Electrónica básica 4º ESO

Electrónica básica

Antes de este tema , sería conveniente el repaso del tema de electricidad de 3º eso

En este primer tema vamos a conocer algunos de los componentes básicos de la electrónica y vamos a empezar por el más sencillo. Hablamos de la resistencia. Se hacen expresamente para dificultar el paso de la corriente por los circuitos y así asegurar que no pasa un exceso de electrones por los componentes. Tiene un sistema de bandas , que en la imagen del ejemplo es naranja,  negro, rojo y dorado. Los tres primeros indican el valor de la resistencia en Ohmios y el cuarto la tolerancia, o sea , lo que puede desviarse del valor que indica los 3 primeros colores. Para este ejemplo, tenemos, al mirar en la tabla de colores, 3 0 00 Ω con el 5 % de desviación. El valor máximo es 3000 Ω mas el 5%, o sea 3150 Ω  y para el mínimo es 3000 – 150 = 2850Ω Vamos a práctica un poco con los siguientes ejemplos a) Rojo, rojo negro plata   b ) verde, azul, rojo , oro   c ) gris rojo marrón plata

 
 
Ejercicio. Vamos a realizar con los compañeros de Informática un  programa en php para que, al seleccionar los colores nos muestre el valor de la resistencia junto al máximo y mínimo.  Pinchar en Programa para calcular valor de la resistencia

 2º Resistencias variables

Dentro de este bloque tenemos todas las resistencias que por acción mecánicas ( movemos un eje )  o por variaciones físicas ( cambia la luz, la temperatura .. ) el valor de la resistencia varía.

2.1 Potenciómetro.

Resistencia del potenciómetroPotenciometro

 

 

En la figura de la  izquierda tenemos este componente , empleado por ejemplo en los equipos de música para dar mas volumen a los altavoces. En la parte inferior se muestra el esquema donde la franja verde representa la película de carbón que hace de resistencia. Si giramos el eje de forma que el punto medio ( que hace contacto con la película ) esté mas a la izquierda supone que la resistencia desde el punto 1 al m es menor. Si giramos a la derecha, hay mas película y por tanto mas resistencia, por lo que la resistencia que hay entre 1 y m aumenta. Ejemplo.   ¿ Que valor tenemos entre 1 y la “patita” del centro si el valor de la película resistiva  es 2000  Ω y la zona verde oscura representa el 30 % de toda la resistencia ? . La zona verde oscura es 2000 * 0,3 = 600  Ω  y la otra parte ( entre m y 2 ) que viene como la verde clara es 2000 * 0,7 = 1400 Ω.

2.2 Resistencias variables de la temperatura ( NTC Y PTC ).

ntc-y-ptcComo indica el nombre , el valor de la resistencia varia al subir o bajar la temperatura. NTC ( Negative coefficient temperature) . En este caso al ser un coeficiente negativo, significa que la  resistencia baja si sube la temperatura y viceversa. Ver diagrama PTC ( Positive coefficient temperature ) . En este caso sube si la temperatura sube y baja si la temperatura baja ( línea azul ). Hay que decir que la gráfica está idealizada ( la real difiere en algún matiz).

 2.3 ldr

La resistencia disminuye cuando incide mas luz sobre ella. Una aplicación está en las luces de las calles, que activan las farolas cuando llega la noche. Para abordar este componente vamos a hacer una pequeña práctica en taller donde vamos a controlar una bombilla ( luz de la farola ) cuando se hace la noche. En este circuito empleamos un transistor ( no visto aún ) y una LDR . Cuando es de noche, la luz no llega a la LDR y su resistencia es alta ( 1 M ). La electrones que vienen de la pila y que pasan por la resistencia de 10 K, al llegar a la entrada de la LDR toman el camino de la base del transistor que ofrece menos resistencia. Esto hace que el transistor funcione y la luz se encienda. En este caso llega el día, la luz aumenta y la resistencia de la LDR baja. Los electrones que vienen de la resistencia de 10 K pasan ahora por la LDR y por tanto el transistor , sin los electrones de base , no trabaja y la bombilla  se apaga.

 3. Condensadores

La finalidad que tienen es la de almacenar una carga eléctrica y usarla después, o sea, es algo así como una pequeña batería.

Está compuesta de dos placas metálicas separadas de un material dieléctrico

La capacidad del condensador se mide en Faradios y viene como la relación entre la carga que almacena y la tensión que aparece en sus terminales, o sea

\dpi{120} \fn_cs \large C = \frac{Q}{V} Circuito de carga del condensador Una de las aplicaciones de los condensadores es como temporizador, de forma que la carga va aumentando paulatinamente y controlada por una resistencia. Mostramos el circuito. La curva de carga del condensador es la siguiente: En la gráfica se considera que para 5 t, el condensador está prácticamente cargado.

Tenemos que un condensador toma la tensión de la pila ( 9 voltios en este ejemplo ) cuando han pasador 5 veces el producto de R X C, o sea t = 5 X R X C

 Vamos a hacer una pequeña práctica basándonos en el vídeo siguiente. Hay que tener en cuenta que no hay resistencia en el sistema de carga y descarga y por tanto tenemos que poner una resistencia adecuada.

 4. Semiconductores

Los semiconductores son materiales que no siendo buenos conductores de la electricidad, al añadir otros elementos se vuelven muy buenos conductores. El material base semiconductor mas utilizado es el silicio, que lo encontramos en la sílice de la arena de playa y por tanto, un material que a priori pensamos que puede ser muy barato y abundante. Como podemos ver en la imagen, está enlazado con los átomos vecinos por un enlace ( en total 4 enlaces ) Para conseguir los semiconductores comerciales es  añadir un elemento extra ( galio, boro .. ) que aporta tres enlaces y queda libre uno ( queda libre un hueco )  o bien otros como el arsénico o el fósforo ( 5 electrones de valencia ) aportando un electrón extra y creado el material tipo N, por tanto Si  + Galio  = Material P ( exceso de carga positiva ) Si + Arsénico = Material N ( exceso de electrones )

Mostramos los dos casos, donde al primero le hemos añadido el Boro y al segundo el fósforo

 

Veremos ahora que pasa cuando unimos las dos partes. Los electrones del tipo N mas próximos a la frontera se desplazan y ocupan los huecos del tipo P, de forma que pasado un tiempo se crea una barrera que impide que mas electrones pasen la barrera.

Hay que tener en cuenta que la materia a la izquierda era neutra. Si llegan electrones se convierte en material con polaridad negativa que repele la llegada de  nuevos electrones

Si ahora polarizamos el Tipo P negativamente y el tipo N positivamente, ( denominado polarización en inversa ), la barrera crece debido a que los enlaces del tipo P son ocupados por los electrones de la pila.

Sin embargo, si polarizamos en directo ( P a positivo y N a negativo ) los electrones que pasan la barrera “siguen” hasta el final del material hasta llegar al terminal del Ánodo. ( Ver figura de abajo ).

Podemos completarlo con este vídeo

 Haremos algunas prácticas con los diodos y para ello podemos usar diodos leds, donde vamos a comprobar que una polarización en inverso impide que la corriente pase y por tanto la luz no enciende.

Como repaso del tema del relé, vamos a usar uno para detectar la presencia de un intruso en nuestra casa. Para ello tenemos que tener en cuenta que una vez que pisamos el detector, la alarma tiene que sonar hasta que nosotros la desactivemos. No vale que el intruso levante el pie y “aquí no ha pasado nada, no no, sí que ha pasado …

Veremos en esta práctica el concepto de realimentación. ¿ Cómo se produce ?. Montar el circuito y razonar donde está la realimentación. Usamos dos pulsadores, el primero que está normalmente abierto y será el que detecte la presencia del intruso. El segundo, en nuestro centro de control, el que desactiva la alarma. ¿ Que pasa si el intruso rompe los cables del sensor, sigue sonando la alarma ?

Una vez que hayamos visto el transistor, vamos a sustituir el relé ( elemento caro ) por dos transistores y unas resistencias ( mas económico ). El circuito a montar es este.

5 El transistor

El Transistor es un dispositivo de tres terminales que nace en los Laboratorios Bell de la AT&T.  Fue una autentica revolución ya que vino a reemplazar las antiguas válvulas de vacío lo que permitía  un considerable ahorro de espacio y energía. ( si tuviésemos que hacer un ordenador con válvulas , necesitaríamos un instituto para alojar todas los componentes  y una fortuna para pagar la factura de la electricidad ).

Está compuesto por la base, el emisor y el colector y de manera simplificada se puede decir que

a) La base es el terminal por el que entra la corriente de control. Si entra corriente , el transistor funciona

b) El emisor es el terminal que manda la corriente que queremos controlar

c) El colector es el terminal que recoge ( con el beneplácito de  la base ) la corriente de emisor

En la imagen anterior tenemos los dos tipos NPN y PNP, esto significa que tenemos una capa N, en el centro una P y para terminar otra N para el caso del NPN. Veremos como funciona de modo simplificado. Hay que decir que se polarizan de distinta forma, aunque en este tema siempre vamos a utilizar el NPN donde el colector debe ir polarizado positivamente  y el emisor negativamente.

Si por la base entramos una corriente , la barrera de la unión base-colector disminuye permitiendo el flujo de corriente. A mas corriente de base mas corriente de colector. Estas corrientes están relacionados con el parámetro β de donde :

\dpi{120} \fn_cs \large \beta = \frac{Ic}{Ib} Siendo Ic la corriente de Colector e Ib la corriente de base. ( Esto se cumple para pequeñas corrientes de base donde el transistor no entre en saturación )

Vamos a ver como se analiza un circuito sencillo con un transistor.

Cuando el transistor está bien polarizado tenemos que hay una corriente que va desde la pila, entra por la base y sale por emisor. Podemos hacer esa rama de la siguiente forma.

 

Eliminamos el transistor y ponemos un

diodo simulando la unión base-emisor. La tensión en ese diodo cuando conduce es 0,7 voltios, por tanto tenemos que la corriente que sale de la pila es\dpi{120} \fn_cs \large Ib = \frac{(9-0,7 )V}{10K\Omega}= 0.83 mA

Una vez que tenemos la corriente de la base, la corriente del Colector es:

\dpi{120} \fn_cs \large Ic = \beta x Ib = 100 X 0.83 mA = 83 mA

Problema: 1º  Calcular la corriente del diodo LED si la caída de tensión entre Ánodo y cátodo es 2voltios.

2º Hemos comprado un diodo LED y en las características nos indica que para que dé la luz óptima sin estropearse es necesario que tenga 3 voltios entre ánodo y cátodo, momento en el que circula una intensidad de 30 mA. Calcular la resistencia que tenemos que poner en serie si la pila es de 10 voltios.

3º Indica en los siguientes circuitos las bombillas que encienden razonando la respuesta

4º El circuito de la siguiente figura representa un puente rectificador, usado rectificar la tensión. Si tenemos en cuenta que la señal del generador es senoidal, explica que señal vamos a tener en la pata izquierda de la bombilla.

Circuito rectificador

5º Calcular la corriente de colector de un transistor si el parámetro β  es 100 y la corriente de base de 2 miliamperios.

 

Circuito 1
Problema 6

 

6º Calcular la corriente de la bombilla si  β  es 100 y la tensión entre base-emisor es 0.7 voltios

Solución: 830 mA

 

 

 

circuito-dos-bombillas
Problema 7

7º En el circuito de la figura, calcular la tensión que cae en cada bombilla y la tensión Colector-emisor si sabemos que la  β del transistor es de 100 y la caída de tensión entre base y emisor es 0,7 voltios. La bombilla tiene una resistencia de 100 Ω.

Ver Resolución al final de la página

 

circuito-dos
Problema 8

8º En el circuito del la izquierda tenemos dos resistencias de 10 k y una bombilla en el colector de 100 Ω. La β es 120 y las tensiones Vce = 2 voltios y la Vbe = de 1 voltio. Calcular la tensión de la pila del circuito de base

circuito-tres
Problema 9

 

 

Problema 9º Analizar completamente el circuito de figura 9 , o sea, Vce, la tensión que cae en la bombilla, la tensión que cae en cada resistencia, si la ganancia de corriente es 100, la resistencia de la bombilla es de 100 Ohmios  y la caída de tensión entre base y emisor es 1 voltio. En el análisis suponer que la corriente de colector es igual a la corriente de emisor.

circuito dos transistores
Problema 10

Problema 10: En el circuito de la figura tenemos dos transistores con ganancia de corriente de 100 ( β = 100 ) y una resistencia de base de 100.000 Ω en el 1º transistor y salida de emisor entrando directamente en la base del siguiente. Si la resistencia de la bombilla es 100  Ω y la tensión Vbe de cada transistor es 0,7 voltios, calcular la corriente que pasa por la bombilla, así como calcular la ganancia total de corriente del circuito, o sea, la relación entre la Corriente de la bombilla y la corriente que le entra en la base del 1º transistor.

Diccionario: 

Válvula: Componente electrónico usado para para  conmutación y amplificación de señales  por medio de campos eléctricos que influyen en el  movimiento de los electrones en un espacio “vacío” a muy baja presión.

Senoidal. Señal periódica que va alternando el ciclo positivo y negativo con una frecuencia determinada. La de la red doméstica es 50 Hz, esto significa que la corriente cambia de sentido 50 veces por segundo.

Soluciones:

Ejercicio 7: Me piden la tensión de cada bombilla. Sé que la tensión es la Corriente de colector x la resistencia de la bombilla, o sea:

  • Vb = Ic * Rb.  Pero, no sé la Corriente de la bombilla. Tenemos que obtenerla por la relación que hay entre la Ic y la Ib del transistor por la relación de la ganancia, o sea:
  • β = Ic / Ib, por tanto, Ic = β * Ib. Seguimos sin poder calcular nada porque no tenemos la Ib, pero, al tener todos los datos en el circuito de la base vamos a obtener con facilidad esta Ib y de ahí todos los datos que nos piden. Pasamos a calcular la Ib.
  • Ib = Vb / Rb = ( 4 – 0,7 ) / 10.000 = 0,33 mA
  • Ahora la corriente de colector: Ic = β * Ib = 100 * 0,33 = 33 mA
  • Ahora la Tensión en cada bombilla: Vb = Ic * Rb = 33 mA * 100 = 3300 mV = 3,3 V
  • Como la 2º bombilla tiene la misma resistencia, la caída de tensión es la misma, o sea 3,3 Voltios
  • Ahora falta la caída que hay entre colector y emisor. Como de arriba a abajo tenemos 9 Voltios y caen 3,3 mas 3,3 voltios en las bombillas, nos queda en entre colector y emisor cae 9 + 3,3 – 3,3 voltios = 2,4 Voltios