ELECTRÓNICA LINEAL
RESUMEN Esta tarea es la introducción de la materia, tiene como fin conocer el funcionamiento y aplicación de los elementos resistivos, capacitivos e inductivos que conforman un circuito eléctrico.
1. INTRODUCCIÓN El tema de la investigación son los conceptos y características de diversos elementos y circuitos electrónicos básicos, la ley de Ohm y el uso de la herramienta multisim.
2. REPORTE 2.1 ¿Qué es electrónica? La electrónica es la rama de la física y especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.
2.2 ¿Qué es multisim? Multisim es un entorno de simulación SPICE estándar en la industria. Es el principio básico de la solución para la enseñanza de circuitos para construir experiencia a través de la aplicación práctica del diseño, generación de prototipos y pruebas de circuitos eléctricos. El enfoque de diseño de Multisim le ayuda a reducir las iteraciones de prototipos y a optimizar los diseños de tarjetas de circuito impreso (PCB) al inicio del proceso.
2.3 ¿Para qué sirve el multisim? Sirve para crear una simulación y diseño de circuitos para optimizar el rendimiento, reducir los errores de diseño y acortar el tiempo para generar prototipos, sirve también para comprender electrónica analógica, digital y de potencia a lo largo de un plan de estudios.
2.4 Resistencia. Es un componente que se encarga de limitar la cantidad de corriente que puede pasar a través de un circuito, convirtiendo el exceso en calor. Sabemos que desde el punto de vista de la corriente eléctrica existen básicamente dos tipos de materiales, en función de la mayor o menor facilidad con la que esta circula a través de ellos: conductores y aislantes. Se llama resistencia eléctrica a la oposición que ofrece un material al paso de la corriente. Los componentes que en electrónica se emplean ´para que cumplan esta misión se denominan simplemente resistencias. Se trata de un componente pasivo, es decir no genera intensidad ni tensión en un circuito, pero sus propiedades se aplican para controlar una tensión o corriente eléctrica. Su comportamiento se rige por la ley de Ohm. La unidad de medida de la resistencia es el Ohm y
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se representa por la letra Ω. Su valor lo conocemos por el código de colores, también puede ir impreso en el cuerpo de la resistencia directamente. CARACTERISTICAS: Resistencia nominal: Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación. Tolerancia: Diferencia entre las desviaciones superior e inferior. Se da en tanto por ciento. Nos da una idea de la precisión del componente. Cuando el valor de la tolerancia es grande podemos decir que la resistencia es poco precisa, si es bajo es más precisa. Potencia nominales: Potencia que el elemento puede disipar de manera continua sin sufrir deterioro. Los valores normalizados más
utilizados son: , , , ,, ,, , .
TIPOS DE RESISTENCIAS: Fijas: Su valor óhmico viene pre-establecido de fábrica. Variables: El valor de resistencia puede ser variado a voluntad.
Figura 2. Ejemplos de capacitores. 2.6 Fusibles. El fusible es un dispositivo que se utiliza actualmente para proteger circuitos y dispositivos eléctricos como electrónicos tanto contra cortocircuitos como para sobrecargas.
Figura 1. Resistencia y código de colores.
Se trata de un conductor de una sección de hilo más fino que el resto de los conductores normales del circuito de manera que, en caso de que aumente la intensidad del circuito y por lo tanto la temperatura del mismo, será el conductor del fusible la parte más vulnerable, fundiendo el conductor y abriendo el circuito.
2.5 Capacitor. Un capacitor es un componente electrónico que almacena energía. En términos simples, un capacitor puede verse como una batería muy pequeña y de baja capacidad. Un capacitor consta de dos partes principales: la primera es un par de placas metálicas. Estas placas metálicas se encuentran separadas unas fracciones de milímetro y cada una va conectada a una terminal diferente del circuito. Entre estas dos placas hay un material no conductor, que se llama dieléctrico el cual evita el paso de corriente entre una placa y otra. Los capacitores comerciales se clasifican de acuerdo con el material con el que está fabricado el dieléctrico. Los capacitores más comunes son los de aire, mica, papel, cerámica y electrolitos. CARACTERISTICAS: Son dispositivos que almacenan cargas eléctricas. Pueden conducir CC durante un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de CA, esta propiedad los convierte en dispositivos muy útiles para impedir que la CC entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los capacitores se fabrican de gran variedad de formas y se pueden mandar a fabricar de acuerdo a las necesidades que se requieran. Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos de resonancia, en los radios y otros equipos electrónicos, además de los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.
Los fusibles se colocan en serie a la entrada del circuito a proteger, de manera que toda la corriente pase por él, en el caso de que se dé un aumento de la corriente nominal o máxima de trabajo, bien por una sobre carga o bien por un cortocircuito, ese hilo de sección más fino se calentará y se fundirá antes que el resto del circuito. CARACTERISTICAS: Está definido por tres características principales: Intensidad nominal o calibre es la intensidad máxima que puede circular a través del fusible. Poder de corte es la intensidad máxima capaz de poder ser interrumpida por el fusible. Curvas de fusión definen de forma gráfica la relación intensidad-tiempo, es decir, el tiempo de actuación del fusible o corte de la línea una vez que se ha sobre pasado su intensidad nominal o calibre. En las instalaciones eléctricas de baja tensión se utilizan principalmente dos tipos de fusibles: los tipo gG o gL que son fusibles de distribución de uso general. Y tipo aM que son fusibles de acompañamiento de motor.
Figura 3. Fusibles.
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2.7 Bobina. Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica. Se fabrican enrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire. Su unidad de medida es el Henrio (H) en el sistema internacional, pero se suelen emplear los submúltiplos como mH. CARACTERISTICAS: Permeabilidad magnética es una característica que tiene gran influencia sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de la misma. Los materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo ot ros materiales presentan menos sensibilidad a esos campos magnéticos. El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es. Factor de calidad relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al hilo de la misma. Algunos tipos de bobinas son ferromagnéticas y las bobinas variables.
las
fijas,
las
ponen en cortocircuito. El diodo actúa como un interruptor cerrado y de inmediato comienza a fluir una corriente I del ánodo al cátodo. Entonces se dice que el diodo está directamente polarizado. Regla 4. En tanto fluya corriente, el diodo actúa como interruptor cerrado. Sin embargo, si deja de fluir durante incluso 10 µs, el diodo ideal regresa de inmediato a su estado abierto original. La conducción se reanudará solo cuando el ánodo se vuelva otra vez levemente positivo con respecto al cátodo.
Figura 5. Reglas del diodo. CARACTERISTICAS: Voltaje de pico inverso, un diodo solo puede soportar cierta cantidad de voltaje inverso antes de descomponerse. Corriente promedio máxima, un diodo tiene un límite para la corriente promedio que el mismo puede conducir. Temperatura máxima, el voltaje a través de un diodo, multiplicado por la corriente que conduce, es igual a una pérdida de potencia que es convertida totalmente en calor.
2.9 Transistor. Es un dispositivo semiconductor de tres capas, consiste de dos capas tipo n y una capa tipo p, o bien de dos capas tipo p y una tipo n, a los primeros se les conoce como transistores npn y a los segundos transistor pnp.
Figura 4. Tipos de bobinas. 2.8 Diodo. Un diodo es un dispositivo electrónico que posee dos terminales, llamadas respectivamente ánodo y cátodo. Aunque no tiene partes móviles, un diodo actúa como un interruptor de alta velocidad cuyos contactos se abren y cierran de acuerdo a las siguientes reglas: Regla 1. Cuando se aplica voltaje a través de un diodo, este actúa como un interruptor abierto. Por lo tanto el circuito se abre entre las terminales A y K. Regla 2. Si aplicamos un voltaje inverso E 2 a través del diodo para que el ánodo sea negativo con respecto al cátodo, el diodo continua actuando como interruptor abierto. Entonces se dice que el diodo esta inversamente polarizado. Regla 3. Si aplicamos un voltaje directo E 1 momentáneo de 0.7 V o más a través de las terminales para que el ánodo A sea ligeramente positivo con respecto al cátodo, las terminales se
Emisor, que emite los portadores de corriente, (huecos o electrones). Base, que controla el flujo de los portadores de corriente. Colector, que capta los portadores de corriente emitidos por el emisor.
Figura 6. Transistores.
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ELECTRÓNICA LINEAL 2.10 TRIAC. Es un elemento semiconductor de tres electrodos, uno de los cuales es de mando (la puerta) y los otros dos son los principales de conducción. El elemento puede pasar por un estado de bloqueo a un régimen conductor en los dos sentidos de polarización y volver al estado de bloqueo por inversión de la tensión o por disminución de la corriente por debajo del valor de mantenimiento, IH. El triac es, pues, la versión bidireccional del tiristor; en su representación eléctrica se le puede comparar a la asociación en anti paralelo de los tiristores. CARACTERISTICAS: El triac es de características bidireccionales, en el cual el estado de conducción queda controlado por el potencial de disparo aplicado al gate y la dirección de la corriente eléctrica queda determinada por la polaridad del potencial que recibe. Este dispositivo es muy usado en aparatos electrónicos audiovisuales e industriales y se le conoce también con el nombre de interruptor de ca.
ENERO 2018 Este proceso es reversible, es decir, no se destruye el diodo salvo que supere la intensidad máxima, además, si la tensión inversa disminuye, el diodo deja de conducir en inversa.
Figura 9. Diodo Zener. 2.12 Circuito resistivo en serie. Un circuito en serie provee solamente una trayectoria para la corriente entre dos puntos en un circuito de tal forma que la corriente sea la misma a través de cada resistor. La misma cantidad de corriente fluye a través de todos los puntos en un circuito en serie. La corriente a través de un resistor en un circuito en serie es la misma que la corriente a través de todos los otros resistores que se encuentran en serie con ese resistor. La corriente que entra a un resistor es la misma que la corriente que sale del resistor, ya que hay solamente una trayectoria en la cual la corriente puede fluir. La resistencia total de un circuito en serie es igual a la suma de las resistencias de cada resistor individual.
Figura 7. Estructura interna del triac. 2.10 DIAC. Su nombre viene de (Diode Alternative Current), es un elemento compuesto internamente por dos tiristores en anti paralelo, pero sin terminal ter minal de puerta. Por tanto, se trata tr ata de un elemento simétrico y sin polaridad.
Figura 10. Circuito resistivo en serie. 2.13 Circuito resistivo en paralelo.
Figura 8. Estructura interna del diac. 2.11 Diodo Zener.
Cuando dos o más resistores están individualmente conectados entre los mismos dos puntos, estos están en paralelo unos con los otros. Cada trayectoria donde fluye la corriente en paralelo es llamada una rama (branch). Un circuito en paralelo provee más de una trayectoria para el flujo de corriente o sea que la corriente se divide entre cada una de las ramas; parte de la corriente fluye a través de una resistencia y parte fluye hacia la otra resistencia.
Son diodos cuya curva directa es parecida a la de un diodo rectificador, pero se adaptan sus características para que trabaje en polarización inversa. Cuando el zener alcanza un valor de tensión inversa denominada tensión zener, se produce el fenómeno de avalancha, circulando una corriente inversa apreciable.
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ENERO 2018 respecto a la tensión (voltaje), que es igual que decir que el voltaje está retrasado con respecto a la corriente.
Figura 11. Circuito resistivo en paralelo. 2.14 Circuito resistivo mixto. El circuito mixto es un circuito en el que se combinan resistencias conectadas en serie y en paralelo, resultando múltiples posibilidades y de muy diferente complejidad. Para la solución de estos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que se encuentran en serie y en paralelo para finalmente reducir a la un circuito puro, bien sea en serie o en paralelo.
Figura 12. Circuito resistivo mixto.
Figura 13. Circuito resistivo capacitivo. 2.16 Circuito resistivo capacitivo e inductivo. Los circuitos RLC son circuitos formados por resistores, capacitores e inductores. Los resistores, inductores y capacitores son elementos (bilaterales), es decir, se pueden colocar en una red eléctrica en uno u otro sentido y el resultado es el mismo. Un circuito que contiene solo elementos bilaterales se conoce como red bilateral. En los circuitos serie RLC, la corriente es la misma en cada uno de los componentes y la tensión aplicada corresponde a la suma de las caídas de voltaje en cada elemento. En un circuito paralelo RLC, la tensión total aplicada es única e idéntica para los tres elementos, mientras la corriente que circula por cada uno de ellos es distinta y depende de los valores R, L, C y la frecuencia.
2.15 Circuito resistivo capacitivo. 1.1. Los circuitos RC son circuitos que están compuestos por una resistencia y un condensador. Se caracteri za por que la corriente puede variar con el tiempo. Cuando el tiempo es igual a cero, el condensador esta descargado, en el momento que empieza a correr el tiempo, el condensador comienza a cargarse ya que hay una corriente en el circuito. Debido al espacio entre las placas del condensador, en el circuito no circula corriente, es por eso que se utiliza una resistencia. En un circuito RC en serie la corriente (corriente alterna) que pasa por la resistencia y por el condensador es la misma. Esto significa que cuando la corriente está en su punto más alto (corriente de pico), estará así tanto en la resistencia como en el condensador (capacitor). Pero algo diferente pasa con los voltajes. En la resistencia, el voltaje y la corriente están en fase (sus valores máximos coinciden en el tiempo). Pero con el voltaje en el capacitor no es así. El voltaje en el condensador está retrasado con respecto a la corriente que pasa por él. En un circuito RC en paralelo el valor del voltaje es el mismo tanto en el condensador como en la resistencia y la corriente que se entrega al circuito se divide entre los dos componentes. La corriente que pasa por la resistencia y el voltaje que hay en ella están en fase (la resistencia no causa desfase) y la corriente en el capacitor esta adelantada con
Figura 14. Circuito resistivo capacitivo e inductivo. 2.17 Ley de Ohm. La relación entre la corriente (I), el voltaje (V) y resistencia (R) fue descubierta por un científico alemán llamado Georg Ohm. Esta relación se llama ley de ohm en su honor. Ohm hallo que, cuando la resistencia se mantiene constante, la corriente en un circuito es directamente proporcional al voltaje. Mientras mantenía la resistencia constante, ohm vario el voltaje en los extremos de la misma y midió la corriente que pasaba a través de ella. En cada caso, al dividir el voltaje por la corriente, el resultado era el mismo. Abreviadamente esto es la ley de ohm. La ley de ohm puede expresarse como, c omo, “La corriente es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia”. Escrita como expresión matemática, la ley de ohm es:
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ENERO 2018 2.18 Circuito con resistencia en serie. (1)
La ecuación 1 nos permite determinar el valor de la corriente cuando se conocen el voltaje y la resistencia. Por supuesto que la ley de ohm puede escribirse, despejando, para hallar la resistencia o el voltaje. Las relaciones son:
(2) Y
Figura 16. Circuito con resistencia en serie en el programa multisim.
(3)
Figura 17. Circuito con resistencia en serie representado en el protoboard. Figura 15. Aplicación de la fórmula de la ley de Ohm.
2.19 Circuito con resistencia en paralelo.
Basándose en la ley de ohm se pueden deducir por tanto ciertas definiciones: Un amperio (1 A) es la intensidad de corriente que circula a través de una resistencia de 1 Ω cuando se le aplica la tensión de 1 V. Un ohmio (1Ω) (1Ω) es el valor de resistencia que tiene un conductor si cuando circula la intensidad de 1A entre sus extremos aparece una tensión de 1 V. Un voltio (1 V) es la diferencia de potencial (tensión) que aparece entre los terminales de una resistencia de 1 Ω cuando por ella circula la intensidad de 1 A. Se define intensidad de corriente I (amperio, A) como el número de cargas Q (culombio, C) por cada segundo que atraviesa una sección perpendicular de conductor. Para mover las cargas es necesario realizar un trabajo, denominamos potencial (voltio, V) al trabajo realizado por cada unidad de carga. El trabajo depende de la resistencia R (ohmio, Ω) u oposición que opone el conductor. El potencial también se llama tensión, diferencia de potencial (ddp) o voltaje. Georg Ohm, relacionó estas tres magnitudes mediante la ley que lleva su nombre: I = V / R El paso de la corriente se detecta con un aparato llamado galvanómetro, que además puede medir el potencial (voltímetro) o la intensidad (amperímetro). Todo conductor atravesado por una corriente I requiere una diferencia de potencial V entre sus extremos. El valor de la resistencia R se deduce aplicando la ley de Ohm después de medir V y I. R = I / V.
Figura 18. Circuito con resistencia en paralelo en el programa multisim.
Figura 19. Circuito con resistencia en paralelo representado en el protoboard. 2.20 Circuito con resistencia en serie, alimentado con una fuente de alimentación CC. Calculo de corriente y voltaje.
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ENERO 2018 sintoniza a una frecuencia determinada, una componente armónica de la señal, y rechaza todas las otras componentes. También se conoce como filtro de banda pasante estrecha que se puede sintonizar a través de un rango particular de frecuencia.
Figura 20. Calculo de corriente y voltaje del circuito.
El analizador de distorsión. Consiste en un amplificador que suprime la señal a la frecuencia fundamental y amplifica todas las demás. Se emplea en el instrumento un puente de Wien como filtro de rechazo; esto es, el circuito del puente de Wien permite que pasen y se amplifiquen todas las armónicas y se alimenten a un vólmetro. El vólmetro indica el valor efectivo de la señal total debida a las armónicas. En el siguiente ejemplo, podemos observar un amplificador de sonido con una distorsión armónica de 74.630%. Utilizando como herramienta, el analizador de distorsión. (figura 24).
Figura 21. Circuito en protoboard. 2.21 Circuito con resistencia en paralelo, alimentado con una fuente de alimentación CC. Calculo de corriente y voltaje. Figura 24. Ejemplo de uso del analizador de distorsión.
3. CONCLUSION.
Figura 22. Calculo de corriente y voltaje del circuito.
Figura 23. Circuito representado en protoboard. 2.22 Distortion Analyzer. Es un instrumento diseñado para medir la amplitud relativa (dB) o en % de un componente de frecuencia determinada en formas de ondas complejas o distorsionadas. Actúa como un voltímetro selectivo en frecuencia, que se
En la actualidad, la era tecnológica nos pone en contacto habitual con diversos instrumentos electrónicos, los cuales están ensamblados en su totalidad con una combinación de los circuitos y elementos retomados en esta materia. Televisores, radios, computadoras, celulares, etc. Son solo algunos de los ejemplos de estos productos. Es importante tener un conocimiento exacto de las funciones que realiza cada uno de los componentes, así como de la utilización de herramientas virtuales como lo es Multisim, el cual nos permite realizar un circuito virtual y al mismo tiempo comprobar si este funciona de forma correcta, sin necesidad de realizarlo en el protoboard, lo cual es equivalente a un mayor gasto, ya que el material debe comprarse con las especificaciones técnicas necesarias. Por eso es mejor realizarlo en Multisim y una vez que observamos que funciona de manera correcta, podemos comprar el material y ensamblarlo sin ningún problema.
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Bibliografía Donate, A. H. (2010). Electronica digital fundamental y programable. España: Marcombo. Hambley, A. R. (2002). Electrónica. España: Prentice P rentice Hall. Prat Viñas, L. (1998). Circuitos y componentes electrónicos. España: UPC. Zetina, A. (2004). Electronica basica. Mexico: Limusa.
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