ELECTRONICA INDUSTRIAL I

1. CONCEPTO DE ELECTRONICA

La electrónica es la rama de la física, y fundamentalmente una especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo microscópico de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.

Utiliza una gran variedad de dispositivos, desde las válvulas termoiónicas hasta los semiconductores. El diseño y la construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forma parte de los campos de la Ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control. El estudio de nuevos dispositivos semiconductores y su tecnología se suele considerar una rama de la Física y química relativamente

Electrónica es la rama de la ciencia que trata sobre el control del flujo de las cargas eléctricas a través de conductores y otros materiales llamados semi-conductores.

Electrónica, área de la ingeniería y de la física aplicada concerniente al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo trabajo depende del flujo de electrones en una unidad de tiempo, para la generación, transmisión, recepción y almacenamiento de información. Esta información puede consistir en voz o música en un receptor de radio, en una imagen en una pantalla de televisión, o en números

Historia

Se considera que la electrónica comenzó con el diodo de vacío inventado por Ambrose Fleming en 1904. El funcionamiento de este dispositivo está basado en el efecto Edison. Edison fue el primero que observó en 1883 la emisión termoiónica, al colocar una lámina dentro de una bombilla para evitar el ennegrecimiento que producía en la ampolla de vidrio el filamento de carbón. Cuando se polarizaba positivamente la lámina metálica respecto al filamento, se producía una pequeña corriente entre el filamento y la lámina. Este hecho se producía porque los electrones de los átomos del filamento, al recibir una gran cantidad de energía en forma de calor, escapaban de la atracción del núcleo (emisión termoiónica) y, atravesando el espacio vacío dentro de la bombilla, eran atraídos por la polaridad positiva de la lámina.

El otro gran paso lo dio Forest cuando inventó el tríodo en 1906. Este dispositivo es básicamente como el diodo de vacío, pero se le añadió una rejilla de

control situada entre el cátodo y la placa, con el objeto de modificar la nube electrónica del cátodo, variando así la corriente de placa. Este fue un paso muy importante para la fabricación de los primeros amplificadores de sonido, receptores de radio, televisores, etc.

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Conforme pasaba el tiempo, las válvulas de vacío se fueron perfeccionando y mejorando, apareciendo otros tipos, como los tetrodos (válvulas de cuatro electrodos),

los pentodos (cinco electrodos), otras válvulas para aplicaciones de alta potencia, etc. Dentro de los perfeccionamientos de las válvulas se encontraba su miniaturización.

Pero fue definitivamente con el transistor, aparecido de la mano de Bardeen y Brattain, de la Telephone en 1948, cuando se permitió aún una mayor miniaturización de aparatos tales como las radios. El transistor de unión apareció algo más tarde, en 1949. Este es el dispositivo utilizado actualmente para la mayoría de las aplicaciones de la electrónica. Sus ventajas respecto a las válvulas son entre otras: menor tamaño y fragilidad, mayor rendimiento energético, menores tensiones de alimentación, etc. El transistor no funciona en vacío como las válvulas, sino en un estado sólido semiconductor (silicio), razón por la que no necesita centenares de voltios de tensión para funcionar.

A pesar de la expansión de los semiconductores, todavía se siguen utilizando las válvulas en pequeños círculos audiofilos, porque constituyen uno de sus mitos1 más extendidos.

El transistor tiene tres terminales (el emisor, la base y el colector) y se asemeja a un tríodo: la base sería la rejilla de control, el emisor el cátodo, y el colector la placa. Polarizando adecuadamente estos tres terminales se consigue controlar una gran corriente de colector a partir de una pequeña corriente de base.

En 1958 se desarrolló el primer circuito integrado, que alojaba seis transistores en un único chip. En 1970 se desarrolló el primer microprocesador, Intel 4004. En la actualidad, los campos de desarrollo de la electrónica son tan vastos que se ha dividido en varias disciplinas especializadas. La mayor división es la que distingue la electrónica analógica de la electrónica digital.

La electrónica es, por tanto, una de las ramas de la ingeniería con mayor proyección en el futuro, junto con la informática

2.- Aplicaciones de la electrónica

La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los principales usos de los circuitos electrónicos son el control, el procesado, la distribución de información, la conversión y la distribución de la energía eléctrica. Estos dos usos implican la creación o la detección de campos electromagnéticos y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en general las siguientes áreas de aplicación:

Electrónica de control Telecomunicaciones Electrónica de Potencia

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Básicamente son tres etapas: La primera (transductor), la segunda (circuito procesador) y la tercera (circuito actuador).

Como ejemplo supongamos un televisor. Su entrada es una señal de difusión recibida por una antena o por un cable. Los circuitos de procesado de señales del interior del televisor extraen la información sobre el brillo, el color y el sonido de esta señal. Los dispositivos de salida son un tubo de rayos catódicos que convierte las señales electrónicas en imágenes visibles en una pantalla y unos altavoces. Otro ejemplo puede ser el de un circuito que ponga de manifiesto la temperatura de un proceso, el transductor puede ser un termocoupla, el circuito de procesamiento se encarga de convertir la señal de entrada en un nivel de voltaje (comparador de voltaje o de ventana) en un nivel apropiado y mandar la información decodificándola a un display donde nos dé la temperatura real y si esta excede un límite preprogramado activar un sistema de alarma (circuito actuador) para tomar las medida pertinentes.

3.- Señales electrónicas

Es la representación de un fenómeno físico o estado material a través de una relación establecida; las entradas y salidas de un sistema electrónico serán señales variables.

En electrónica se trabaja con variables que toman la forma de Tensión o corriente estas se pueden denominar comúnmente señales. Las señales primordialmente pueden ser de dos tipos:

Variable Analógica– Son aquellas que pueden tomar un número infinito de valores comprendidos entre dos límites. La mayoría de los fenómenos de la vida real dan señales de este tipo. (presión, temperatura, etc.)

Variable digital También llamadas variables discretas, entendiéndose por estas, las variables que pueden tomar un número finito de valores. Por ser de fácil realización

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los componentes físicos con dos estados diferenciados, es este el número de valores utilizado para dichas variables, que por lo tanto son binarias. Siendo estas variables más fáciles de tratar (en lógica serian los valores V y F) son los que generalmente se utilizan para relacionar varias variables entre si y con sus estados anteriores.

Tensión

Es la diferencia de potencial generada entre los extremos de un componente o dispositivo eléctrico. También podemos decir que es la energía capaz de poner en movimiento los electrones libres de un conductor o semiconductor. La unidad de este parámetro es el voltio (V). Existen dos tipos de tensión: la continua y la alterna.

Tensión Continua (VDC)–Es aquella que tiene una polaridad definida, como la que proporcionan las pilas, baterías y fuentes de alimentación.

Tensión Alterna (VAC) Es aquella cuya polaridad va cambiando o alternando con el transcurso del tiempo. Las fuentes de tensión alterna más comunes son los generadores y las redes de energía doméstica.

Corriente

También denominada intensidad, es el flujo de electrones libres a través de un conductor o semiconductor en un sentido. La unidad de medida de este parámetro es el amperio (A). Al igual que existen tensiones continuas o alternas, las intensidades también pueden ser continuas o alternas, dependiendo del tipo de tensión que se utiliza para generar estos flujos de corriente.

Resistencia

Es la propiedad física mediante la cual todos los materiales tienden a oponerse al flujo de la corriente. La unidad de este parámetro es el Ohmio (Ω). No debe confundirse con el componente resistor

Circuitos electrónicos

Se denomina circuito electrónico a una serie de elementos o componentes eléctricos (tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes) o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales electrónicas. Los circuitos electrónicos o eléctricos se pueden clasificar de varias maneras:

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Por el tipo de información

Por el tipo de régimen

Por el tipo de señal

Por su configuración

AnalógicosDigitalesMixtos

PeriódicoTransitorioPermanente

De corriente continuaDe corriente alternaMixtos

SerieParaleloMixtos

Componentes

Para la síntesis de circuitos electrónicos se utilizan componentes electrónicos e instrumentos electrónicos. A continuación se presenta una lista de los componentes e instrumentos más importantes en la electrónica, seguidos de su uso más común:

Altavoz: reproducción de sonido. Cable: conducción de la electricidad. Conmutador: reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más. Interruptor: apertura o cierre de circuitos, manualmente. Pila: generador de energía eléctrica. Transductor: transformación de una magnitud física en una eléctrica (ver enlace). Visualizador: muestra de datos o imágenes.

Dispositivos analógicos

Amplificador operacional: amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación.

Condensador: almacenamiento de energía, filtrado, adaptación impedancias. Diodo: rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión. Diodo Zener: regulación de tensiones. Inductor: adaptación de impedancias. Potenciómetro: variación de la corriente eléctrica o la tensión. Relé: apertura o cierre de circuitos mediante señales de control. Resistor o Resistencia: división de intensidad o tensión, limitación de intensidad. Transistor: amplificación, conmutación.

Dispositivos digitales

Biestable: control de sistemas secuenciales.

Memoria: almacenamiento digital de datos. Microcontrolador: control de sistemas digitales. Puerta lógica: control de sistemas combinacionales.

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Dispositivos de potencia

DIAC: control de potencia. Fusible: protección contra sobre-intensidades. Tiristor: control de potencia. Transformador: elevar o disminuir tensiones, intensidades, e impedancia aparente. Triac: control de potencia. Varistor: protección contra sobre-tensiones.

2.- EQUIPOS DE MEDICION

Los equipos de medición de electrónica se utilizan para crear estímulos y medir el comportamiento de los Dispositivos Bajo Prueba (DUT por sus siglas en inglés). A continuación presentamos una lista de los más equipos de medición más importantes

Galvanometro: mide el cambio de una determinada magnitud, como la intensidad de corriente o tensión (o voltaje). Se utiliza en la construcción de Amperímetros y Voltímetros analógicos.

Amperímetro y pinza amperimetrica: miden la intensidad de corriente eléctrica. Ohmettro o puente de wheatstone: miden la resistencia eléctrica. Cuando la

resistencia eléctrica es muy alta (sobre los 1 M-ohm) se utiliza un Meggometro o Medidor de aislamiento.

Voltímetro: mide la tensión. Multímetro o polímetro: mide las tres magnitudes citadas arriba, además de

continuidad eléctrica y el valor B de los Transistores (tanto PNP como NPN). Vatímetro: mide la potencia eléctrica. Está compuesto de un amperímetro y un

voltímetro, y, a depender de la configuración de conexión, puede entregar distintas mediciones de potencia eléctrica.

Osciloscopio: miden el cambio de la corriente y el voltaje respecto al tiempo. Analizador Lógico: prueba circuitos digitales. Analizador de Espectro: mide la energía espectral de las señales. Analizador vectorial de señales : como el analizador espectral pero con más

funciones de desmodulación digital. Electrómetro: mide la carga eléctrica.

Fecuencimetro contador de frecuencia: mide la frecuencia. Reflectometro o medidor de dominio (TDR): prueba la integridad de cables

largos. Capacimetro para medir capacidad eléctrica o capacitancia. Vatihorimetro o contador eléctrico: Mide el consumo eléctrico.

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EL OSCILOSCOPIO Introducción

¿Qué es un osciloscopio?

El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo.

¿Qué podemos hacer con un osciloscopio?.

Básicamente esto:

Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc.

¿Qué tipos de osciloscopios existen?

Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital.

Los Osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla.

Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente).

¿Qué controles posee un osciloscopio típico?

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A primera vista un osciloscopio se parece a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor número de controles que posee.En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones:

** Vertical. ** Horizontal. ** Disparo. ** Control de la visualización ** Conectores.

¿Cómo funciona un osciloscopio?

Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo.

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Osciloscopios analógicos

Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente están en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa.

La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra.

De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las

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señales repetitivas (se asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal repetitiva).

En la siguiente figura puede observarse la misma señal en tres ajustes de disparo diferentes: en el primero disparada en flanco ascendente, en el segundo sin disparo y en el tercero disparada en flanco descendente.

Términos utilizados al medir

Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y).

La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si observamos, por ejemplo, una línea horizontal podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las líneas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios repentinos de la señal (ángulos muy agudos) generalmente debidos a procesos transitorios.

Tipos de ondas

Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:

Ondas sinosidales Ondas cuadradas y rectangulares Ondas triangulares y en diente de sierra. Pulsos y flancos ó escalones.

Ondas sinosidales

Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales.

La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.

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Ondas cuadradas y rectangulares

Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en si mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores.

Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.

Ondas triangulares y en diente de sierra

Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido

horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas.

La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.

Pulsos y flancos ó escalones

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Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaría, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.

Medidas en las formas de onda

En esta sección describimos las medidas más corrientes para describir una forma de onda.

Periodo y Frecuencia

Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al numero de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo.Una señal repetitiva también posee otro paramento: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo.Periodo y frecuencia son recíprocos el uno del otro:

Voltaje

Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo

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de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.

Fase

La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un circulo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º.

Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres:

Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.

Código de colores de las resistencias / resistores

Los resistores son fabricados en una gran variedad de formas y tamaños.

En las más grandes, el valor del resistor se imprime directamente en el cuerpo del mismo, pero en los más pequeños no es posible.

Para poder obtener con facilidad el valor de la resistencia / resistor se utiliza el código de colores

Sobre estos resistores se pintan unas bandas de colores. Cada color representa un número que se utiliza para obtener el valor final del resistor.

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Las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor del resistor, la tercera banda indica cuantos ceros hay que aumentarle al valor anterior para obtener el valor final del resistor.

La cuarta banda nos indica la tolerancia y si hay quinta banda, ésta nos indica su confiabilidad

Ejemplo: Si un resistor tiene las siguiente bandas de colores:

El resistor tiene un valor de 2400,000 Ohmios +/- 5 %El valor máximo de este resistor es: 25200,000 ΩEl valor mínimo de este resistor es: 22800,000 ΩEl resistor puede tener cualquier valor entre el máximo y mínimo calculados.

Nota:- Los colores de las bandas de los resistores no indican la potencia que puede disipar, pero el tamaño que tiene la resistor da una idea de la disipación máxima que puede tener. Ver LEY DE JOULE.- En este artículo los términos resistor y resistencia se han utilizado como sinónimos.

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Balotario Apuntes de clase I

1.- Concepto de Electrónica.

2.- Aplicaciones de la electrónica.

Electrónica de control, telecomunicaciones, electrónica de potencia.

3.- Señales ele4ctronicas:

Variable analógica, son infinitas de valores (presión, temperatura).

Variable digital son fintas o variables discretas.

4.- Concepto: tensión tipos VDC, VAC.

5 .- Conceptode corriente-

6.- Conceptos de circuitos electrónicos.

7.- Equipos de medición.

Mulittester , mediciones.

8.- Osciloscopio conceptos aplicaciones.

9 Tipos de ondas sinosoidales, cuadrada o rectangular,

Triangulares

Medidas: tempo, voltaje, y frecuencia.

10.- Resistencias, código de colores.

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