Tema 57A – Circuitos electrónicos – elementos componentes y su funcionamiento

1. INTRODUCCIÓN.

La electrónica es la ciencia que estudia, transforma y aplica las variaciones de las magnitudes eléctricas para recibir, tratar y transmitir la información de una señal eléctrica.

Evolución histórica.

La electricidad dio origen a la electrónica. No podemos hablar de historia de la electrónica hasta finales del S. XIX, momento en que se realizó un estudio cuidadoso de los electrones que rodean al núcleo atómico.

Algunos Hitos importantes fueron.

En 1.883 Thomas A. Edison observó que al calentar un material metálico se producía una emisión de electrones. A este fenómeno lo llamó efecto termoiónico.

En 1.896 Marconi logró transmitir señales a gran distancia mediante la telegrafía sin hilos.

Un año después, Fleming utilizó la válvula diodo para la detección de las señales de radio.

En 1.938 se sentaron las bases teóricas para la fabricación de los elementos semiconductores. Desde este momento y gracias a la constante investigación, los nuevos descubrimientos no han dejado de sorprender a la humanidad.

Hertz observó que al circular una corriente alterna por un conductor, se crean ondas electromagnéticas a su alrededor, las cuales dependen de la corriente que circula.

Ámbitos de aplicación de la electrónica.

a) La electrónica industrial: Es una parte muy extensa de la electrónica y comprende todos los procesos industriales, desde la instrumentación hasta la robótica.

b) La electrónica de comunicaciones: Se trata del campo de la electrónica que ha evolucionado más rápidamente y que más ha influido en las técnicas de comunicación e información.

c) Electrónica de consumo: El mercado de consumo nos ofrece gran variedad de productos electrónicos, que pueden ser aparatos audiovisuales autónomos (ordenadores, aparatos reproductores y grabadores de vídeo, reproductores y grabadores de sonido), medios de difusión (radio y televisión), medios de telecomunicación (teléfono, videoteléfono, comunicación por vía informática).

2. CONCEPTOS BÁSICOS.

¿Qué es la electricidad?

La materia está formada por átomos. El átomo es la partícula más pequeña capaz de conservar las propiedades íntegras de un elemento. Consta de un núcleo y una corteza. El núcleo contiene protones (carga +) y en la corteza están los electrones (carga -).

La electricidad es una forma de energía asociada a las cargas eléctricas. La parte de la física que estudia los fenómenos eléctricos recibe el nombre de electricidad. Además, podemos decir que la electricidad es una propiedad de los materiales, que se pone de manifiesto en unos más fácilmente que en otros.

El movimiento de electrones constituye la corriente eléctrica. Puede seguir un único sentido (corriente continua) o variar éste en función del tiempo (corriente alterna).

Electrostática, electrodinámica y electromagnetismo.

Dentro de la electricidad, en función del estudio que se realiza de ella podemos distinguir:

a) La electrostática: Trata de los fenómenos de la electricidad relacionados con los cuerpos y las cargas eléctricas.

b) La electrocinética: Estudia los fenómenos provocados por las cargas eléctricas en movimiento, de las que derivan fenómenos magnéticos.

c) El electromagnetismo: Es la parte de la física que se ocupa de las relaciones entre electricidad y magnetismo.

Corriente eléctrica: efectos y magnitudes:

La circulación de electrones por un conductor recibe el nombre de corriente eléctrica. Su unidad es el amperio, que expresa la cantidad de carga eléctrica que circula (electrones) por unidad de tiempo.

1 AMPERIO = 1 Culombio /sg. 1 Culombio = 6,23. 1018 electrones.

Según el sentido de circulación de los electrones por un conductor, la corriente eléctrica se clasificará en corriente continua, alterna o pulsatoria.

a) Corriente continua: Es la circulación por un conductor de una corriente constante y en un único sentido. Las pilas eléctricas son generadores químicos de corriente continua, y se comportan como tales. También existen generadores mecánicos de corriente continua, como la dinamo.

b) Corriente pulsatoria: El sentido de la corriente es constante, pero su valor varía.

c) Corriente alterna: Es la corriente en la que los electrones circulan por un conductor de manera alternativa en los dos sentidos. Su forma y valor varían en función del tiempo. Esta corriente puede tener varias formas de ondulación, en función de su origen. La producción de la corriente alterna se obtienen con los generadores de corriente llamados alternadores.

3. COMPONENTES Y SU FUNCIONAMIENTO.

3.1. Resistencias.

3.2. Condensadores

El condensador es un elemento pasivo que puede almacenar energía a través del campo eléctrico producido por la diferencia de carga entre sus armaduras y luego puede devolver esa energía. Consta básicamente de dos placas metálicas conductoras (aluminio o estaño) separadas por un material aislante llamado dieléctrico (papel, plástico, cerámica, etc.). Algunos usos son: temporizadores electrónicos, filtros, circuitos osciladores, circuitos resonantes, etc.

Su símbolo y su ecuación de definición son:

d V(t)

i (t) = C placas conductoras metálicas

dt

Dieléctricos

Características de un condensador.

Un condensador se define básicamente por tres valores: el valor de la capacidad, la tolerancia de dicha capacidad y la tensión de trabajo. La tensión de trabajo indica la tensión a la que puede funcionar el condensador de forma permanente si sufrir daños.

Existe otra tensión, denominada tensión de perforación que una vez rebasada, destruye el condensador.

Pueden ser ajustables o variables con el mismo significado que para las resistencias. Están formados por un conjunto de láminas que se desplazan respecto a otro conjunto de láminas haciendo que varíe la superficie de encuentro. Suelen utilizar como dieléctrico el aire o la mica. Son utilizados en circuitos de sintonía.

De capacidad fija

a) De papel impregnado

b) De papel metalizado

c) De mica

d) Cerámicos

e) De plástico: styroflex y poliester f) De esmalte vítreo

g) Electrolíticos: tienen polaridad, debido a su construcción, no soportando tensiones inversas (o negativas). Se fabrican con capacidades elevadas superiores a 1 mF. Pueden ser de aluminio o de tántalo seco.

Los símbolos utilizados para condensadores son los siguientes:

AJUSTABLE VARIABLE ELECTROLÍTICO

+

Según el material

Otra clasificación se puede hacer atendiendo al material con que están construidos, algunos tienen unas características muy especificas.

a) Condensadores de papel

Se construyen arrollando dos láminas metálicas, generalmente aluminio o estaño entre dos hojas de papel impregnadas de aceite mineral. No tienen polaridad.

b) Condensadores de mica

Se construyen interponiendo sucesivamente hojas de mica entre las láminas metálicas formando un conjunto. Posteriormente se unen todas las láminas impares y todas las láminas pares. Para protegerlo se cubre de cera especial

c) Condensadores cerámicos

Se construyen sobre una base cerámica de forma tabular, cuyas superficies interior y exterior se ha metalizado, posteriormente se recubre para protegerlo

d) Condensadores electrolíticos

Están formados por una lámina de aluminio a la que se ha aplicado una capa de óxido, una lámina de papel impregnada de un ácido o de una composición electrolítica y los terminales. Todo enrollado se protege con una funda cerrada herméticamente para que no se evapore el ácido

Todos estos condensadores de elevada capacidad tienen polarización así como una tensión de trabajo que no se puede sobrepasar sin peligro que explote.

e) Condensadores de tántalo

Parecido a los electrolíticos se usan una película de óxido de tántalo alcanzan capacidades altas y su principal característica es que su coeficiente de fuga es muy pequeño.

3.3. Bobinas.

Es un elemento pasivo compuesto por arrollamientos con espiras sobre un soporte que puede ser magnético o no. Llamadas también con el nombre de inductancias, es un elemento que almacena energía debido al campo magnético variable y éste a su vez será capaz de inducir sobre sus mismas espiras (autoinducción) una fuerza electromotriz. El sentido de la fuerza electromotriz inducida siempre se opone al efecto que la produjo (ley de Lenz).

El símbolo y las ecuaciones de definición son:

L i

d i (t)

V (t)

V (t) = L L = coeficiente de autoinducción (Henrios [H] )

dt 1 i (t) = ∫ V (t) L

La bobina es un integrador de tensión de tal forma que alisará tensiones con grandes variaciones instantáneas.

9 Tipos de Bobinas:

a) Dependiendo de la frecuencia de trabajo

• De alta frecuencia

• De baja frecuencia

b) Atendiendo al material del núcleo

• Núcleo no magnético: aire, fibra, plástico, etc.

• Núcleo magnético: chapa magnética, hierro dulce, ferritas, etc.

c) Según la forma: cilíndricas, toroidales, etc.

3.4. Los diodos.

El diodo es un elemento activo semiconductor con dos terminales, conocidos como ánodo y cátodo, que tiene la propiedad de dejar pasar la corriente de ánodo a cátodo, y no conducir de cátodo a ánodo, aunque esto no es rigurosamente cierto y sólo ocurre idealmente.

Terminal exterior ANODO

Zona P + Unión V A K Zona N – Terminal exterior CATODO

Un diodo consta de una unión de cristal P y cristal N (unión PN), en la que se produce una barrera de potencial, al unir un trozo de semiconductor tipo P y otro de tipo N se consigue que el resultado tenga una serie de características interesantes. Al efectuar la unión, algunos electrones de la zona N se recombinan con los huecos (zona positiva) de la zona P, dando lugar así a una barrera de potencial que impedirá la recombinación de pares electrón-hueco (En la zona P los portadores mayoritarios son los huecos, en la zona N los portadores mayoritarios son los electrones, en la zona P los portadores minoritarios son los electrones y en la zona N los portadores minoritarios son los huecos).

La barrera de potencial debe ser superada por los electrones para que el diodo comience a conducir. Dicha tensión se conoce como tensión umbral, siendo para los diodos de silicio de 0.7V y para los de germanio de 0.3V, aproximadamente.

 Tipos de diodos:

3.5. Transistores.

Son dispositivos ACTIVOS cuya resistencia interna puede variar en función de la señal de entrada. Esta variación de resistencia provoca que sea capaz de regular la corriente que circula por el circuito donde se encuentra conectado, considerándose, por tanto, como el amplificador básico.

Tipos de transistores.

Tenemos los siguientes tipos:

Bipolares o BJT

Constituidos por tres zonas con distinto tipo de material semiconductor. Las zonas se conectan sobre tres terminales que reciben el nombre de emisor, base y colector. Dependiendo del dopaje de cada una de las 3 zonas tenemos dos tipos: NPN y PNP. Los analizaremos más adelante.

ƒ Zonas de funcionamiento.

El transistor puede funcionar en tres zonas distintas dependiendo de donde se encuentre el punto de trabajo, que viene definido por las curvas de funcionamiento del transistor y el circuito al que conectemos el transistor.

Conociendo dicho circuito podremos trazar la llamada recta de carga que nos define el punto de trabajo, si conocemos la intensidad de base. A continuación tenemos las curvas características de salida de un montaje en emisor común (esto es, el emisor está conectado tanto a la entrada como a la salida del circuito):

Ic Ib IB3

Zona de saturación IB2

IB1

Zona activa IB = 0

Zona de corte

De efecto campo o FET

Suministran una corriente de salida proporcional a la tensión de entrada.

De unión o JFET

Pueden ser de canal n y canal p. los terminales se denominan surtidor (S), drenador (D) y puerta (G)

G G

S S CANAL N CANAL P

De puerta aislada MOS

Presentan mayor resistencia de entrada que los FET de unión. También pueden ser de canal n y canal p.

Tenemos:

• MOS de enriquecimiento: el canal se va formando al aplicar tensión a la puerta

D D

G G

S S

MOS CANAL N ENRIQUECIMIENTO MOS CANAL P ENRIQUECIMIENTO

• MOS de empobrecimiento: el canal va desapareciendo al aplicar tensión a la puerta

D D

G G

EMPOBRECIMIENTO

4. PROCEDIMIENTOS DE CONEXIÓN.

En electrónica se puede hablar de dos tipos de conexión, la conexión de componentes y

la interconexión de diferentes partes de un circuito

9 Los diferentes tipos de conexión son:

o Soldadura Blanda

Es la más habitual con mucha diferencia en la electrónica. Emplean una aleación que puede ser plomo y estaño (63% Sn y 37 % Pb) aunque también se pueden utilizar otros porcentajes. De esta forma se obtienen contactos de baja resistencia óhmica y elevada capacidad mecánica.

La realización de una buena soldadura exige que las superficies a unir se encuentren libres de capas de óxido para asegurar una buena difusión y adherencia de la aleación fundida.

Por ser el procedimiento más habitual de conexión en tecnología a continuación daremos unas breves instrucciones del proceso.

• Mantener la punta del soldador siempre limpia, de no ser así limpiarla en una esponja húmeda y echar una pequeña gota de estaño.

• Estañar el elemento a soldar previamente. Como norma general el soldador tocará el elemento, añadiendo un poco de estaño en contacto con el componente.

• Unir físicamente terminal y punto de conexión y añadir estaño, este no deber tocar el soldador. No hay que dejar que se forme una bola de estaño. La soldadura debe ser brillante y no abombada, será señal de que hemos realizado una buena soldadura.

o Soldadura Dura.

Emplean una aleación de plata tienen un campo de fusión sobre los 800ºC. Tienen más aplicación en la soldadura de conexiones internas de los componentes.

o Conexión por arrolladora.

Al extenderse la miniaturización, realizar conexiones con soldador era complicado ya que éste exigía un espacio para su maniobra. En los Estados Unidos las industrias telefónicas desarrollaron este sistema consistente en arrollar el conductor al terminal de conexión.

o Conexión por pinzado

Este método está muy extendido en el campo de la electricidad, su aplicación en la electrónica ha sido muy reciente.

o Conexión por atornillado

Se reserva sólo a terminales de gran tamaño de componentes de potencia.

Los diferentes tipos de interconexión son:

o Interconexión por maceado

Se preparan mazos de cables según las dimensiones y distribución del equipo. Estos mazos se anudan con hilo de nylon o con pequeñas abrazaderas. Los conductores pueden acabar soldados a pines o bien en un conector.

o Interconexión por placa madre o borrad-bus

Consiste en una placa base que contiene todos los conectores en los cuales se insertan las distintas tarjetas. Este sistema tiene la ventaja de permitir una rápida distribución de cualquier parte del circuito y está ampliamente utilizado en la actualidad.

o Interconexión por cable impreso flexible.

Es una variación del sistema de mazos que se sustituyen por esta clase de circuito (circuito flexible). Se utiliza en circuitos compactos y de forma irregular.