es un componente de control y regulación de la corriente eléctrica, es decir, permite o se opone al paso de la corriente y puede regular su intensidad. Es el componente más importante de la electrónica. Los microchips están formados por transistores en cantidades que oscilan de unos pocos miles a millones.
A. Funcionamiento
El transistor se comporta como una válvula que permite o no el paso de la corriente. Se fabrica con material semiconductor (3 fragmentos) y posee 3 patillas, denominadas: base, colector y emisor. Pueden ser de dos tipos: NPN y PNP.
Mediante una pequeña corriente en la base podemos controlar la circulación de electrones entre el colector y el emisor, existiendo tres modos de funcionamiento:
- Corte: Si por la base no circulara corriente, los electrones no pueden pasar del colector al emisor (circuito abierto o corte).
- Saturación: Si a la base llega una corriente suficiente, el paso del colector al emisor queda totalmente libre y la corriente entre C y E será máxima.
- Conducción: Si la corriente de la base está entre los dos valores anteriores, el transistor está en su zona activa y la corriente entre colector y emisor será proporcional a dicha corriente de base.
B. Ecuaciones y magnitudes del transistor NPN en conducción
Si el transistor está en conducción:
- La unión B-E debe estar polarizada directamente VB > VE
- La unión C-B debe estar polarizada inversamente VC > VB
- IC será igual a β ⋅ IB donde β es la ganancia de corriente del transistor (normalmente β=100)
IE=IC+IB | VBE=0,7 (Silicio) | V=0,2 (Germanio)
8. Circuitos Integrados
Son pequeñas piezas o chips de silicio sobre los que se encuentran miniaturizadas cientos, miles o millones de componentes (transistores, diodos y resistencias) protegidas por una funda de plástico y con unas patillas para realizar las conexiones.
8.1. Ejemplos de Circuitos Integrados
Amplificador operacional o comparador
EJEMPLO: LM741, LM311
Compara el nivel de dos señales, de forma que: Si V(+) > V(-) → VS = +Vcc | Si V(-) > V(+) → VS = -Vcc
La conexión de las patillas vendrá dada por el fabricante.
8.2. Regulador de tensión
EJEMPLO: 7805, 7806
Se utiliza para obtener una tensión continua a partir de una tensión alterna de la red eléctrica.
8.3. Circuito integrado 555
Dependiendo del circuito de polarización, nos ofrece dos aplicaciones diferenciadas:
- Intermitencia: La salida cambia continuamente entre dos estados (circuitos astables). El tiempo de intermitencia depende de los valores de resistencias y condensador utilizados.
- Temporizador: La salida se mantiene activa durante algún tiempo, permitiendo controlar el tiempo que un dispositivo está encendido (P.EJ: Luz de la escalera). El tiempo dependerá de R y C (Circuito monoestable).
9. Sistemas Electrónicos
La mayoría de los sistemas electrónicos disponen de una etapa de entrada encargada de recoger datos del exterior (la humedad, la temperatura, la pulsación de una tecla) y una etapa de proceso que tiene la función de interpretar esos datos y activar, de acuerdo con ellos, los dispositivos de salida.
Entrada
Se requiere de un sensor, que son componentes que modifican sus propias características (como la resistencia que presentan al paso de la corriente) en función de factores externos. El conjunto formado por el sensor y el resto de elementos es conocido como transductor.
Proceso
En este caso si hay que trabajar con muchos datos se usan microprocesadores.
Etapa de potencia
Si los componentes de la etapa de salida requieren una corriente elevada para activarse, es necesario añadir algún elemento que la proporcione, como un transistor.
Salida
Está formada por los elementos sobre los que actuamos, como bombillas, motores, LEDs...