tema 2: electrÓnica analÓgica

TECNOLOGÍA, PROGRAMACIÓN Y ROBÓTICA 2017/18

TEMA 2: "ELECTRÓNICA ANALÓGICA"

2.1.- Conceptos fundamentales previos.

2.2.- Aplicaciones de los componentes electrónicos básicos

2.3.- Fuentes de alimentación

2.4.- Circuitos integrados

2.1.- Conceptos fundamentales previos:

Las magnitudes eléctricas básicas son el voltaje, la intensidad de corrientey la resistencia eléctrica.

El voltaje, tensión o diferencia de potencial (V) es la magnitudeléctrica que indica la diferencia energética entre dos puntos de uncircuito.

La intensidad de corriente (I) es la magnitud eléctrica que indica lacantidad de carga eléctrica que atraviesa una sección del cable porunidad de tiempo.

La resistencia (R) es la magnitud eléctrica que indica la oposición quepresenta un conductor al paso de la corriente eléctrica.

La potencia eléctrica (P) es la energía eléctrica por unidad de tiempo.

P(W) = E(J)/t(s)

P(kW) = E(kW·h)/t(h)

P(W) = V(V) · I(A)

LA LEY DE OHM:

La intensidad de corriente que circula por un conductor eléctrico esdirectamente proporcional al valor de la tensión que hay entre sus extremose inversamente proporcional al valor de su resistencia eléctrica.


I = V / R

CÓDIGO DE COLORES PARA RESISTENCIAS:

Algunas resistencias que marcan su valor en su carcasa, pero otras son tanpequeñas que no resulta práctico utilizar este método. Se hace necesarioemplear el código de colores:

El código de colores trata de 4 bandas de colores arrolladas en torno alrevestimiento metálico de la resistencia. Con este gráfico podemosdeterminar rápidamente el valor de las resistencias. Como vemos el valor delas dos primeras bandas determina las dos primeras cifras y la tercerabanda el número de ceros que le siguen. El 4º valor sirve para calcular latolerancia. En algunas ocasiones, si la resistencia es de mala calidad, la 4ªbanda no existe, y se presupone una tolerancia del 20%.

EJERCICIOS:

1.- Calcula la resistencia de un conductor sabiendo que tiene una tensiónentre sus extremos de 20 V y que la intensidad de corriente que loatraviesa es de 5 A. ¿Qué potencia consume este conductor ?

2.- Calcula la tensión a la que está sometido un conductor cuyo valorresistivo es de 10 Ω y que es atravesado por una intensidad de corriente de2 A. ¿Cuál es el valor de la potencia que consume?


3.- Utilizando el código de colores, determinar el valor teórico, la toleranciay los valores máximo y mínimo de la siguiente resistencia:

amarillo, violeta, marrón y oro

Amarillo:4

Violeta:7

Marrón: x10

Da un resultado de 470 Ω

El último color indica la tolerancia. En este caso (color oro) la toleranciaserá del 5%.

Según los datos anteriores, el valor de la tolerancia será:

Tolerancia: 5% de 470 = 470 x 5 / 100 = 23,5 Ω y los valores de laresistencia estarán comprendidos entre:

Valor mínimo: 470 – 23,5 = 446,5 Ω

Valor máximo: 470 + 23,5 = 493,5 Ω

es decir, el fabricante me dice que esa resistencia puede valer entre 446,5Ω y 493,5Ω.

4.- Calcula la resistencia media, la tolerancia y el rango de valores de lassiguientes resistencias:

1º FRANJA

2º FRANJA

3º FRANJA

4º FRANJA

Rojo Rojo Marrón Dorado

Marrón Negro Rojo Dorado

Amarillo Violeta Naranja Dorado

Marrón Negro Marrón Rojo


CIRCUITOS SERIE, PARALELO Y MIXTO:

Un circuito en serie es aquel cuyos componentes se conectan uno acontinuación del otro formando una cadena. Es decir, el borne final de uncomponente se conecta con el borne inicial del siguiente componente.

Características de un circuito en serie:

La potencia generada es igual a la potencia consumida

EJERCICIOS:


5.- En el siguiente circuito, calcula VR1 y VR2

Un circuito en paralelo es aquel cuyos componentes se conectan entre dospuntos. Es decir, todos los bornes iniciales se conectan juntos y todos losbornes finales se conectan juntos en otro punto de conexión.

Características de un circuito en paralelo:


La potencia generada es igual a la potencia consumida.

EJERCICIOS:

6.- Calcula la intensidad de corriente total del siguiente circuito:

Un circuito mixto es aquel cuyos componentes se conectan unos en serie yotros en paralelo.

Características de un circuito mixto:

LA RESISTENCIA EQUIVALENTE: es igual a la suma de todas lasresistencias para los tramos en serie y a la inversa de la suma de lasresistencias para los tramos en paralelo.

LA INTENSIDAD DE CORRIENTE de todos los elementos que están enserie en una misma rama es la misma.

LA TENSIÓN de los elementos que están en paralelo es la misma.


LA POTENCIA GENERADA es igual a la potencia consumida.

EJERCICIOS:

7.- Dado los siguientes circuitos, calcula las magnitudes básicas de cada uno:


Un circuito mixto es aquel cuyos componentes se conectan unos en serie yotros en paralelo

La resistencia equivalente es igual a la suma de todas las resistencias paralos tramos en serie y a la inversa de la suma de las inversas de lasresistencias para los tramos en paralelo

Rt ( mezcla entre serie y paralelo)

La intensidad de corriente de todos los elementos que están en serie en unamisma rama es la misma.

Is1=Is2=Is3...=Isn

La tensión de los elementos que están en paralelo es la misma

Vp1=Vp2=...=Vpn

La potencia generada es igual a la potencia consumida

Pg= P1+P2+P3+...+Pn

EJERCICIO: Calcula la resistencia total de los siguientes circuitos. Cuandola tengas, averigua la intensidad.


2.2.- APLICACIONES DE LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOSBÁSICOS:

RESISTENCIAS:

Las resistencias tienen como función obstaculizar el paso de la corrienteeléctrica. En los circuitos electrónicos tienen fundamentalmente dosaplicaciones, como divisor de tensión y como limitador de corriente.

El divisor de tensión es un circuito formado por dos o más resistenciasconectadas en serie con una fuente de alimentación.

VAB=V ·R1

R1+R2

Un limitador de corriente es una resistencia conectada en serie con otrocomponente y su función es reducir la intensidad de corriente que circulapor ese componente para que pueda funcionar correctamente.

R=V −Vled

I


Un ejemplo del uso de los limitadores de corriente son los circuitos con leds

EJERCICIOS:

Calcula las tensiones VAB y VBC en los extremos de las resistencias delsiguiente circuito:

Calcula el valor de la resistencia necesaria para que el led funcionecorrectamente en el siguiente circuito.


CONDENSADORES:

La función de un condensador en un circuito eléctrico es almacenar energíaeléctrica cuando se carga y cederla al circuito cuando se descarga.

Las aplicaciones fundamentales de los condensadores en corriente continuason los circuitos temporizadores y el filtrado de las fuentes dealimentación.

En un circuito de corriente continua, la carga y descarga del condensador seproduce de forma casi inmediata, pero si conectamos una resistencia enserie con un condensador, conseguiremos retardar el tiempo de carga ydescarga. Habremos creado un circuito temporizador.

Los circuitos temporizadores con condensadores están formados por uncondensador conectado en serie con una o más resistencias a través de lascuales el condensador se carga o se descarga. Se utilizan para activar odesactivar otros componentes de forma retardada.

En el circuito de la figura cuando pulsamos el interruptor, el condensador secarga inmediatamente al estar directamente conectado directamente a labatería de 4,5 V. En la figura de la derecha, como se ha pulsado enconmutador, el condensador se descarga durante un tiempo a través de laresistencia de 470Ω y del led. Al pulsar el conmutador, el led se ilumina ycontinúa iluminando hasta que el condensador se descarga totalmente.


DIODOS:

Un diodo es un semiconductor que permite el paso de corriente en sentidoánodo-cátodo (polarización directa) y lo impide en sentido cátodo-ánodo(polarización inversa).

Esta cualidad de los diodos hace que su principal aplicación sea larectificación de la corriente alterna y se utilicen en las fuentes dealimentación (rectificar la corriente consiste en convertir una corrientealterna en continua, eliminando o transformando la parte negativa de la ondade corriente alterna).

El diodo Zener : Es un diodo especial que, además de conducir cuando sepolariza directamente, conduce también cuando se polariza inversamentecon una tensión de valor igual o superior a su tensión inversa nominal,llamada tensión Zener (Vz). Esta propiedad hace que una de las aplicaciones


fundamentales de los diodos Zener sea como estabilizadores de tensión enfuentes de alimentación.

Vamos a ver cómo sería la conexión básica de un diodo Zener en un circuito:

La Rs (resistencia en serie con el Zener) sería la resistencia de drenaje que sirve para limitar el flujo de corriente por el Zener y la Rl es la Carga a elemento de salida que va a tener la tensión Zener constante por estar en paralelo con el diodo Zener. ¿Te das cuenta que la conexión es inversa?. Así se conectan siempre el Zener diodo.

En el circuito anterior la tensión de salida se mantendrá constante, siempre


que sea superior a la Vz, y además será independiente de la tensión de entrada Vs. Esto nos asegura que la carga siempre estará a la misma tensión.

Si aumentamos por encima de Vz la tensión de entrada Vs a la salida tendremos siempre la tensión constante igual a Vz.

¿Para qué sirve un diodo Zener? estos diodos se utilizan como reguladoresde tensión o voltaje para determinadas tensiones y resistencias de carga. Con un Zener podemos conseguir que a un componente (por ejemplo un altavoz) siempre le llegue la misma tensión de forma bastante exacta.

Otro uso del Zener es como elemento de protección de un circuito para quenunca le sobrepase una determinada tensión a la carga del circuito.

OJO los Zener deben diseñarse para que sean capaces de soportar la potencia de la carga, de otra forma podrían llegar a bloquearse o incluso quemarse.

Vamos a poner un ejemplo con un ejercicio.

Se desea diseñar un regulador Zener de 5,1V para alimentar una carga de 5 ohmios, a partir de una entrada de 9V. Para ello utilizaremos un Zener de 5,1V y 1w. Calcular:

a) La resistencia necesario de drenaje, asumiendo una corriente de Zener del 10% de la corriente máxima.

b) Los límites de variación del voltaje de entrada dentro de los cuales se mantiene la regulación. Se asume que la carga es constante.

c) La potencia nominal de la resistencia de drenaje.

Vamos a resolver el problema:

Para calcular la resistencia de drenaje ya sabemos que es:


Rs = (Vs- Vo)/ (Il + Iz); en nuestro caso:

Vs = 9V; Vo = 5,1V;

Il = Vo / Rl = 5,1/5 = 1,02A;

Iz = Il / 10 = 1,2 /10 = 0,102A (el 10%)

Si ponemos estos valores en la fórmula de la Rs tendremos:

Rs = (9V-5,1V)/(1,02A-0,102A)= 3,48Ω.

como este valor de resistencia no existe en la realidad escogeremos el valor de una resistencia de 3,3Ω que si existe en la realidad y se comercializa.

Vamos ahora a resolver el apartado b).

Los valores máximos y mínimos de la tensión de entrada entre los cuales el circuito mantiene regulada la tensión de salida, podemos despejarlos de la fórmula anterior, despejando Vs y teniendo en cuenta que la Iz, corriente a través del Zener, no puede ser superior a su valor máximo Izmáx ni inferior a cero. Despejamos Vs:

Vs = (Il + Iz) x Rs + Vo;

El valor mínimo para Vs será cuando Iz es igual a cero.

Vsmínimo= Il x Rs + Vo;

El valor máximo será cuando Iz es igual a Izmáx.

Vs = (Il + Izmáx) x Rs + Vo;

Los valores para nuestro ejercicio son:

Il = 1,02A; Rs = 3,3Ω; Vo = 5,1V y la Izmáx será:

Izmáxima= Pz/Vz = 1/5,1= 0,196A. Si ponemos los valores en las


fórmulas anteriores, tenemos:

Vsminimo = 1,02 x 3,3 + 5,1 = 8,47V

Vmáxima = (1,02 + 0,196) x 3,3 + 5,1 = 9,11V.

¿Qué significa esto? Pues que la tensión de entrada puede ser entre 8,47V y 9,11V para que exista regulación de tensión del diodo Zener.

Si el Zener tiene una tensión inferior a 8,47V deja de conducir y si es superior a 9,11V se destruye por sobrecalentamiento. Este será el rango delque hablamos anteriormente y por lo que los Zener no se pueden usar para todos los casos

En ambos casos no habrá regulación de tensión y el circuito se comportará como un divisor de tensión normal.

Conclusión a esto es que los diodos Zener solo se pueden utilizar para un rango limitado de tensiones de carga o corrientes de carga.

Para manejar tensiones elevadas se debe utilizar junto con un transistor, que se encargará de transportar la corriente d carga sin alterar la tensión aplicada a ella. Pero para eso tendríamos que entender el transistor. Lo veremos más adelante.

Por último calculemos el apartado c).

La potencia nominal mínima de la resistencia de drenaje se calcula con la fórmula:

Ps = (9,11V -5,1V)/3,3Ω= 4,87w.

Según esto debe escogerse como mínimo una resistencia d 3,3Ω y que aguante una potencia de 5w. En la práctica, por seguridad se elegirá una de 3,3Ω y de 10w de potencia.


TRANSISTORES:

Un transistor es un semiconductor con tres terminales : emisor, base y colector. Tiene dos usos principales: como interruptor y como amplificador de la corriente.

Cuando el transistor trabaja en activa, amplifica la corriente que entra por la base, de modo que la corriente del colector es exactamente igual a la corriente de base multiplicada por un número β, que es la ganancia del transistor.

Cuando el transistor trabaja en corte, no deja pasar la corriente por sus terminales (interruptor abierto) y cuando trabaja en saturación se comporta como un interruptor cerrado.


CORTE: El transistor se comporta como un interruptor abierto

Vbe < 0,7 V

Ib = Ic = 0

ACTIVA: El transistor amplifica la corriente que entra por la base

Vbe >= 0,7V

Ic = Ib * ß

Ie = Ib + Ic


SATURACIÓN: El transistor se comporta como un interruptor cerrado

Vbe >= 0,7 V

0V < Vce < 0,2 V

Ic <= Ib * ß

tema 2: electrÓnica analÓgica

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