Fundamentos de Electrónica: Conceptos Clave y Aplicaciones en Tecnología Industrial

Introducción a la Electrónica y sus Fundamentos

Definición de Electrónica

La electrónica se define como la ciencia y tecnología que estudia el movimiento de cargas en un gas, en el vacío o en un material semiconductor. Es una ciencia porque estudia los principios físicos que influyen en el movimiento de las cargas. Es una tecnología porque utiliza esos estudios para diseñar dispositivos y máquinas útiles para el ser humano.

Conceptos Básicos de Electrónica

• Información: Conocimiento que se tiene de un suceso o situación. Desde el punto de vista físico, la información se encuentra ligada a una señal y a un medio como condición indispensable para poder ser comunicada o transferida de un lugar a otro.
• Señal: Variación de una corriente eléctrica u otra magnitud que se utiliza para transmitir información.
• Medio: Soporte físico mediante el cual se comunica la señal. Pueden ser conductores o semiconductores.
• Procesamiento de la señal: Manipulación de una señal para obtener algún tipo de información.
• Transductores: Circuito capaz de convertir una señal eléctrica a una no eléctrica y viceversa.

Características de las Señales en Electrónica

• Naturaleza electromagnética: Tensión (V) e intensidad (I).
• Portadoras de información: Conversión mediante transductores (sensores y actuadores).
• Medio: Conductores o semiconductores.

Carga Eléctrica

• Concepto: Propiedad de la materia, portadoras de señal.
• Tipos: Protones (+) y electrones (-).
• Electrones de la banda de valencia: Son los electrones de la última capa.
• Unidad: Culombio (C). e = -1.602 * 10^-19 C
• Fuerzas electroestáticas: Hacen que las cargas se atraigan o repelan.
• Medio: Gas, vacío, materiales semiconductores y metales.
• Estructura de semiconductores/metales: Sólidos cristalinos.
• Hueco: Sitio que deja un electrón cuando sale (se excita). Cuando un electrón se va, el átomo queda positivo.

Conductividad

Posibilidad de que electrones libres de la banda de valencia puedan ser arrastrados por aplicaciones de campo eléctrico. Cuando se le aporta energía al electrón, este tiende a abandonar el enlace y liberarse.

El silicio tiene 4 electrones de valencia. Es el semiconductor más usado. Los semiconductores, cuando tienen poca o nada de energía, no conducen, pero cuando tienen suficiente energía, sí conducen.

Corriente Eléctrica

Cantidad de carga eléctrica (Culombios) que cruza una determinada sección en un intervalo de tiempo. Se mide en Amperios (A).

Tensión

Entre dos puntos se define como el trabajo necesario para desplazar una unidad de carga entre dichos puntos. También se denomina diferencia de potencial. Se mide en Voltios (V).

Potencia

Trabajo que se realiza en la unidad de tiempo.

Semiconductores

Comportamiento del Germanio

• A 0 ºK: No hay enlaces covalentes rotos. Esto equivale a que los electrones de la banda de valencia no pueden saltar a la banda de conducción.
• A 300 ºK: Hay 1 enlace roto por cada 1.7 * 10⁹ átomos. Hay un electrón “libre” y una carga “+” por cada enlace roto.

Tipos de Semiconductores

• Semiconductores intrínsecos: Semiconductores puros.
• Semiconductores extrínsecos: Semiconductores dopados (se añaden átomos de impurezas a un intrínseco).
• Tipo N: Se le añaden impurezas donadoras (electrones). Ejemplo: Sb al Ge.
• Tipo P: Se le añaden impurezas receptoras (huecos). Ejemplo: Al al Ge.

Comportamiento de los Semiconductores Extrínsecos

A) Tipo N: A 300 ºK, todos los electrones adicionales de los átomos del Sb están desligados de su átomo (pueden desplazarse y originar corriente eléctrica). El Sb es un donador y en el Ge hay más electrones que huecos. Es un semiconductor tipo N.

B) Tipo P: A 300 ºK, todas las “faltas” de electrón de los átomos de Al están cubiertas con un electrón procedente de un átomo de Ge, en el que se genera un hueco. El Al es un aceptador y en el Ge hay más huecos que electrones. Es un semiconductor tipo P.

Tipos de Señales en Electrónica

Clasificación de las Señales Según su Forma de Onda

• Señales constantes (de continua o DC): Señal de tensión o intensidad que no varía en el tiempo.
• Señal variable (de alterna o AC): Señal de tensión o de intensidad que varía en el tiempo.
• Señales periódicas: Se repiten en el tiempo.
• Señales no periódicas: No se repiten en el tiempo. Ejemplo: altavoz.

Clasificación de la Señal Según su Valor Numérico

• Señales analógicas: El valor de la tensión y de la intensidad continua pueden tener como valor cualquier número.
• Señales digitales: El valor de la tensión y de la intensidad solo pueden tener los valores 0 y 1.

Ambas señales pueden ser: continuas en el tiempo o discretas en el tiempo (definidas solo en algunos puntos en el tiempo).

Distorsión y Ruido

Distorsión

Se entiende por distorsión la diferencia no deseada entre una señal que entra a un equipo o sistema y la señal de salida del mismo. Por lo tanto, puede definirse como la “deformación” (en amplitud, frecuencia o fase) que sufre una señal tras su paso por un sistema electrónico. Está asociado a algo que pasa internamente al equipo electrónico. Ejemplo: cuando se sube el volumen del altavoz más de lo que el equipo es capaz de soportar.

Ruido

Ruido: Interferencias a todas aquellas señales eléctricas, no deseada y que están unidas a la señal principal de manera que la pueden alterar produciendo efectos que pueden ser perjudiciales. Viene de fuera del equipo electrónico. Ejemplo: cuando acercamos un móvil a un altavoz y recibe una llamada.

• Cuando la señal es analógica, el ruido será perjudicial en la medida que lo sea su amplitud respecto a la señal principal.
• Cuando la señal es digital, si el ruido es capaz de producir un cambio de estado, dicho ruido será irrelevante.

Medición

Proceso de Medición

Habitualmente, al percibir una magnitud física, existe un primer objetivo que es medirla. El proceso de medición implica la comparación de alguna magnitud por medir con una norma.

Ninguna medición hecha con un sistema real es perfecta. Siempre existe un pequeño error. El valor real nunca se conoce, se aproxima.

Tipos de Errores

• Errores aleatorios o accidentales: Por ruidos o variaciones ambientales. Ejemplo: si hace calor o por la gravedad.
• Errores sistemáticos: Constantes, por el sistema de medición. Ejemplo: por calibración del equipo.
• Errores ilegítimos: Equivocaciones en la medición o cálculo. Ejemplo: pesarse después de una boda.