Circuitos eléctricos y dispositivos electrónicos

CIRCUITOS ELÉCTRICOS: Conceptos básicos

2014-12-13T19:03:00.001-08:00

La teoría de circuitos eléctricos es fundamental para todas las ramas de la ingeniería eléctrica, como potencia, máquinas eléctricas, control, electrónica, comunicaciones e instrumentación, se basan en la teoría de circuitos eléctricos.

En la ingeniería eléctrica, el interés principal es de transferir energía de un punto a otro, mediante una interconexión de dispositivos eléctricos. A dicha interconexión de componentes eléctricos se le denomina circuito eléctrico.

Básicamente un circuito eléctrico está compuesto de tres elementos: una fuente de alimentación o batería, una lámpara o resistencia y cables de conexión. Este sencillo circuito lo vemos a diario, como en las linternas, reflectores, instalaciones eléctrica domiciliaria, entre otros.

Para realizar el análisis de los circuitos eléctricos y entender su comportamiento de respuesta e interacción de sus componentes. Es necesario conocer los conceptos básicos de carga, corriente, tensión, elementos de circuito, potencia y energía.

Carga y corriente

Como el concepto de carga eléctrica es fundamental para explicar todos los fenómenos eléctricos, diremos que: La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas de las partículas subatómicas de las que se compone la materia, su medida está dada en coulomb (C).

Actualmente se conoce que la carga eléctrica esta cuantizada lo cual quiere decir que tiene una unidad de medida mínima la cual se encontró en el electrón la cual es de 1,602 176x10^-19 C . Además por convención se le asigna al electrón -e carga negativa y al protón p+ carga positiva donde en ambas la magnitud de la carga es la misma. La ley de la conservación de la carga establece que la carga no puede ser creada ni destruida, sólo transferida.

Cuando la carga eléctrica fluye o se transfiere de un lugar a, donde puede ser convertida en otra forma de energía, a dicho movimiento de carga de le llama corriente eléctrica. Por ejemplo cuando un alambre conductor (integrado por varios átomos) es conectado a una batería (una fuente de fuerza electromotriz), las cargas eléctricas son obligadas a moverse; las cargas positivas se mueven en una dirección, mientras que las cargas negativas se mueven en la dirección opuesta. Por convención se considera al flujo de corriente como el movimiento de cargas positivas lo cual es, opuesto al flujo de cargas negativas.

Existe una relación matemática entre la carga, la corriente y el tiempo.

SEMICONDUCTORES

2011-11-07T15:09:00.000-08:00

Introduccion
Si nos preguntamos porque es importante conocer sobre materiales semiconductores es debido a que en la actualidad, los semiconductores son los materiales principales para la construcción de dispositivo electrónico de estado sólido o circuito integrado, por ello lo primero que debemos saber es que:

“La propiedad de conductividad de los materiales semiconductores se encuentra entre la de los materiales de alta conductividad y los aislantes”

Existen materiales semiconductores puros como el silicio (Si) y el germanio (Ge), y los compuestos como el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), el arseniuro de galio (GaAs), el sulfuro de cadmio (CdS) y el nitruro de galio (GaN), pero en la actualidad los más usados para construcción de dispositivos electrónicos son el silicio, el germanio y el fosfuro de galio y arsénico (GaAsP), en ese orden.

En el comienzo del uso de los semiconductores después de la invención del diodo en 1939 y el transistor en1949, el material por excelencia para la construcción de dispositivos electrónicos era el germanio debido a su abundancia en la naturaleza y a su fácil refinación, logrando alcanzar altos grados de pureza, importante en la fabricación. Pero los de dispositivos electrónicos fabricados con germanio eran sensibles a los cambios de temperatura, por lo cual años después fue remplazado por el silicio, ya que este elemento era más abundante y menos sensible a los cambios de temperatura

En conclusión un material semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de varios factores, como el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, la temperatura del ambiente en el que se encuentre entre otros. Los elementos semiconductores se indican en la tabla.

Semiconductores intrínsecos

Debido a que los átomos de silicio y germanio tienes cuatro electrones de valencia, estos se unen por medio de un enlace covalente formando estructuras cristalinas. Pero a pasar de la atracción de los electrones de valencia con sus átomos, pueden ser arrancados de sus átomos de manera natural legando a ser “electrones libres” a estos electrones se lo denomina “portadores intrínsecos”, además diremos que:

“Un semiconductor es intrínseco cuando se encuentra en estado puro, o sea, que no contiene ninguna impureza, ni átomos de otro tipo dentro de su estructura”.

“El aumento en la temperatura en el material semiconductor genera un incremento importante en el numero de electrones libres ya que algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos, como consecuencia aumenta su conductividad y disminuye su resistencia”

“En ese caso, la cantidad de huecos (espacios vacíos) que dejan los electrones en la banda de valencia al atravesar la banda prohibida será igual a la cantidad de electrones libres que se encuentran presentes en la banda de conducción”

Cuando se eleva la temperatura de la red cristalina de un elemento semiconductor intrínseco, algunos de los enlaces covalentes se rompen y varios electrones pertenecientes a la banda de valencia se liberan de la atracción que ejerce el núcleo del átomo sobre los mismos. Esos electrones libres saltan a la banda de conducción y allí funcionan como “electrones de conducción”, pudiéndose desplazar libremente de un átomo a otro dentro de la propia estructura cristalina, siempre que el elemento semiconductor se estimule con el paso de una corriente eléctrica.

En el caso de los semiconductores en la banda prohibida es mucho más estrecho que en materiales aislantes la energía de salto de banda también es menor.

Semiconductores extrínsecos

Si a un semiconductor intrínseco, se le añade un pequeño porcentaje de impurezas, que sean, elementos trivalentes o pentavalentes, el semiconductor se denomina extrínseco, y se dice que está dopado.

Semiconductor tipo N: Se obtiene en un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).

Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.

El dopaje tipo n es el de produce una abundancia de electrones portadores en el material. Para el dopaje tipo n del silicio (Si) los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia (fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se añade la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Esto da como resultado la formación de "electrones libres", el número de electrones en el material supera ampliamente el número de huecos, en ese caso los electrones son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.

Semiconductor tipo P: Se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).

Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos, crea una abundancia de huecos. En el silicio, se combinan con átomos con tres electrones de valencia, (Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrara en condición de aceptar un electrón libre los dopantes crean los "huecos". No obstante, cuando cada hueco se ha desplazado por la red, un protón del átomo situado en la posición del hueco se ve "expuesto" y en breve se ve equilibrado como una cierta carga positiva. Cuando un número suficiente de aceptores son añadidos, los huecos superan ampliamente la excitación térmica de los electrones. Así, los huecos son los portadores mayoritarios, mientras que los electrones son los portadores minoritarios en los materiales tipo P.

LDR

2011-09-22T17:06:00.000-07:00

Las LDR (Light Dependent Resistor, o Resistor Dependiente de la Luz) es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente y es lamado fotorresistencia o también concha de day coronel fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, El LDR está formado por una célula o celda y dos patillas. En la siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico.

El valor de la resistencia eléctrica de un LDR es es de un valor bajo cuando hay luz y muy alto cuando está a oscuras.

El LDR esta hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Al incidir la luz los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Las células de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que incide la célula. Cuanto más luz incide, más baja es la resistencia. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta(UV).

La variación del valor de la resistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la señal luminosa varía con rapidez. El tiempo de respuesta típico de un LDR está en el orden de una décima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rápidas de iluminación que podrían hacer inestable un sensor (ej. tubo fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras aplicaciones (saber si es de día o es de noche) la lentitud de la detección no es importante.

Se fabrican en diversos tipos y pueden encontrarse en muchos artículos de consumo, como por ejemplo en cámaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.

555

2011-09-22T01:53:00.003-07:00

El temporizador 555 es un dispositivo muy utilizado, este puede ser configurado de dos maneras distintas como multivibrador monoestable o como multivibrador a estable (oscilador). En la siguiente imagen mostraremos los componentes internos del temporizador 555 el cual consta de comparadores los cuales tiene una salida en alto cuando la tensión de entrada en el punto positivo es mayor en el punto negativo, en caso contrario la salida estará en un nivel bajo. También tiene un divisor de tensión formado por tres resistencias de 5 K esta proporciona un nivel de disparo de un tercio de voltaje de fuente y un nivel umbral de dos tercios de voltaje de entrada.

Diagrama funcional interno de un temporizador 555

Descripción del temporizador 555

GND ( 1): polo negativo de la alimentación, generalmente se conecta tierra.
Disparo ( 2): Aquí se establece el inicio del tiempo de retardo, si el 555 es configurado como monostable. Este proceso de disparo ocurre cuando este pin esta puesto a un voltaje por debajo del nivel de 1/3 del voltaje de alimentación. Este pulso debe ser de corta duración, pues si se mantiene bajo por mucho tiempo la salida se quedará en alto hasta que la entrada de disparo pase a alto otra vez.
Salida ( 3 ): En este pin veremos el resultado de la operación del temporizador, ya sea que esté conectado como monostable, astable u otro. Cuando la salida es alta, el voltaje será el voltaje de alimentación (Vcc) menos 1.7 Voltios. Esta salida se puede obligar a estar en casi 0 voltios con la ayuda de la patilla de reset (normalmente la 4).
Reset ( 4 ): Si se pone a un nivel por debajo de 0.7 Voltios, pone la patilla de salida a nivel bajo. Si por algún motivo esta patilla no se utiliza hay que conectarla a Vcc para evitar que el 555 se "resetee".
Control de voltaje ( 5 ): Cuando el temporizador se utiliza en el modo de controlador de voltaje, el voltaje en esta patilla puede variar casi desde Vcc (en la práctica como Vcc -1 voltio) hasta casi 0 V (aprox. 2 Voltios). Así es posible modificar los tiempos en que la salida está en alto o en bajo independiente del diseño (establecido por los resistores y condensadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patilla de control de voltaje puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc en la configuración monostable. Cuando se utiliza la configuración astable, el voltaje puede variar desde 1.7 voltios hasta Vcc. Modificando el voltaje en esta patilla en la configuración astable causará la frecuencia original del astable sea modulada en frecuencia (FM). Si esta patilla no se utiliza, se recomienda ponerle un condensador de 0.01μF para evitar las interferencias.
Umbral ( 6 ): Es una entrada a un comparador interno que tiene el 555 y se utiliza para poner la salida a nivel bajo.
Descarga ( 7 ): Utilizado para descargar con efectividad el condensador externo utilizado por el temporizador para su funcionamiento.
Vcc, alimentación ( 8 ): Es el pin donde se conecta el voltaje de alimentación que puede variar de 4.5 voltios hasta 18 voltios (máximo).

Temporizador 555

Funcionamiento como monoestable

Para lograr que el temporizador 555 funcione como monoestable no redisparable, utilizaremos una resistencia y un condensador externo según muestra la figura, el ancho del pulso de salida se determina mediante la constante del tiempo, la cual se calcula en función de R1 y C1 que se indica en la siguiente formula

tw=1.1R1xC1

La entrada de tensión de control no se usa y para evitar ruido que pudiera afectar el nivel umbral de disparo se desacopla con un condensador C2.

El tiempo inicial antes del disparo la salida esta a nivel bajo y el transitor Q1 conduce teniéndose a C1 descargado. Al aplicar un impulso de disparo negativo en el instante t0 la salida pasa a nivel alto y el transistor de descarga se bloquea permitiendo al condensador C1 comenzar a cargarse a través de R1. Cuando C1 se ha cargado hasta 1/3 de Vcc la salida pasa de nuevo a nivel bajo en T1 y Q1 entra en conducción inmediatamente descargándose C1. La velocidad de carga de C1 determina cuánto tiempo va estar de salida en alta.

Funcionamiento como aestable

Display

2011-09-22T01:52:00.001-07:00

El display de 7 segmentos es un dispositivo electrónico que sirve para representar números en los equipos electrónicos, en su interior se encuentran 7diodos emisores de luz o diodos leds que tienen una forma alargada que se pueden apagar o encender de manera independiente.

Tipos de display

Existen dos tipos de display : diplay de ánodo común y display de cátodo común

En los de tipo de ánodo común, todos los ánodos de los leds están unidos internamente a una patilla común que debe es conectada a voltaje positivo (nivel “1”). El encendido de cada segmento individual se realiza aplicando voltaje vajo o nulo (nivel “0”) por la patilla correspondiente a través de una resistencia que limite el paso de la corriente.

En los de tipo de cátodo común, todos los cátodos de los leds están unidos internamente a una patilla común que debe ser conectada a un voltaje bajo o nulo (nivel “0”). El encendido de cada segmento individual se realiza aplicando voltaje positivo (nivel “1”) por la patilla correspondiente a través de una resistencia que limite el paso de la corriente.

Para ambos casos en muy importante el uso de la resistencia limitadora de corriente y que sea de un valor adecuado ya que sino colocamos una o la que instalamos una de un valor muy bajo quemaremos el led del display y si le conectamos una resistencia de ohmiaje muy alto esta impedira que no encienda el display.

Funcionamiento
A cada uno de los segmentos que forman el display se les denomina a, b, c, d, e, f y g y están ensamblados de forma que se permita activar cada segmento por separado consiguiendo formar cualquier dígito numérico que se encuentre entre el cero y el nueve.
A continuación se muestran algunos ejemplos:

a = 3 ; b = 4 ; c = 4 ; d = 6 ; e = 5 ; f = 2 ; p = 8
C: punto de ánodo o cátodo común

Muchas veces aparece un octavo segmento, entre paréntesis en el ejemplo anterior, que funciona como punto decimal

A continuación se muestran algunos ejemplos:

Si se activan sólo los segmentos: "a, b, c, d, e, f," se forma el número "0".
Si se activan sólo los segmentos: "a, b, g, e, d," se forma el número "2".
Si se activan sólo los segmentos: "b, c, f, g," se forma el número "4"
Si se activan o encienden todos los segmentos se forma el número "8".