Materia Circuitos Electricos y Electronicos

CIRCUITOS ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS.

ASIGNATURA:

UNIVERSIDAD CONTEMPORÁNEA DE LAS AMÉRICAS

CIRCUITOS ELECTRICOS Y ELECTRONICOS

ASESOR: MODALIDAD: GRADO:

CUATRIMESTRAL CUARTO

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OBJETIVO DE LA ASIGNATURA: EL ESTUDIANTE COMPRENDERA EL FUNCIONAMIENTO, ELECTRICO Y ELECTRONICO, DE LOS DISPOSITIVOS INTERNOS DE UN SISTEMA DE COMPUTO.

UNIDAD 1 CIRCUITOS ELECTRICOS. 1.1 Corriente eléctrica. 1.1.1 Corriente directa. 1.1.2 Corriente alterna. 1.2 Elementos de circuitos básicos. 1.2.1 Pasivos. 1.2.2 Activos. 1.2.3 Fuentes de alimentación. 1.3 Análisis de circuitos eléctricos. 1.3.1 Técnicas de solución. 1.3.2 Transformadores.

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UNIDAD 1 CIRCUITOS ELECTRICOS.

EL ESTUDIANTE COMPRENDERA LOS CONCEPTOS BASICOS DE CIRCUITOS ELECTRICOS Y SUS ELEMENTOS. ACTIVIDADES REALIZADAS RESUMENES E INVESTIGACIONES, TAREAS Y LA REALIZACION DE EJERCICIOS SOBRE CIRCUITOS ELECTRICOS Y SUS MÉTODOS DE SOLUCION FACILITADOS POR EL MAESTRO Y SU EXPLICACION. FORMAS DE EVALUACION      

RESUMENES TAREAS PARTICIPACION EXAMEN AISTENCIA EJERCICIOS

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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES. TEMA

FECHA

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29 AGOSTO.

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ACTIVIDADES REALIZADAS

DE EXPLICAR QUE ES, APLICACIONES,ANOTAR DEFINICIONES. 29 DE EXPLICAR QUE ES Y EN CORRIENTE DIRECTA AGOSTO. QUE CONSISTE,ANOTAR DEFINICIONES. 31 DE EXPLICAR QUE ES Y EN CORRIENTE ALTERNA AGOSTO. QUE CONSISTE,ANOTAR DEFINICIONES. DE REALIZAR ELEMENTOS DE 05 SEPTIEMBE INVESTIGACION Y CIRCUITOS BASICOS DEACUERDO A ESTE TEMA, EXPLICAR EN QUE CONSISTEN EN CLASE, APLICACIONES. 05 DE REALIZAR PASIVOS SEPTIEMBRE INVESTIGACION Y DEACUERDO A ESTE TEMA, EXPLICAR EN QUE CONSISTEN EN CLASE, APLICACIONES. 05 DE REALIZAR ACTIVOS SEPTIEMBRE INVESTIGACION Y DEACUERDO A ESTE TEMA, EXPLICAR EN QUE CONSISTEN EN CLASE, APLICACIONES. 7 DE EXPLICAR QUE ES EN FUENTES DE SEPTIEMBRE QUE CONSISTE Y ALIMENTACION TOMAR NOTA DE SUS DIAGRAMAS. 12 DE EXPLICAR ANALISIS DE CIRCUITOS SEPTIEMBRE PRIMERAMENTE LAS ELECTRICOS LEYES DE KIRCHHOFF, EN QUE CONSISTEN Y CORRIENTE ELECTRICA

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

TECNICAS DE SOLUCION

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TRANSFORMADORES


EXPLICAR LA SOLUCION. 12,14,19,21,26 LAS TECNICAS DE Y 28 DE SOLUCION QUEDAN EN SEPTIEMBRE LAS LEYES DE KIRCHHOFF QUE ES ANALISIS DE NODOS Y POR MALLAS. 3 DE OCTUBRE REALIZAR UN TRABAJO DE INVESTIGACION, Y EXPLICAR EN QUE CONSISTEN Y APLICACIONES Y TOMAR NOTA PARA COMPLETAR APUNTES.

TEMA 1 CIRCUITOS ELECTRICOS 1.1 CORRIENTE ELÉCTRICA INTRODUCCION La corriente eléctrica está definida por convenio en el sentido contrario al desplazamiento de los electrones.

La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto Página 5



que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, lo que se aprovecha en el electroimán. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir. Conducción eléctrica Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado. Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es:

Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios. Por lo cual, la equivalencia es:

Una característica de los electrones libres es que, incluso sin aplicarles un campo eléctrico desde afuera, se mueven a través del objeto de forma aleatoria debido a la energía calórica. En el caso de que no hayan aplicado ningún campo eléctrico, cumplen con la regla de que la media de estos movimientos aleatorios dentro del objeto es igual a cero. Esto es: dado un plano irreal trazado a través del objeto, si sumamos las cargas (electrones) que atraviesan dicho plano en un sentido, y sustraemos las cargas que lo recorren en sentido inverso, estas cantidades se anulan. Cuando se aplica una fuente de tensión externa (como, por ejemplo, una batería) a los extremos de un material conductor, se está aplicando un campo eléctrico sobre los electrones libres. Este campo provoca el movimiento de los mismos en dirección al terminal positivo del material (los electrones son atraídos [tomados] Página 6



por el terminal positivo y rechazados [inyectados] por el negativo). Es decir, los electrones libres son los portadores de la corriente eléctrica en los materiales conductores. Si la intensidad es constante en el tiempo, se dice que la corriente es continua; en caso contrario, se llama variable. Si no se produce almacenamiento ni disminución de carga en ningún punto del conductor, la corriente es estacionaria. Para obtener una corriente de 1 amperio, es necesario que 1 culombio de carga eléctrica por segundo esté atravesando un plano imaginario trazado en el material conductor. El valor I de la intensidad instantánea será:

Si la intensidad permanece constante, en cuyo caso se denota Im, utilizando incrementos finitos de tiempo se puede definir como:

Si la intensidad es variable la fórmula anterior da el valor medio de la intensidad en el intervalo de tiempo considerado. Según la ley de Ohm, la intensidad de la corriente es igual al voltaje dividido por la resistencia que oponen los cuerpos:

Haciendo referencia a la potencia, la intensidad equivale a la raíz cuadrada de la potencia dividida por la resistencia. En un circuito que contenga varios generadores y receptores, la intensidad es igual a:

donde Σε es el sumatorio de las fuerzas electromotrices del circuito, Σε' es la suma de todas la fuerzas contraelectromotrices, ΣR es la resistencia equivalente del circuito, Σr es la suma de las resistencias internas de los generadores y Σr' es el sumatorio de las resistencias internas de los receptores. Página 7



Intensidad de corriente en un elemento de volumen: , donde encontramos n como el número de cargas portadoras por unidad de volumen dV; q refiriéndose a la carga del portador; v la velocidad del portador y finalmente de como el área de la sección del elemento de volumen de conducto.

1.1.1 CORRIENTE DIRECTA. La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica.

Las cargas eléctricas se pueden comparar con el líquido contenido en la tubería de una instalación hidráulica. Si la función de una bomba hidráulica es poner en movimiento el líquido contenido en una tubería, la función de la tensión o voltaje que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) es, precisamente, bombear o poner en movimiento las cargas contenidas en el cable conductor del circuito eléctrico. Los elementos o materiales que mejor permiten el flujo de cargas eléctricas son los metales y reciben el nombre de “conductores”. Como se habrá podido comprender, sin una tensión o voltaje ejerciendo presión sobre las cargas eléctricas no puede haber flujo de corriente eléctrica. Por esa íntima relación que existe entre el voltaje y la corriente generalmente en los gráficos de corriente directa, lo que se representa por medio de los ejes de coordenadas es el valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de FEM.

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Circuito eléctrico compuesto por una pila o fuente de suministro de FEM; una bombilla, carga o<. consumidor conectada al circuito y los correspondientes conductores o cables por donde fluye la.< corriente eléctrica. A la derecha aparece la representación gráfica del suministro de 1,5 volt de la pila< (eje. de coordenadas "y") y el tiempo que permanece la pila suministrando corriente a la bombilla.< (representado por el eje de coordenadas "x"). La coordenada horizontal “x” representa el tiempo que la corriente se mantiene fluyendo por circuito eléctrico y la coordenada vertical “y” corresponde al valor de la tensión o voltaje que suministra la fuente de fem (en este caso una pila) y se aplica circuito. La representación gráfica del voltaje estará dada entonces por una línea recta horizontal continua, siempre que el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante durante todo el tiempo.

Normalmente cuando una pila se encuentra completamente cargada suministra una FEM, tensión o voltaje de 1,5 volt. Si representamos gráficamente el valor de esa tensión o voltaje durante el tiempo que la corriente se mantiene fluyendo por el circuito cerrado, obtenemos una línea recta. Si después hacemos girar la pila invirtiendo su posición y representamos de nuevo el valor de la tensión o voltaje, el resultado sería el mismo, porque en ambos casos la corriente que suministra la fuente de FEM sigue siendo directa o continua. Lo único que ha cambiado es el sentido del flujo de corriente en el circuito, provocado por el cambio de posición de la pila, aunque en ambos casos el sentido de circulación de la corriente seguirá siendo siempre del polo negativo al positivo.

1.1.2 CORRIENTE ALTERNA Además de la existencia de fuentes de FEM de corriente directa o continua (C.D.) (como la que suministran las pilas o las baterías, cuya tensión o voltaje mantiene siempre su polaridad fija), se genera también otro tipo de corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo. Página 9



Una pila o batería constituye una fuente de suministro de corriente directa, porque su polaridad se mantiene siempre fija La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo o hertz posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa.

Corriente alterna pulsante de un ciclo por segundo o hertz (Hz) Si hacemos que la pila del ejemplo anterior gire a una determinada velocidad, se producirá un cambio constante de polaridad en los bornes donde hacen contacto los dos polos de dicha pila. Esta acción hará que se genere una corriente alterna tipo pulsante, cuya frecuencia dependerá de la cantidad de veces que se haga girar la manivela a la que está sujeta la pila para completar una o varias vueltas completas durante un segundo. En este caso si hacemos una representación gráfica utilizando un eje de coordenadas para la tensión o voltaje y otro eje para el tiempo en segundos, se obtendrá una corriente alterna de forma rectangular o pulsante, que parte primero de cero volt, se eleva a 1,5 volt, pasa por “0” volt, desciende para volver a 1,5 volt y comienza a subir de nuevo para completar un ciclo al pasar otra vez por cero volt. Si la velocidad a la que hacemos girar la pila es de una vuelta completa cada segundo, la frecuencia de la corriente alterna que se obtiene será de un ciclo por segundo o hertz (1 Hz). Si aumentamos ahora la velocidad de giro a 5 vueltas por segundo, la frecuencia será de 5 ciclos por segundo o hertz (5 Hz). Mientras más Página 10



rápido hagamos girar la manivela a la que está sujeta la pila, mayor será la frecuencia de la corriente alterna pulsante que se obtiene. Seguramente sabrás que la corriente eléctrica que llega a nuestras casas para hacer funcionar las luces, los equipos electrodomésticos, electrónicos, etc. es, precisamente, alterna, pero en lugar de pulsante es del tipo sinusoidal o senoidal. La forma más común de generar corriente alterna es empleando grandes generadores o alternadores ubicados en plantas termoeléctricas, hidroeléctricas o centrales atómicas.

De acuerdo con su forma gráfica, la corriente alterna puede ser:    

Rectangular o pulsante Triangular Diente de sierra Sinusoidal o senoidal

Cualquier corriente alterna puede fluir a través de diferentes dispositivos eléctricos, como pueden ser resistencias, bobinas, condensadores, etc., sin sufrir deformación. La onda con la que se representa gráficamente la corriente sinusoidal recibe ese nombre porque su forma se obtiene a partir de la función matemática de seno. En la siguiente figura se puede ver la representación gráfica de una onda sinusoidal y las diferentes partes que la componen:

De donde: A = Amplitud de onda P = Pico o cresta N = Nodo o valor cero Página 11



V = Valle o vientre T = Período     

Amplitud de onda: máximo valor que toma una corriente eléctrica. Se llama también valor de pico o valor de cresta. Pico o cresta: punto donde la sinusoide alcanza su máximo valor. Nodo o cero: punto donde la sinusoide toma valor “0”. Valle o vientre: punto donde la sinusoide alcanza su mínimo valor. Período: tiempo en segundos durante el cual se repite el valor de la corriente. Es el intervalo que separa dos puntos sucesivos de un mismo valor en la sinusoide. El período es lo inverso de la frecuencia y, matemáticamente, se representa por medio de la siguiente fórmula: T=1/F



Como ya se vio anteriormente, la frecuencia no es más que la cantidad de ciclos por segundo o hertz (Hz), que alcanza la corriente alterna. Es el inverso del período y, matemáticamente, se representa de la manera siguiente: F=1/T

Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente directa o continua, tenemos las siguientes:    

Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores. Se transporta a grandes distancias con poca pérdida de energía. Es posible convertirla en corriente directa con facilidad. Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica.

Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de mantener que los de corriente directa.   

Permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión por medio de transformadores. Se transporta a grandes distancias con poca de pérdida de energía. Es posible convertirla en corriente directa con facilidad.

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Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica. Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de mantener que los de corriente directa.

1.2 ELEMENTOS BÁSICOS DE CIRCUITOS ELÉCTRICOS. A la hora de analizar un circuito es conveniente conocer toda la terminología de cada elemento que lo forma. 1. Conector: hilo conductor de resistencia despreciable (idealmente cero) que une eléctricamente dos o más elementos. 2. Generador o fuente: elemento que produce electricidad. En el circuito de la figura 1 hay tres fuentes, una de intensidad, I, y dos de tensión, E1 y E2. 3. Nodo: punto de un circuito donde concurren varios conductores distintos. En la figura 1 se observan cuatro nudos: A, B, D y E. Obsérvese que C no se ha tenido en cuenta ya que es el mismo nudo A al no existir entre ellos diferencia de potencial (VA - VC = 0). 4. Rama: conjunto de todos los elementos de un circuito comprendidos entre dos nudos consecutivos. En la figura 1 se hallan siete ramas: AB por la fuente, AB por R1, AD, AE, BD, BE y DE. Obviamente, por una rama sólo puede circular una corriente. Un elemento es el bloque constitutivo básico de un circuito. Un circuito eléctrico es simplemente una interconexión de los elementos. El análisis de circuitos es el proceso de determinar las tensiones (o las corrientes) a través de los elementos del circuito. Hay dos tipos de elementos en los circuitos eléctricos: elementos pasivos y elementos activos.

1.2.1 PASIVOS Son los que almacenan, ceden o disipan la energía que reciben. Ejemplos de elementos pasivos con los resistores, los capacitores y los inductores. Dentro de los componentes más comunes, a continuación se describe su función: •

Altavoz.- Reproducción de sonido.

•

Cable.- Conducción de la electricidad. Página 13


•


Condensador.- Almacenar energía, filtrado, adaptación impedancias.

• Conmutador.- Reencaminar una entrada a una salida elegida entre dos o más. •

Fusible.- Protección contra sobre-intensidades.

•

Inductor.- Adaptación de impedancias.

•

Interruptor.- Apertura o cierre de circuitos manualmente.

•

Potenciómetro.- Variación de la corriente eléctrica o la tensión.

•

Relé.- Apertura o cierre de circuitos mediante señales de control.

•

Resistor.- División de intensidad o tensión, limitación de intensidad.

•

Transductor.- Transformación de una magnitud física en una eléctrica.

•

Transformador.- Elevar o disminuir tensiones, intensidades, e impedancias.

•

Varistor.- Protección contra y sobre-tensiones.

•

Visualizador.- Muestra de datos e imágenes.

•

Capacitor.- Se carga eléctricamente.

1.2.2 ACTIVOS Un elemento activo es capaz de generar energía. Son los que transforman una energía cualquiera en energía eléctrica, mediante un proceso que puede ser reversible o no. Los elementos activos más comunes incluyen a los generadores, las baterías y los amplificadores operacionales. Los elementos activos mas importantes son las fuentes de tensión o de corriente, que generalmente suministran potencia al circuito conectado a ellas. • Amplificador operacional.- Amplificación, regulación, conversión de señal, conmutación. •

Biestable.- Control de sistemas secuenciales.

•

PLD.- Control de sistemas digitales. Página 14



•

Diac.- Control de potencia.

•

Diodo.- Rectificación de señales, regulación, multiplicador de tensión.

•

Diodo Zener.- Regulación de tensiones.

•

FPGA.- Control de sistemas digitales.

•

Memoria.- Almacenamiento digital de datos.

•

Microprocesador.- Control de sistemas digitales.

•

Microcontrolador.- Control de sistemas digitales.

•

Pila.- Generación de energía eléctrica.

•

Tiristor.- Control de potencia.

•

Puerta lógica.- Control de sistemas combi nacionales.

•

Transistor.- Amplificación, conmutación.

•

Triac.- Control de potencia.

Otros elementos básicos de circuitos eléctricos. Resistencia Eléctrica:Es la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente eléctrica. También se define como la propiedad de un objeto o sustancia de transformar energía eléctrica en otro tipo de energía de forma irreversible, generalmente calor. Su valor viene dado en ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro. Capacitores: Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un

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cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.

1.2.3 FUENTES DE ALIMENTACIÓN Muchos equipos electrónicos requieren ser conectados, para poder realizar su función, a una fuente de tensión constante. Como la energía eléctrica suele distribuirse entre los usuarios en forma sinusoidal, hay que transformar esta forma de onda en otra de valor constante. El sistema electrónico que realiza esta función se denomina fuente de alimentación. Los circuitos que realizan esta función suelen basarse en los cuatro bloques que se indican en la figura. El primer bloque es un transformador que convierte la amplitud de la senoidal al valor adecuado para poder obtener la tensión constante deseada a la salida de la fuente de alimentación. El segundo bloque rectifica la tensión alterna, es decir, su tensión de salida sólo presenta una polaridad, aunque su amplitud es variable. El tercer bloque filtra esta tensión unipolar, y proporciona una tensión aproximadamente constante en su salida. Y el cuarto bloque estabiliza vo frente a cambios en la tensión alterna o en la carga.

Esquema de una fuente de alimentación

1.3 ANÁLISIS DECIRCUITOS ELÉCTRICOS. Página 16



1.3.1 TECNICAS DE SOLUCIÓN. 1.3.2 TRANSFORMADORES.

Configuración: Dos terminales para el bobinado primario y dos para el bobinado secundario o tres si tiene tab central. Se denomina transformador o trafo (abreviatura), a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferro magnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Funcionamiento de un transformador.

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Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario. Tipos de transformadores Son empleados por empresas transportadoras eléctricas en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. Transformadores elevadores Este tipo de transformadores nos permiten, como su nombre lo dice elevar la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada. Esto quiere decir que la relación de transformación de estos transformadores es menor a uno. Transformadores variables También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión de salida variable ajustable, dentro de dos valores. Transformador de aislamiento Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red. También para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en resistencias inesianas, en equipos de electro medicina y allí donde se necesitan tensiones flotantes entre sí.

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Transformador de alimentación Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador.

Transformador trifásico. Conexión estrella-triángulo. Transformador trifásico Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían. Transformador de pulsos Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción) destinado a funcionar en régimen de pulsos y además de muy versátil utilidad en cuanto al control de tensión 220 V.

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Transformador de línea o Flyback Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Suelen ser pequeños y económicos. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Además de poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios. Transformador diferencial de variación lineal El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferro magnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo. Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos. Transformador con diodo dividido Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodo rectificador para proporcionar la tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicado. Transformador de impedancia Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces. Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = Es/n²Is = Z/n². Así, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en Página 20



otra de Z/n². Colocando el transformador al revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor n². Estabilizador de tensión Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética. Transformador híbrido o bobina híbrida Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos, tarjetas de red, etc. Balun Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador. Transformador electrónico Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente eléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente su tamaño. También pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la tensión de salida en un valor prefijado sin importar la variación en la entrada, llamados fuente conmutada. Transformador de frecuencia variable Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrónicos para comunicaciones, medidas y control. Transformadores de medida Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de alta tensión o de elevada corriente. Los Página 21



transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés, permitiendo una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés. Autotransformador El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario. Transformador con núcleo toroidal El núcleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault. Transformador de grano orientado El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas. Transformador de núcleo de aire En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia. Transformador de núcleo envolvente Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión. Transformador piezoeléctrico Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un cristal Página 22



piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar los fluorescentes del backlight de ordenadores portátiles.

UNIDAD 2 ELECTRONICA ANALOGICA Página 23



2.1 Características de los semiconductores. 2.1.1 Silicio. 2.1.2 Germanio. 2.1.3 Materiales tipo p y n. 2.2 Dispositivos semiconductores. 2.2.1 Diodos. 2.2.2 Transistores. 2.2.3 Tiristores. 2.3 Aplicaciones con semiconductores. 2.3.1 Rectificadores. 2.3.2 Amplificadores. 2.3.3 Conmutadores. 2.3.4 Fuentes de poder. 2.4 Amplificadores operacionales. 2.4.1 Características. 2.4.2 Configuraciones.

OBJETIVO DE LA UNIDAD DIFERENCIARA LOS TIPOS DE DISPOSITIVOS DE ESTADOPágina 24 SOLIDO, PRINCIPALMENTE DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE POTENCIA.



ACTIVIDADES REALIZADAS RESUMENES E INVESTIGACIONES, TAREAS Y LA REALIZACION DE EJERCICIOS SOBRE CIRCUITOS ELECTRICOSOS ENFOCADOS A DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE POTENCIA Y SUS MÉTODOS DE SOLUCION FACILITADOS POR EL MAESTRO Y SU EXPLICACION.

FORMAS DE EVALUACION      


CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES TEMA

FECHA

ACTIVIDADES

A

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REALIZAR. 

CARACTERISTICAS DE 03 DE OCTUBRE LOS SEMICONDUCTORES

EXPLICAR QUE SON, EN QUE CONSISTEN, Y TOMAR NOTA DE LOS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES.



SILICIO

03 DE OCTUBRE

EXPLICAR MORFOLOGIA ATOMICA DE ESTE ELEMENTO, Y TOMAR NOTA DE EN QUE CONSISTE SER SEMICONDUCTOR



GERMANIO

03 DE OCTUBRE

EXPLICAR MORFOLOGIA ATOMICA DE ESTE ELEMENTO, Y TOMAR NOTA DE EN QUE CONSISTE SER SEMICONDUCTOR



MATERIALES TIPO P Y 05 DE OCTUBRE N

EXPLICAR MORFOLOGIA ATOMICA DE ESTOS MATERIALES, TOMAR NOTA DE EN QUE CONSISTEN LOS MATERIALES TIPO P Y N



DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES

05 DE OCTUBRE

EXPLICAR QUE ES Y EN QUE CONSISTE



DIODOS

05 DE OCTUBRE

EXPLICAR QUE ES, FORMAS DE ONDA, APLICACIONES, Y TOMAR NOTA DE LA CLASIFICACIÓN DE LOS DIODOS



TRANSISTORES

07,10 OCTUBRE

DE EXPLICAR QUE ES, FORMAS DE ONDA, APLICACIONES, Y TOMAR NOTA DE LA CLASIFICACIÓN DE LOS Página 26



TRANSISTORES REALIZACION EJERSICIOS

Y DE



TIRISTORES

12 DE OCTUBRE

EXPLICAR QUE ES, FORMAS DE ONDA, APLICACIONES, Y TOMAR NOTA DE LA CLASIFICACIÓN D E LOS TIRISTORES.



APLICACIONES CON 12 DE OCTUBRE SEMICONDUTORES

INVESTIGAR ALGUNAS APLICACIONES DE LOS DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORESY EXPONER EN CLASE.



RECTIFICADORES

17 DE OCTUBRE

EXPLICAR QUE ES, EN QUE CONSISTE, TOMAR NOTA DE ALGUNAS CONFIGURACIONES BÁSICAS.



AMPLIFICADORES

17 DE OCTUBRE

EXPLICAR LA CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES Y DIAGRAMAS BASICOS.



CONMUTADORES

19 DE OCTUBRE

EXPLICAR LA CLASIFICACIÓN DE LOS CONMUTADORES Y DIAGRAMAS BASICOS.



FUENTES DE PODER

19 DE OCTUBRE

EXPLICAR QUE ES EN QUE CONSISTE Y TOMAR NOTA.



AMPLIFICADORES OPERACIONALES

24 DE OCTUBRE

TOMAR NOTA DE LA CLASIFICACIÓN DE LOS OP-AMS.



CARACTERISTICAS

24,26 OCTUBRE

DE INVESTIGAR LA CLASIFICACION DE LOS OPAMS, PARA QUE SIRVEN Y CONFIGURACIONES Página 27



BÁSICAS. 

CONFIGURACIONES

26 DE OCTUBRE

SEGUIDOR DE VOLTAJE, SUMADOR, RESTADOR, INTEGRADOR Y DERIVADOR. TOMAR NOTA DE SUS CONFIGURACIONES Y PARA QUE SIRVEN.

UNIDAD 2 ELECTRONICA ANALOGICA 2.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS SEMICONDUCTORES INTRODUCCION Como sabemos existen materiales capaces de conducir la corriente eléctrica mejor que otros, se dice que los materiales que presentan poca resistencia al paso de la corriente eléctrica son conductores. Analógicamente, los que ofrecen mucha resistencia al paso de esta, son llamados aislantes. No existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto. Existe un tercer grupo de materiales denominados semiconductores que, como su nombre lo indica, conducen la corriente bajo ciertas condiciones. Lo que diferencia a cada grupo es su estructura atómica. Los conductores son, generalmente, metales esto se debe a que dichos poseen pocos átomos en sus últimas órbitas y, por lo tanto, tienen tendencia a perderlos con facilidad. De esta forma, cuando varios átomos de un metal, se acercan los electrones de su última órbita se desprenden y circulan desordenadamente entre una verdadera red de átomos. Este hecho (libertad de los electrones) favorece en gran medida el paso de la corriente eléctrica. Los aislantes, en cambio, están formados por átomos con muchos electrones en sus últimas órbitas (cinco a ocho), por lo que, no tienen tendencia a perderlos fácilmente y a no establecer una corriente de electrones. De ahí su alta resistencia. También existe otro tercer tipo de materiales, que cambia Página 28



en mayor o menor medida la característica de los anteriores, los semiconductores. Su característica principal es la de conducir la corriente sólo bajo determinadas circunstancias, y evitar el paso de ella en otras. Es, precisamente, en este tipo de materiales en los que la electrónica de estado sólida está basada. La estructura atómica de dichos materiales presenta una característica común: está formada por átomos tetravalentes (es decir, con cuatro electrones en su última órbita), por lo que les es fácil ganar cuatro o perder cuatro. Semiconductores. Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos perteneciente al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc. Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes. Disposición esquemática de los átomos de un semiconductor de silicio puro, No existen electrones ni huecos libres La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura de arriba, Las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos. La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos vecinos. A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura de arriba en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se comporta como un aislante. Estos cuatro electrones se encuentran formando uniones covalentes con otros átomos vecinos para así formal un cristal, que es la forma que se los encuentra en la naturaleza. Si esta estructura se encuentra a una temperatura muy baja o en el cero absoluto, el cristal tendrá tan poca energía que no hará posible la conducción eléctrica. Al aumentar la temperatura (a temperatura ambiente por ejemplo) ciertos electrones adquieren suficiente energía para romper el enlace del que forman parte y "saltar" al siguiente orbital. Esto provoca la formación de un espacio vacío, que por carencia de electrones, posee carga positiva, a este espacio se lo denomina hueco. El aumento de temperatura rompe algunas uniones entre átomos liberándose un cierto número de electrones. En cambio, a la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situación. Página 29



La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo, La forma en que los huecos contribuyen a la corriente, se detalla seguidamente Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco. Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su posición inicial, De esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste. Aislantes.. La magnitud de la banda prohibida es muy grande ( 6 eV ), de forma que todos los electrones del cristal se encuentran en la banda de valencia incluso a altas temperaturas por lo que, al no existir portadores de carga libres, la conductividad eléctrica del cristal es nula. Un ejemplo es el diamante. Conductores. No existe banda prohibida, estando solapadas las bandas de valencia y conducción. Esto hace que siempre haya electrones en la banda de conducción, por lo que su conductividad es muy elevada. Esta conductividad disminuye lentamente al aumentar la temperatura, por efecto de las vibraciones de los átomos de la red cristalina. Un ejemplo son todos los metales. Aceptadores Y Donadores. Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo (por ejemplo de germanio), es decir no tiene ninguna clase de impureza. Si a un semiconductor puro como el silicio o el germanio, se le añade una pequeña cantidad de átomos distintos (por ejemplo arsénico, fósforo, etc.). Se transforma en un semiconductor impuro. A las impurezas se las clasifica en donadoras y aceptadoras. Si a la estructura del semiconductor de silicio se le añade alguna impureza, como puede ser el arsénico (As), que tiene cinco electrones externos ligados al núcleo con carga positiva +5, se obtiene la forma que se muestra en la figura. Ahora, bien para aumentar la conducción de cualquier semiconductor se recurre a un proceso denominado "dopado" o "envenenamiento". El objeto del mencionado proceso es el del aumentar la cantidad de portadores libres en el cristal provocando un aumento en la conductividad del mismo (recordar que la corriente es el flujo de portadores) El dopado del cristal es realizado con átomos trivalentes (con tres electrones en su última órbita) o pentavalentes (con cinco). Esta elección no es resultado de un proceso azaroso sino que uno u otro tipo de átomo aumentará a su vez la presencia de uno u otro tipo de portador. ¿Cómo es esto?: el silicio, como ya se ha dicho, tiene cuatro electrones en su última órbita que se combinan a su vez con otros átomos para formar un cristal. Al introducir un átomo penta o trivalente en dicho cristal, se provocará un aumento o un defecto de electrones que hará aumentar la cantidad portadores. Si se introduce un átomo pentavalente (P, Sb, As) en un cristal puro, cuatro de sus Página 30



electrones se unirán a cuatro electrones de los átomos de silicio vecinos, pero el quinto queda libre, sin formar parte de ninguna unión, por lo que está débilmente ligado al átomo: Este electrón libre, requerirá muy poca energía para "saltar" a la banda de conducción. La energía térmica del ambiente basta para provocar este salto. De esta forma al agregar átomos pentavalentes agregamos electrones en la banda de conducción, es decir, agregamos portadores. Cabe mencionar que los mencionados átomos pentavalentes se ubican en un nivel de energía mucho más cercano a la banda de conducción que la banda de valencia, denominado "nivel donador" este nivel se ubica a una distancia, energéticamente hablando, de 0,05 electrón-volt, mientras que la distancia entre las bandas de un semiconductor es de 0,7 eV. De la misma forma, podemos dopar al cristal con átomos trivalentes (como el boro, el Aluminio, el Galio, etc.), esto provocará un exceso de electrones en el cristal, ya tres de los cuatro electrones de la última órbita del Silicio se combinan con los tres electrones del anterior átomo. Esto trae como consecuencia la generación de un espacio sin electrones, que tendrá carga positiva, es decir, esto generará un hueco. De esta forma podemos controlar de manera casi definida, a través del dopado, la cantidad de electrones o huecos que existen en un cristal. A este tipo de cristal se le denomina extrínseco, ya que fue modificado por elementos exteriores.

2.1.1 SILICIO Los "semiconductores" como el silicio (Si), el germanio (Ge) y el selenio (Se), por ejemplo, constituyen elementos que poseen características intermedias entre los cuerpos conductores y los aislantes, por lo que no se consideran ni una cosa, ni la otra. Sin embargo, bajo determinadas condiciones esos mismos elementos permiten la circulación de la corriente eléctrica en un sentido, pero no en el sentido contrario. Esa propiedad se utiliza para rectificar corriente alterna, detectar señales de radio, amplificar señales de corriente eléctrica, funcionar como interruptores o compuertas utilizadas en electrónica digital

Lugar que ocupan en la Tabla Periódica los trece elementos con. características de semiconductores, identificados con su correspondiente. número atómico y grupo al que pertenecen. Los que aparecen con fondo. Página 31



gris corresponden a “metales”, los de fondo verde a “metaloides” y los de. fondo azul a “no metales”. Esos elementos semiconductores que aparecen dispuestos en la Tabla Periódica constituyen la materia prima principal, en especial el silicio (Si), para fabricar diodos detectores y rectificadores de corriente, transistores, circuitos integrados y microprocesadores. Los átomos de los elementos semiconductores pueden poseer dos, tres, cuatro o cinco electrones en su última órbita, de acuerdo con el elemento específico al que pertenecen. No obstante, los elementos más utilizados por la industria electrónica, como el silicio (Si) y el germanio (Ge), poseen solamente cuatro electrones en su última órbita. En este caso, el equilibrio eléctrico que proporciona la estructura molecular cristalina característica de esos átomos en estado puro no les permite ceder, ni captar electrones. Normalmente los átomos de los elementos semiconductores se unen formando enlaces covalentes y no permiten que la corriente eléctrica fluya a través de sus cuerpos cuando se les aplica una diferencia de potencial o corriente eléctrica. En esas condiciones, al no presentar conductividad eléctrica alguna, se comportan de forma similar a un material aislante. Estructura cristalina de un semiconductor intrínseco, compuesta solamente por átomos de silicio (Si) que forman una celosía. Como se puede observar en la ilustración, los átomos de silicio (que sólo poseen cuatro electrones en la última órbita o banda de valencia), se unen formando enlaces covalente para completar ocho electrones y crear así un cuerpo sólido semiconductor. En esas condiciones el cristal de silicio se comportará igual que si fuera un cuerpo aislante.

2.1.2 GERMANIO El segundo elemento también utilizado como semiconductor, pero en menor proporción que el silicio, es el cristal de germanio (Ge). Durante mucho tiempo se empleó también el selenio (S) para fabricar diodos semiconductores en forma de placas rectangulares, que combinadas y montadas en una especie de eje se empleaban para rectificar la corriente alterna y convertirla en directa. Hoy en día, Página 32



además del silicio y el germanio, se emplean también combinaciones de otros elementos semiconductores presentes en la Tabla Periódica. Entre esas combinaciones se encuentra la formada por el galio (Ga) y el arsénico (As) utilizada para obtener arseniuro de galio (GaAs), material destinado a la fabricación de diodos láser empleados como dispositivos de lectura en CDs de audio. En el caso del silicio (Si) y el germanio (Ge) cuando se encuentran en estado puro, es decir, como elementos intrínsecos, los electrones de su última órbita tienden a unirse formando "enlaces covalentes", para adoptar una estructura cristalina. Los átomos de cualquier elemento, independientemente de la cantidad de electrones que contengan en su última órbita, tratan siempre de completarla con un máximo de ocho, ya sea donándolos o aceptándolos, según el número de valencia que le corresponda a cada átomo en específico. Con respecto a los elementos semiconductores, que poseen sólo cuatro electrones en su última órbita, sus átomos tienden a agruparse formando enlaces covalentes, compartiendo entre sí los cuatro electrones que cada uno posee, según la tendencia de completar ocho en su órbita externa. Al agruparse de esa forma para crear un cuerpo sólido, los átomos del elemento semiconductor adquieren una estructura cristalina, semejante a una celosía. En su estado puro, como ya se mencionó anteriormente, esa estructura no conduce la electricidad, por lo que esos cuerpos semiconductores se comportan como aislantes.

2.1.3 SEMICONDUCTORES TIPO P Y TIPO N Cuatro de los cinco electrones del átomo de arsénico se unirán a los correspondientes electrones de los cuatro átomos de silicio vecinos, y el quinto quedará inicialmente libre, sin una posible unión, y por tanto se convertirá en un portador de corriente. A este tipo de impurezas que entregan electrones portadores (negativos) se los denomina donadores o del tipo «n». En un semiconductor con impurezas del tipo n, no sólo aumenta el número de electrones sino que también la cantidad de huecos disminuye por debajo del que tenía el semiconductor puro. La causa de esta disminución se debe a que una parte de los electrones libres llena algunos de los huecos existentes. Si al semiconductor puro de silicio se le añade algún tipo de impureza que tenga tres electrones externos, solo podrá formar tres uniones completas con los átomos de silicio, y la unión incompleta dará lugar a un hueco. Este tipo de impurezas proporcionan entonces portadores positivos, ya que crean huecos que pueden aceptar electrones; por consiguiente son conocidos con el nombre de aceptores, o impurezas del tipo «p». Al contrario de lo que sucedía antes en el tipo n en un semiconductor con impurezas de tipo p los portadores que disminuyen son los electrones en comparación, con los que tenía el semiconductor puro. Página 33



A los semiconductores que contengan ya sea impurezas donadoras o aceptad se les llama respectivamente de tipo n o p. En un semiconductor del tipo n, los electrones se denominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minontarios. En un material de tipo p, los huecos son portadores mayoritarios, y los electrones portadores minoritarios. A hora, qué ocurre si a un cristal extrínseco le conectamos una fuente externa de tensión. Al existir mayor cantidad de portadores (no importa de qué tipo), circulará por el cristal una corriente mucho mayor que en el no dopado. El valor de esta corriente dependerá de que tan contaminado esté el material. Si el cristal es de tipo 'n' la corriente se deberá casi en su totalidad a los electrones en la banda de conducción, aunque siempre existe una pequeña corriente producida por los huecos generados térmicamente. Análogamente, si el cristal es del tipo 'p' la corriente estará regida por huecos mayormente, existiendo, sin embargo, una pequeña corriente de electrones. Polarización Directa E Inversa De La Unión P-N El diodo de unión P-N es el dispositivo semiconductor más elemental. Consiste en el dopado de una barra de cristal semiconductor en una parte con impurezas donadoras (tipo N) y en la otra con impurezas aceptadoras (tipo P)De esta forma, en la parte P existe mucha mayor concentración de huecos que de electrones libres y en la parte N ocurre lo contrario. La conductividad del diodo es diferente según sea el sentido en que se aplique un campo eléctrico externo. Existen dos posibilidades de aplicación de este campo: polarización inversa y polarización directa. Polarización inversa. Consiste en aplicar a la parte N del diodo una tensión más positiva que a la parte P. De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la parte N a la parte P y los huecos tenderán a circular en ese sentido. Mientras que los electrones tenderán a circular en sentido contrario. Esto significa que circularían huecos de la parte N (donde son muy minoritarios) a la parte P (donde son mayoritarios), por lo que esta corriente se ve contrarrestada por una corriente de difusión que tiende a llevar a los huecos de donde son mayoritarios (parte P) hacia donde son minoritarios (Parte N). Por consiguiente, la corriente global de huecos es prácticamente nula. Algo totalmente análogo ocurre con la corriente de electrones, la corriente de arrastre va en sentido contrario a la de difusión, contrarrestándose ambas y produciendo una corriente total Prácticamente nula. La corriente total es la suma de la de huecos más la de electrones y se denominan Corriente inversa de saturación ( Is ). En la práctica, el valor de esta corriente es muy pequeño (del orden de nA en el Silicio) y depende de la temperatura de forma que aumenta al aumentar Ésta.

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Polarización directa. Consiste en aplicar a la parte P del diodo una tensión más positiva que a la parte N. De esta forma, el campo eléctrico estará dirigido de la parte P a la parte N. Esto significa que circularían huecos de la parte P (donde son mayoritarios) a la parte N (donde son minoritarios) por lo que esta corriente tiene el mismo sentido que la corriente de difusión. De esta forma, la corriente total de huecos es muy alta. Un proceso análogo ocurre para la corriente de electrones. La corriente total es la suma de la de huecos y la de electrones y toma un valor elevado a partir de un determinado valor de ) que depende del tipo de semiconductor (en eltensión (tensión umbral, V Silicio es aproximadamente de 0,7 V y en el Germanio de 0,2 V). Puede considerarse que el diodo es el dispositivo binario más elemental, ya que permite el paso de corriente en un sentido y lo rechaza en sentido contrario.

2.2 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES INTRODUCCION Los materiales semiconductores El diodo, el transistor y muchos otros componentes electrónicos están hechos con materiales semiconductores. Los mas utilizados son el silicio y el germanio. 

Semiconductores de tipo P. Se obtienen al añadir impurezas como el boro o el indio. Tienen gran tendencia a captar electrones.

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Semiconductores de tipo N. Se obtienen al añadir impurezas como el fósforo y el antimonio. Tienen gran tendencia a captar electrones.

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Un diodo es un componente electrónico que permite el paso de la corriente en un sentido y lo impide en el contrario. Esta provisto de dos terminales, el ánodo (+) y el cátodo (-) y, por lo general conduce la corriente en el sentido ánodo- cátodo.

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La polarización directa se produce cuando el polo positivo del generador eléctrico se une al ánodo del diodo y el polo negativo se une al cátodo. En este caso el diodo se comporta como un conductor y deja pasar la corriente.

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La polarización inversa se produce cuando el polo positivo del generador eléctrico se une al cátodo del diodo y el negativo al ánodo. En este caso el diodo no permite el paso de la corriente. Página 35



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Diodos LED. Es un tipo de diodo que convierte en luz toda la energía eléctrica que le llega, sin calentarse. Los diodos LED están polarizados es decir solo iluminan cuando están conectados correctamente al generador de corriente. Los LED funcionan con intensidad comprendida entre 10 y 20 mA. Para evitar que se fundan suelen conectarse en serie con una resistencia.

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Un transistor es un componente eléctrico que se emplea para dos cosas: Pueden utilizarse como interruptor, bloqueando o dejando pasar corriente a través del colector. Puede utilizarse como amplificador. Consta de tres partes: el emisor, el colector y la base.

2.2.1 DIODO Un diodo es un elemento electrónico que tiene un cierto comportamiento cuando se le induce una corriente eléctrica a través de el, pero depende de las características de esta corriente para que el dispositivo tenga un comportamiento que nos sea útil. La gran utilidad de el diodo esta en los dos diferentes estados en que se puede encontrar dependiendo de la corriente eléctrica que este fluyendo en el, al poder tener estos dos estados, estos dos comportamientos los diodos tienen la opción de ser usados en elementos electrónicos en los que estos facilitan el trabajo. El diodo es un dispositivo de dos terminales que, en una situación ideal, se comporta como un interruptor común con la condición especial de que solo puede conducir en una dirección. Tiene un estado encendido, el que en teoría parece ser simplemente un circuito cerrado entre sus terminales, y un estado apagado, en el que sus características terminales son similares a las de un circuito abierto. Cuando el voltaje tiene valores positivos de VD (VD > 0 V) el diodo se encuentra en el estado de circuito cerrado (R= 0 Ω) y la corriente que circula a través de este esta limitada por la red en la que este instalado el dispositivo. Para la polaridad opuesta (VD < 0 V), el diodo se encuentra en el estado de circuito abierto (R= ∞ Ω) e ID = 0 mA. La siguiente figura nos muestra los dos estados del diodo y su símbolo con el que se representa.

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El diodo ideal presenta la propiedad de ser unidireccional, esto es, si se aplica un voltaje con polaridad determinada, el diodo permite el flujo de corriente con resistencia despreciable y con un voltaje de polaridad opuesta no permitirá el paso de corriente. En la construcción del diodo semiconductor. Se colocan dos materiales semiconductores con contenido de carga opuesta uno al lado del otro. un material es semiconductor como silicio o germanio excesivamente cargado de partículas negativas (electrones). El otro material es del mismo tipo semiconductor con la diferencia de que este tiene la ausencia de cargas negativas Cuando se aplica un voltaje de paralización directa (voltaje de corriente directa) la región iónica en la unión se reduce y los portadores negativos en el material tipo n pueden superar la barrera negativa restante iones positivos y continuar su camino hasta el potencial aplicado. Las características reales del dispositivo no son ideales, y la grafica nos muestra como se comporta el diodo con el tipo y cantidad de voltaje suministrado al mismo

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El hecho de que la grafica sea una curva nos dice que la resistencia del diodo cambia en cada punto diferente de la curva, esto es, mientras mas inclinada sea la curva la resistencia cera menor y tendera a aproximarse al valor ideal de 0 Ω Como podemos notar en la grafica se encuentran representados unos deltas de voltaje y de corriente y esto es porque con la definición de la pendiente de cálculo diferencial podemos encontrar la resistencia en un cierto punto de la curva Resistencia= ΔVD / ΔID Podemos analizar más de fondo las características reales del diodo con la siguiente figura pero hay que notar el cambio de estaca en el eje y que representa la corriente La pequeña cantidad de corriente que pasa en la polarización inversa están insignificante que no tiene ningún efecto en el circuito además de ser de sentido contrario Existen varios tipos de diodos y veremos los más importantes, cada uno tiene aplicaciones específicas pero solo nos enfocaremos en su funcionamiento respecto a un voltaje o corriente que tenga paso a través de ellos.

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DIODO SCHOTTKY Los diodos schottky están normalmente formados por metales como el platino y silicio, es decir un diodo schottky surge de la unión de un platino, con silicio de tipo n. Por lo general se utilizan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad. En estos diodos el platino actúa como material aceptador para los electrones cuando esta unido al silicio n y así los electrones del silicio se difunden inicialmente en el metal, esta difusión hace que el material tipo n (silicio) se empobrezca de electrones cerca de la unión y por consiguiente que adquiera un potencial positivo que se caracteriza por la falta de electrones. Cuando esta tensión llega a ser suficientemente alta, impide que los electrones se fluyan, y por otra parte cuando se aplica una tensión positiva suficientemente grande entre las terminales, los electrones de la región n están sometidos a un potencial positivo en el lado del metal de la unión y surge una circulación de electrones. Cuando el diodo schottky funciona de modo directo, la corriente es debida a los electrones que se mueven desde el silicio de tipo n a través del metal, el tiempo de recombinación es muy pequeño, normalmente del orden de 10 ps. Esto es carios órdenes de magnitud menor que los correspondientes a la utilización de diodos de silicio pn es por esto que generalmente se utilizan en aplicaciones de conmutación de alta velocidad. DIODOS ZENER Los diodos zener o también llamado diodos de avalancha, son diodos semiconductores de unión pn cuyas propiedades están controladas en las zonas de polarización inversa y por esto son muy útiles en numerosas aplicaciones. La siguiente figura nos muestra el comportamiento de un diodo zener

En la parte positiva de la grafica las características son muy similares a las diodos semiconductores normales, en la parte negativa no se da tal comparación, en esta parte se presenta una región en la cual la tensión es casi independiente de la corriente que pasa por el diodo. La tensión zener de cualquier diodo esta controlada por la cantidad de dopado aplicada en la fabricación. El dopado es la suministración de electrones a un cierto material, estos electrones suministrados Página 39



alteran las características químicas y físicas del material logran que se comporte de distinta manera. En la mayoría de las aplicaciones, los diodos zener trabajan en la región de polarización inversa (parte negativa de la grafica) DIODO EMISOR DE LUZ (LED) Un foto diodo es un dispositivo de dos terminales cuyas características de corriente en función de la iluminación se parece mucho a las de corriente en función de voltaje de un diodo de unión pn. La conversión de energía de un fotodiodo se invierte en los diodos emisores de luz o LED por sus siglas en ingles "Light-emitting diodes" que se emplean por lo general en pantallas de visualización de algunos aparatos. En el proceso de electroluminiscencia, se emite una luz radiante a una intensidad que depende de la corriente que circula por el dispositivo, en la siguiente figura se muestra esa relación o dependencia de la corriente con la intensidad luminosa.

Como he expuesto en esta investigación los diodos son dispositivos con ciertas característica que lo son ajenas a todos los demás dispositivos electrónicos. Sabiendo aprovechar estas características se puede llegar a resultados muy satisfactorios y provechosos.

2.2.2 TRANSISTOR Un transistor (la contracción de transfer resistor, transferencia de resistencia) es un dispositivo semiconductor con tres terminales utilizado como amplificador e interruptor en el que una pequeña corriente o tensión aplicada a uno de los terminales controla o modula la corriente entre los otros dos terminales. Es el componente fundamental de la moderna electrónica, tanto digital como analógica. En los circuitos digitales se usan como interruptores, y disposiciones especiales de Página 40



transistores configuran las puertas lógicas, memorias RAM y otros dispositivos; en los circuitos analógicos se usan principalmente como amplificadores. Tipos de transistor Existen distintos tipos de transistores, de los cuales la clasificación más aceptada consiste en dividirlos en transistores de bipolares o BJT (Bipolar Junction Transistor) y transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor). La familia de los transistores de efecto de campo es a su vez bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc... Transistores bipolares Los transistores bipolares surgen de la unión de tres cristales de semiconductor con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN. Tecnológicamente se desarrollaron antes los transistores BJT que los FET. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica. También en algunas aplicaciones de electrónica digital como la tecnología BICMOS o TTL. Transistores de efecto de campo Los transistores de efecto de campo más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (MetalInsulator-Semiconductor FET). Tienen tres terminales denominadas puerta (o gate) a la equivalente a la base del BJT, y que regula el paso de corriente por las otras dos terminales, llamadas drenador (drain) y fuente (source). Presentan diferencias de comportamiento respecto a los BJT. Una diferencia significativa es que, en los MOSFET, la puerta no absorbe intensidad en absoluto, frente a los BJT, donde la intensidad que atraviesa la base es pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, pero no siempre puede ser despreciada. El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor. El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.

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Este factor se llama ß (beta) y es un dato propio de cada transistor. Entonces: - Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base). - Ic = ß * Ib - Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa. Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver figura.

2.2.2 TIRISTOR Símbolo electrónico

Configuración Ánodo, Cátodo y Puerta

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El tiristor (gr.: puerta) es un componente electrónico constituido por elementos semiconductores que utiliza realimentación interna para producir una conmutación. Los materiales de los que se compone son de tipo semiconductor, es decir, dependiendo de la temperatura a la que se encuentren pueden funcionar como aislantes o como conductores. Son dispositivos unidireccionales porque solamente transmiten la corriente en un único sentido. Se emplea generalmente para el control de potencia eléctrica. El dispositivo consta de un ánodo y un cátodo, donde las uniones son de tipo PNPN entre los mismos. Por tanto se puede modelar como 2 transistores típicos PNP y NPN, por eso se dice también que el tiristor funciona con tensión realimentada. Se crean así 3 uniones (denominadas J1, J2, J3 respectivamente), el terminal de puerta está conectado a la unión J2 (unión NP). Algunas fuentes definen como sinónimos al tiristor y al rectificador controlado de silicio (SCR);1 otras definen al SCR como un tipo de tiristor, a la par que los dispositivos DIAC y TRIAC. Funcionamiento básico El tiristor es un conmutador biestable, es decir, es el equivalente electrónico de los interruptores mecánicos; por tanto, es capaz de dejar pasar plenamente o bloquear por completo el paso de la corriente sin tener nivel intermedio alguno, aunque no son capaces de soportar grandes sobrecargas de corriente. Este principio básico puede observarse también en el diodo Shockley. El diseño del tiristor permite que éste pase rápidamente a encendido al recibir un pulso momentáneo de corriente en su terminal de control, denominada puerta (o en inglés, gate) cuando hay una tensión positiva entre ánodo y cátodo, es decir la tensión en el ánodo es mayor que en el cátodo. Solo puede ser apagado con la interrupción de la fuente de voltaje, abriendo el circuito, o bien, haciendo pasar una corriente en sentido inverso por el dispositivo. Si se polariza inversamente en el tiristor existirá una débil corriente inversa de fugas hasta que se alcance el punto de tensión inversa máxima, provocándose la destrucción del elemento (por avalancha en la unión). Para que el dispositivo pase del estado de bloqueo al estado activo, debe generarse una corriente de enganche positiva en el ánodo, y además debe haber una pequeña corriente en la compuerta capaz de provocar una ruptura por avalancha en la unión J2 para hacer que el dispositivo conduzca. Para que el dispositivo siga en el estado activo se debe inducir desde el ánodo una corriente de sostenimiento, mucho menor que la de enganche, sin la cual el dispositivo dejaría de conducir. A medida que aumenta la corriente de puerta se desplaza el punto de disparo. Se puede controlar así la tensión necesaria entre ánodo y cátodo para la transición OFF -> ON, usando la corriente de puerta adecuada (la tensión entre ánodo y Página 43



cátodo dependen directamente de la tensión de puerta pero solamente para OFF > ON). Cuanto mayor sea la corriente suministrada al circuito de puerta IG (intensidad de puerta), tanto menor será la tensión ánodo-cátodo necesaria para que el tiristor conduzca. También se puede hacer que el tiristor empiece a conducir si no existe intensidad de puerta y la tensión ánodo-cátodo es mayor que la tensión de bloqueo. Formas de activar un tiristor Luz: Si un haz de luz incide en las uniones de un tiristor, hasta llegar al mismo silicio, el número de pares electrón-hueco aumentará pudiéndose activar el tiristor.

Corriente de Compuerta: Para un tiristor polarizado en directa, la inyección de una corriente de compuerta al aplicar un voltaje positivo entre compuerta y cátodo lo activará. Si aumenta esta corriente de compuerta, disminuirá el voltaje de bloqueo directo, revirtiendo en la activación del dispositivo. Térmica: Una temperatura muy alta en el tiristor produce el aumento del número de pares electrón-hueco, por lo que aumentarán las corrientes de fuga, con lo cual al aumentar la diferencia entre ánodo y cátodo, y gracias a la acción regenerativa, esta corriente puede llegar a ser 1, y el tiristor puede activarse. Este tipo de activación podría comprender una fuga térmica, normalmente cuando en un diseño se establece este método como método de activación, esta fuga tiende a evitarse. Alto Voltaje: Si el voltaje directo desde el ánodo hacia el cátodo es mayor que el voltaje de ruptura directo, se creará una corriente de fuga lo suficientemente grande para que se inicie la activación con retroalimentación. Normalmente este tipo de activación puede dañar el dispositivo, hasta el punto de la destrucción del mismo. dv/dt: Si la velocidad en la elevación del voltaje ánodo-cátodo es lo suficientemente alta, entonces la corriente de las uniones puede ser suficiente para activar el tiristor. Este método también puede dañar el dispositivo TIRISTOR (SCR) Rectificador controlado de silicio. El rectificador controlado de silicio (en inglés SCR: Silicon Controlled Rectifier) es un tipo de tiristor formado por cuatro capas de material semiconductor con estructura PNPN o bien NPNP. El nombre proviene de la unión de Tiratrón (tyratron) y Transistor.

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Un SCR posee tres conexiones: ánodo, cátodo y gate (puerta). La puerta es la encargada de controlar el paso de corriente entre el ánodo y el cátodo. Funciona básicamente como un diodo rectificador controlado, permitiendo circular la corriente en un solo sentido. Mientras no se aplique ninguna tensión en la puerta del SCR no se inicia la conducción y en el instante en que se aplique dicha tensión, el tiristor comienza a conducir. Trabajando en corriente alterna el SCR se des excita en cada alternancia o hemiciclo. Trabajando en corriente continua, se necesita un circuito de bloqueo forzado, o bien interrumpir el circuito. El pulso de disparo ha de ser de una duración considerable, o bien, repetitivo si se está trabajando en corriente alterna. En este último caso, según se atrase o adelante el pulso de disparo, se controla el punto (o la fase) en el que la corriente pasa a la carga. Una vez arrancado, podemos anular la tensión de puerta y el tiristor continuará conduciendo hasta que la corriente de carga disminuya por debajo de la corriente de mantenimiento (en la práctica, cuando la onda senoidal cruza por cero) Cuando se produce una variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo de un tiristor, éste puede dispararse y entrar en conducción aún sin corriente de puerta. Por ello se da como característica la tasa máxima de subida de tensión que permite mantener bloqueado el SCR. Este efecto se produce debido al condensador parásito existente entre la puerta y el ánodo. Los SCR se utilizan en aplicaciones de electrónica de potencia, en el campo del control, especialmente control de motores, debido a que puede ser usado como interruptor de tipo electrónico.

2.3 APLICACIÓN DE SEMICONDUCTORES. 2.3.1 RECTIFICADORES En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir la corriente alterna en corriente continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores, ya sean semiconductores de estado sólido, válvulas al vacío o válvulas gaseosas como las de vapor de mercurio. Página 45



Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Circuitos rectificadores de onda completa Un rectificador de onda completa convierte la totalidad de la forma de onda de entrada en una polaridad constante (positiva o negativa) en la salida, mediante la inversión de las porciones (semiciclos) negativas (o positivas) de la forma de onda de entrada. Las porciones positivas (o negativas) se combinan con las inversas de las negativas (positivas) para producir una forma de onda parcialmente positiva (negativa). Rectificador de onda completa mediante dos diodos con transformador de punto medio

Figura 2.- Circuito rectificador de K onda completa Rectificador de onda completa tipo puente doble de Gratz Se trata de un rectificador de onda completa en el que, a diferencia del anterior, sólo es necesario utilizar transformador si la tensión de salida debe tener un valor distinto de la tensión de entrada. En la Figura 3 está representado el circuito de un rectificador de este tipo.

Figura 3.- Rectificador de onda completa con puente de Gratz

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Filtrado Como se puede apreciar en las Figuras 2 y 3 la corriente obtenida en la salida de los rectificadores no es propiamente continua y dista mucho de ser aceptablemente constante, lo que la inutilizaría para la mayoría de las aplicaciones electrónicas. Para evitar este inconveniente se procede a un filtrado para eliminar el rizado de la señal pulsante rectificada. Esto se realiza mediante filtros RC (resistenciacapacitancia) o LC (inductancia-capacitancia), obteniéndose finalmente a la salida una corriente continua con un rizado que depende del filtro y la carga, de modo que sin carga alguna, no existe rizado. Debe notarse que este filtro no es lineal, por la existencia de los diodos que cargan rápidamente los condensadores, los cuales a su vez, se descargan lentamente a través de la carga. La tensión de rizado (Vr) será mucho menor que V si la constante de tiempo del condensador R·C es mucho mayor que el período de la señal. Entonces consideraremos la pendiente de descarga lineal y, por tanto, Vr = Vpico·T / (R·C) Siendo R·C la cte de tiempo del condensador, T el período de la señal y Vpico la tensión de pico de la señal.. Rectificador Síncrono (o sincrónico) Hay aplicaciones en las que la caída de tensión directa en los diodos (V F) causa que tengan una baja eficiencia, como el caso de algunos convertidores DC-DC. Un rectificador síncrono sustituye los diodos por transistores MOSFET, gobernados por un circuito de control que los corta cuando la tensión entra en su ciclo negativo. Esta técnica tiene tres ventajas frente a los diodos: 

No existe VF en un MOSFET. Éste se comporta como una resistencia (RON) de modo que conduce con cualquier valor de tensión (V>0), mientras que un diodo necesita V>VF, lo que es de suma importancia en circuitos alimentados a muy baja tensión.

2.3.1 AMPLIFICADORES Un amplificador es todo dispositivo que, mediante la utilización de energía, magnifica la amplitud de un fenómeno. Aunque el término se aplica principalmente al ámbito de los amplificadores electrónicos, también existen otros tipos de amplificadores, como los mecánicos, neumáticos, e hidráulicos, como los gatos mecánicos y los boosters usados en los frenos de potencia de los automóviles. Amplificar es agrandar la intensidad de algo, por lo general sonido. También podría ser luz o magnetismo, etc. En términos generales, "amplificador", es un aparato al que se le conecta un dispositivo de sonido y aumenta la magnitud del volumen. Se usan de manera obligada en las guitarras eléctricas, pues esas no tienen caja de resonancia, la señal se obtiene porque las cuerdas, siempre Página 47



metálicas y ferrosas, vibran sobre una cápsula electromagnética, y esa señal no es audible, pero amplificada por un amplificador suena con el sonido característico de las guitarras eléctricas. En una interfaz se le puede agregar distintos efectos, como tremolo, distorsiones o reverb entre otros. Las radios y los televisores tienen un amplificador incorporado, que se maneja con la perilla o telecomando del volumen y permite que varié la intensidad sonora. Amplificador electrónico puede significar tanto un tipo de circuito electrónico o etapa de este, como un equipo modular que realiza la misma función; y que normalmente forma parte de los equipos HIFI. Su función es incrementar la intensidad de corriente, la tensión o la potencia de la señal que se le aplica a su entrada; obteniéndose la señal aumentada a la salida. Para amplificar la potencia es necesario obtener la energía de una fuente de alimentación externa. En este sentido, se puede considerar al amplificador como un modulador de la salida de la fuente de alimentación. Clases de amplificador Clase A Son amplificadores que consumen corrientes continuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor, que ha de ser disipada. Esto provoca un rendimiento muy reducido, al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido, al ser muy lineal, con poca distorsión. Tiene una corriente de polarización en relación con la máxima corriente de salida que pueden entregar. Los amplificadores de clase A a menudo consiste en un solo transistor de salida, conectado directamente un terminal a la fuente de alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay señal de entrada la corriente fluye directamente del positivo al negativo de la fuente de alimentación, consumiéndose potencia sin resultar útil. Clase B

Los amplificadores de clase B se caracterizan por tener intensidad casi nula a través de sus transistores cuando no hay señal en la entrada del circuito. Ésta es Página 48



la que polariza los transistores para que entren en zona de conducción, por lo que el consumo es menor que en la clase A, aunque la calidad es algo menor debido a la forma en que se transmite la onda. Se usa en sistemas telefónicos, transmisores de seguridad portátiles, y sistemas de aviso, aunque no en audio. Los amplificadores de clase B tienen etapas de salida con corriente de polarización nula. Tienen una distorsión notable con señales pequeñas, denominada distorsión de cruce por cero, porque sucede en el punto que la señal de salida cruza por su nivel de cero volt a.c. y se debe justamente a la falta de polarización, ya que en ausencia de esta, mientras la señal no supere el nivel de umbral de conducción de los transistores estos no conducen. Clase C Los amplificadores de clase C son conceptualmente similares a los de clase B en que la etapa de salida ubica su punto de trabajo en un extremo de su recta de carga con corriente de polarización cero. Sin embargo, su estado de reposo (sin señal) se sitúa en la zona de saturación con alta corriente, o sea el otro extremo de la recta de carga. Las desventajas de los estos amplificadores son más evidentes que en los clase B, principalmente por la alta disipación involucrada ante la ausencia de señal. Este tipo de amplificador solo es apto para RF o aplicaciones de conmutación, pero se evita su utilización en etapas de potencia con transistores bipolares, tampoco se usan en audio. Clase AB Los amplificadores de clase AB reciben una pequeña polarización constante en su entrada, independiente de la existencia de señal. Es la clase más común en audio, al tener alto rendimiento y calidad. Estos amplificadores reciben su nombre porque con señales grandes se comportan como un clase B, pero con señales pequeñas no presentan la distorsión de cruce por cero de la clase B. Tienen dos transistores de salida, como los de clase B, pero a diferencia de estos, tienen una pequeña corriente de polarización fluyendo entre los terminales de base y la fuente de alimentación, que sin embargo no es tan elevada como en los de clase A. Esta corriente libre se limita al mínimo valor necesario para corregir la falta de linealidad asociada con la distorsión de cruce, con apenas el nivel justo para situar a los transistores al borde de la conducción. Este recurso obliga a ubicar el punto Q en el límite entre la zona de corte y de conducción. Clase D Los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95%, lo que reduce la superficie necesaria de los disipadores de calor , y por tanto el tamaño y peso general del circuito.

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Aunque con anterioridad se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes, con tecnología más moderna existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de clase AB. Los amplificadores de clase D se basan en la conmutación entre dos estados, con lo que los dispositivos de salida siempre se encuentran en zonas de corte o de saturación, casos en los que la potencia disipada en los mismos es prácticamente nula, salvo en los estados de transición, cuya duración debe ser minimizada a fin de maximizar el rendimiento. Esta señal conmutada puede ser generada de diversas formas, aunque la más común es la modulación por ancho de pulso. Ésta debe ser filtrada posteriormente para recuperar la información de la señal, para lo que la frecuencia de conmutación debe ser superior al ancho de banda de la señal al menos 10 veces. Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten, y evitar así que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM. Otras clases Las clases E, G y H no están estandarizadas como las A y B. Se trata de variaciones de los circuitos clásicos, que dependen de la variación de la tensión de alimentación para minimizar la disipación de energía en los transistores de potencia en cada momento, dependiendo de la señal de entrada.

2.3.3 CONMUTADORES. El término conmutador puede referirse a:    

Conmutador (dispositivo de red), dispositivo analógico de lógica de interconexión de redes de computadoras; Conmutador, un tipo de dispositivo eléctrico que permite modificar el camino que deben seguir los electrones. conmutador de dos operadores, usado en mecánica cuántica y teoría de Lie. Conmutador (motor eléctrico), interruptor eléctrico rotativo en ciertos tipos de motores y generadores eléctricos que periódicamente cambia la dirección de la corriente entre el rotor y el circuito externo.

Clasificación de los interruptores

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Pulsador SPS Actuantes Los actuantes de los interruptores pueden ser normalmente abiertos, en cuyo caso al accionarlos se cierra el circuito (el caso del timbre) o normalmente cerrados en cuyo caso al accionarlos se abre el circuito. Pulsadores También llamados interruptores momentáneos. Este tipo de interruptor requiere que el operador mantenga la presión sobre el actuante para que los contactos estén unidos. Un ejemplo de su uso lo podemos encontrar en los timbres de las casas. Cantidad de polos

Interruptor de doble polo Son la cantidad de circuitos individuales que controla el interruptor. Un interruptor de un solo polo como el que usamos para encender una lámpara. Los hay de 2 o más polos. Por ejemplo si queremos encender un motor de 220 voltios y a la vez un indicador luminoso de 12 voltios necesitaremos un interruptor de 2 polos, un polo para el circuito de 220 voltios y otro para el de 12 voltios. Cantidad de vías (tiros) Es la cantidad de posiciones que tiene un interruptor. Nuevamente el ejemplo del interruptor de una sola vía es el utilizado para encender una lámpara, en una posición enciende la lámpara mientras que en la otra se apaga.

Interruptor de doble vía Los hay de 2 o más vías. Un ejemplo de un interruptor de 3 vías es el que podríamos usar para controlar un semáforo donde se enciende una bombilla de cada color por cada una de las posiciones o vías.

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Combinaciones Se pueden combinar las tres clases anteriores para crear diferentes tipos de interruptores. En el gráfico inferior podemos ver un ejemplo de un interruptor DPDT.

Interruptor de doble polo y doble vía

2.3.4 FUENTES DE PODER Muchos circuitos necesitan para su funcionamiento, una fuente de poder o alimentación. Esta fuente de poder entrega normalmente un voltaje en corriente continua (C.C.), pero lo que normalmente se encuentra en los tomacorrientes, de nuestras casas, es corriente alterna (C.A.). Para lograr obtener corriente continua, la entrada de corriente alterna debe seguir un proceso de conversión como el que se muestra en el diagrama. También se muestran las formas de onda esperadas al inicio (Entrada en A.C.), al final (Salida en C.C.) y entre cada uno de ellos.

- La señal de entrada, que va al primario del transformador, es una onda senoidal cuya amplitud dependerá del lugar en donde vivimos (110 / 220VAC. u otro). Ver unidades de medida básica en electrónica.

2.4 AMPLIFICADORES OPERACIONALES.

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Un amplificador operacional (comúnmente abreviado A.O. u op-amp), es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−) El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero. Notación El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:

Los terminales son:     

V+: entrada no inversora V-: entrada inversora VOUT: salida VS+: alimentación positiva VS-: alimentación negativa

Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE. Comportamiento en corriente continua (DC) Lazo abierto Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100.000 (que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las dos tensiones es de 1V la salida debería ser 100.000 V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el A. O. estará saturado si se da este caso. Esto será Página 53



aprovechado para su uso en comparadores, como se verá más adelante. Si la tensión más alta es la aplicada a la patilla + la salida será la que n V S+, mientras que si la tensión más alta es la del pin - la salida será la alimentación VS-. Lazo cerrado o realimentado Se conoce como lazo cerrado a la realimentación en un circuito. Aquí aparece una realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las dos entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la pata + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la pata -, la tensión en esta pata también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor. Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas dos aproximaciones para analizar el circuito:  

V+ = V- (lo que se conoce como principio del cortocircuito virtual). I+ = I - = 0

Cuando se realimenta negativamente un amplificador operacional, al igual que con cualquier circuito amplificador, se mejoran algunas características del mismo como una mayor impedancia en la entrada y una menor impedancia en la salida. La mayor impedancia de entrada da lugar a que la corriente de entrada sea muy pequeña y se reducen así los efectos de las perturbaciones en la señal de entrada. La menor impedancia de salida permite que el amplificador se comporte como una fuente eléctrica de mejores características. Además, la señal de salida no depende de las variaciones en la ganancia del amplificador, que suele ser muy variable, sino que depende de la ganancia de la red de realimentación, que puede ser mucho más estable con un menor coste. Asimismo, la frecuencia de corte superior es mayor al realimentar, aumentando el ancho de banda. Asimismo, cuando se realiza realimentación positiva (conectando la salida a la entrada no inversora a través de un cuadripolo determinado) se buscan efectos muy distintos. El más aplicado es obtener un oscilador para el generar señales oscilantes. Comportamiento en corriente alterna (AC) En principio la ganancia calculada para continua puede ser aplicada para alterna, pero a partir de ciertas frecuencias aparecen limitaciones. (Ver sección de limitaciones) Configuraciones Página 54



Comparador



Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.



Seguidor 

Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.



Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin Zin = ∞

 

Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. Por ejemplo, si la resistencia interna del voltímetro es Re (entrada del amplificador), la resistencia de la línea de cableado es Rl y la resistencia interna del sensor es Rg, entonces la relación entre la tensión medida por el voltímetro (Ve) y la tensión generada por el sensor (Vg) será la correspondiente a este divisor de tensión:

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Por ello, si la resistencia de entrada del amplificador es mucho mayor que la del resto del conjunto, la tensión a la entrada del amplificador será prácticamente la misma que la generada por el sensor y se podrá despreciar la caída de tensión en el sensor y el cableado. Además, cuanto mayor sea la intensidad que circula por el sensor, mayor será el calentamiento del sensor y del resto del circuito por efecto Joule, lo cual puede afectar a la relación entre la tensión generada por el sensor y la magnitud medida. Inversor

Se denomina inversor ya que la señal de salida es igual a la señal de entrada (en forma) pero con la fase invertida 180 grados. 

El análisis de este circuito es el siguiente: o V+ = V - = 0 o

 

Definiendo corrientes:

y de aquí se despeja

o

Para el resto de circuitos el análisis es similar. Zin = Rin

Por lo cual podemos controlar la impedancia de entrada mediante la elección de Rin. Esta configuración es una de las más importantes, porque gracias a esta configuración, se puede elaborar otras configuraciones, como la configuración del derivador, integrador, sumador. En sistemas microelectrónicos se puede utilizar como buffer, poniendo 2 en cascada.

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No inversor

Como observamos, el voltaje de entrada, ingresa por el pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular, la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión.

 

Zin = ∞, lo cual nos supone una ventaja frente al amplificador inversor.

Sumador inversor

 

La salida está invertida Para resistencias independientes R1, R2,... Rn

 

La expresión se simplifica bastante si se usan resistencias del mismo valor Impedancias de entrada: Zn = Rn

o

Restador Inversor

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

Para resistencias independientes R1,R2,R3,R4:

  

Igual que antes esta expresión puede simplificarse con resistencias iguales La impedancia diferencial entre dos entradas es Zin = R1 + R2 Cabe destacar que este tipo de configuración tiene una resistencia de entrada baja en comparación con otro tipo de restadores como por ejemplo el amplificador de instrumentación.

o

Integrador ideal



Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependientes del tiempo)

 o

Vinicial es la tensión de salida en el origen de tiempos

Nota: El integrador no se usa en la práctica de forma discreta ya que cualquier señal pequeña de DC en la entrada puede ser acumulada en el condensador hasta saturarlo por completo; sin mencionar la característica de offset del mismo operacional, que también es acumulada. Este circuito se usa de forma combinada en sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado (valores que definen el estado actual del sistema) donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su condensador.

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Derivador ideal



Deriva e invierte la señal respecto al tiempo

 

Este circuito también se usa como filtro

NOTA: Es un circuito que no se utiliza en la práctica porque no es estable. Esto se debe a que al amplificar más las señales de alta frecuencia se termina amplificando mucho el ruido. Conversor de corriente a voltaje

El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una fuente de corriente. Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y el voltaje de salida es:

Función exponencial y logarítmica El logaritmo y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la función exponencial a la señal de entrada. Página 59



La señal de entrada, desarrollará una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el diodo en aproximación. Ello, en conjunto con la resistencia de salida R, la dependencia de la tensión de salida(Vout) como producto de la tensión de entrada(Vin) es:

Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parámetros de la ecuación del diodo. Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posición del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación,esta ecuación también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tensión de salida con relación a la de entrada:

En la práctica, la realización de estas funciones en un circuito son más complicadas de construir, y en vez de usarse un diodo se usan transistores bipolares, para minimizar cualquier efecto no deseado, como es, sobre todo, la temperatura donde se trabaja. No obstante queda claro que el principio de funcionamiento de la configuración queda inalterado.

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En la realización de estos circuitos también podrían hacerse conexiones múltiples, por ejemplo, en el amplificador anti logarítmico las multiplicaciones son adiciones , mientras que en el logarítmico, las adiciones son multiplicaciones. A partir de ello, por ejemplo, se podrían realizar la combinación de dos amplificadores logarítmicos, seguidos de un sumador, y a la salida, un anti logarítmico, con lo cual se habría logrado un multiplicador analógico, en el cual la salida es el producto de las dos tensiones de entrada. Convertidor Digital-Analógico (R-2R)

 

Cualquiera de las entradas ve una Rin = 3 * R Si R2 = 2 * R entonces



Si R2 = 6 * R entonces

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UNIDAD 3 ELECTRONICA DIGITAL. 3.1 SISTEMAS NUMERICOS. 3.1.1 REPRESENTACIONY CONVERSION ENTRE DIFERENTES BASES 3.1.2 OPERACIONES BÁSICAS 3.1.3 ALGORITMOS DE BOOTH 3.1.4 ALGORITMOS DE DIVISION 3.2 ALGEBRA BOOLEANA 3.2.1 TEOREMAS Y POSTULADOS 3.2.2 MINITERMINOS Y MAXITERMINOS 3.2.3 MAPAS DE KARNAUGH 3.3 LOGICA COMBINACIONAL 3.3.1 COMPUERTAS LOGICAS 3.3.2 DISEÑO DE CIRCUITOS 3.3.3 FAMILIAS LOGICAS 3.3.4 APLICACIÓN DE COMPUERTAS LOGICAS 3.4 LOGICA SECUENCIAL 3.4.1 FLIP-FLOPS 3.4.2 APLICACIONES 3.5 CONVERTIDORES 3.5.1 CONCEPTOS Y CARACTERISTICAS DE LOS CONVERTIDORES 3.5.2 TIPOS A\D Y D\A

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OBJETIVO DE LA UNIDAD EL ALUMNO IDENTIFICARA LA OPERACIONES CONVERSIONES Y USO DE CIRCUITOS LOGICOS.

ACTIVIDADES REALIZADAS SE REALIZARAN RESUMENES DE LOS TEMAS E INVESTIGACIONES DE SOFTWARE PARA LA SIMULACION DE CIRCUITOS ELECTRICOS, A SI COMO TAMBIEN LA REALIZACION EJERCICIOS DE ALGEBRA BOOLENA DESCRITOS POR EL FACILITADOR Y LLEGANDO A SU ANLISIS Y ENTENDIMIENTO DEL ALUMNO ASI COMO LA REALIZACION DE CIRCUITOS LOGICOS EN PROTOBOARD.

FORMAS DE EVALUAR      


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CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES TEMA

FECHA

ELECTRONICA DIGITAL 31 DE OCTUBRE

SISTEMAS NUMERICOS 31 DE OCTUBRE

REPRESENTACION 31 DE OCTUBRE YCONVERSION ENTRE DIFERENTES BASES

OPERACIONES BÁSICAS

07 DE NOVIEMBRE

ALGORITMOS BOOTH

DE 07 DE NOVIEMBRE

ALGORITMOS DIVISION

DE 09 DE NOVIEMBRE

ALGEBRA BOOLEANA

09 DE NOVIEMBRE

TEOREMAS POSTULADOS

Y 14 DE NOVIEMBRE

MINITERMINOS MAXITERMINOS

Y 14 DE NOVIEMBRE

MAPAS DE KARNAUGH

14 DE NOVIEMBRE

ACTIVIDADES A REALIZAR EXPLICAR EN QUE CONSISTE LA ELECTRONICA DIGITAL Y TOMAR NOTA. DAR A CONOCER LOS SISTEMAS NUMERICOS Y ALGUNAS APLICACIONES. REALIZAR EJERCICIOS SOBRE CONVERSION DE BASES FACILITADOS POR EL PROFESOR. REALIZACION DE EJERCICOS BASICOS DE SUMA Y RESTA DE BASES. DAR A CONOCER LOS ALGORITMOS DE BOOTH Y REALIZAR EJERCCIOS. DAR A CONOCER LOS ALGORITMOS DE DIVISION Y REALIZAR EJERCICIOS. EXPLICAR QUE ES , EN QUE CONSISTE Y TOMAR NOTA. REALIZAR UNA INVESTIGACION SOBRE LOS POSTULADOS Y REALIZAR EJERCICIOS. EXPLICAR QUE SON , EN QUE CONSISTEN Y REALIZAR RESUMEN. EXPLICAR QUE ES , EN QUE CONSISTEN Y REALIZAR Página 64



LOGICA COMBINACIONAL

16 DE NOVIEMBRE

COMPUERTAS LOGICAS

16 DE NOVIEMBRE

DISEÑO DE CIRCUITOS

23 DE NOVIEMBRE

FAMILIAS LOGICAS

23 DE NOVIEMBRE

APLICACIÓN COMPUERTAS LOGICAS

DE 28 DE NOVIEMBRE

LOGICA SECUENCIAL

28 DE NOVIEMBRE

FLIP-FLOPS

28 DE NOVIEMBRE

APLICACIONES

28 DE NOVIEMBRE

CONVERTIDORES

30 DE NOVIEMBRE

CONCEPTOS Y 30 DE NOVIEMBRE CARACTERISTICAS DE LOS CONVERTIDORES

EJERCICICIOS. EXPLICAR QUE ES, TABLAS DE VERDAD Y REALIZAR EJERCICIOS. EXPLICAR LAS OPERACIONES BÁSICAS Y CONFIGURACIONES BÁSICAS. REALIZAR UN CIRCUITO ELECTRONICO EN PROTOBOARD USANDO LAS COMPUERTAS LOGICAS. EXPLICAR LAS OPRACIONES AND, OR, X-OR. INVESTIGACION DE LAS COMPUERTAS Y SUS APLICACIONES ELECTRONICAS. EXPLICAR QUE ES Y EN QUE CONSISTE Y TOMAR NOTA. EXPLICAR LAS CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LOS FLIPFLOPS Y APLICACIONES ELECTRONICAS. INVESTIGAR LAS APLICACIONES BÁSICAS DE LAS FAMILIAS LOGICAS. QUE SON LOS CONVERTIDORES Y TOMAR NOTA EXPLICAR EL ANALISIS DE LAS SEÑALES LOGICAS, Y COMO CONVERTIRLAS A DIGITALES O VICEVERSA Y TOMAR Página 65


TIPOS A\D Y D\A


NOTA. PROPORCIONAR CONFIGURACIONES BÁSICAS DE LOS CONVERTIDORES Y REALIZAR UNA INVESTIGACION SOBRE SUS APLICACIONES.

UNIDAD 3 ELECTRONICA DIGITAL 3.1 ELECTRONICA DIGITAL La Elecrónica estudia el comportamiento de los electrones en diversos medios, y se aplican estos conocimientos para conseguir que “los electrones hagan lo que nosotros queramos”. Así por ejemplo, si construimos un circuito electrónico constituido por una pequeña bombilla, una pila y un interruptor (figura 1.1) y lo conectamos, lograremos que los electrones circulen por todo el circuito y que al atravesar la bombilla parte de ellos se conviertan en luz1. ¡¡Hemos conseguido que los electrones nos obedezcan!! Para “dominar” a los electrones, es necesario crear circuitos electrónicos, formados por materiales conductores (cables) que unen todos los componentes del circuito, de la misma manera que hay tuberías de agua que recorren nuestras casas, uniendo diferentes elementos: grifos, llaves de paso, el contador del agua...

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Electrónica Analógica Uno de los grandes retos del hombre es el de manipular, almacenar, recuperar y transportar la información que tenemos del mundo en el que vivimos, lo que nos permite ir progresando poco a poco, cada vez con más avances tecnológicos que facilitan nuestra vida y que nos permiten encontrar respuestas a preguntas que antes no se podían responder. Ahora estamos viviendo un momento en el que esa capacidad de manipulación, almacenamiento, recuperación y transporte de la información está creciendo exponencialmente, lo que nos convierte en lo que los sociólogos llaman la “Sociedad de la información”, y que tendrá (de hecho ya tiene) grandes implicaciones sociales. Con la aparición de la electrónica las posibilidades para desarrollar esas capacidades aumentaron considerablemente. Para comprender los principios de la electrónica analógica, nos centraremos en un ejemplo concreto: la manipulación, almacenamiento, recuperación y transporte de una voz humana. Cuando hablamos, nuestras cuerdas vocales vibran de una determinada manera, lo que originan que las moléculas del aire también lo hagan, chocando unas con otras y propagando esta vibración. Si no existiesen esas moléculas, como en el espacio, el sonido no se podría propagar

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Si medimos la vibración de una de estas moléculas, durante un intervalo corto de tiempo, y la pintamos, podría tener una pinta como la que se muestra en la figura 1.2. A esta vibración la llamaremos señal acústica. Cuando esta señal acústica incide sobre un micrófono, aparece una señal eléctrica que tiene una forma análoga a la de la señal acústica. Las vibraciones de las moléculas se han convertido en variaciones del voltaje, que al final se traducen en vibraciones de los electrones. Es decir, que con los micrófonos lo que conseguimos es que los electrones vibren de una manera análoga a cómo lo hacen las moléculas del aire (ver figura 1.3). Esta nueva señal eléctrica que aparece, se denomina señal analógica, puesto que es análoga a la señal acústica original. De esta manera, con señales eléctricas conseguimos imitar las señales del mundo real. Y lo que es más interesante, conseguimos que la información que se encuentra en la vibración de las moléculas del aire, pase a los electrones. Cuanto mejor sea el micrófono, más se parecerá la señal eléctrica a la acústica, y la información se habrá “copiado” con más fidelidad. La electrónica analógica trata con este tipo de señales, análogas a las que hay en el mundo real, modificando sus características (ej. amplificándola, atenuándola, filtrándola...). Fijémonos en el esquema de la figura. La persona que habla emite una señal acústica que es convertida en una señal electrónica analógica por el micrófono. Estas dos señales son muy parecidas, pero la que sale del micrófono es más pequeña. Por ello se introduce en un circuito electrónico, llamado amplificador, que la “agranda” (la ha manipulado). A continuación esta señal se puede registrar en una cinta magnética de audio. Lo que se graba es una “copia” de la señal, pero ahora convertida a señal magnética. En cualquier momento la señal se puede volver a recuperar, convirtiéndose de señal magnética nuevamente a señal eléctrica. Una parte del sistema se ha llamado “sistema de transmisión-recepción” indicándose con esto que la señal eléctrica se puede transportar (Por ejemplo el sistema telefónico). Finalmente se introduce por un

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altavoz que relaliza la conversión inversa: pasar de una señal eléctrica a una acústica que se puede escuchar. Los problemas de los sistemas analógicos son: 1. La información está ligada a la forma de la onda. Si esta se degrada, se pierde información 2. Cada tipo de señal analógica necesita de unos circuitos electrónicos particulares (No es lo mismo un sistema electrónico para audio que para vídeo, puesto que las señales tienen características completamente diferentes).

Electrónica digital Existe otra manera de modificar, almacenar, recuperar y transportar las señales, solucionando los problemas anteriores. Es un enfoque completamente diferente, que se basa en convertir las señales en números. Existe un teorema matemático (teorema de muestreo de Nyquist) que nos garantiza que cualquier Página 69



señal se puede representar mediante números, y que con estos números se puede reconstruir la señal original. De esta manera, una señal digital, es una señal que está descrita por números. Es un conjunto de números. Y la electrónica digital es la que trabaja con señales digitales, o sea, con números. Son los números los que se manipulan, almacenan, recuperan y transportan. Reflexionemos un poco. Estamos acostumbrados a escuchar el término televisión digital, o radio digital. ¿Qué significa esto? ¡¡¡Significa que lo que nos están enviando son números!!!!! Que la información que nos envían está en los propios números y no en la forma que tenga la señal que recibidos. ¿Y qué es un sistema digital?, un sistema que trabaja con números. ¿Y un circuito digital? Un circuito electrónico que trabaja con números. ¡¡Y sólo con números!! Si nos fijamos, con un ordenador, que es un sistema digital, podemos escuchar música o ver películas. La información que está almacenada en el disco duro son números. En la figura 1.5 se muestra un sistema digital. La señal acústica se convierte en una señal eléctrica, y a través de un conversor analógico-digital se transforma en números, que son procesados por un circuito digital y finalmente convertidos de nuevo en una señal electrónica, a través de un conversor digital-analógico, que al atravesar el altavoz se convierte en una señal acústica. El utilizar circuitos y sistemas que trabajen sólo con números tiene una ventaja muy importante: se pueden realizar manipulaciones con independencia de la señal que se esté introduciendo: datos, voz, vídeo... Un ejemplo muy claro es internet. Internet es una red digital, especializada en la transmisión de números. Y esos números pueden ser datos, canciones, vídeos, programas, etc... La red no sabe qué tipo de señal transporta, “sólo ve números”. 3.1 SISTEMA NUMERICOS El concepto de número todos lo tenemos, pero un mismo número se puede representar de muchas maneras. Por ejemplo, el número 10, lo representamos mediante dos dígitos, el ‟1‟ y el ‟0‟. Si utilizásemos numeración romana, este mismo número lo representaríamos sólo con un único dígito ‟X‟. Pero está claro que ambas representaciones, “10” y “X” hacen referencia al mismo número diez.

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Nosotros estamos acostumbrados a representar los números utilizando diez dígitos: ‟0‟, ‟1‟, ‟2‟, ‟3‟, ‟4‟, ‟5‟, ‟6‟, ‟7‟, ‟8‟, ‟9‟. Por eso nuestro sistema de representación se denomina Sistema decimal o sistema en base diez. Analicemos con un poco más de detalle el sistema decimal, que es el que manejamos habitualmente. Vamos a representar el número “tres mil doscientos ochenta y uno”: 3281 Observamos lo siguiente: Está constituido 3281 Observamos lo siguiente: Está constituido por cuatro dígitos: ‟3‟,‟2‟,‟8‟ y ‟1‟. El orden en el que están colocados es muy importante y si se modifica, se está representando otro número. Cuanto más a la izquierda está un dígito, más importante es. Este último punto es muy intuitivo. Imaginemos que el número 3281 representa el sueldo mensual de un ingeniero1. Si le preguntamos qué dígito es el que le gustaría modificar para tener un sueldo mayor, no dudaría en señalar al ‟3‟. “¡¡Ojalá me subieran en sueldo a 4281 euros!!” pensaría el ingeniero. Sin embargo, se echaría a reír si su jefe le dijese: “te subimos el sueldo a 3285 euros”. El dígito ‟3‟ es más importante que todos los que tiene a su derecha. Tiene un peso mayor que el resto de dígitos. De hecho, este dígito ‟3‟ está representando al número tres mil. El dígito ‟2‟ por estar en tercera posición comenzado desde la derecha, representa el número doscientos, el ‟8‟ al ochenta y el ‟1‟ al uno. Podemos descomponer el número de la siguiente manera:

Observamos que cada dígito está multiplicando una potencia de 10. Cuanto más a la izquierda se sitúe el dígito, mayor será la potencia de diez por la que se multiplica. En la figura siguiente se muestra el número 3281 descompuesto en dígitos y pesos, y se indica cuál es el dígito de mayor peso y cuál es el de menor.

Este sistema de representación también se llama sistema en base diez porque los pesos de los dígitos son potencias de 10: El dígito de más de la derecha tiene un peso de

, los siguientes tienen pesos de Página 71



¿Qué nos impide que utilicemos unos sistemas de representación en los que los pesos de los dígitos, o incluso los dígitos sean diferentes de los del sistema decimal? Nada. Por ejemplo, podemos emplear un sistema de representación octal (Base 8), que utiliza sólo ocho dígitos (0,1,2...7) para representar cualquier número y los pesos de los diferentes dígitos serán potencias de 8. En este sistema, si escribimos los dígitos 352 no se corresponden con el número “trescientos cincuenta y dos” . Para calcular cuál es el número que representa hay que multiplicar cada dígito por su correspondiente peso, obteniendo el número equivalente en el sistema decimal.

El número 352 en representación octal es equivalente al número 248 del sistema decimal. En el sistema octal, los dígitos tienen pesos que son potencias de 8, en lugar de potencias de 10 como en el sistema decimal. Para evitar confusiones cuando se trabaja con sistemas de representación diferentes, se emplea la siguiente notación: El subíndice 8 indica que el número está representado en un sistema octal y con el subíndice 10 se indica que lo está en un sistema decimal.

Sistema octal (Base 8) Ya lo hemos visto en el apartado de introducción. Utiliza ocho dígitos: 0,1,2,3,4,5,6 y 7 y los pesos son potencias de 8. Sistema binario (Base 2) ¿Se podrían utilizar sólo dos dígitos para representar cualquier numero? Si, se denomina sistema binario. Este sistema de representación sólo utiliza los dígitos 0 y 1 para representar cualquier número. Fijémonos en lo interesante que resulta esto, ¡¡¡sólo con dos dígitos podemos representar cualquiera de los infinitos números!!! En el sistema binario los pesos de estos dígitos son potencias de 2. Veamos un ejemplo del número binario

El número binario se corresponde con el número 41 en decimal. El sistema binario tiene mucha importancia y lo utilizaremos constantemente en esta asignatura. Fijémonos en lo que significa esta forma de representación. Utilizando sólo dos dígitos, es posible representar cualquiera de los infinitos números. En la tecnología actual disponemos de un elemento, llamado transistor, Página 72



que se puede encontrar en dos estados diferentes, abierto o cerrado2, a los que le asociamos los dígitos 0 y 1. Todos los circuitos integrados o chips se basan en estos transistores y trabajan internamente en binario. Todas las operaciones se realizan utilizando este sistema de representación, por eso es muy importante que lo conozcamos, para entender cómo funcionan los microprocesadores y los chips por dentro. El sistema binario utiliza sólo dos dígitos diferentes para representar cualquier número. El peso de los dígitos es una potencia de 2. Sistema hexadecimal (Base 16) ¿Y sería posible utilizar más de 10 dígitos para representar los números?. También es posible. Ese es el caso del sistema hexadecimal, en el que se emplean 16 dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E y F, donde las letras representan los números 10, 11, 12, 13, 14 y 15 respectivamente. Los pesos de los dígitos son potencias de 16. Por ejemplo, el número hexadecimal FE2A se puede descomponer de la siguiente manera:

El sistema hexadecimal es muy curioso. Permite escribir números como los siguientes: CACA, DE, BACA :-). Se deja como ejercicio el obtener sus correspondientes números en el sistema decimal. Este sistema, como veremos más adelante, se emplea para escribir números binarios de una manera más compacta, dado que el paso de hexadecimal a binario y vice-versa es inmediato. 3.1.1 REPRESENTACION Y CONVERSIÓN ENTRE LAS DIFERENTES BASES Tabla de conversión para los sistemas decimal- binario- hexadecimal La tabla que se muestra a continuación representa las equivalencias entre diferentes números expresados en los sistemas decimal, binario y hexadecimal, que son los que más usaremos.

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3.1.2 OPERACIONES BÁSICAS La operación + Esta operación se define de la siguiente manera: 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1 Las tres primeras operaciones nos resultan obvias, son iguales que la suma que conocemos, sin embargo la expresión � _ � nos puede resultar chocante. ¿¿Pero no me habían dicho toda la vida que 1+1=2??, nos podemos estar preguntando. Sí, pero hay que recordar que aquí estamos utilizando otra operación que NO ES LA SUMA, la denotamos con el mismo símbolo ‟+‟, ¡¡pero no es una suma normal!! ¡¡Hay que cambiar el “chip”!! ¡¡Ahora estamos con Algebra de Boole!! Pasado el pánico inicial, si nos fijamos en esta nueva operación, notamos lo siguiente: El resultado siempre es igual a ’1’ cuando alguno de los bits sumandos es igual a ’1’. O lo que es lo mismo, El resultado de esta suma sólo da ’0’ si los dos bits que estamos sumando son iguales a cero. En caso contrario valdrá ‟1‟. ¿Y para qué nos sirve esta operación tan extraña? Veamos un ejemplo. Imaginemos que hay una sala grande a la que se puede acceder a través de dos puertas. En el techo hay una única lámpara y existen dos interruptores de luz, uno al lado de cada puerta de entrada. Como es lógico, la luz se enciende cuando algunos de los dos interruptores (o los dos) se activan. Esto lo podemos expresar mediante una ecuación booleana. Para denotar el estado de uno de los interruptores utilizaremos la variable booleana A, que puede valor ‟0‟ (Interruptor apagado) ó ‟1‟ (interruptor activado). Para el otro interruptor usaremos la variable Página 74



B. Y para el estado de la luz, ‟0‟ (apagada) y ‟1‟ encendida, usaremos la variable F. El estado en el que se encuentra la luz, en función de cómo estén los interruptores viene dado por la ecuación booleana: que indica que F=1 (Luz encendida) si alguno de los interruptores está a ‟1‟ (activado). Ya lo veremos más adelante, pero podemos ir adelantando unas propiedades muy interesantes. Si A es una variable boolena, se cumple: A+A=A 1+A=1 0+A=A La operación � Esta operación se define así: 0�0=0 0�1=0 1�0=0 1�1=1 En este caso, la operación es más intuitiva, puesto que es igual que el producto de números Reales. Si nos fijamos, vemos que el resultado sólo vale ’1’ cuando los dos bits están a ’1’, o visto de otra manera, el resultado es ’0’ cuando alguno de los dos bits es ’0’. Vamos a ver un ejemplo. Imaginemos una caja de seguridad de un banco que sólo se abre cuando se han introducido dos llaves diferentes, una la tiene el director y la otra el jefe de seguridad. Si sólo se introduce una de ellas, la caja no se abrirá. Modelaremos el problema así. Utilizaremos la variable A para referirnos a una de las llaves (‟0‟ no introducida, ‟1‟ introducida)y la variable B para la otra llave. Con la variable F expresamos el estado de la caja seguridad (‟0‟ cerrada y ‟1‟ abierta). El estado de la caja lo podemos expresar con la ecuación: que indica que la caja se abrirá (F=1) sólo si A=1 (una llave introducida) y B=1 (la otra llave introducida). En cualquier otro caso, F=0, y por tanto la caja no se abrirá. Podemos ir adelantando algunas propiedades de esta operación: A�A=A A�0=0 A�1=1 La negación La operación de negación nos permite obtener el estado complementario del bit o variable booleana al que se lo aplicamos. Se define de la siguiente manera. Es decir, que si se lo aplicamos a ‟0‟ obtenemos ‟1‟ y si se lo aplicamos al ‟1‟ obtenemos ‟0‟. Esta operación nos permite cambiar el estado de una variable booleana. Si A es una variable booleana, _ tiene el estado contrario. 3.2 ALGEBRA DE BOOLEANA En el Álgebra de Boole hay dos operaciones, denotadas con los símbolos + y � pero que ¡¡no tienen nada que ver con las operaciones que todos conocemos de suma y producto!!. ¡¡¡No hay que confundirlas!!!!. El + y el � del Algebra de Boole se aplican a bits, es decir, a números que sólo pueden ser el ’0’ ó el ’1’. Página 75



3.2.1 TEOREMAS Y POSTULADOS DEL ALGEBRA BOOLEANA Hasta ahora, hemos indicado el sistema numérico que gobierna la Electrónica Digital. Ahora debemos dar sus leyes matemáticas. Estas leyes coinciden con las de un álgebra de Boole, en el cual determinado un conjunto B y dos operaciones, suma y producto, se cumplen los cuatro siguientes postulados: • P1.- las operaciones tienen la propiedad conmutativa. a+b = b+a a·b = b·a • P2.- las operaciones son distributivas entre sí a·(b+c) = a·b + a·c a+(b·c) = (a+b)·(a+c) • P3.- las operaciones tienen elementos identidad diferentes dentro de B. Estos elementos son definidos como 0 para (+) y 1 para (·). a+0 = a a·1 = a • P4.- para cada elemento, a, del conjunto B, existe otro elemento denominado complemento, a también del conjunto B, tal que se cumple: a+a = 1 a·a = 0 Cuando el conjunto es limitado al conjunto binario {0, 1} y las operaciones están definidas según la tabla se habla de álgebra de conmutación.

Una operación estará determinada por la combinación de entradas en la que su valor de salida sea único, es decir, el producto estará determinado por la combinación que hace que valga „1‟ (y por lo tanto, todas sus entradas sean „1‟), y la suma estará determinada por la combinación que hace que valga „0‟ (y por lo tanto, todas sus entradas sean „0‟). A continuación se muestra las principales leyes que se cumplen en cualquier álgebra de Boole, y por lo tanto, el álgebra de conmutación. Principio de dualidad. Página 76



Cualquier teorema o identidad algebraica deducible de los postulados anteriores puede transformarse en un segundo teorema o identidad válida sin mas que intercambiar las operaciones binarias y los elementos identidad. Teorema 1.1.- El elemento a del 4º postulado (denominado complemento o negación de a) está unívocamente determinado, es decir, es único. Teorema 1.2.- (o Teorema de elementos nulos) Para cada cualquier elemento a, se verifican las siguientes igualdades a+1 = 1 a·0 = 0 Teorema 1.3.- Cada uno de los elementos identidad es el complemento del otro, es decir, 1‟ = 0 y 0‟ = 1 Teorema 1.4.- (o Teorema de idempotencia) Para cada elemento a, se verifican las siguientes igualdades: a+a=a a·a=a a b a = a‟ a·b a+b 00100 01101 10001 11011 Teorema 1.5.- (o Teorema de involución) Para cada elemento de a, se verifica que el complemento del complemento de a es a, es decir, (a‟)‟ = a Teorema 1.6.- (o Teorema de absorción) Para cada par de elementos, a y b, se verifica: a+a·b=a a · (a + b) = a Teorema 1.7.- Para cada par de elementos, a y b, se verifica: a + a‟ · b = a + b a · (a‟ + b) = a · b Teorema 1.8.- (o Leyes de DeMorgan) Para cada par de elementos, a y b, se verifica (a + b)‟ = a‟ · b‟ (a · b)‟ = a‟ + b‟ Teorema 1.9.- (o Leyes de DeMorgan generalizadas) Para cualquier conjunto de elementos se verifica: (X0 + X1 + … + Xn) = X0 · X1 · … · Xn (X0 · X1 · … · Xn) = X0 + X1 + … + Xn Teorema 1.10.- (o Teorema de asociatividad) Cada uno de los operadores binarios (+) y (·) cumple la propiedad asociativa, es decir, para cada tres elementos, a, b y c, se verifica (a + b) + c = a + (b + c) (a · b) · c = a · (b · c) Página 77



3.2.2 MINITERMINOS Y MAXITERMINOS. Una variable binaria podrá aparecer en su forma normal o en su forma complementaria. Considere ahora dos variables binarias y que se combina con una operación AND. Puesto que cada variable podrá aparecer en cualquier de sus formas , hay cuatro combinaciones posibles x y, xy, xy y xy cada uno de esto cuatro miniterminos AND es un es una mini termino, o producto estándar. De manera similar , podemos combinar n variable para formar 2η- 1 bajo las n variables. Cada minitermino se obtiene de un termino AND de las n variables , poniendo a un apostrofo a cada variable si el bit correspondiente del numero binario es un 0 y sin apostrofo si es un 1. en la tabla también se muestra un símbolo para cada mini termino, el cual tiene la forma m , donde j denota el equivalente decimal del numero binario del mini termino designado. Asimismo , n variable que forman un termino OR donde cada variable puede tener apostrofo o no dan pie a 2 n posibles combinaciones, llamadas maxi términos o sumas estándar. En la tabla 2-3 se presentan los ocho maxi términos de tres variables , junto con su designación simbólica . podemos obtener de manera similar cualesquier 2n maxi términos para n variables. Se puede expresar algebraicamente una función booleana a partir de una tabla de verdad dada formando un mini termino para cada combinaciones de las variables que producen un 1 en la función y formando después el OR de todos estos términos. Dijimos antes que para n variables binarias , podemos obtener 2n mini términos distintos y que es posible expresar cualquier función booleana como una suma de mini términos. Los mini términos cuya suma define a la función booleana son los que producen los unos de la función en una tabla de verdad. Puesto que la función puede dar 1 o 0con cada mini termino. Expresa la función booleana F = A-BĆ como suma de mini términos. La fusión tiene tres variables A,B,C. En el primer termino, A, faltan dos variables por tanto A esta todavía la falta una variable. A= AB(C+C) + AB (C+C) = ABC+ABC+ABC+ABC al Segundo termino, BĆ le falta una variable : BĆ=BĆ(A+A)=ABĆ+A´BĆ Al combinar todos los términos tenemos. F=A+BC = ABC + ABC + ABC + ABC + A´BĆ . Sin embargo A´BĆ aparece dos veces y, según el teorema 1 (x+x=x), podemos eliminar uno de ellos . después de reacomodar los mini términos en orden ascendente . obtenemos por fin. Página 78



F = A´BĆ + ABĆ´ + ABĆ + ABC´+ ABC =m1 + m4 + m6 + m7 hay ocasiones en que conviene expresar la función booleana, en su forma de suma de mini términos. Con la siguiente notación abreviada. F(A,B,C) = (1,4,5,6,7) el símbolo de representa OR

de los termino numéricos.

La tabla de verdad que se muestra en la tabla se deduce directamente de la expresión algebraica enumerado las ocho combinaciones binarias bajo las variables A,B,C.

A

B

C

0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 1 1 0 0 1 1

0 1 0 1 0 1 0 1

F 0 1 0 0 1 1 1 1

PRODUCTOS DE MAXITERMINOS Cada una de las 2n funciones de n variables binarias se puede expresar también como un producto de maxiterminos para expresar la fusión booleana como productos de maxi términos, primero debe ponerse en formato de términos OR esto podría hacerse con la ayuda de la ley distributiva , x + yz = (x+y)(x+z). Luego se hace el OR de cualquier variable faltante x en cada termino OR con xx. Un argumento similar demuestra que la conversión entre el producto de maxiterminos y la suma de miniterminos es similar. Ahora plantearemos un procedimiento general de conversión. Para convertir de una forma cononica a otra intercambiamos los símbolos y П e incluimos en la lista solo números que faltaban en la forma original. Es posible convertir un función booleana de una expresión algebraica a una producto de maxiterminos utilizando una tabla de verdad y el procedimiento de conversión cononica. F= xy + xz Primero obtenemos la tabla de verdad de la función, la cual se muestra en la tabla . los unos bajo F en la tabla se determina a partir de las combinaciones de las variables en las que xy= 11 o zx = 01. de la tabla de verdad deducimos Página 79



que los miniterminos de la función son 1,3 o y 7. la función expresada como suma de miniterminos es : F(x,y,z) =

(1,3,6,7)

Puesto que en total hay ocho miniterminos o maxiterminos en una función de tres variables deducimos que los términos faltante son 0,2,4 y5. la función expresada como productos de maxiterminos es: F(x,y,z) = П(0,,2,4,5) Esta es la misma respuesta que obtuvimos en el ejemplo anterior: x 0 0 0 0 1 1 1 1

y 0 0 1 1 0 0 1 1

z 0 1 0 1 0 1 0 1

F 0 1 0 1 0 0 1 1

3.2.3 Mapas de karnaugh Método de Karnaugh En este apartado veremos un método para obtener la función más simplificada a partir de una tabla de verdad. Vamos a ir poco a poco, viendo los fundamentos de este método. Supongamos que tenemos una función F(A,B,C) de tres variables, cuya tabla de verdad es:

Si la desarrollamos por la primera forma canónica obtenemos: Página 80



Veremos como aplicando el método de Karnaugh podemos simplificar esta función. Vamos a organizar esta misma tabla de la siguiente manera:

Observamos lo siguiente: En total hay 8 casillas, cada una correspondiente a una fila de la tabla de verdad. En cada casilla está colocado el valor de la función F, correspondiente a esa entrada. En la tabla de verdad hay dos filas en las que F=0 y 6 filas en las que F=1. En el nuevo diagrama hay dos casillas con ‟0‟ y 6 con ‟1‟. Hay dos filas, en al primera fila están todos los valores de F correspondientes a A=0, y en la segunda correspondientes a A=1. Hay 4 columnas, y el número que está en la parte superior de cada una de ellas nos indica los valores de las variables B y C en esa columna. Dada una casilla cualquiera, mirando el número situado en la misma fila, a la izquierda del todo nos informa del valor de la variable A y los dos valores superiores, en la misma columna, nos dan los valores de B y C. Así por ejemplo, si tomamos como referencia la casilla que está en la esquina inferior derecha, se corresponde con el valor que toma F cuando A=1, B=1 y C=0. Entre dos casillas adyacentes cualesquiera, sólo varía una variable de entrada, quedando las otras dos con los mismos valores. Por ejemplo, si estamos en la casilla inferior derecha, en la que A=1, B=1 y C=0. Si vamos a la casilla que está a su izquierda obtenemos un valor de las variables de: A=1, B=1, C=1. Si lo comparamos los valores de las variables correspondientes a la casilla anterior, vemos que sólo ha cambiado una de las tres variables, la C. Lo mismo ocurre si nos desplazamos a cualquier otra casilla adyacente. Ahora vamos a ver una propiedad “mágica” de esta tabla. Si obtenemos la primera forma canónica, obtenemos una función con 6 términos. Vamos a fijarnos sólo en los términos que obtenemos si desarrollamos sólo dos casillas adyacentes, como por ejemplos las marcadas en gris en la figura:

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Los valores de las variables en estas casillas son: A=1, B=1, C=1 y A=1, B=1, C=0. Si obtenemos los términos de la primera forma canónica y los sumamos:

¡¡Se nos han simplificado!! Es decir, por el hecho de agrupar los términos obtenidos de estas dos casillas y sumarlos, se han simplificado. Y esto es debido a la propiedad antes comentada de que entre dos casillas adyacentes sólo varía una de las variables, de manera que podemos sacar factor común. Estos dos términos son los sumandos 5 y 6 de la primera forma canónica obtenida anteriormente, que al sumarlos y aplicar algunas propiedades se han simplificado. Si nos fijamos en estas dos casillas adyacentes, la variable C, que es la única que varía de una a otra, ha desaparecido en la suma. De esta manera podemos afirmar lo siguiente: Si tomamos dos casillas adyacentes cuyo valor es ’1’ y desarrollamos por la primera forma canónica, desaparecerá una de las variables. Sólo permanecen las variables que no cambian de una casilla a otra. De esta manera, vamos a ver qué pasa si tomamos los siguientes grupos:

y sumamos los términos de estos grupos:

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Por tanto, la función F también la podemos expresar como suma de estos grupos

¡¡Y está más simplificada que la forma canónica!! Pero...¿Se puede simplificar más? ¡Si!. Inicialmente la función F tenía 6 sumandos, puesto que tenía 6 unos. Al hacer 3 grupos, ahora tiene 3 sumandos. ¿Podemos reducir el número de grupos? Si, vamos a ver qué pasa si tomamos los siguientes grupos:

Ahora sólo hay 2 grupos. El nuevo grupo 2 está constituido por 4 casillas en las que F=1. La expresión de este grupo se obtiene sumando las expresiones de estas 4 casillas. Las nuevas expresiones de los grupos quedarían:

La nueva función F que obtenemos es

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¡¡Que está más simplificada que la anterior!! Pero... ¿Es la más simplificada? No, todavía podemos simplificarla más. ¿Por qué no podemos tomar 2 grupos de 4 casillas adyacentes. Tomemos los grupos siguientes:

Las nuevas expresiones de los grupos son:

Por tanto, la nueva función F simplificada es:

¡¡¡Esta función está simplificada al máximo!!! Criterio de máxima simplificación: Para obtener una función que no se puede simplificar más hay que tomar el menor número de grupos con el mayor número de ’1’ en cada grupo. Hay que tener en cuenta que los grupos cd unos que se tomen sólo pueden tener un tamaño de 1, 2, 4, 8, 16,... (es decir, sólo potencias de dos). Esa es la razón por la que en el ejemplo anterior los grupos que se han tomado son de tamaño 4 (y no se han tomado de tamaño 3). Fijémonos en todas las funciones que hemos obtenido anteriormente:

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¡¡Todas son funciones booleanas equivalentes!! (Porque tienen la misma tabla de verdad). ¡¡Pero es la función optimizar al máximo!!!

la que usamos!! ¡¡Somos Ingenieros y queremos

3.3 LÓGICA COMBINACIONAL. Una de las principales ventajas de utilizar el álgebra de conmutación radica en que las operaciones básicas de este álgebra (operación AND, OR y NOT) tienen un equivalente directo en términos de circuitos. Estos circuitos equivalentes a estas operaciones reciben el nombre de puertas lógicas. No obstante, el resto de circuitos lógicos básicos también reciben el nombre de puertas, aunque su equivalencia se produce hacia una composición de las operaciones lógicas básicas. 3.3.1. COMPUERTAS LOGICAS Las tres puertas fundamentales reciben el mismo nombre que los operadores, es decir, existen las puertas AND, puertas OR y puertas NOT. La última puerta recibe el nombre más usual de inversor. En la figura 1.7 mostramos los símbolos de estas puertas tanto tradicionales como internacionales, aunque usaremos preferentemente los símbolos tradicionales. A pesar de tener ya disponibles las puertas que realizan las tres operaciones básicas del álgebra de conmutación, también existen otras puertas las cuales son muy utilizadas (a pesar de ser combinaciones de las anteriores). Estas puertas son las puertas NAND y NOR (que se corresponden con las operaciones AND y OR complementadas, respectivamente), y XOR y XNOR (que se corresponden con las funciones de paridad y paridad complementada, respectivamente, muy utilizadas en sistemas aritméticos). Estas puertas se muestran en la figura.

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En el caso de la simbología, cabe destacar que la referencia a la negación es un círculo (en el caso de la simbología tradicional) y una línea oblicua (en el caso de la simbología internacional), independientemente de donde se encuentre (entrada o salida), como se muestra en la figura que sigue. En esta asignatura se utilizará la simbología más utilizada, la cual es la simbología tradicional. Página 86



Análisis y síntesis combi nacional Como se ha podido comprobar del apartado anterior, existe una relación directa entre las puertas lógicas y las operaciones lógicas, lo cual limita la actuación a determinar la función lógica que se realiza. A la hora de representar una función combi nacional, podemos optar por una fórmula lógica y/o una tabla de verdad (o de combinaciones). La fórmula lógica es una expresión que contiene variables y operadores lógicos dispuesto de una forma lógica. Una tabla de verdad (o de combinaciones) de una función de N variables es una tabla con (al menos) N+1 columnas (N variables de entrada y 1 variable de salida), con tantas filas como combinaciones diferentes puedan tener las N variables de entrada (2N en el sistema binario). Los valores de las columnas de las variables de entrada son tales que estén representadas todas las combinaciones (por lo general en orden creciente), y los valores de la columna de la variable de salida serán los correspondientes a la combinación de las variables de entrada de dicha fila. El problema de análisis se puede definir de la siguiente forma: Dado un circuito electrónico, determina el comportamiento y la funcionalidad que presenta dicho circuito. Es decir, para obtener la funcionalidad del circuito, sólo se tiene que sustituir cada una de las puertas por su funcionalidad según el flujo de señal (jerarquía de operaciones), como podemos apreciar en el ejemplo de la figura.

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El problema de diseño se puede definir de la siguiente forma: Dados un comportamiento y una funcionalidad, determina el circuito electrónico que los presenta. Dicho problema se suele dividir en dos partes: • Obtención de la función mediante su tabla de combinaciones. • Obtención de la fórmula lógica a partir de su tabla.

3.4 LÓGICA SECUENCIAL Hasta ahora, únicamente hemos visto circuitos combi nacionales, es decir, circuitos en los que las salidas dependen única y exclusivamente de las combinaciones de entradas, y no de la historia pasada del sistema. Vamos a ver cuáles serían las formas de onda del siguiente circuito.

En las formas de onda podemos comprobar que la señal de salida F cambiará de valor (cuando sea necesario) después del retraso de la puerta AND y OR. Otra característica de este circuito que también podemos observar es que la salida no depende únicamente de las señales de entrada, A y B, ya que para una misma combinación de entradas, AB = “10”, obtenemos dos valores de salida diferentes, „0‟ y „1‟ respectivamente. Si nos fijamos en las formas de onda, podemos observar que el valor de salida en dicha combinación de entrada coincide con el valor que tenía la señal de salida previamente. Este hecho implica que la salida depende de la historia pasada del circuito, además de las señales de entrada. A estos sistemas que muestran dependencia con la historia, se les denomina sistemas Página 88



secuenciales, más formalmente Un circuito de conmutación secuencial se define como un circuito bivaluado en el cual, la salida en cualquier instante depende de las entradas en dicho instante y de la historia pasada (o secuencia) de entradas. Estos sistemas están más extendidos que los sistemas puramente combi nacionales, ya que presenta un aumento considerable en la funcionalidad. La dependencia de esta historia puede ser ventajosa e incluso necesaria para algunas aplicaciones en las que es necesario recordar una determinada situación. Algunos ejemplos de esta ventaja (necesidad) pueden ser: • La creación de un reloj, que se modelada con la afirmación “la salida será el valor complementario de su valor anterior”, • La creación de un contador, que se modelada con la afirmación “la salida será el resultado de sumar uno a su valor anterior” . • Un sistema de control de un paso a nivel, el cual debe saber cuando el tren está dentro del paso, está entrando, saliendo o está fuera. Por lo tanto, se ve cuando menos interesante incluir la dependencia del tiempo en los sistemas y en especial, en los sistemas digitales. Según lo visto anteriormente, podemos dar un modelo de un sistema secuencial como el mostrado en la figura siguiente. En dicho modelo podemos observar la lógica combi nacional que genera el procesado del sistema, y la realimentación (a través de elementos de memoria) que genera la dependencia con la historia del sistema.

Por lo tanto, los elementos de memoria son los encargados de temporizar la historia del circuito, es decir, indicar el momento en el que cambia la historia. Según este cambio, podemos clasificar esta temporización en tres categorías: • Temporización por realimentación directa. Los cambios son considerados instantáneamente (despreciando los retrasos de las conexiones).

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• Temporización por elementos de retraso. Los cambios son considerados después de que transcurra un tiempo estipulado, el cual viene determinado por el elemento de retraso utilizado. • Temporización por elementos de memoria. Los cambios son considerados por un elemento de memoria, el cual suele estar controlado por una señal externa (denominada generalmente reloj). La opción más utilizada es la tercera, es decir, la utilización de elementos de memoria. Esta situación es debida a que el control externo es mucho más versátil que la realimentación directa o a través de un elemento de retraso en las cuales no existe ningún control directo sobre el cambio de la historia del sistema. Por lo tanto, vamos a considerar el estudio de los elementos de memoria, cuya importancia viene determinada por el comentario anterior. Además, dichos elementos son básicos para la generación de memoria de semiconductores (muy utilizadas en sistemas informáticos).

3.5 CONVERTIDORES 3.5.1 CONCEPTOS Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CONVERTIDORES 3.5.2 TIPOS A/D Y D/A ANALOGICO DIGITAL El convertidor A/D es el único elemento totalmente indispensable en un sistema de adquisición de datos. Además él por si sólo puede constituir un SAD. Generalmente suele ser el más caro de todos los elementos que constituyen el SAD aunque, por supuesto, su precio depende de la calidad de las prestaciones que se le pidan. Estas serán: la exactitud, que depende de los errores que se produzcan y de la resolución (número de bits), y la velocidad. A nivel de elemento de circuito, el A/D se caracteriza por una entrada analógica, una salida digital y varias señales de control y alimentación.

Las señales de control más importantes y características son: SC (Start Conversion) y EOC (End Of Conversion). La primera es una entrada que requiere el circuito para que comience la conversión que durará un tiempo que a veces es Página 90



conocido de antemano y otras veces no. La señal EOC es la que indica al circuito o microprocesador donde están entrando las señales digitales, cuándo ha terminado la conversión. Es por tanto una señal de salida. El elemento de salida del A/D es un latch o registro donde se almacena el dato. Este permanecerá almacenado o cambiará controlado por unas entradas de Enable y Chip Select del latch. El funcionamiento de un A/D es muy simple: se inicia la conversión cuando la señal SC pasa a 1. El A/D comienza la conversión y avisa cuándo termina mediante una bajada a 0 del EOC. Generalmente esta señal EOC está directamente conectada a una señal de interrupción del microprocesador lo que permite "desatenderla". Si no es así, habrá que utilizar una técnica para la lectura continua de la línea EOC que permita detectar el momento de la bajada. La forma más sencilla de conectar el A/D al circuito que va a recoger los datos es cuando éste es un microcomputador que consta de puertos de entrada/salida.

Una de las líneas de un puerto es configurado como salida y sirve para la señal SC. Otra es configurada como entrada y recibe la señal EOC. Las líneas de salida de los datos son conectadas a otro puerto. Pero dependiendo del número de salidas que tenga el A/D, así tendrá que ser el puerto de entrada. Puede ocurrir que tenga 8 salidas y entonces entrarán en un puerto de 8 líneas del microcomputador. Pero si por ejemplo tiene 12 líneas habrá varias formas en que se podrá hacer la conexión que no está normalizada y depende por tanto del fabricante. Generalmente el fabricante dividirá la palabra de salida del A/D en dos partes: una de mayor peso (HB) y otra de menor (LB). Pero el número de bits que entre en cada parte no es fijo. Así puede ser que el HB contenga los bits 8 a 11 y el LB los 0 a 7. Pero también es posible que la división sea de 4 a 11 en HB y de 0 a 3 en LB. Además dentro del byte que no esté completo, los datos pueden estar colocados en la parte alta o en la baja etc. Además puede ocurrir que un mismo A/D acceda a más de un microcomputador con buses de diferente tamaño. En ese caso, se debe poder elegir la forma en que van a salir los datos dependiendo de a dónde vayan. Toda esta información la da el fabricante y la manera de controlar los diferentes comportamientos y ubicaciones de los datos es utilizando líneas de otro puerto como líneas de Página 91



control. Si no se cuenta con un microcomputador la conexión y el control habrá que hacerlo utilizando decodificadores de dirección, buffers etc. conjuntamente con un microprocesador. Los convertidores A/D se pueden clasificar básicamente en los siguientes tipos:

Aunque no son los únicos, sí son los más típicos. Los que más interés tienen por su aplicación son los marcados con asterisco (*). Dentro de cada grupo, la arquitectura interna es muy similar. DIGITAL ANALOGICO Aunque el convertidor D/A no forma parte del SAD lo vamos a estudiar porque tiene una serie de aplicaciones muy útiles. En primer lugar hay que decir que en la arquitectura interna de algunos A/D es necesario un D/A. Pero además el convertidor D/A tiene por sí sólo una utilidad importante en los sistemas de telefonía digital o cuando se quieren procesar señales mediante un procesado digital para manipularlas de alguna forma: por ejemplo cambiar el tono de una señal de voz. El sistema completo (menos los filtros) será el siguiente:

El A/D y D/A pueden venir juntos en un sólo circuito que se le llama CODEC e igualmente, si la ROM es pequeña puede venir en el DSP. Otra aplicación de un D/A es en generación de señales. En esta aplicación se trata de obtener una señal

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de salida que siga un patrón determinado. El esquema de un generador de señal con un D/A es el siguiente:

En cada posición de la ROM está guardado de forma digital un "pedazo" de la señal de forma que con el contador se va a cada una de las posiciones de la memoria que son lanzados al D/A de forma secuencial generándose la señal. Esta puede ser de cualquier tipo (seno, de voz, etc). En el caso de la generación de señal de voz se le llama sintetizador de voz programada. Otras aplicaciones de los D/A son las tarjetas gráficas de los ordenadores y como elemento de control en aplicaciones de tipo industrial, para elementos de control continuo.

donde el LATCH es necesario para que el valor digital de la entrada permanezca en ésta el tiempo necesario para que la conversión se lleve a cabo con normalidad. Sin embargo, no siempre es ésta la estructura necesaria. En algunas ocasiones los convertidores no poseen el LATCH, o por el contrario no tienen el amplificador de salida, o la red de resistencias no tiene fuente de alimentación de referencia, etc., en esos casos habrá que colocárselo externamente.

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Materia Circuitos Electricos y Electronicos

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