La Electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos. Cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción y almacenamiento de información.

Conceptos Básicos.

La introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos. Ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión para generar ondas de radio.

Por ejemplo, con los tubos de vacío pudieron amplificarse las señales de radio y de sonido débiles. Además podían superponerse señales de sonido a las ondas de radio.

El desarrollo de estos tubos, para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial. Y el desarrollo de las primeras computadoras, durante la guerra y poco después de ella. Hoy en día, el transistor, inventado en 1948, ha reemplazado casi completamente al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones.

Al incorporar materiales semiconductores y contactos eléctricos, el transistor permite las mismas funciones que el tubo de vacío. Pero con un costo, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad.

Los progresos los semiconductores, atribuible a las investigaciones asociadas con la exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década los 70, del circuito integrado.

  1. Conceptos básicos

Múltiplos y Submúltiplos Decimales.

Conceptos Básicos.

 

La electricidad o mas bien electrodinámica es un tipo de energía transmitida por el movimiento de electrones a través de un material. Que permite el flujo de electrones en su interior (esto es, un material conductor).

A diferencia de La electrostática es la rama de la física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas. Es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio.

Los materiales pueden ser:

      • Conductor : Cualquier material capaz de conducir la corriente eléctrica ( Ej. , oro, plata, cobre … )
      • Aislante : Material que obstruye totalmente el paso de la corriente ( Ej. , mica, porcelana, madera seca, plástico … )
      • Semiconductor : Material que naturalmente no es conductor, pero mediante un tratamiento químico puede llegar a ser conductor ( Ej. , silicio , germanio ).
YouTube player

Se distinguen dos tipos de corriente, continua (DC) y alterna (AC). La diferencia entre ambas es como se mueven los electrones dentro del material.

En la corriente continua se mueven en un solo sentido y en la corriente alterna se van alternando dos sentidos.

  • Corriente continua: el flujo de la corriente eléctrica se da en un solo sentido. Desde un polo a otro. Generalmente se designa con las siglas DC, del inglés Direct Current.
  • Corriente alterna: el flujo eléctrico se da en dos sentidos, alternando uno y otro. Se suele designar con las siglas AC, del inglés Alternating Current.

La mayoría de redes eléctricas actuales utilizan corriente alterna, mientras que las baterías, pilas y dinamos generan corriente continua y es con la que se trabaja habitualmente en los circuitos electrónicos.

Corriente continua o DC (Conceptos Básicos)

En la naturaleza, la electricidad es relativamente rara si se compara con lo cotidiana que es en nuestra vida, sólo es generada por algunos animales y en algunos fenómenos naturales como los rayos.

En la búsqueda de generar un flujo de electrones artificial, los científicos se dieron cuenta de que un campo magnético podía provocar el flujo de electrones a través de un cable metálico u otro material conductor. Ppero en un solo sentido (de positivo + o ánodo a negativo – o cátodo) , pues los electrones son repelidos por un polo del campo magnético y atraídos por el otro.

 
Así nacieron las primeras baterías y generadores de corriente eléctrica continua, un invento principalmente atribuido a Thomas Edison en el siglo XIX, el mismo sobre el que se debate si inventó o no la bombilla.

 Corriente alterna o AC (Conceptos Básicos)

A finales del siglo XIX, otro científico, Nikola Tesla, trabajó en el desarrollo de la corriente alterna buscando sobre todo poder transportar mayores cantidades de energía eléctrica y a mayor distancia, algo que es muy limitado con la corriente continua.

En lugar de aplicar magnetismo forma uniforme y constante, Tesla utilizó un campo magnético rotatorio. Cuando cambia la posición de los polos, también cambia el sentido del flujo de electrones. Se produce así la corriente alterna.

 
El cambio de sentido en el flujo de electrones se conoce como “Frecuencia” y se mide en hercios (Hz), unidad que es igual a ciclos por segundo. Esto quiere decir que en una corriente alterna de 60 Hz se producen 60 ciclos por segundo.

En un ciclo, los electrones cambian el sentido y vuelven al sentido original, es decir, se dan dos cambios de sentido por ciclo. En una corriente alterna de 60 Hz, por tanto, el flujo de electrones cambia de sentido 120 veces por segundo.

La corriente alterna permite, entre otras muchas cosas, que se pueda conectar un dispositivo a un enchufe sin importar donde esté el polo positivo y el negativo del enchufe.

Sin embargo, en la corriente continua, las conexiones tienen que colocar siempre el polo positivo y el negativo en una posición concreta.

Otra gran diferencia entre la corriente AC y DC es la cantidad de energía que se puede transportar en cada tipo. La electricidad no puede viajar muy lejos antes de que empiece a perder voltaje (medida de la tensión eléctrica).

Cada batería está diseñada para producir corriente continua con un cierto nivel de voltaje, así que desde el momento de la producción de la electricidad, ya está predeterminada la distancia a la que se puede transportar a través del cableado.

La corriente alterna, sin embargo, se puede producir en un generador y utilizar un transformador para subir o bajar la tensión de salida según las necesidades, lo que permite el transporte a una distancia mucho mayor.

Transformadores de corriente alterna y continua (Conceptos Básicos)

Conceptos Básicos.
Los transformadores son utilizados en todo circuito eléctrico que necesite ajustar la tensión de la corriente eléctrica que fluye por él, ya sea un ajuste al alza o a la baja.

Por ejemplo, una central eléctrica produce electricidad con un voltaje muy alto para que pueda viajar a grandes distancias, y se regula a la baja en transformadores cercanos al destino final (hogares, empresas, etc) hasta la tensión adecuada para su consumo.

La corriente también se puede transformar de corriente alterna a corriente continua y viceversa a través de un adaptador o inversor del voltaje, similar a los que se utilizan en los cargadores de batería de un ordenador portátil o de smartphone. El cargador se conecta a la red doméstica, que utiliza corriente alterna, y es transformada en corriente continua antes de llegar al dispositivo.

YouTube player

 

  • Intensidad ” I ” Culombio por segundo (C/s) = Amperio (A): Al caudal de corriente o intensidad  (cantidad de carga por unidad de tiempo) se le denomina intensidad de corriente eléctrica (representada comúnmente con la letra “I”). En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en culombios por segundo (C/s), unidad que se denomina amperio (A).
  • Potencial eléctrico, Tensión o Voltaje “ V ” Voltio (V) :  Es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas.

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico. Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.

  • Resistencia “ R ” Ohmio (Ω) : Es la oposición al paso de la corriente eléctrica a través de un material. 
  • Potencia eléctrica “P” Vatio o Watt (W):  Es la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado. 

P = V x I  

Potencia = Voltaje x Intensidad

La Potencia se suele expresar Watts o vatios-hora (W/h), proporción por unidad de tiempo, o ritmo, con la cual la energía corriente eléctrica es transferida o consumida por un circuito durante un laso de tiempo determinado (1 hora).

Los circuitos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos.

La electricidad se puede producir de manera mecánica o química, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Cualquier aparato destinado a generar electricidad es denominado Generador.

Por último, se puede almacenar mecánica o termodinámica, aunque lo mas habitual es químicamente en condensadores (capacitores) y baterías.

  • Consumo: Cuando la energía es convertida otros procesos, a la potencia entregada o consumida para tales fines se le denomina “consumo eléctrico o energético”.
  • La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simón Ohm, es una ley básica de los circuitos eléctricos.

Establece que la diferencia de potencial o Volteje ( V ) que aplicamos entre los extremos de un conductor determinado es directamente proporcional a la intensidad de la corriente ( I ) que circula por el citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica ( R ); que es el factor de proporcionalidad que aparece en la relación entre V e I.

V = R x I        R = V / I       I = V / R

La fórmula anterior se conoce como fórmula general de la ley de Ohm, y en la misma, “V” corresponde a la diferencia de potencial o Voltaje, “R” a la resistencia e “I” a la intensidad de la corriente. Las unidades de esas tres magnitudes en el sistema internacional de unidades son, respectivamente, voltios (V), ohmios (Ω) y amperios (A).

Circuito Eléctrico es una interconexión de componentes eléctricos o electrónicos (como baterías, resistencias, inductores, condensadores, transistores, ente otros) con una finalidad, que transporta corriente eléctrica a través de una trayectoria cerrada denominado “circuito cerrado”, representado en código binario con el numero 1 o en posición “ON“.

Al interrumpir la trayectoria de dicho circuito, dejara de transportar la corriente entre sus elementos dejando que el circuito no cumpla su finalidad, pasando a denominarse “circuito abierto“, representado en código binario con el numero 0 o en posición “OFF“. al componente encargado de interrumpir la trayectoria del circuito se le denomina “interruptor“.

Elementos de un circuito electrónico (Conceptos Básicos)

Generador o Fuente de Alimentación: Una Fuente de Alimentación o generador es un dispositivo que mantiene una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar diversos tipos de energía en energía eléctrica.

Conductor: es un objeto de material que permite el libre flujo de corriente,-sin resistencia-, haciendo contacto entre dos o más componentes electrónicos. Representado en los esquemas por una línea.

Componente: un dispositivo con dos o más terminales en el que puede fluir interiormente una carga. 

Nodo: Al conectar dos o mas componentes a una misma fuente de alimentación a través de un conductor, encontraremos un punto de un circuito denominado Nodo donde concurren más de dos conductores. Representado en los esquemas por un punto.

Rama: porción del circuito comprendida entre dos nodos consecutivos. Obviamente, por un ramal solo puede circular una corriente.

Malla: cualquier camino cerrado en un circuito eléctrico.

Para conectar uno o mas de un componente a una fuente de alimentación encontraremos varias maneras de hacerlo:

Elemental: Consta de una fuente, un conductor y una resistencia.

En serie:

En este las resistencias conectadas a lo largo de una sola ruta, por lo que la misma corriente fluye a través de todos los componentes. En un circuito en serie, la corriente  intensidad ( I ) a través de cada uno de los componentes es la misma, y el voltaje a través del circuito es la suma de los voltajes ( V ) a través de cada componente.

En Serie   R1 + R2 + R3 + …RN = RT
En Serie  IT = I1 = I2 = I3 …=IN   
 

 

Paralelo: 

Los componentes conectados en paralelo se conectan a lo largo de múltiples rutas, por lo que se aplica el mismo voltaje a cada componente. En un circuito en paralelo, el voltaje ( V ) en cada uno de los componentes es el mismo, y la corriente o intensidad total ( I ) es la suma de las corrientes a través de cada componente.

   En Paralelo  1/RT = 1/R1 + 1/R2…+ 1/RN
   Paralelo VT = V1 = V2… = VN
 

Mixto: 

Un circuito mixto es aquel en el que se combinan conexiones en serie y en paralelo.

  Empezaremos sumando en serie todas las resistencias que encontremos la misma rama:

R3 + R4 = RT

  Una vez hayamos reducido todas las resistencias que encontramos en serie dentro de una rama, continuamos sumando las resistencias en paralelo:

1/RT = 1/R2 + 1/(R3+R4)

 Finalmente sumaremos las resistencias que queden en serie para reducir a circuito elemental

RT = R1 + R2 

En Serie  IT = I1 = I2 = I3 …=IN         

Paralelo VT = V1 = V2… = VN   

En Serie  IT = I1 = I2 = I3 …=IN   
 

Teniendo en cuenta que en Corriente Continua (CC), que es la utilizada en los circuitos electrónicos, cuando alguno de sus componentes falla pueden ocurrir dos cosas:

1.- Circuito Abierto:

Un Circuito Abierto (ca), es simplemente la no unión de dos conexiones. Es decir, si por ejemplo tenemos un cable donde pasan unos 5 V, si lo cortáramos tendríamos dos cables. Uno donde aún siguen pasando los 5 V y el otro extremo donde no existe ninguna tensión. Es decir el cable está abierto. Como podemos ver, al estar abierto el circuito, no existe continuidad de corriente, o sea, no hay paso de corriente, esto es equivalente que tener una resistencia de valor infinito, donde esta absorbe toda la tensión y no deja pasar la corriente. Los condensadores también disponen de esta característica, por ejemplo en corriente continua, una vez cargados, se comportan como un circuito abierto y por lo tanto no dejan pasar este tipo de corriente. 

  1. -Corto circuito:

Un corto circuito (c.c.), es lo contrario a un circuito abierto, es decir es la misma unión de una conexión o cable entre sí.

Por ejemplo, tenemos los dos nodos de salida de un circuito, el nodo de, por ejemplo, 5 (v) y el nodo de masa, realizar un cortocircuito significaría en este caso unir el nodo de 5 (v) y el de masa con un cable, lo que se conoce como hacer un puente.

Eso si, debemos tener cuidado al realizar este tipo de operación, ya que realizar un cortocircuito de masa a cualquier potencial por pequeño que sea, como la resistencia es pequeña o casi cero, la corriente que pasa por este estará cercana a infinito y por lo tanto la conexión, normalmente, no lo resistirá y se quemará o estallará.

Un corto circuito es equivalente a utilizar una resistencias de valor 0, que es lo mismo que un trozo de cable o mediante bobinas, donde estas, en corriente continua, tienen un muy bajo valor de resistencia, cercano a 0 ohmios.

Existen muchas aplicaciones, por ejemplo para el circuito abierto, se utiliza para medir corrientes o aislar secciones de un circuito para observar su comportamiento, etc. También para el corto circuito, este sirve para hacer pasar una corriente máxima por un circuito que deseamos o para anular tensiones de nodo, el caso es que estos dos conceptos son imprescindibles en electrónica, ya que hay algunos componentes que se comportan como tales, por ejemplo un interruptor, cuando está abierto es un circuito abierto y cuando está cerrado tenemos un corto circuito.

 
Llegados  a este punto podemos hablar de:

Las Leyes de Kirchhoff (Conceptos Básicos)

YouTube player

1. Ley de corrientes de Kirchhoff:  Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchhoff​ y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice que:

En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero.

I1 + I2 + I3 … + In = 0

Por definición, un nodo es un punto de una red eléctrica en el cual convergen tres o más conductores.

Esta primera ley confirma el principio de la conservación de las cargas eléctricas.

2. Ley de tensiones de Kirchhoff: Esta ley es llamada también segunda ley de Kirchhoff, se la conoce como la ley de las tensiones.

En un circuito cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada. De forma equivalente, la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico en un circuito es igual a cero.


V1 + V2 + V3 … + Vn = 0


Estas leyes son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos. Fueron descritas por primera vez en 1846 por Gustav Kirchhoff.
 

Teoremas de Norton y Thévenin (Conceptos Básicos)

YouTube player
  1. Teorema de Norton: Establece que cualquier circuito lineal se puede sustituir por una fuente equivalente de corriente en paralelo con una resistencia equivalente.

El circuito Norton equivalente consiste en una fuente de corriente INo en paralelo con una resistencia RNo.

Para calcularlo:

Se calcula la corriente de salida, IAB, cuando se cortocircuita la salida, es decir, cuando se pone una carga (tensión) nula entre A y B. Al colocar un cortocircuito entre A y B toda la intensidad INo circula por la rama AB, por lo que ahora IAB es igual a INo.
Se calcula la tensión de salida, VAB, cuando no se conecta ninguna carga externa, es decir, cuando se pone una resistencia infinita entre A y B. RNo es ahora igual a VAB dividido entre INo ( recordemos la Ley de Ohm R = V/I ) porque toda la intensidad INo ahora circula a través de RNo y las tensiones de ambas ramas tienen que coincidir ( VAB = INoRNo ).

YouTube player
  1. Teorema de Thévenin: Establece que si una parte de un circuito eléctrico lineal está comprendida entre dos terminales A y B, esta parte en cuestión puede sustituirse por un circuito equivalente que esté constituido únicamente por un generador de tensión en serie con una resistencia, de forma que al conectar un elemento entre los dos terminales A y B, la tensión que queda en él y la intensidad que circula son las mismas tanto en el circuito real como en el equivalente.

Para calcular la tensión de Thévenin, Vth:

Se desconecta la carga (es decir, la resistencia de la carga) y se calcula VAB. Al desconectar la carga, la intensidad que atraviesa Rth en el circuito equivalente es nula y por tanto la tensión de Rth también es nula, por lo que ahora VAB = Vth ( Por la segunda ley de Kirchhoff ).

Debido a que la tensión de Thévenin se define como la tensión que aparece entre los terminales de la carga cuando se desconecta la resistencia de la carga también se puede denominar tensión en circuito abierto.

Para calcular la resistencia de Thévenin, se desconecta la resistencia de carga, se cortocircuitan las fuentes de tensión y se abren las fuentes de corriente. Se calcula la resistencia que se ve desde los terminales AB y esa resistencia RAB es la resistencia de Thevenin buscada Rth = RAB

YouTube player

Al igual que las Leyes de Kirchhoff, los teoremas de Norton y Thevenin son Igualdades.

Para analizar la equivalencia entre un circuito Thévenin y un circuito Norton pueden utilizarse las siguientes ecuaciones:

Rth = RNo 
Vth = INo RNo
 

YouTube player

Fuentes de Tensión y Corriente Ideales y Reales (Conceptos Básicos)

En electricidad se llama fuente al elemento activo que es capaz de entregar energía, los hay de dos tipos, uno que es capaz de generar una diferencia de potencial entre sus extremos (Voltaje) y otro proporcionar una corriente eléctrica (Amperaje) para que otros circuitos funcionen.

Las fuentes ideales son elementos utilizados en la teoría de circuitos para el análisis y la creación de modelos que permitan analizar el comportamiento de componentes electrónicos o circuitos reales. Pueden ser independientes, si sus magnitudes (tensión o corriente) son siempre constantes, o dependientes en el caso de que dependan de otra magnitud (tensión o corriente).

Los símbolos que representan las fuentes independientes pueden observarse en la figura 1. El signo + en la fuente de tensión, indica el polo positivo o ánodo siendo el extremo opuesto el cátodo y E el valor de su fuerza electromotriz (fem). En la fuente de intensidad, el sentido de la flecha indica el sentido de la corriente eléctrica e I su valor. A continuación se dan sus definiciones:

Fuente de tensión ideal: aquella que genera una d. d. p. entre sus terminales constante e independiente de la carga que alimente. Si la resistencia de carga es infinita se dirá que la fuente está en circuito abierto, y si fuese cero estaríamos en un caso absurdo, ya que según su definición una fuente de tensión ideal no puede estar en cortocircuito.


Fuente de intensidad ideal: aquella que proporciona una intensidad constante e independiente de la carga que alimente. Si la resistencia de carga es cero se dirá que la fuente está en cortocircuito, y si fuese infinita estaríamos en un caso absurdo, ya que según su definición una fuente de intensidad ideal no puede estar en circuito abierto.

Componentes

Loading