INTRODUCCION A LOS CIRCUITOS ELECTRONICOS: Un circuito es una red electrónica (fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Un circuito lineal, que consta de fuentes, componentes lineales (resistencias, condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables), tiene la propiedad de la súper lineal. Además, son más fáciles de analizar, usando métodos en el dominio de la frecuencia, para determinar su respuesta en corriente directa, en corriente alterna y transitoria. Un circuito resistivo es un circuito que contiene solo resistencias y fuentes de voltaje y corriente. El análisis de circuitos resistivos es menos complicado que el análisis de circuitos que contienen capacitores e inductores. Si las fuentes son de corriente directa, se denomina circuito de corriente directa. Un circuito que tiene componentes electrónicos se denomina circuito electrónico. Generalmente, estas redes son no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.
COMPONENTES DE UN CIRCUITO ELECTRONICO: Componente: un dispositivo con dos o más terminales en el que puede fluir interiormente una carga. En la siguiente figura se ven 9 componentes entre resistores y fuentes. Nodo: punto de un circuito donde concurren más de dos conductores. A, B, C, D, E son nodos. C no se considera un nuevo nodo, porque se puede considerar el mismo nodo que A, ya que entre ellos no existe diferencia de potencial o tener tensión 0
(VA - VC = 0). Rama: porción del circuito comprendida entre dos nodos consecutivos. En la figura 1 hay siete ramales: AB por la fuente, BC por R1, AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por un ramal sólo puede circular una corriente. Malla: cualquier camino cerrado en un circuito eléctrico. Fuente: componente que se encarga de transformar algún tipo de energía en energía eléctrica. En el circuito de la figura 1 hay tres fuentes: una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y E2. Conductor: comúnmente llamado cable, es un hilo de resistencia despreciable (idealmente cero) que une los elementos para formar el circuito.
Una fuente independiente ideal es un elemento activo que suministra una tensión o corriente especificada y que es totalmente independiente de los demás elementos del circuito. Una fuente dependiente ideal (o controlada) es un elemento activo en el que la magnitud de la fuente se controla por medio de otra tensión o corriente. CARGA, CORRIENTE, VOLTAJE, ENERGIA Y POTENCIA Energía y carga: La carga es una cantidad física fundamental. La carga, al igual que la masa, es una propiedad de la materia; en efecto, la carga junto con la masa, la longitud y el tiempo es una de las unidades fundamentales a partir de las cuales se derivan todas las unidades científicas. Existen dos tipos de carga: la positiva y la negativa. Los nombres embonan perfectamente debido a que los dos tipos de carga producen efectos opuestos. Así, las ecuaciones que describen los efectos de las cargas comprenden ambos tipos de carga si se asocia un numero positivo con uno de los tipos y un número negativo con el otro tipo. Tradicionalmente, al electrón se le ha asignado un signo negativo y al protón uno positivo. La magnitud de la carga del electrón es la menor carga posible; en el sistema de unidades MKS esto es e = -1.602*10-19 Coulomb Corriente: La corriente es carga en movimiento. Los conductores eléctricos tienen electrones móviles capaces de moverse en respuesta a las fuerzas eléctricos. Los materiales no conductores tienen muchas cargas, pero estas no se pueden mover. El movimiento de las cargas se define como corriente eléctrica.
Corriente eléctrica es la velocidad de cambio de la carga respecto al tiempo, medida en amperes (A) Los movimientos de cargas constituyen una corriente. Para especificar la corriente en un conductor se necesita tanto la dirección de referencia como un valor numérico, el cual puede ser positivo o negativo. Una corriente directa (cd) es una corriente que permanece constante en el tiempo. Una corriente alterna (ca) es una corriente que varía senoidalmente con el tiempo. Voltaje o Tensión: Como se explicó brevemente en la sección anterior, para mover el electrón en un conductor en una dirección particular es necesario que se transfiera cierto trabajo o energía. Este trabajo lo lleva a cabo una fuerza electromotriz externa (fem), habitualmente representada por la batería en la figura 1.3. Esta fem también se conoce como tensión o diferencia de potencial. La tensión vab entre dos puntos a y b en un circuito eléctrico es la energía (o trabajo) necesaria para mover una carga unitaria desde a hasta b; matemáticamente,
donde w es la energía en joules (J), y q es la carga en coulombs (C). La tensión vab, o simplemente v, se mide en volts (V), así llamados en honor al físico italiano Alessandro Antonio Volta (1745-1827), quien inventó la primera batería voltaica. Energía y Potencia: Aunque corriente y tensión son las dos variables básicas en un circuito eléctrico, no son suficientes por sí mismas. Para efectos prácticos, se necesita saber cuánta potencia puede manejar un dispositivo eléctrico. Todos los lectores saben por experiencia que un foco de 100 watts da más luz que uno de 60 watts. También saben que, al pagar una cuenta a la compañía suministradora de electricidad, pagan la energía eléctrica consumida durante cierto periodo. Así, los cálculos de potencia y energía son importantes en el análisis de circuitos. Para relacionar potencia y energía con tensión y corriente, recuérdese de la física que Potencia es la variación respecto del tiempo de entrega o absorción de la energía, medida en watts (W). Esta relación se escribe como:
donde p es la potencia, en watts (W); w es la energía, en joules (J), y t es el tiempo, en segundos (s). De la que se desprende la siguiente formula:
La convención pasiva de signos se satisface cuando la corriente entra por la terminal positiva de un elemento y p = + vi. Si la corriente entra por la terminal negativa, p = – vi. Resumen: 1. Un circuito eléctrico consta de elementos eléctricos conectados entre sí. 2. El Sistema Internacional de Unidades (SI) es el lenguaje internacional de medición, el cual permite a los ingenieros comunicar sus resultados. De las seis unidades principales pueden derivarse las unidades de las demás cantidades físicas. 3. La corriente es la velocidad del flujo de carga.
4. La tensión es la energía requerida para mover 1 C de carga por un elemento.
5. La potencia es la energía suministrada o absorbida por unidad de tiempo. También es el producto de tensión y corriente.
6. De acuerdo con la convención pasiva de los signos, la potencia adopta signo positivo cuando la corriente entra por la polaridad positiva de la tensión a lo largo de un elemento. 7. Una fuente de tensión ideal produce una diferencia de potencial específica entre sus terminales sin importar a qué se conecte. Una fuente de corriente ideal produce una corriente específica a través de sus terminales sin importar a qué se conecte. 8. Las fuentes de tensión y de corriente pueden ser dependientes o independientes. Una fuente dependiente es aquella cuyo valor depende de otra variable del circuito. 9. Dos áreas de aplicación de los conceptos incluidos en este capítulo son el tubo de imagen del televisor y el procedimiento de facturación de la electricidad.
Leyes fundamentales Las leyes fundamentales que rigen en cualquier circuito eléctrico son: Ley de corriente de Kirchhoff: la suma de las corrientes que entran por un nodo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen por ese nodo. Ley de tensiones de Kirchhoff: la suma de las tensiones en un lazo debe ser 0. Ley de Ohm: la tensión en una resistencia es igual al producto del valor de dicha resistencia por la corriente que fluye a través de ella. Teorema de Norton: cualquier red lineal que tenga una fuente de tensión o de corriente y al menos una resistencia es equivalente a una fuente ideal de corriente en paralelo con una resistencia. Teorema de Thévenin: cualquier red lineal que tenga una fuente de tensión o de
corriente y al menos una resistencia es equivalente a una fuente ideal de tensión en serie con una resistencia. Teorema de superposición: en una red eléctrica lineal con varias fuentes independientes, la respuesta de una rama determinada cuando todas las fuentes están activas simultáneamente es igual a la suma lineal de las respuestas individuales tomando una fuente independiente a la vez. Si el circuito eléctrico tiene componentes no lineales y reactivos, pueden necesitarse otras leyes mucho más complejas. Al aplicar estas leyes o teoremas se producirá un sistema de ecuaciones lineales que puede resolverse manualmente o por computadora. INTRODUCCION A SEÑALES ELECTRONICAS: Definición de señal electrónica. Una señal eléctrica es un tipo de señal generada por algún fenómeno electromagnético. Estas señales pueden ser de dos tipos: analógicas, si varían de forma continua en el tiempo, o digitales si varían de forma discreta (con parámetros que presentan saltos de un valor al siguiente; por ejemplo, los valores binarios 0 y 1). A una señal electrónica se la pude definir de las siguientes maneras: • •
La diferencia de potencial (o tensión) entre dos puntos cargados eléctricamente en el transcurrir del tiempo. La variación de la corriente en el transcurrir del tiempo en analizar la corriente que pasa por un conductor.
Una señal eléctrica puede generarse de manera artificial por un circuito electrónico. Sin embargo, en la mayoría de veces la señal eléctrica representa la variación de otra magnitud física en un cierto tiempo, que se convierte en electricidad por un transductor. Una señal es considerada en un circuito eléctrico como la información que le es útil al circuito. Cualquier información inútil o indeseada es considerada ruido para el sistema.
Características: Señales contantes y variables. Como su nombre lo indica, las señales constantes son aquellas que no varían en el tiempo. Tal es el caso del voltaje en bornes de una batería. Su representación gráfica es por lo tanto una línea recta horizontal.
Señales continuas y alternas: Desde el punto de vista gráfico, las señales continuas son aquellas que siempre tienen el mismo signo, es decir, son siempre positivas o nulas, o siempre negativas o nulas. En el caso de una corriente, esto significa que la misma siempre circulará en el mismo sentido, aunque pueda variar su intensidad. Si la señal es de voltaje, debe interpretarse que la fuente intenta forzar la circulación de corriente siempre en el mismo sentido, aunque pueda variar su fuerza. Una señal continua, entonces, puede o no ser constante.
Señales periódicas: Las señales periódicas son aquellas a las cuales se les puede encontrar un patrón de repetición, es decir, que después de un determinado tiempo, vuelve a repetirse uno a uno los valores anteriores, una y otra vez. A este patrón se lo reconoce como ciclo de la onda. El tiempo que demora un ciclo en desarrollarse se denomina período, y por supuesto, se mide en segundos.
Tipos de señales electrónicas. Señales analógicas. Las señales analógicas son variables eléctricas que evolucionan en el tiempo en forma análoga a alguna variable física. Estas variables pueden presentarse en la forma de una corriente, una tensión o una carga eléctrica. Varían en forma continua entre un límite inferior y un límite superior. Cuando estos límites coinciden con los límites que admite un determinado dispositivo, se dice que la señal ésta normalizada. La ventaja de trabajar es que se aprovecha mejor la relación señal/ruido del dispositivo. Las señales analógicas constan de una amplitud, periodo y frecuencia que se pueden describir con las funciones seno o coseno.
Señales Digitales. Las señales digitales son señales eléctricas con 2 niveles bien diferenciado que se alternan en el tiempo. Cada nivel eléctrico representa uno de dos símbolos: 0 o 1, V o F, Alto o bajo, etc. Los niveles específicos dependen del tipo de dispositivo. Por ejemplo, en un dispositivo TTL
(Transistor-Treonsistor-Logic) los niveles para que el sistema interprete un 1 debe de estar por encima de 2v y para que lo interprete como un 0 debe estar por debajo de 0.8v. Por otro lado en un sistema CMOS (complementary metal-oxide-semiconsuctor), los valores para que el sistema interprete un 1 debe de estar por encima de 2.75v y para que lo interprete como un 0 son de 0v a 2.25v. Estas señales tienen la característica de poder representar, transmitir o almacenar datos binarios.
Representación grafica de las ondas eléctricos. Una señal eléctrica aleatoria se puede estudiar a partir de su representación matemática en el gráfico cartesiano. Para una misma señal, hay dos representaciones posibles: •
•
El tiempo: el eje de las abscisas representa el tiempo transcurrido, y el de las ordenadas representa la amplitud de la señal. Este gráfico es llamado de forma de onda. La frecuencia: el eje de las abscisas representa las frecuencias que componen la señal, y el de las ordenadas representa la amplitud de la señal. A este gráfico se le llama "de espectro de frecuencia".
Para una señal sinusoidal pura (la red eléctrica residencial, por ejemplo) aunque existe la representación factorial, en que el módulo del vector representa la amplitud y el ángulo representa el desfase de la señal en relación con un circuito puramente resistivo. Transformación de ondas. A partir de la forma de onda, se puede conocer el espectro de frecuencia, y viceversa, aplicando la transformada de Fourier, que descompone cualquier forma de onda en un sumatorio hipotético de sinusoides, de frecuencias y amplitudes diversas. Las características de la señal son trabajadas por el circuito en función de esta suma de sinusoides, y no de la señal real, que casi siempre es imprevisible.
Bibliografía Alexander, C. (2006). Fundamentos de circuitos electricos. Mexico: Mc Graw Hill. Cogdell. (2000). Fundamentos de electronica. Mexico: Prentice Hall. Miyara, F. (2004). Conversored D/A y A/D. Obtenido de Universidad Nacional de Rosario: http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3/da-ad.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1al_el%C3%A9ctrica http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/18116317/Caracteristicas-y-tipos-de-senaleselectricas.html
