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Introducción a la

electrónica

Esteve Gené Pujols

25 horas

Tabla de contenidos

Módulos Contenidos 1.Circuitos eléctricos 1. 1 Magnitudes fundamentales de los circuitos eléctricos 1.2 La alimentación del circuito: generadores 1.3 La ley de Ohm 1.4 Asociación de elementos básicos 1.5 Las leyes de Kirchhoff

2. Elementos pasivos 2.1 El condensador. Tipo, aplicaciones, asociación 2.2 La bobina. Aplicaciones 2.3 El diodo. Tipo, aplicaciones
3. Herramientas de análisis y simulación

3.1 Multímetro y osciloscopio 3.2 El uso de placas protoboard para ensayar circuitos 3.3 Simulación SPICE

■ (^) Neutrones: son partículas elementales sin carga, situadas en el núcleo del átomo y con una masa aproximadamente igual a la del protón.

Cada átomo tiene el mismo número de electrones que de protones. Si la carga del electrón es igual a la del protón, podemos considerar el átomo eléctricamente neutro.

Estructura de un átomo de carbono

Cuando las cargas eléctricas circulan por un conductor, existe una corriente eléctrica.

La cara eléctrica : es una propiedad de la materia que se traduce o que provoca que los cuerpos se atraigan o se repelan (se rechacen) entre sí en función de la aparición de campos electromagnéticos generados por las mismas cargas. Se dice entonces que es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta en positiva y negativa, de forma que dos cargas positivas o negativas se van a repeler y dos cargas una positiva y una negativa se van a atraer; se trata de la carga de un electrón (negativa) o la carga de un protón (idéntica en magnitud, pero positiva). También se supone que la carga eléctrica del universo es finita (es decir, que hay un número finito de electrones y protones) y que es neutra (que hay tantos protones como electrones), pero esto es un poco especulativo. La unidad utilizada para medir la carga eléctrica es el culombio (C).

La resistencia : la resistencia eléctrica es la mayor o menor capacidad de un material para permitir el paso de la corriente eléctrica. Se expresa en ohmios (Ω).

La intensidad : la intensidad de una corriente eléctrica se define como la cantidad

de cargas eléctricas que pasan por una sección del conductor en un tiempo determinado. Esta magnitud se representa con la letra I y se mide en amperios (A).

La tensión eléctrica : indica la diferencia de energía entre dos puntos de un circuito. La tensión o voltaje que es capaz de proporcionar un generador es la energía transferida a cada culombio de carga para que recorra el circuito. Se representa por la letra V y se mide en voltios (V).

La potencia eléctrica : es la cantidad de energía liberada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado (p = dW / dt). La unidad en el sistema internacional es el vatio (W). La potencia se relaciona con el voltaje y la corriente eléctrica de la siguiente manera: P = V ⋅ I

El producto del voltaje por la intensidad eléctrica.

1.2 Alimentación del circuito: generadores

Un generador eléctrico es un ingenio capaz de transformar en electricidad otro tipo de energía, que puede ser química, mecánica o luminosa. Un generador eléctrico es todo aquel dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre dos puntos, denominados polos o bornes.

Los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales:

• Primarios : los generadores primarios son aquellos que convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza o tipo que reciben o de la que disponen inicialmente.
• Secundarios : liberan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente. Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento.

Tal como se ha determinado en apartados anteriores, en el sistema internacional de unidades, la unidad utilizada por la corriente es el amperio (simbolizado como A ), para el voltaje es el voltio (simbolizado como V ) y para la resistencia se utiliza el ohmio (simbolizado por Ω ).

Aislando la resistencia se obtiene (^) R =

V I

Aislando la intensidad se obtiene (^) I =

V R

Algunos ejemplos de la aplicación de la ley de Ohm podrían ser los siguientes:

Ejemplo 1 Si se monta un circuito con una resistencia de 1.000 Ω y se quiere que circule una corriente de 0,2 A de intensidad. ¿Qué voltaje se necesita?

V = R ⋅ I = 1000 ⋅ 0,2 = 200 V

Ejemplo 2 Si se monta un circuito con una resistencia de 250 Ω y una pila de 1,5 V. ¿Qué valor tendrá la intensidad?

I =

V R

=

1, 250

= 0,006 A = 6 mA

Ejemplo 3 Si se monta un circuito con una batería de 24 V y se quiere que circule una corriente de 0,8 A.

¿Qué resistencia se necesita?

R =

V I

=

24

= 30 Ω

1.4 El circuito eléctrico. Asociación de elementos básicos

Un circuito eléctrico está formado por un generador (pila o acumulador) que proporciona la energía necesaria, el receptor (lámpara, motor) y los conductores que unen los diferentes componentes.

• Los generadores son los aparatos que transforman el trabajo o cualquier otro tipo de energía en energía eléctrica.
• Los receptores eléctricos transforman la energía eléctrica en otra forma de energía cualquiera, es decir, realizan la función inversa de la de los generadores.
• El conductor eléctrico es cualquier sistema material que tenga las propiedades siguientes: que no ofrezca resistencia apreciable al paso de la corriente y que no aparezca ninguna diferencia de potencial entre sus extremos cuando circule una corriente eléctrica.

Para poder gobernar los circuitos, se necesitan unos elementos llamados aparatos de mando, los más importantes de los cuales son los interruptores, los pulsadores y los conmutadores. Todos los componentes de un circuito eléctrico se representan gráficamente mediante símbolos elementales, que han sido normalizados para que sea idéntica su interpretación por parte de todo el mundo.

En la tabla siguiente, se muestran los símbolos eléctricos más frecuentes utilizados en electrotecnia y normalizados según las normas UNE (norma española) y otras normas internacionales (DIN, ANSI, CEI).

Si se trata de dos o más bombillas iguales, la tensión o voltaje queda repartido entre ellas y si falla una bombilla el circuito queda abierto, es decir, interrumpido. Siguiendo el recorrido de la corriente en los esquemas, podemos deducir que las características de funcionamiento de los receptores conectados en serie son las siguientes:

La intensidad que circula por cada receptor es la misma, por lo tanto, si se desconecta un receptor el circuito queda abierto, se interrumpe la corriente y dejan de funcionar todos los receptores.

I total= I1 = I2 = I3 = … = I n

La tensión del generador se reparte entre todos los receptores de manera directamente proporcional a su resistencia.

V total = V1 + V2 + V3 + … + V n

La resistencia total del circuito es la suma de todas las resistencias parciales

R total = R1 + R2 + R3 + … + R n

Si se trata de dos o más generadores, la tensión que suministran conectados en serie es la suma de cada uno y hay que conectar sucesivamente el polo positivo de uno con el negativo del otro, de forma que el polo positivo del primero y el negativo del último constituirán los dos terminales de la asociación en serie. La tensión suministrada al circuito será la suma de cada uno de los generadores, así aumentará la tensión del circuito. Si se trata de dos o más interruptores en serie, hay que accionarlos todos a la vez para que el circuito quede cerrado.

Cuando en un circuito hay elementos que se conectan, de forma que a partir de un punto la corriente se reparte y se vuelve a unir a la salida, hablamos de conexiones en paralelo. Si son generadores, hay que conectar todos los polos positivos por un lado y todos los negativos por el otro. Así se aumenta la vida útil del conjunto de forma que las pilas tardan más en agotarse.

I total = I1 + I2 + I

Cuando se conectan generadores de igual tensión, la tensión suministrada en conjunto será la misma que uno solo y, si las tensiones son diferentes, prevalece aquella que es más elevada. La intensidad se reparte de forma directamente proporcional a cada una de las resistencias.

Si el circuito alimenta dos o más receptores, la corriente se reparte entre todos ellos, de forma que el circuito se puede cerrar para cada uno de ellos. Cuando falla un receptor, el circuito no queda interrumpido y los demás siguen funcionando. Cada receptor recibe la misma tensión, que es la del generador.

V total = V1 = V2 = V

La resistencia total del circuito será:

RT =

1 1 R

1 R

1 R

• ...+

1 Rn

La capacitancia, C, es una medida de la cantidad de carga eléctrica almacenada en cada una de las armaduras para un voltaje dado

q(t) = Cv(t), donde

para un condensador ideal de armaduras

donde C es la capacitancia en faradios, F ε es la permisividad del dieléctrico utilizado A es el área de cada placa, medida en metros cuadrados d es la separación entre las armaduras, medida en metros

En unidades del sistema internacional, la capacitancia se mide en faradios, un condensador tendrá una capacitancia de un faradio cuando un culombio de carga produzca una diferencia de potencial de un voltio entre las armaduras. Debido a que el faradio es una unidad muy grande, el valor de un condensador se expresa a menudo en microfaradios (μF), nanofaradios (nF) o picofaradios (pF). En general, la capacitancia será más grande si las armaduras son muy grandes y la distancia que las separa es muy pequeña. La calidad del dieléctrico que hay entre las armaduras es determinante para la capacitancia del condensador dado que sus moléculas quedan polarizadas de forma que se reduce el campo eléctrico interno y, por lo tanto, el voltaje.

Un condensador está formado por dos electrodos, o armaduras, separados por un dieléctrico que evita que las cargas eléctricas pasen de un electrodo al otro. Las cargas pueden llegar a las armaduras por otros caminos, por ejemplo, procedentes de una batería, pero si se saca la batería las cargas seguirán en las armaduras. De acuerdo con la ley de Coulomb, las cargas separadas por el dieléctrico se atraen entre sí y se crea un campo eléctrico entre las armaduras. El condensador más simple consiste en dos armaduras anchas separadas por una capa delgada de material dieléctrico.

En los condensadores reales, los condensadores comerciales, además de las características ideales, se tienen que tener en cuenta otros factores como por ejemplo la tensión.

Máxima de funcionamiento , determinada por el tipo de de material aislante utilizado como dieléctrico (si se sobrepasa, se llegaría a la tensión de ruptura y se destruiría el condensador), la resistencia y la inductancia parásita, la respuesta en función de la frecuencia y las condiciones ambientales de funcionamiento ( deriva térmica ). También está la pérdida dieléctrica, que es la cantidad de energía que se pierde en forma de calor en un dieléctrico no ideal. También encontramos la corriente de escape , que es la corriente que fluye a través del dieléctrico y que en un condensador ideal sería nula.

En el mercado, hay muchos tipos de condensadores, con capacidades que van desde pocos picofaradios hasta varios faradios y con varias tensiones de funcionamiento, que van desde pocos voltios hasta tensiones muy elevadas. En general, cuanto mayor sea el voltaje y la capacidad, más grande es el tamaño, el peso y el coste de los condensadores. El valor nominal de la capacidad presenta una cierta tolerancia o margen de posible desviación respecto del valor declarado. Los márgenes de tolerancia van del 1 al 50% en el caso de los condensadores electrolíticos. Los condensadores se clasifican según el material utilizado como dieléctrico, así hay dos grandes categorías: los condensadores con dieléctrico sólido (también se incluiría los que utilizan el aire como dieléctrico), que no presentan polarización, y los que utilizan un óxido metálico, llamados condensadores electrolíticos, que presentan una polaridad determinada que hay que respetar puesto que un error puede provocar una respuesta violenta que puede llegar a la explosión.

Condensadores con dieléctrico sólido o de aire

Se fabrican siguiendo la definición clásica del condensador: un conductor metálico separado por un aislante. El aislante será escogido en función de la utilización a la

Un antiguo condensador cerámico de 68 pF con la forma tubular habitual en las décadas de 1960 y 1970.

La cerámica es un material que presenta ventajas como proporcionar una inductancia extremadamente pequeña y una gran resistencia, por eso su utilización es muy amplia en la fabricación de condensadores. Tiene aplicaciones en alta frecuencia (hasta unos centenares de gigahercios), en alta tensión (circuitos con válvulas) o en condensadores miniaturizados para montaje superficial en circuitos impresos.

Pero la cerámica también presenta algunos inconvenientes como su fragilidad, la necesidad de disponer de cierta distancia entre las armaduras para evitar arcos (lo que hace que no sean adecuados para grandes capacidades, pero esto no es un inconveniente en altas frecuencias) o presentar una ligera histéresis de carga y generan un cierto ruido cuando hay una gran amplitud de la señal o la frecuencia es muy alta. Se trata de un ruido blanco con poco efecto sobre los circuitos de alta frecuencia dado que estos están sintonizados en un banda estrecha.

Hay muchos tipos de condensadores cerámicos, la temperatura es una variable habitualmente utilizada para clasificarlos (temperatura de trabajo, tolerancia a la variación de la temperatura):

• Las cerámicas de tipos C0G o NP0 presentan una gran estabilidad y tolerancia a la temperatura y baja corriente de escape, son utilizadas por aplicaciones de otra frecuencia y cuando hay una necesidad de buena estabilidad con la temperatura (los filtros son un ejemplo). Desgraciadamente, estos tipos de cerámica no tienen una constante dieléctrica demasiado grande y eso limita el valor de la capacidad (de 4,7 pF a 0,047 μF, un 5%), los condensadores son de como máximo de algunos nanofaradios para los componentes para montaje en superficie. Suelen ser más caros y grandes que los de otros tipos de cerámica.
• Las cerámicas de tipos X7R tienen una estabilidad menor, en torno al 10% de variación entre -10°C y +60°C. Por eso, se suelen reservar para aplicaciones no críticas que no requieren una gran estabilidad. La constante dieléctrica es más

elevada y se pueden lograr valores de capacidad de algunos centenares de nanofaradios (nF), (de 3.300 pF a 0,33 μF, un 10%).

• Las cerámicas de tipos Y4T y Z5U tienen variaciones de temperatura del orden del 50% en algunas gamas y se reservan para condensadores destinados a funciones de desacoplamiento. Aun así, es posible fabricar componentes para montaje superficial de algunos microfaradios.
• Las cerámicas especiales para las hiperfrecuencias presentan una gran estabilidad y un factor de escape muy pequeño y su precio es muy elevado.

Condensadores de vidrio

Los condensadores con un dieléctrico hecho a base de varias capas de vidrio tienen una gran estabilidad con la temperatura, son muy fiables y tienen una vida de larga duración.

Condensadores de papel

Fueron muy comunes en el pasado en los receptores de radio, están construidos con una hoja de aluminio enrollada con papel y sellados con cera. Su capacidad llega hasta algunos μF y la tensión máxima se sitúa en el centenar de voltios. Las versiones fabricadas con papel impregnado con aceite pueden tener tensiones de hasta 5.000 voltios y se utilizan en los sistemas de arranque de los motores eléctricos, control de potencia y otras aplicaciones de electrotecnia.

Condensadores de poliéster

El poliéster se utiliza como dieléctrico de los condensadores, habitualmente se utiliza en forma de polietileno tereftalato (PET) y de polietileno naftalado (PEN). La ventaja del polietileno es que puede ser utilizado en forma de láminas muy delgadas y permite unas capacidades importantes en un volumen pequeño en comparación con otros tipos de condensadores como podrían ser los electrolíticos. Se trata de un tipo de condensador fácil de fabricar y, por lo tanto, son baratos; aun así tienen poca estabilidad a la temperatura. Son muy utilizados en los circuitos de