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Prácticas para el área de Tecnología en EducaciónSecundaria

Electrónica analógica y digitalCentro de Profesores de Albacete

Organiza: Celeste Utiel Ortega

Ponente: Jorge Munoz Rodenas

Curso organizado por el Centro de profesores de Albacete.

(Pulse CTRL+L para activar presentacion)

Electronica Secundaria, CEP Albacete, 6 de marzo de 2007– p. 1/50

Índice

Electrónica Analógica

Componentes, circuitos yfuncionamiento

ResistenciaCondensadorDiodoTransistor BipolarAmplificador OperacionalCI 555Sensores resistivosMotor DC y relé

Electrónica Digital

Componentes, circuitos yfuncionamiento

Puertas lógicasCodificadoresDecodificadoresMultiplexoresBiestablesContadores


Resistencia

Se utiliza en circuitos para:Reducir el valor de la corriente que alimenta a unreceptorObtener voltajes más reducidos de los que entrega lafuente de voltaje

Formas de conexión en un circuito:Serie o divisor de tensi on: El terminal de salida de unaresistencia se conecta en la misma fila que el terminal deentrada de la siguiente resistencia.Paralelo o divisor de corriente: Se conectan en filasrespectivas los terminales de entrada y de salida de cadaresistencia.


Tipos de Resistencias

Resistencias fijas: Tienen un valor nominal determinado por elfabricante. Las series de valores nominales normalizadosestán calculadas de manera que combinando resistencias sepueda componer cualquier valor de resistencia con latolerancia correspondiente. Los valores de la resistencia y latolerancia se marcan mediante números o, en el caso de queno haya sitio suficiente, mediante anillos de color o puntos decolor.

Resistencias variables mec anicamente (Potenci ometros): Seconstruyen en forma de resistencias con contactosdeslizantes o giratorios. Las tres conexiones se denominanE(entrada), D (contacto deslizante) y S (salida).

Sensores resistivos: Se basan en el efecto de variación de laresistencia eléctrica debido a magnitudes físicas como calor,tensión eléctrica, luz, etc. Se verán aparte.


Resistencia. Medida de V e I

Medidas en circuitos con resistencias: Para medir intensidad se colocan laspuntas del polímetro en serie. Se tendrá que insertar el polímetro como sifuera un componente en serie más. Esta operación no se podrá realizarsi los componentes están soldados. Si el circuito está montado sobreplaca de pruebas habrá que reposicionar un terminal de la resistencia. Elvoltaje se mide conectando las puntas del polímetro en paralelo con elcomponente a medir. No requiere, por lo tanto, ninguna reconexión.


Resistencia. Conexión serie.

Serie (divisor de tensión): Req =n

X

i=1

Ri

Podemos conectar resitencias en serie para obtener una resistenciaque sea equivalente a su suma.Podemos obtener un voltaje menor que el suministrado por la fuentede tensión para alimentar una receptor que requiere menos tensión.Habrá que tener en cuenta la resistencia de la carga a conectar paradimensionar el circuito


Resistencia. Conexión paralelo.

Paralelo (divisor de corriente):1

Req

=n

X

i=1

1

Ri

Podemos conectar resitencias en paralelo para obtener unaresistencia que sea equivalente según la relación indicada. Porejemplo para obtener una R = 50Ω y disponemos de dos de 100Ωlas conectamos en paralelo.Podemos limitar la corriente que pasa por una parte de un circuitoconectando resistencias en paralelo (en la figura el diodo soporta unmáximo de 30mA).


Resistencia. Identificación.

Código de colores:Color 1a cifra 2a cifra Multiplicador Tolerancia

Negro - 0 ·100 -Marrón 1 1 ·101 ±1%

Rojo 2 2 ·102 ±2%

Naranja 3 3 ·103 -Amarillo 4 4 ·104 -Verde 5 5 ·105 ±0,5 %

Azul 6 6 ·106 -Violeta 7 7 ·107 -Gris 8 8 ·108 -Blanco 9 9 ·109 -Oro - - ·10−1 ±5%

Plata - - ·10−2 ±10%

Sin color - - - ±20%

Por ejemplo, colores de resistencia marr on-negro-rojo-oro

Valor nominal: 1 0 · 102 = 1000Ω = 1KΩ Tolerancia=±5, por lo tanto el valorreal estará en el intervalo [950Ω, 1050Ω]


Condensador

Parámetros para el taller más comunes: Capacidad nominal(Faradios) y Tensión nominal o máxima de trabajo (V).

Tipos de material: Electrolítico, Cerámico, Poliéster, Mica.

Modelo matemático ic(t) = C ·dvC(t)

dt

Filtro para señales.

Acumulador de carga, temporizador, regulador de tensión.

En c.c. en régimen permanente es un circuito abierto.

En c.a. en régimen permanente es una impedancia cuyo valor

depende de la frecuencia (XC =1

jω · C)


Condensador

¿Que significa ic(t) = C ·dvC(t)

dt?

Sólo va a haber circulación de corriente por el condensador cuandohaya una variación de tensión, esto es, cuando el condensadorcargue o descargue. Ante mismas variaciones de tensión, uncondensador de mayor capacidad (C) tendrá más corriente.

¿Por que se dice que el condensador “absorbe” picos de tension?

El pico es una variación muy rápida lo que implica una granpendiente por lo tanto la derivada dará un valor alto y, por ello, lacorriente en el condensador será muy alta. El condensador secomporta casi como un cortocircuito durante el momento del pico,así puede atenuar el pico de tensión (siempre que el condensadoresté en paralelo y haya algo de resistencia serie donde caiga latensión del pico).


Identificación de condensadores

Medir en bornes con un polímetro que disponga de la funcionalidad paramedir faradios (µF , nF, pF,...)

Código de colores: banda 1 superior, banda 5 inferior.Color Banda 1 Banda 2 Banda 3(Multip.) Banda 4 Banda 5

Negro - 0 ·100 ±20% -Marrón 1 1 ·101 - -Rojo 2 2 ·102 - 250 VNaranja 3 3 ·103 - -Amarillo 4 4 ·104 - 400 VVerde 5 5 ·105 100VAzul 6 6 ·106 - 600 VVioleta 7 7 ·107 - -Gris 8 8 ·108 - -Blanco 9 9 ·109 ±10% -

ejemplo: amarillo-violeta-amarillo-blanco-rojo: 470 nF ±10% (423 a 517 nF)250V; negro-marron-negro-blanco-rojo : 1 pF ±10% (0.9 a 1.1pF) 250V


Condensador. Circuito de carga y descarga

S1 ON, S2 OFF: Se conecta elcondensador a la batería y secarga.

S1 OFF, S2 OFF: Se desconecta labatería y el condensadorpermanece cargado.

S1 OFF, S2 ON: Se descarga elcondensador a través del LEDque luce durante el tiempo dedescarga.

La constante de tiempo delcircuito será τ = R · C (R enohmios y C en Faradios τ ensegundos.)

La carga o descarga del conden-sador completa se considera queocurre en 5 · τ


Condensador. Conexión serie y paralelo

Puede ocurrir, durante el montaje de un circuito con condensadores, que nose disponga de un condensador con la capacidad requerida. Podemosobtenerlo combinando otros condensadores en serie y/o paralelo.

Serie:1

Ceq

=

nX

i=1

1

Ci

Paralelo: Ceq =

nX

i=1

Ci

Ejemplo: Se requiere un condensador de 0, 5µF y otro de 2µF y sedispone de cuatro electrolíticos de 1µF . Soluci on: Conectamos dos en

serie C1 =1

11

+ 11

= 0,5µF y dos en paralelo C2 = 1µF + 1µF = 2µF


Diodo. Funcionamiento.

Unión de semiconductores p-n con una zonade transición libre de cargas formadaúnicamente por iones.

Al polarizar directamente (positivo de lafuente al ánodo) los huecos (zona P) yelectrones (zona N) mayoritarios “invaden” lazona de transición. Por ello ésta se vereducida drásticamente. La corriente se debea portadores mayoritarios y la corrientedirecta puede llegar a ser grande. Seaproxima idealmente a un cortocircuito.

Al polarizar inversamente (positivo de la fuen-te al cátodo-barra vertical) huecos (zona P)y electrones (zona N) mayoritarios “escapan”de la zona de transición y ésta aumenta. Lacorriente se debe a portadores minoritarios yla corriente directa será muy pequeña. Ideal-mente se aproxima a un circuito abierto.


Diodo. Hoja de datos.

Datos de interés del fabricante: Tensión inversa máxima (VR), Corrientedirecta máxima(IF ), caída de tensión directa (VF ), corriente inversa(IR).


Diodo. Características eléctricas.


Diodo. Característica real I vs V.


Transistor Bipolar. Funcionamiento.

En principio un transistor bipolar estáformado por dos uniones PN. Para que seaun transistor y no dos diodos deben decumplirse dos condiciones: La zona de Basedebe ser muy estrecha (fundamental paraque sea transistor), y el emisor debe de estarmuy dopado. Normalmente, el colector estámuy poco dopado y es mucho mayor.

La función del emisor consiste en inyectarelectrones libres a la base. Ésta, al ser muydelgada, deja pasar hacia el colector la mayorparte de estos e−. La fuente de la izquierdapolariza directamente al diodo emisor y la dela derecha inversamente al diodo colector. SiVBB es mayor que la barrera de potencial lose− del emisor entrarán en la zona de la base yseguirán hacia el colector. Una vez allí seránatraídos por VCC .


Transistor Bipolar NPN. Conmutación

Si la corriente que entra en la base es “lo suficientemente grande” se cerraráel circuito entre el emisor y el colector (funcionamiento en saturación). En casocontrario permanece abierto (funcionamiento en corte). La relación entre lasintensidades en el transistor bipolar es : IC = β · IB ,IE = IC + IB donde β esla ganancia en corriente (indicada también como hfe en el datasheet.) Un símilhidraúlico podría ser un grifo, la base corresponde al regulador de caudal.


Transistor Bipolar NPN. Amplificación

Se introduce una señal en la base del transistor y en el colector se obtendráuna réplica amplificada. La base modula al colector. Para que esto ocurraperfectamente el transistor ha de estar polarizado (fuente de continua) demanera que el transistor no se salga de la zona de fuente de corriente. Lastensiones del circuito no pueden sobrepasar las de alimentación. Cuandoocurre esto decimos que el amplificador se satura (y distorsiona).


Transistor Bipolar NPN. Curvas características.


Transistor Bipolar. Tipos de encapsulados.


Amplificador Operacional LM 741

Tiene múltiples aplicaciones. Se usa comocomparador en el lazo de control, amplificadores deseñal, fuentes de corriente, tensión,acondicionamiento de señal para instrumentación,etc...

Consta de tres etapas amplificadoras:diferencial, detensión y en oposición de fase.

Amplifican tanto tensión continua como alterna.

Características ideales: Alta impedancia de entrada(infinita), Baja o nula impedancia de salida,Gananciade tensión infinita.

Realimentación negativa: La salida se muestrea y par-te de ella vuelve a la entrada. La señal que regresatiene una fase opuesta a la señal de entrada. Mejorael comportamiento proporcionando ganancia estable,menor distorsión y mayor ancho de banda.


Amplificador Operacional. Hoja de datos

Muchos montajes requierenalimentación simétrica(+VCC/ − VCC ). Para ello se requiereuna fuente con dos salidas. A V + seconecta el terminal positivo de una delas salidas y a masa el terminalnegativo. A V − se conecta elnegativo de la otra salida de la fuentey el terminal positivo de dicha salida amasa. Se puede adaptar el circuitopara su uso con una sóla fuente.

Tensión de desviación (OFFSETNULL): Se obtiene un desplazamientorespecto al origen de la respuestarespecto a la salida. Se eliminaconectando una resistencia entre losterminales indicados.


Amplificador Operacional. Hoja de datos

Tensión máxima dealimentación.

Tensión máxima deentrada

Rango de temperatura detrabajo


A.O. Parámetros reales

Ganancia en tensión en lazoabierto:G 6= ∞

Resistencia de entrada: R 6= ∞

Resistencia de salida: R 6= 0

Tensión de desviación deentrada: Introduce errores en lasalida

Razón de rechazo al modocomún: Indica eliminación deruido.

Razón de rechazo a la alimenta-ción: Respuesta del AO a variacio-nes de la tensión de alimentación


Amplificador Operacional. Comparador.

Si V + > V −

→ V sal = +Vsat

Si V + < V −

→ V sal = −Vsat

(Vsat será algo menor que Vcc)


A.O. Amplificador de voltaje.

Las frecuencias críticas se pueden obtener mediante f =1

2 · π · R · Cdonde

R y C corresponden a:

Cent y Rfuente + R3 para la frecuencia crítica inferior

Cpaso y R2 para el filtro a tierra o frecuencia crítica superior

Csal y Rcarga para el acoplamiento de salida.


Circuito Integrado 555

Es un circuito integrado de ocho terminales cuyafunción es la de generar señales con intervalos detiempo plenamente configurables.

El tiempo se controla de forma precisa incorporandoresistencias y condesadores al circuito.

Puede proporcionar en su salida hasta 200 mA yalimentar dispositivos TTL

Tiene dos modos de funcionamiento:Monoestable : Si se excita la entrada con unpequeño pulso, podemos obtener un pulso a lasalida de duración T. Dicho tiempo se configuracon una resistencia y un condesador externos.Astable: Proporciona a su salida una ondacuadrada (multivibrador) cuyo periodo esconfigurable a través de dos resistencias y uncondensador


CI 555. Conexiones

Disparo (Trigger): Se establece el inicio deltiempo de retardo si está configurado comomonoestable. El disparo ocurre cuando estepin va por debajo de 1

3· VCC . Debe ser de

corta duración.

Reset: Si se pone por debajo de 0,7 V ponela patilla de salida a nivel bajo. Si no se usahay que conectarla a VCC .

Control voltaje: Se controla la temporizaciónindependientemente de R y C exteriores. Sino se usa hay que conectarle uncondensador de 0, 01µF para evitarinterferencias.

Umbral (Threshold): Salida a nivel bajo.

Descarga (Discharge): Sirve para descargarcon efectividad el condensador externo.


CI 555. Modo Monoestable

Un pulso en el pin 2 (trigger) desencadena en la salida un estado alto cuyaduración depende de dos componentes R y C según : T = 1, 1 · R · CEl pin 2 debe conectarse a masa a través de un interruptor o de una señalexterna adecuada para desencadenar la temporización. La tensión de salidavaldrá alrededor de 2

3· VCC

La configuración que emplea el 555 para lograr este efecto es la siguiente:


CI 555. Modo Astable

C se carga via RA y RB , cuando la tensión en los bornes de C alcanza unvalor igual a 2

3· VCC la salida del 1er comparador pasa a 1 y pone a SET el

biestable. La salida pasa a de cero inicialmente a 1. La base del transistorhace que éste conduzca, por lo que C se descarga. C se descarga via pin 7 yRB . Cuando su tensión disminuye hasta llegar a 1

3· VCC la salida del 2o

comparador pasa a 1, lo que provoca un RESET en el biestable que, a su vez,hace que el transistor entre en corte. El condensador se carga de nuevo y nosvolvemos a encontrar en la situación inicial. La duración del nivel alto seráT1 = 0, 7 · (RA + RB) · C y del nivel bajo T2 = 0, 7 · RB · C


RTD (Resistance Temperature Resistor)

Es un sensor resistivo de temperatura metálico. Se basa en la propiedad quetienen los metales de poseer coefiecientes de temperatura positivos devariación de la resistencia eléctrica, es decir al aumentar la energía internaaumenta su resistividad. La RTD de platino se denomina Pt100 conR0 = 100Ω Modelo matemático: Rt = R0 · (1 + αt) donde R0 es el valor de laresistencia de la RTD a 0 oC, Rt es el valor de la resistencia a la temperaturade la RTD en oC.


NTC (Negative Temperature Coefficient)

Es un termistor hecho de un material semiconductor cuya resistenciadisminuye cuando aumenta la temperatura. Modelo Matemático:

RT = R0 · eB·( 1

T−

1

T0) donde RT es la resistencia del termistor a T (Kelvin), B

es el índice de sensibilidad (K) y R0 es la resistencia del termistor a T0


PTC (Positive Temperature Coefficient)

Son termistores con coeficiente de temperatura positivo.


LDR (Light Dependent Resistor)

También llamadas fotorresistencias, son resistencias dependientes de la luz.Son sensores resistivos basados en semiconductores empleados para lamedida y detección de radiación electromagnética.

Modelo matemático: Rt = R0 · (L0

L)α donde L es el valor de iluminación (lux),

α es una constante que depende del material (entre 0,7 y 1,5) y RL y R0 sonlas resistencias a los niveles de luz L y L0 respectivamente.


Motor DC y Relé

El motor DC usado en el taller es de pocapotencia, con una alimentación de 3 a 9 V.

Conforme aumenta la carga en el eje (parresistente) aumenta la intensidad consumida.

Las revoluciones por minuto se regulan medianteel voltaje aplicado en bornes.

El sentido de giro se invierte cambiando lapolaridad de la alimentación.

El relé es un dispositivo actuador que nospermite realizar conmutación entre circuitos.

Tiene dos partes independientes eléctricamente:una bobina que actúa como un electroimán. Concorriente se magnetiza y atrae a una pletina queprovoca la conexión de un circuito y a su vez ladesconexión de otro.


Puertas lógicas

función EcuaciónOR S=a+b

AND S = a · b

NOT S = a

NOR S = a + b + c

NAND S = a · b · c

XOR S = a · b + a · b

XNOR S = a · b + a · b

Diseño de circuitos digitales:Obtener tabla de verdadDeducir ecuaciónSimplificar la ecuaciónImplementar circuito con puertas lógicas


Simplificación. Mapas de Karnaugh

Están constituidos por una cuadrícula en forma de encasillado cuyonúmero de casillas depende del número de variables que tenga lafunción a simplificar. Cada una de las casillas representa las distintascombinaciones de las variables que puedan existir.

Se basan en la ley : a · b + a · b = a

Se pueden simplificar entre sí, por sus variables comunes, los siguientesgrupos de casillas:

grupos de 2,4,8,16,32 o 64 casillas contiguas según los ejesordenados, pero nunca según ejes diagonalesgrupos de casillas en los bordes del mapa opuestas entre síel grupo de casillas formado por las cuatro esquinas del mapa

Debemos procurar consguir grupos del máximo número de casillas,respetando las normas citadas.

Hay que incluir todos los términos representados, un término puedepertenecer a más de un agrupamiento.


mapas de Karnaugh. Ejemplos


Codificadores

Son circuitos combinacionales que poseen n salidas y 2n entradas ycuya estructura es tal que al activarse una de las entradas (adoptando unestado lógico determinado, 0 ó 1) en la salida aparece la combinaciónbinaria (o su complementaria) correspondiente al número decimalasignado a dicha entrada.

La función habitual de un codificador es la de convertir cualquierinformación digitalizada que entra al sistema digital en su equivalentebinario natural o en cualquiera de los códigos binarios existentes

Los hay de dos tipos:sin prioridad: No se puede activar simultáneamente más de unaentrada porque, si se activan, aparecen códigos binarios erróneos enlas salidas.con prioridad: en el caso de producirse una activación simultánea devarias entradas, en la salida aparecerá el código de la entrada demayor prioridad (normalmente mayor peso)


Codificadores


Decodificadores

Son circuitos combinacionales provistos de n entradas y un número desalidas menor o igual a 2n. Al aparecer una combinación binaria en susentradas, se activa una sola de sus salidas. Normalmente las salidaactivada presenta un 0 (TTL), mientras que las demás permanecen a 1.

Implementación de funciones lógicas con decodificadores:Se utilizará un decodificador del mismo o mayor número de líneas deentrada que variables tenga la función.Buscaremos cada una de las salidas del decodificador que secorresponden con combinaciones que hacen 1 la salida de la tablade verdad de la función.Conectamos todas las salidas del decodificador antes seleccionadasa una puerta lógica cuyo tipo dependerá del decodificador (ORsalidas activas a nivel alto, NAND salidas activas a nivel bajo).


Multiplexores

Son circuitos combinacionales provistos de las siguientes entradas ysalidas

N entradas de información o canales.n entradas de selección o control.Una salida de información.Una entrada de autorización.

Los canales de entrada están relacionados con las entradas de selecciónde la siguiente forma: Número de canales=2n

Implementación de funciones lógicas con multiplexores:


Multiplexores. Funciones lógicas.


Circuitos Secuenciales. Biestables I

Los circuitos secuenciales son circuitos capaces de memorizarinformación, los valores de las salidas dependen de los valorespresentes en ese instante y en el anterior.

Biestables: Son circuitos secuenciales construidos con puertas lógicascapaces de almacenar un bit. Tipos: R-S, J-K, T, D


Tablas de verdad de Biestables R-S, J-K

J K Qn Qn+1

0 0 0 0(Qn)0 0 1 1(Qn)0 1 0 00 1 1 01 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 0

R S Qn Qn+1

0 0 0 0(Qn)0 0 1 1(Qn)0 1 0 10 1 1 11 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 0


Tablas de verdad de Biestables T, D

T Qn Qn+1

0 0 00 1 11 0 11 1 0

D C Qn Qn+1

0 0 0 0(Qn)0 0 1 1(Qn)0 1 0 00 1 1 01 0 0 0(Qn)1 0 1 1(Qn)1 1 0 11 1 1 1


Circuitos Secuenciales. Contadores

Son circuitos secuenciales cuyas salidas representan, en undeterminado código, el número de impulsos que se aplican a la entrada.Pueden ser síncronos o asíncronos. En los primeros la señal de reloj seaplica simultáneamente a todos los biestables. En los asíncronos seaplica a la primera etapa, la salida de ésta a la entrada de la siguiente yasí sucesivamente.


Bibliografía

Principios de Electr onica. Malvino. Ed. Mc Graw-Hill

Electr onica Digital. L.Cuesta, A. Gil, F.Remiro. Ed. Mc Graw-Hill

Instrumentaci on Electr onica M.A. Pérez, J.C. Álvarez, varios. Ed.Thomson

http://www.datasheetcatalog.net

http://www.thermometrics.com Termistores, hojas de datos.

http://hilaroad.com/camp/projects.html

http://www.ibiblio.org/obp/electricCircuits/

http://www.howstuffworks.com/


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