tema 5: electricidad -...

TPR 3ºESO. Departamento de Tecnología. IES Nuestra Señora de la Almudena Mª Jesús Saiz

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TEMA 5: ELECTRICIDAD - ELECTRÓNICA

1.- Definiciones:

Toda la materia está compuesta por átomos y éstos por partículas más pequeñas. El núcleo del átomo está integrado por neutrones y protones, y alrededor del núcleo se encuentran los electrones girando. Los electrones tienen carga negativa, los protones carga positiva y los neutrones, como su nombre lo indica, son neutros (carecen de carga positiva o negativa). Algunos tipos de materiales están compuestos por átomos que pierden fácilmente sus electrones, y éstos pueden pasar de un átomo a otro.

La electricidad o corriente eléctrica es el movimiento de

electrones a través de un conductor desde un átomo cargado negativamente (le sobran electrones) hasta otro cargado positivamente (le faltan electrones). A este sentido de circulación se le llama sentido real de la corriente.

Sin embargo, en el diseño de circuitos eléctricos y electrónicos se utiliza el sentido convencional de la corriente eléctrica, que dice que el flujo de electrones va desde el polo positivo al negativo.

La electricidad fluye mejor en algunos materiales que en otros, pues hay buenos o malos conductores eléctricos. La plata, el cobre, el oro y el aluminio son excelentes conductores de la electricidad. Los plásticos son materiales aislantes.

La electrónica es la parte de la electricidad que estudia el paso de corriente eléctrica a través de componentes llamados semiconductores.

Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo la luz que recibe o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los semiconductores más utilizados son el silicio y el germanio.

La electrónica se divide en dos grupos: electrónica analógica y electrónica digital. La electrónica analógica trabaja con valores reales y se introduce la información mediante

sensores que pueden tomar muchos valores (diferentes velocidades de un motor, sensor que detecta diferentes temperaturas, …).

En la electrónica digital la información está en forma binaria (0 y 1) y sólo hay dos valores de tensión: HIGH (5V, 1 binario, ON, pasa corriente) y LOW (0V, 0 binario, OFF, no pasa corriente).

La electrónica se emplea fundamentalmente para controlar y automatizar aparatos, máquinas o circuitos y para procesar información.

2.- Tipos de corriente eléctrica:

La corriente eléctrica pude ser de dos tipos:

Corriente continua: CC, DC, Es cuando los electrones circulan siempre en el mismo sentido (de + a -) y con el mismo valor. La producen las pilas, las dinamos y las baterías. En estos aparatos encontraremos siempre un borne o polo positivo y un borne negativo. Siempre dibujaremos el sentido de la corriente desde el polo positivo al polo negativo.

+ -

electrón

protones y

neutrones


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Muchos de los aparatos que utilizamos funcionan con corriente continua (ordenador, mp3, móvil, etc.)

Corriente alterna: CA, AC, Es cuando los electrones circulan en los dos sentidos, alternándose periódicamente. Su valor no es constante (la polaridad está constantemente cambiando de signo). La producen los alternadores. En estos aparatos no aparecen ni polo positivo ni negativo (ya que se van alternando). Este tipo de corriente es la que nos llega a nuestras casas y la usamos para la iluminación, la lavadora, el frigorífico, etc. Para cambiar la corriente alterna a corriente continua los aparatos llevan incorporados transformadores, que cambian el tipo de corriente y el valor de su tensión o voltaje.

3.- Circuito eléctrico:

Circuito eléctrico es un conjunto de elementos eléctricos, conectados entre sí, de tal modo que pase la corriente eléctrica y con el fin de realizar un trabajo eléctrico o una función determinada.

La corriente solo circula cuando el camino está cerrado (los electrones salen del polo positivo y regresan al negativo)

Un cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión directa, sin atravesar ningún receptor. La intensidad de corriente se hace tan grande que el circuito no es capaz de soportarla.

4.- Símbolos eléctricos y electrónicos

El dibujo de circuitos eléctricos está normalizado. Los circuitos se dibujan a través de esquemas utilizando símbolos y uniendo los componentes mediante líneas rectas y siempre que sea posible con ángulos de 90º.

Los símbolos eléctricos y electrónicos que vamos a utilizar son:

Generadores

Pila Batería

Elementos de control y maniobra

Interruptor Pulsador NA Pulsador NC Conmutador Relé

Circuito abierto Circuito cerrado Cortocircuito


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RECEPTORES

Actuadores

Zumbador Bombilla Diodo Led Motor

Elementos de protección

Resistencia Potenciómetro Diodo

Sensores Amplificador

LDR Termistor Sensor de IR Transistor

5.- Tipos de circuitos:

La forma de conectar receptores entre sí son las asociaciones serie, paralelo y mixta, según conectemos sus bornes.

Los receptores se conectan siempre entre sí en paralelo, excepto cuando queremos proteger un receptor de un voltaje superior al que aguanta (se coloca una resistencia en serie para dividir el voltaje).

Ejercicio 1: Dibuja con símbolos los siguientes circuitos

Ejercicio 2: Cablea el siguiente circuito

Conexión paralelo Conexión serie Conexión mixta


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Ejemplo

6.- Magnitudes eléctricas:

En un circuito eléctrico existen tres magnitudes fundamentales: voltaje, intensidad y resistencia.

Voltaje o tensión: “U”

La tensión la crea el generador y es la fuerza que empuja los electrones y se mide en Voltios (V). Es la diferencia de energía entre dos puntos del circuito. En un circuito la tensión es la misma cuando los receptores se colocan en paralelo y se divide cuando los elementos se colocan en serie

Intensidad: “I”

Es el número de electrones que pasan por un conductor en un tiempo determinado y se mide en Amperios (A).

En un circuito la intensidad que atraviesa cada receptor es la misma cuando los receptores se colocan en

serie y se divide cuando los receptores se colocan en paralelo

El amperio es una unidad grande y a veces se utiliza el miliamperio: 1 mA = 10-3 A

Resistencia: “R”

En cualquier circuito y para cualquier receptor, los electrones encuentran una oposición o resistencia a su movimiento. Se mide en Ohmios (Ω). Esta resistencia depende del material y del tamaño del receptor o componente eléctrico.

RESISTENCIA TOTAL VOLTAJE INTENSIDAD

Circuito en serie RT = R1 + R2 + R3 + …. Se divide Es el mismo

Circuito en paralelo 𝟏

𝐑𝐭

=𝟏

𝐑𝟏

+ 𝟏

𝐑𝟐

+ 𝟏

𝐑𝟑

+ ⋯ Es el mismo Se divide

Ley de Ohm

Es una ecuación que relaciona el voltaje, la resistencia y la intensidad que circula por un circuito

U = I . R

Circuito paralelo Circuito serie

U

U1

U2

U3

I

U

I1 I2 I3

I

U

M

U

I

R

Ejercicio 3: Rellena la siguiente tabla aplicando la ley de Ohm

VOLTAJE INTENSIDAD RESISTENCIA

230 V 5 A

12 V 1000 KΩ

40 mA 220 Ω


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7.- Componentes de un circuito:

Todo circuito eléctrico debe disponer como mínimo de:

Generadores Conductores Elementos de maniobra y control Receptores

Actuadores Elementos de protección Sensores Amplificadores

7.1. Generadores:

Son los elementos encargados de crear y mantener la tensión necesaria para que los electrones puedan circular por el circuito. Los generadores pueden ser de CC o de CA.

Los generadores de CC son las pilas, baterías, dinamos y fuentes de alimentación. Los generadores de CA son los alternadores. Los alternadores se encuentran en las centrales

eléctricas.

7.2. Conductores

Son los cables que sirven de unión entre los distintos operadores eléctricos y dejan pasar la corriente eléctrica con facilidad. Los cables se fabrican generalmente de cobre, debido a su excelente conductividad. Generalmente cuentan con aislamiento externo de plástico.

7.3. Elementos de control

Son los elementos encargados de controlar el circuito a nuestra voluntad. Permiten automatizar el circuito según el grado de autonomía deseado.

Interruptor

Un interruptor es el elemento que permite abrir o cerrar un circuito cada vez que se presiona, cortando o permitiendo el paso de corriente.

Ejercicio 4: a) Calcula la resistencia de cada rama del circuito b) ¿Qué voltaje hay en cada rama del circuito? c) Calcula la intensidad de cada rama del circuito d) Calcula la intensidad total

e) ¿Por qué se colocan las resistencias?


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Pulsador

Permite el paso o interrupción de la corriente mientras es pulsado. Cuando ya no se pulsa, vuelve a su posición inicial.

Puede ser el contacto normalmente abierto en reposo NA (sin accionar, no deja pasar la corriente), o con el contacto normalmente cerrado NC (sin accionar, deja pasar la corriente).

Conmutador

Es un interruptor con un borne de entrada y dos de salida. Permite accionar dos circuitos diferentes.

Relé

El relé es un elemento que, al recibir corriente eléctrica, acciona uno o varios conmutadores. Consta de un electroimán o bobina (imán activado por corriente eléctrica) y uno o varios conmutadores activados por el imán. Cuando una corriente pequeña circula por la bobina produce un campo magnético y el conmutador o conmutadores cambian de posición. Cuando la corriente deja de pasar por la bobina, los conmutadores vuelven a su posición inicial.

7.4. Receptores:

Son los elementos que reciben la energía eléctrica y la transforman en otra forma de energía o la modifican.

Actuadores:

Son los elementos que aprovechan la energía eléctrica y la transforman en otra forma de energía (mecánica, luminosa, calorífica, etc.). Por ejemplo: bombillas, motores, timbres, estufas, diodos, etc.

Zumbadores

Produce sonido o zumbido. Sirve como alarma o aviso, y son utilizados en automóviles, electrodomésticos, alarmas, despertadores,…

Pulsador NC

Pulsador NA

conmutador

bobina

Relé 1C Relé 2C


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Bombillas

Transforma la energía eléctrica en luz.

Diodo Led

Son diodos que convierten en luz la energía eléctrica que les llega. La corriente sólo circula cuando el ánodo está conectado al polo positivo de la fuente de energía y el cátodo al polo negativo. 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. El voltaje de trabajo es de 2 V aproximadamente, por lo que deben colocarse protegidos con una resistencia.

Motor

Transforma la energía eléctrica en movimiento de giro de un eje.

Para cambiar la dirección de giro del eje de en un motor de Corriente Continua tenemos que invertir la polaridad de la alimentación del motor. Esto puede conseguirse con un relé de 2 conmutadores

Servomotor

Es un tipo especial de motores de CC, con un margen de giro entre 0º y 180º. Podemos regular el ángulo de giro mediante programación.

Llevan 3 cables de conexión externa: - Uno rojo para positivo (tensión aproximada de 5 V) - Otro negro para conexión a tierra o negativo (GND) - El último, blanco o amarillo, es el cable de control para

programar y mandar la información del ángulo de giro

También existen servomotores de giro continuo (360º)

Luce No luce


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Elementos de Protección:

Son los elementos que se colocan para proteger a otros componentes del circuito de sobrevoltajes y/o sobre intensidades.

Resistencia

Son pequeños componentes que se colocan en los circuitos para proteger algunos componentes por los que no debe circular una intensidad de corriente elevada.

Son pequeños cilindros con unas bandas de colores impresas que se emplean para identificar su valor en ohmios Se fabrican con materiales malos conductores como el grafito y carbón, y se recubren de plástico.

Ejercicio 5: Pon nombre a los componentes y di qué componentes funcionan en el circuito en los siguientes casos a) Como está dibujado b) Si accionamos I1 c) Si accionamos I2 d) Si accionamos I2 e I3 e) Si accionamos I1, I2 e I3 f) Añade un motor que gire cuando se ilumine el led

Ejercicio 6:

a) ¿Qué voltaje debe absorber la resistencia para proteger al led?

b) Calcula el valor de la resistencia que hay que colocar para proteger al led

Ejercicio 7:

a) ¿Qué ocurre con el interruptor abierto? b) ¿Qué ocurre con el interruptor cerrado? c) ¿Qué voltaje absorbe el motor? d) ¿Qué voltaje debe absorber la resistencia para

proteger al led? e) Calcula el valor de la resistencia que hay que

colocar para proteger al led Ejercicio 8:

a) Diseña un circuito que haga que gire un motor y que cuando el motor se pare suene un zumbador.

b) Añade un led que luzca cuando suene el zumbador TEN EN CUENTA LOS SIGUIENTES DATOS: Motor de 6 V, Zumbador de 3 V y Led de 2 V

c) Calcula el valor de las resistencias de protección si por cada rama del circuito atraviesa una corriente de 10 mA

I3

I1

I2

2 V

26 mA


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La unidad de medida de las resistencias es el ohmio (Ω). A veces resulta pequeña y se emplean múltiplos:

1 KΩ = 1 K = 1.000 Ω 1 MΩ = 1 M = 1.000.000 Ω

Mediante la tabla siguiente podemos obtener el valor teórico de una resistencia.

Código de colores

Color 1ª Cifra 2ª Cifra Nº de ceros

Negro 0 0 -

Marrón 1 1 0

Rojo 2 2 00

Naranja 3 3 000

Amarillo 4 4 0.000

Verde 5 5 00.000

Azul 6 6

000.000

Violeta 7 7 0.000.000

Gris 8 8 00.000.000

Blanco 9 9 000.000.000

Tolerancia: Es el margen de error del fabricante, es decir, la diferencia entre el valor teórico y el valor real de una resistencia.

Color Tolerancia

Oro 5%

Plata 10%

Sin color 20%

Ejercicio 9: a)

VALOR CODIGO DE COLORES

620 Ω.

74 KΩ.

35 Ω.

8 Ω.

2,9 KΩ.

5,2 M Ω.

gris-negro-naranja

Verde-negro-rojo

Rojo-marron-marron

Negro-azul-negro

Naranja-marron-azul

Negro-marrón-morado

b) ¿Qué significa la tolerancia plata en una resistencia?


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Potenciómetro

Es una resistencia variable que se acciona manualmente mediante un cursor. Se utiliza para regular la cantidad de corriente de un circuito, ajustando el cursor entre el 0 y el valor máximo del potenciómetro. Físicamente lleva tres patillas: una patilla común y dos patillas fijas. Se debe conectar la patilla común y una de las patillas fijas.

Diodo

Son componentes electrónicos que permiten la circulación de corriente en un solo sentido. Llevan dos terminales: el ánodo o borne positivo y el cátodo o borne negativo. La corriente sólo circula cuando el ánodo está conectado al polo positivo de la fuente de energía y el cátodo al polo negativo. En este caso, se dice que está polarizado de forma directa y toda la corriente atraviesa el diodo.

Cuando la corriente no circula está polarizado de forma inversa y protege a los componentes que tenga a continuación.

Diodo polarizado dire ctamente

Ánodo Cátodo

- + Cátodo -

Diodo polarizado directamente Diodo polarizado inversamente

La lámpara luce La lámpara no luce

Ejercicio 10: Dibuja un circuito para regular la velocidad de un motor y que se accione con un interruptor. .

Ejercicio 11: Indica qué receptores funcionan en el siguiente circuito


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Sensores:

LDR (sensor de luz)

Un LDR es una resistencia cuyo valor varia con la cantidad de luz que incide sobre ella. Cuanta más intensidad de luz incide en la superficie de la LDR menor será su resistencia y cuanta menos luz incide mayor será la resistencia.

Se comporta como un interruptor que funciona con luz. Si recibe luz deja pasar la corriente y en la oscuridad impide que pase. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohmios) y muy alto cuando está a oscuras (puede ser de varios megaohmios).

LDR viene de la expresión inglesa Light Dependent Resistor.

Inconveniente: Por una LDR circula poca corriente, que luego puede ser insuficiente para activar un receptor (motor, bombilla,…) por lo que es necesario después acoplar un transistor para amplificar o aumentar la intensidad de salida.

Termistor (sensor de temperatura)

Un termistor es una resistencia variable con la temperatura.

Hay dos tipos de termistores:

- Termistor NTC (Coeficiente de temperatura negativo), son resistencias variables cuyo valor disminuye a medida que aumenta la temperatura.

- Termistor PTC (Coeficiente de temperatura positivo), son resistencias variables cuyo valor aumenta a medida que la temperatura aumenta.

Son sensores que activan los circuitos con frio o con calor.

Aplicaciones: alarmas contra incendios, control de temperatura de hornos, calefacción, agua caliente

Resistencia LDR Led

Con luz

Sin luz

PTC NTC

Luz Resistencia Deja pasar la corriente

Temperatura Resistencia PTC No Deja pasar la corriente

Temperatura Resistencia NTC Deja pasar la corriente


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Inconveniente: Por un termistor circula poca corriente, que luego puede ser insuficiente para activar un receptor (motor, bombilla, zumbador,…) por lo que es necesario después acoplar un transistor para amplificar la intensidad de salida.

Sensor de infrarrojos IR

Está formado por un emisor de luz infrarroja (diodo led) y un receptor (fototransistor). Cuando la luz del emisor llega al receptor., éste se activa y permite que pase la corriente por él. Si el receptor no recibe luz IR no deja pasar la corriente y se comporta como un interruptor abierto..

Son sensores de corto alcance.

Cuando el emisor emite luz IR y rebota en una pared, el receptor recibe la luz y deja pasar la corriente.

Amplificadores:

Transistor:

Es un componente que amplifica la corriente eléctrica (intensidad). Se utilizan cuando la intensidad no es suficiente para poder activar un motor, encender una bombilla, etc.

Resistencia

NTC Zumbador

Temperatura

alta

Temperatura

baja

+ + -

-

C E

Ejercicio 12: a) Pon nombre a cada componente del circuito

b) ¿Para qué se utiliza la resistencia?

c) ¿Qué ocurre cuando la luz IR no llega al receptor de IR?

d) ¿Qué ocurre cuando la luz IR llega al receptor de IR?


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Se suelen utilizar con los sensores (LDR, termistor sensor de IR,…) que funcionan con poca intensidad y poco voltaje; por lo que luego debemos amplificar la intensidad con un transistor.

En los transistores la base y el colector se conecta hacia la tensión + y el emisor hacia la tensión -.

La base debe estar a una tensión que supere los 0,7 V para conducir

Funcionamiento del transistor:

- Zona de corte: la tensión de la base no llega a 0,7 V, el transistor no deja pasar la corriente y se comporta como un interruptor abierto. - Zona activa: una corriente débil (≥ 0,7 V) llega a la base y activa el transistor, permitiendo y multiplicando la corriente que circule entre el colector y el emisor.

Resistencia

NTC Transistor Zumbador

Temperatura

alta

Temperatura

baja

B C

E

NTC

Ejercicio 13: a) Pon nombre a cada componente del circuito

b) Rellena la siguiente tabla explicando el funcionamiento del circuito

Resistencia

LDR Transistor Motor

Día

Noche

c) Añade un led que se encienda cuando gire el motor

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