103954 5 Unidad06 138-159 - Edebe

6. Sistemas electrónicos138

CONTENIDOS1. Fuentes de alimentación

2. Dispositivos de entrada

2.1. Interruptores

2.2. Pulsadores

2.3. Resistencias dependientes

3. Dispositivos de salida

3.1. Timbres

3.2. Zumbadores

3.3. Zumbadores piezoeléctricos

3.4. Relés

3.5. LED

3.6. Visualizadores o displays

4. Dispositivos de proceso

4.1. Circuitos integrados

4.2. Técnicas básicas de construcción

Para que un sistema electrónico fun-cione, es preciso utilizar fuentes de ali-mentación capaces de aportar la ener-gía eléctrica con el voltaje necesario a cada sistema.

Las señales, sobre todo las digitales, deben ser introducidas utilizando dis-tintos dispositivos de entrada como in-terruptores, pulsadores y resistencias dependientes.

Para obtener información del sistema, necesitamos también otros dispositi-vos entre los que destacan los visuali-zadores o displays.

En la unidad también tendremos oca-sión de descubrir las características internas de los circuitos integrados, componentes esenciales de cualquier sistema electrónico.

6Sistemas electrónicos

6. Sistemas electrónicos 139

COMPETENCIAS BÁSICAS

Competencia en el conocimiento y la interacción con el mundo físico

Identificar las características técnicas y las apli-caciones de diferentes dispositivos de entrada y de salida de señales en los sistemas electró-nicos.

Reconocer la estructura y la importancia de los circuitos integrados como dispositivos de proceso de cualquier sistema electrónico.

Competencia en comunicación lingüística

Conocer y explicar el funcionamiento de di-ferentes sistemas electrónicos habituales en nuestro entorno.

Competencia para aprender a aprender

Reconocer la importancia y la utilidad de los sistemas elecrónicos en muchos dispositi-vos de uso cotidiano.

PREPARACIÓN DE LA UNIDAD

Analiza un dispositivo electrónico de tu entorno (por ejemplo, una calculadora) e identifica en él cuáles son los dispositivos de entrada, los de sali-da y los de proceso.

— El dispositivo analizado, ¿utiliza señales ana-lógicas o digitales? Razona tu respuesta.

Explica qué diferencia hay entre un interruptor y un pulsador.

SISTEMAS ELECTRÓNICOSLED


1. Fuentes de alimentaciónCualquier sistema electrónico que consideremos (un amplificador, cualquier cir-cuito operacional, un ordenador, un receptor de televisión, etc.), necesita energía eléctrica para su funcionamiento.

La mayoría de los elementos que componen estos sistemas funcionan con corrien-te continua. Pero el suministro eléctrico en los domicilios y en las industrias que proporciona la red eléctrica es corriente alterna de baja tensión (de 220 V o 380 V, según se trate de corriente monofásica o trifásica).

Por tanto, será necesario utilizar un dispositivo capaz de transformar la corriente alterna que suministra la red en corriente continua del voltaje adecuado al siste-ma electrónico que pretendemos hacer funcionar. Este dispositivo se denomina fuente de alimentación y consta de dos partes bien diferenciadas: el transfor-mador y el circuito electrónico (fig. 1).

1. Justifica la utilidad de las fuentes de alimentación y explica la función del transformador en ellas.

AC

TIV

IDA

DES

El transformador modifica el valor de la tensión de red y lo ajusta al que ne ce-sita el sistema para funcionar. Además, actúa como aislante eléctrico entre la red y el circuito electrónico.

El circuito electrónico está formado por varios elementos: rectificador y filtro, regulador y estabilizador.

El rectificador se encarga de convertir la tensión alterna entregada por el transformador en tensión continua pulsante. Está constituido por diodos semi-conductores.

El filtro, constituido por condensadores, se encarga de hacer que la tensión pulsante que sale del recti ficador sea lo más plana posible.

El regulador es el encargado de mantener la tensión de salida al nivel prefijado o programado. Está constituido por elementos semiconductores y resistencias.

El estabilizador es el encargado de proporcionar una tensión de referencia fija en función de la cual se establece la tensión de salida. Está constituido bá-sicamente por diodos zener.

La mayoría de dispositivos electrónicos funcionan con una tensión continua única. Las tensiones más comunes son: 15 V, 112 V y 124 V. Algunos dispo-sitivos, como los circuitos operacionales, necesitan de tensiones simétricas, generalmente 615 V.

Vred (220/380 V, 50 Hz) Vcc

Circuito electrónico

Transformador Rectificador y filtro Regulador y estabilizador

��

��

��

��

��

Soporte

Transformador

Circuito electrónico Salida

Carcasa de protección

Clavija de conexión

Fig. 1


2. Dispositivos de entradaLa mayoría de sistemas electrónicos procesan señales de entrada y generan señales de salida (fig. 2).

Para introducir la señales de entrada se necesitan los disposi-tivos de entrada.

Las señales de salida se observan en los dispositivos de salida.

Los dispositivos de entrada más comunes son los interrup-tores, los pulsadores y las resistencias dependientes de mag-nitudes físicas.

2.1. Interruptores

Los interruptores son operadores eléctricos que obedecen a una señal

mecánica externa.

Se pueden utilizar en pequeña, media y alta potencia.

Los interruptores presentan diferentes configuraciones de los contactos: conmutado, normalmente abierto o NA, y normalmente cerrado o NC (fig. 3).

La elección de uno u otro dependerá de la aplicación. Una vez conocida esta y elegida la configuración de los contactos, elegimos el tipo de interruptor que cumple las especificaciones necesarias.

La tabla siguiente muestra las de un modelo concreto de microrruptor, que es un interruptor para pequeña potencia.

TIPOVOLTAJE

MÁXIMO

CARGA NO INDUCTIVA CARGA INDUCTIVA CORRIENTE DE CIERRE

DEL CIRCUITOCARGA RESISTIVA CARGA LÁMPARA CARGA INDUCTIVA CARGA MOTOR

21 A250 V (c.a.) 21 A 3 A 12 A 4 A

50 A30 V (c.c.) 14 A 5 A 12 A 4 A

Al hablar de las características eléctricas de los componentes de un sistema de control, se denomina carga a cualquier componente capaz de absorber una determinada intensidad de corriente. Por eso, se mide en amperios (A).

Según el tipo de componente, distinguimos entre cargas resistivas e inductivas.

Las cargas resistivas se deben a componentes óhmicos, como las resisten-cias o las lámparas.

Las cargas inductivas las causan aquellos componentes en los que pueden producirse fenómenos de inducción electromagnética, como los motores.

Otras especificaciones de los interruptores que interesa conocer son la vida mecánica útil y la vida eléctrica útil.

La vida mecánica útil nos indica el número de actuaciones que puede efec-tuar el interruptor en función de la sobrecarga.

La vida eléctrica útil nos indica el número de actuaciones que puede llevar a cabo en función de la corriente de ruptura.

Señal de salida

Señal de entrada

Sistema electrónico

Dispositivos de entrada

Dispositivos de salida

Normalmente cerrado o NC

Normalmente abierto o NA

Conmutado

Fig. 2

Fig. 3


2.2. Pulsadores

Los pulsadores son operadores eléctricos de accionamiento manual ca-

paces de transmitir una señal eléctrica.

Los pulsadores presentan diferentes configuraciones de contactos. Las más habituales son NA/NC y NC/NC (fig. 4).

Como ocurre con los interruptores, los pulsadores se eligen en función de la aplicación y teniendo en cuenta sus especificaciones técnicas. La tabla siguiente recoge las correspondientes a un modelo concreto de los muchos que se comer-cializan en la actualidad.

VOLTAJE

MÁXIMO

CARGA NO INDUCTIVA CARGA INDUCTIVA CORRIENTE DE CIERRE

DEL CIRCUITOCARGA RESISTIVA CARGA LÁMPARA CARGA INDUCTIVA CARGA MOTOR

250 V (c.a.) 5 A 1 A 2 A 1,5 A10 A 20 A

30 V (c.c.) 4 A 2 A 3 A 3 A

Algunos modelos incorporan un LED o dispositivo luminoso que permite saber si el pulsador está activado o no (fig. 5).

2.3. Resistencias dependientes

Las resistencias dependientes son componentes electrónicos de natu-

raleza semiconductora cuya resistencia varía en función de la variación

de alguna magnitud o fenómeno físico que les afecta.

En este grupo podemos citar: las resistencias dependientes de la luz o LDR, los varistores o VDR y los termistores NTC y PTC.

Resistencias dependientes de la luz o LDR

La sigla LDR corresponde a la expresión inglesa Light Dependent Resistence, que se traduce como resistencia dependiente de la luz.

Su valor óhmico varía en función de la luz que incide sobre ella: la resistencia disminuye cuando se ilumina y aumenta en la oscuridad (fig. 6).

Rectangular

Cuadrado

Redondo

Lente

Etiqueta informativa

Embudo reflector

Interruptor

LED

Fig. 5

Fig. 4

Fig. 6

NA/NC

NC/NC


Varistores o VDR

La sigla VDR corresponde a la expresión inglesa Voltage Dependent Resistence, que se traduce como resistencia dependiente de la tensión.

Se trata, por tanto, de resistencias cuyo valor óhmico disminuye conforme au-menta la tensión que soportan. Por eso se utilizan como elementos de protec-ción de otros sistemas frente a cambios bruscos de tensión (fig. 7).

Termistores

Los termistores son resistencias cuyo valor óhmico se modifica cuando varía la temperatura a la que trabajan.

Pueden ser de dos tipos: NTC (fig. 8) y PTC (fig. 9).

La sigla NTC corresponde a la expresión inglesa Negative Temperature Coeffi-cient, que se traduce como coeficiente de temperatura negativo. Esto signi-fica que el valor óhmico de los termistores NTC disminuye conforme aumenta la temperatura.

La sigla PTC corresponde a la expresión inglesa Positive Temperature Coeffi-cient, que se traduce como coeficiente de temperatura positivo, lo que sig-nifica que el valor óhmico de los termistores PTC aumenta conforme aumenta la temperatura.

Sin embargo, el comportamiento de los termistores no es equivalente.

Así, mientras la resistencia de los termistores NTC varía exponencialmente con la temperatura, la de los termistores PTC obedece a una función matemática muy compleja y solo se comportan como tales en un intervalo determinado de temperaturas (fig. 10).

2. Explica por qué una bombilla es una carga desde el pun-

to de vista eléctrico. Justifica si se trata de una carga

inductiva o resistiva e indica en qué unidades se mide.

3. Explica qué diferencia existe entre un interruptor y un

pulsador.

— ¿Cuál se emplea habitualmente en los hogares? ¿Por

qué?

4. Al medir la resistencia de una LDR, situada en un circuito

electrónico de aplicación, obtenemos un valor de 50 V. Al

cabo de un rato, volvemos a medir y obtenemos un valor

de 10 kV. Explica a qué puede ser debido este cambio.

5. Observa las gráficas de variación de la resistencia con

la temperatura de un termistor NTC y un PTC y explica las

diferencias de comportamiento entre uno y otro.

AC

TIVID

AD

ES

2t °

1t °

Fig. 7

Fig. 8

Fig. 9

Fig. 10

Res

iste

ncia

(V

)

Temperatura (°C)

100

5

30 105

Res

iste

ncia

(V

)

Temperatura (°C)

Zona I

Zona II

Zona III

TERM

ISTO

R PT

C

TERMISTO

R NTC


3. Dispositivos de salidaSon aquellos que nos proporcionan una señal que deja constancia de que se ha producido un suceso.

Dependiendo del tipo de señal que proporcionan, clasificamos los dispositivos de salida en diferentes tipos.

Si la señal es acústica, se trata de timbres o zumbadores.

Si la señal supone el cierre o la apertura de un contacto, hablamos de relés.

Si la señal es luminosa, lo habitual es que se trate de un diodo LED.

Por último, si la señal supone emitir un mensaje numérico o alfanumérico, se emplea un visualizador.

Los analizaremos con detalle a continuación.

3.1. Timbres

Los timbres son operadores eléctricos capaces de generar una señal

acústica a partir de una señal eléctrica.

Los timbres convencionales constan básicamente de un electroimán, una vari-lla elástica, un martillo, una campana y un elemento ruptor (fig. 11).

Funcionan del modo siguiente (fig. 12):

— Al apretar el pulsador P, se cierra el circuito a tra- vés del elemento ruptor R y de la varilla elástica V. El electroimán genera un campo magnético que atrae a esta y el martillo M golpea la campana C.

— Como consecuencia de la atracción, la varilla se sepa-ra del elemento ruptor, con lo que se abre el circuito y el electroimán se desconecta. La elasticidad de la varilla hace que esta vuelve a la posición original.

— Al hacerlo, vuelve a unirse al elemento ruptor y a cerrar el circuito, con lo que se repite el ciclo mientras mantengamos presionado el pulsador.

El timbre convencional ha caído en desuso, ya que causa interferencias en los circuitos electrónicos que montan los aparatos de radio y televisión.

Existe una variante de timbre llamado timbre de carillón que funciona del modo siguiente (fig. 13).

— Al apretar el pulsador P, el núcleo móvil N del interior de la bobina se desplaza hacia uno de los lados y golpea la campana 1 produciendo un sonido cuyo tono depende de las características de la campana.

El movimiento del hierro no abre el circuito, por lo que el electroimán lo mantiene atraído.

— Al soltar el pulsador, el núcleo móvil regresa a su posición inicial y golpea la campana 2 produciendo otro sonido diferente, que también depende de las características de la segunda campana.

P

2 21 1

N

P

R

VM

C

P

R

VM

C

PN

Fig. 13

Fig. 12

Fig. 11


3.2. Zumbadores

Los zumbadores son operadores eléctricos capaces de generar una

señal acústica a partir de una señal eléctrica.

Como puede apreciarse, se trata de una definición idéntica a la del timbre. Lo único que varía es el tipo de señal acústica ya que, en lugar de martillo y cam-pana, disponen de una lámina metálica (fig. 14).

Funcionan del modo siguiente (fig. 15).

— Al accionar el pulsador P, se cierra el circuito que activa el electroimán. Este atrae a la pletina 1, la cual golpea la pletina 2 produciendo un ruido carac terístico.

— El conjunto al que está unido la pletina 1 se separa del tornillo de ajuste T y el circuito se abre. El electroimán queda sin corriente y la pletina 1 retorna a su posición inicial.

— Al volver a tomar contacto con el tornillo de ajuste, se cierra de nuevo el circuito y la pletina 1 vuelve a ser atraída.

El ciclo se repetirá mientras mantengamos presionado el pul sador.

3.3. Zumbadores piezoeléctricos

Son zumbadores que basan su actuación en el efecto piezoeléctrico, que es la propiedad que presentan determinados materiales, como el cuarzo, los plás ticos y algunos cerámicos, de generar electricidad cuando se les somete a un esfuerzo de torsión.

El efecto piezoeléctrico también se puede dar en sentido contrario: si se le aplica al material una corriente eléctrica, se produce un movimiento vibratorio.

Supongamos un disco delgado de cuarzo con conexiones eléctricas por ambas caras (fig. 16).

— Si sometemos el disco a una corriente eléctrica variable de una frecuencia alta, el disco se pone a vibrar, comprime el aire y emite ondas sonoras.

— Si disponemos un circuito adicional de forma que, al conectar la alimenta-ción, suene el disco en un tono prefijado, hemos conseguido un zumbador piezoeléctrico.

Este tipo de dispositivos se emplea en equipos de procesamiento de datos (teclados, discos duros, etc.), instrumentos electrónicos, equipos médicos y, en general, en cualquier equipo electrónico que tenga que producir avisos sonoros.

La tabla siguiente recoge las características técnicas de timbres y zumbadores.

TIMBRE

CONVENCIONALZUMBADOR

ZUMBADOR

PIEZOELÉCTRICO

Alimentación 6-12 V en c.c.

12-24-48 V en c.a.

12-24 V en c.c.

24-100 V en c.a.9 V

Consumo 0,3-0,6-1,2 A en c.a. 0,08-0,45 A en c.a. 7 mA

Frecuencia 100 Hz 100 Hz 3,4 KHz

Potencia 95 dB 100 dB 90 dB

Fig. 14

T

P

Pletina 1

Pletina 2

Fig. 15

V

Conexiones eléctricas

Disco de cuarzo

Fig. 16


3.4. Relés

Un relé es un operador electromagnético que permite abrir, cerrar o

conmutar uno o varios circuitos, según la posición de sus contactos.

Los relés están formados por varios elementos: el electroimán, el elemento móvil y los contactos (fig. 17).

El electroimán está constituido por un núcleo magnético y una bobina.

Si el relé va a trabajar en corriente continua, el núcleo es de acero ma-cizo. Pero si lo va a hacer en corriente alterna, está formado por un conjunto de chapas aisladas entre sí para evitar al máximo las pérdi-das. Además, estos últimos disponen de una espira de sombra cuyo fin es impedir que la armadura golpee sobre el núcleo cada vez que la corriente pase por cero.

La bobina va devanada sobre baquelita o un material termoplástico y está formada por varias capas de hilo de cobre electrolítico aislado con esmalte.

Si el relé va a trabajar en corriente continua, la bobina es de muchas espiras y de hilo muy fino. En cambio, si lo hace en corriente alterna, es de hilo más grueso y de menos espiras.

El elemento móvil está formado por una chapa, un pivote, una varilla y un sistema de amortiguación.

Cuando la chapa es atraída por el electroimán, gira gracias al pivote y actúa sobre la varilla, que desplaza la posición de los contactos.

El sistema de amortiguación tiene por misión oponer un par al generado por la bobina y el electroimán para que el relé vuelva a la posición inicial, una vez cese la acción electromagnética, y que tenga un umbral de funcionamiento, por debajo del cual no pueda funcionar.

Los contactos son los elementos del relé sometidos a esfuerzo mecánico —se cierran y se abren— y por los que pasa corriente eléctrica.

La forma de los contactos es decisiva para su duración. La más común es la convexa: a igual fuerza existe una mayor presión y también se favorece la extinción del arco eléctrico cuando se separan los contactos (fig. 18).

También han de reunir otras condiciones tales como: buena conductividad eléctrica, buena conductividad térmica, baja resistencia de contacto, buena resis-tencia a la erosión producida por el arco eléctrico y gran resistencia mecánica.

Los materiales utilizados en su construcción son aleaciones de plata-cadmio, de platino-iridio, etc.

Los relés comerciales pueden ser de uno, dos o cuatro contactos (fig. 19).

Los de un solo contacto actúan como interruptores: cuando se activan, cierran el circuito y, cuando se desactivan, lo abren.

Los de dos contactos actúan como conmutadores: cuando se activan, cierran uno de los circuitos y abren el otro; y, cuando se desactivan, abren el primero y cierran el segundo.

Los de cuatro contactos pueden emplearse como conmutadores de cruce.

Elemento móvil

Contactos

Electroimán

Chapa

Pivote

Varilla

Fig. 19

Fig. 17

Fig. 18


Funcionamiento de un relé

Los relés se conectan a varios circuitos: uno electromagnético, que es el que acti-va el electroimán, y los demás, eléctricos, que son los que gobierna el dispositivo. Todos ellos se conectan al relé a través de las conexiones externas.

Veamos cómo funciona un relé simple de un solo contacto (fig. 20).

— Cuando se cierra el circuito A que activa el electroimán, este atrae una lámina metálica L que forma parte del elemento móvil.

— La lámina, al desplazarse, mueve una pieza que empuja el el contacto 1 y lo conecta con el contacto 2. De este modo se cierra el circuito B y la lámpara se enciende.

— Cuando cesa la acción del electroimán, un resorte R obliga a la lámina a volver a su posición inicial. Los contactos 1 y 2 se separan de nuevo, se abre el circuito B y se apaga la lámpara.

3.5. LED

Un LED (sigla LED corresponde a la expresión inglesa Light Emitting

Diode) es un diodo capaz de emitir luz.

Como ya sabemos, en una unión PN de dos cristales semiconductores —el dio-do convencional— la energía absorbida para generar pares electrón-hueco es emitida de nuevo, en forma de radiación, cuando estos se recombinan al otro lado de la unión.

Esta radiación puede estar o no dentro del espectro visible. Si selec-cionamos adecuadamente los materiales, podemos conseguir que la radiación se ajuste a un determinado color del espectro (fig. 21). Así:

Para conseguir el color rojo se utilizan aleaciones de aluminio y arseniuro de galio.

Para lograr un diodo de color verde, se emplea galio y fósforo.

El color azul se consigue con galio, nitrógeno y cinc, o selenio.

Desde el punto de vista del ojo humano, es evidente que podemos distinguir los LED por el color de emisión.

Desde el punto de vista eléctrico también hay diferencias significativas: así, un LED de color rojo funciona con una tensión ligeramente menor que el LED de color verde, aunque la intensidad de funcionamiento es semejante.

1 2 1 2

R

L

R

B A

L

Fig. 20 B A

Fig. 21


Funcionamiento de los LED

Este tipo de dispositivos precisa una tensión mínima para emitir luz (entre 1,5 y 2 V). Como las fuentes de alimentación suelen suministrar corriente continua de un voltaje superior, es necesario intercalar una resistencia en serie en el circuito (fig. 22).

Por otra parte, como los LED solo conducen la corriente en un sentido, hay que conectarlo correctamente para que funcione.

El cátodo se identifica fácilmente: es el electrodo plano del interior de la cápsula o bien el terminal corto (fig. 23).

Los LED tienen múltiples aplicaciones en equipos de música, ordenadores o tevisores (fig. 24), como visualizadores, para comunicaciones ópticas y como optoacopladores.

Actualmente, existen LED que incorporan en el mismo encapsulado un disposi-tivo electrónico integrado. Cuando este se conecta a una tensión entre 5 y 12 V producen una frecuencia de parpadeo del LED.

Este fenómeno se aprovecha, por ejemplo, en las alarmas o simuladores de alarmas de vehículos y establecimientos.

3.6. Visualizadores o displaysLos LED simplemente dan una indicación luminosa. Un paso más en la señaliza-ción visual de los fenómenos que se quieren controlar son los visualizadores, ya que nos permiten leer un mensaje (fig. 25).

Una construcción de siete LED en forma rectangular y con una distribución ade-cuada, permite formar casi todas las cifras y letras de nuestro alfabeto. A estos dispositivos se les llama displays de siete segmentos (fig. 26).

a

b

c

d

e

f

g

Fig. 26

Encapsulado LED Cátodo Ánodo

Fig. 23

Fig. 22

Fig. 24

Fig. 25. Los relojes digitales constituyen un ejemplo de visualizador. En su pantalla es posible leer varios mensajes: la hora (horas, minu-tos y segundos), el día, el mes y el año.

7 V 2 V

9 V


Funcionamiento de un display de siete segmentos

Cada LED del display está conectado a un terminal, de manera que se ilumina cuando recibe corriente por él. Las combinaciones de diferentes impulsos determinan que se iluminen unos u otros segmentos y se configure un dígito o una letra.

Vea mos algunos ejemplos en la tabla siguiente.

MENSAJE

A C H 2 7 9

SEGMENTOS

QUE SE

ILUMINAN

a a a a a

b b b b b

c c c c

d d d

e e e e

f f f f

g g g g

Un paso más en la evolución de estos dispositivos dio lugar a los visualizadores de cristal líquido. Estos se basan en el ennegrecimiento o no de determina- das zonas del cristal en función de la polarización de este. La polarización se con-sigue por la acción de un campo eléctrico y con un circuito electrónico de control. Se trata de dispositivos compactos que incluyen todos los elementos necesarios (fig. 27).

Display de 14 segmentos

El display de 7 segmentos tiene algunos

problemas para representar los caracte-

res numéricos y alfanuméricos. Así:

El 1 se confunde con la I.

El 5 se confunde con la S.

La V, la R, la G y otras letras tienen difi-

cultades para ser representadas.

Para evitarlo, se desarrolló un nuevo dis-play de 14 segmentos en el que se in-

cluyen algunas diagonales y líneas inter-

medias.

6. Reproduce en tu cuaderno los esquemas de funcionamiento de un timbre

convencional y de un zumbador electromagnético.

— Explica el funcionamiento de cada uno.

7. Determina el valor de la resistencia de la figura si las características del LED

son: I 5 10 mA; V 5 2 V. Considera despreciable su resistencia interna.

AC

TIVID

AD

ES

V 5 5 V

Fig. 27

g2g1

h

k

i

l

j

mdp

a

d

b

c

f

e


4. Dispositivos de procesoHasta este momento hemos indicado que cualquier sistema electrónico necesi-ta la energía eléctrica que suministra una fuente de alimentación.

Hemos analizado también los dispositivos de entrada y valorado su necesidad para introducir señales dentro del sistema. Después hemos analizado los dispo-sitivos de salida, que son los que nos van a proporcionar una señal que nos con-firme que se ha producido un suceso.

Ahora necesitamos algún artefacto que sea capaz de procesar la señal que in-troducimos con los disposi tivos de entrada y, a continuación, la envíe a los dis-positivos de salida. Esta función la desempeñan los dispositivos de proceso.

Así pues, todo sistema electrónico está formado por tres tipos de dispositivos: los de entrada, los de salida y los de proceso, que reciben energía de la fuente de alimentación (fig. 28).

Los dispositivos de proceso se pueden construir a partir de componentes sim-ples (resistencias, condensadores, diodos, transistores, etc.), aunque, en la actua-lidad, la mayoría están construidos mediante circuitos integrados. De ellos nos ocuparemos a continuación.

4.1. Circuitos integrados

Un circuito integrado es un dispositivo formado por numerosos componentes simples que se integran todos juntos —de ahí su nombre— en el interior de una pastilla. Esta pastilla recibe diversas denominaciones: chip, microchip o, en términos coloquiales, cucaracha, por su forma negra y la cantidad de patas que tiene (fig. 29).

Una vez integrados todos los componentes dentro de la pastilla, ya no es posi-ble acceder a ellos de modo individual y tampoco existe la posibilidad de iden-tificarlos visualmente.

Funciones

Actualmente, los circuitos integrados están presentes en la mayoría de nuestras actividades cotidianas, tanto las domésticas como las industriales.

Entre las domésticas podemos citar los relojes digitales, los ordenadores, los aparatos reproductores de imagen y sonido (grabadoras, magnetoscopios, cá-maras de vídeo, televisores, etc.), las calculadoras, las tarjetas de crédito y algu-nos electrodomésticos de línea blanca (frigoríficos, lavadoras, lavavajillas, etc.).

Entre las industriales destacan los sistemas de control de tráfico, la planifica-ción del trabajo de algunas máquinas herramientas, etc.

Señal de entradaDispositivos de entrada

Dispositivos de proceso

Fuente de alimentación


SISTEMA ELECTRÓNICO

Señal de salida

Fig. 28

Fig. 29


Clases

Atendiendo al tipo de señal que son capaces de procesar, los circuitos integra-dos pueden ser analógicos o digitales.

Los microchips analógicos funcionan con señales eléctricas que varían de forma continua con el tiempo, como los sonidos, la intensidad de corriente o la luminosa (fig. 30).

Los microchips digitales funcionan con señales que adoptan valores fijos. Estos valores reciben el nombre de bits: 1, para el circuito cerrado, y 0, para el circuito abierto (fig. 31).

Atendiendo a su constitución, es decir, al número de componentes que hay en su interior, se podrían clasificar en pequeños, medianos, grandes y muy grandes.

Los pequeños se utilizan en aplicaciones simples y pueden tener algunos centenares de componentes.

Los muy grandes, en cambio, pueden llegar a albergar varios millones. Así, un microprocesador de los que se utilizan en la actualidad en los ordenadores, tiene una superficie de aproximadamente 4 cm2 y en él se alojan alrededor de 40 millones de componentes. Y, paradójicamente, más de la mitad de la su-perficie se destina a las conexiones eléctricas con el exterior y a la disipación del calor que se genera.

El número de componentes evoluciona a tal velocidad que no merece la pe- na establecer una clasificación atendiendo a este criterio, ya que se quedaría obsoleta en poco tiempo.

Una clasificación más duradera sería la que aparece en la tabla siguiente.

CLASIFICACIÓN DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

TIPO DE CIRCUITO APLICACIONES

Básico Puertas lógicas (AND, NAND, NOR, etc.)

Para subsistemas Sumadores, multiplexores, etc.

Para sistemas Microprocesadores, GPS, etc.

La apariencia externa de los circuitos integrados es seme-jante: se trata de rectángulos o cuadrados con patillas. La diferencia radica en el tamaño y en la función que desem-peñan (fig. 32).

La tendencia actual de construir circuitos cada vez más pequeños conduce al uso masivo de componentes de montaje superficial, conocido con la sigla SMD.

Fig. 30 Fig. 31

Fig. 32

Magnitud

t

Magnitud

t


4.2. Técnicas básicas de construcción

Los materiales básicos para la construcción de los circuitos integrados son del tipo semiconductor y, de ellos, el más utilizado con diferencia sobre los demás es el silicio.

Para la fabricación se utilizan obleas de silicio de 0,25 mm de espesor. Esta oblea tiene forma de patata frita y, por ese motivo, se la conoce con el nombre de chip (patata frita en inglés).

El grado de pureza del silicio que se emplea en esta oblea es muy elevado: va-rios millones de átomos de silicio por cada uno de impureza. Se parte de este material porque, durante el proceso de fabricación, hay que impurificarlo con átomos diferentes y, en función del material resultante, su comportamiento eléctrico (cristal tipo N o tipo P) será uno u otro.

El proceso básico de fabricación se resume en el diagrama siguiente (fig. 33).

Vamos a detallar un poco más cada una de las etapas del proceso de construcción.

Generación de máscaras

— Antes de comenzar la fabricación de un circuito integrado es necesario ex-plicitar con mucha precisión las especificaciones del circuito: qué va a hacer y cuáles son sus características eléctricas y mecánicas, así como la frecuencia de trabajo.

— Hemos comentado que el circuito integrado se construye sobre una oblea de silicio. El LAYOUT consiste en dibujar en un plano, sobre el silicio, los dis-tintos componentes (resistencias, condensadores, diodos, transistores, etc.) que forman el circuito integrado.

Evidentemente, este proceso no se puede realizar de forma manual. En la actualidad existen herramientas informáticas (hardware y software) muy potentes que facilitan enormemente la labor.

— Una vez realizado el dibujo se generan las máscaras patrón, similares a unos fotolitos que se colocan después sobre el silicio.

Especificaciones del circuito

Realización del LAYOUT


patrón

Aislamiento

Difusión

Generación

de contactos

Metalización

Creación

de pads

Marcaje

Separación

Test

Conectado

Encapsulado

Test

Identificación y transporte

Fig. 33


Procesado de obleas

Encapsulado y test


Procesado de obleas

Sabemos que una oblea es un disco de silicio de unos 12 cm de diámetro y 0,25 mm de espesor sobre el que se coloca la máscara patrón y que, mediante unos procesos físico-químicos, se obtiene el circuito integrado. Los pasos bási-cos son los siguientes (fig. 34).

Marcaje

Separación

Test

Conectado

Encapsulado

Test

Identificación y transporte

— Aislamiento: sobre la superficie de silicio se deposita un capa aislante fo-tosensible.

— Difusión: se difunden sobre las zonas no sensibilizadas las impurezas ade-cuadas.

— Generación de contactos: se generan los contactos ne cesarios para la co-nexión interna de los componentes del circuito integrado.

— Metalización: se metalizan los contactos.

— Creación de pads: se generan los contactos que permiten al circuito inte-grado comunicarse con el exterior.

Encapsulado y test

Si pensamos en las dimensiones de un circuito integrado y tenemos en cuenta las dimensiones de una oblea, deduciremos fácilmente que no se utiliza toda la oblea para la fabri cación de un único circuito integrado. Lo normal es que en una misma oblea se construyan muchos circuitos integrados, con el fin de aprovecharla al máximo.

Los pasos básicos se rían (fig. 35):

— Marcaje: se marcan sobre la oblea todos los circuitos que se han de realizar.

— Separación: una vez se han realizado todos los circuitos se procede a su separación.

— Test: cuando ya se tiene el circuito integrado, antes de seguir con el pro ceso, es conveniente y necesario comprobar el funcionamiento del mismo.

— Conectado: si el funcionamiento es correcto se procede al conexionado que permitirá comunicar el circuito integrado con el exterior.

— Encapsulado: con el fin de manipular físicamente el circuito se recubre de algún material que lo haga robusto y permita evacuar el calor que se genera durante el funcionamiento.

— Test: es posible que durante el conexionado o el encapsulado se deteriore el circuito. Por ello se han de realizar nuevas pruebas que garanticen el resul-tado final.

— Identificación y transporte: si todos los pasos anteriores han sido satisfac-torios, se identifica el circuito integrado (nombre, fabricante, serie) y se sumi-nistra a los distribuidores.

Aislamiento Difusión Generación de contactos

Metalización Creación de padsFig. 34

Fig. 35


REC

UR

SOS

MU

LTIM

EDIA

8. Para familiarizarte con el simulador, practica con los interruptores y los pulsadores que ofrece, y consigue el encendido

o el apagado sobre los distintos LED (fig. 36).

Debes tener presente que para construir o modificar el circuito, el módulo tiene que estar apagado.

— Dibuja una línea de cable. Para ello, primero, presiona sobre una casilla libre y, a continuación, arrastra el ratón y libera

sobre otra casilla libre.

— Para retirar un cable, pulsa con el botón derecho del ratón sobre una casilla que contenga un extremo del cable.

Simulación de circuitos digitales

El Simulador de Construcción de Circuitos Digitales con Escenarios Virtuales es un programa para sistemas operativos Microsoft

Windows que permite construir circuitos digitales usando modelos lógicos de circuitos integrados.

Este software ha sido diseñado para ser empleado como una herramienta de enseñanza y aprendizaje del diseño digital. Es una herramien-

ta totalmente gratuita, pudiéndose descargar el programa (comprimido en formato zip) en la siguiente dirección de Internet:

http://tourdigital.net/Simuladores/SimuladorDigital_095.zip

El programa simulador es directamente ejecutable; es decir, no necesita instalación ninguna.

18 LED: 8 rojos, 4 amarillos y un arreglo de 6 LED de un semáforo

Alimentación VCC (voltaje en corriente

directa) y GND (tierra)

Interruptor principal, con LED indicador

de módulo encendido

Protoboard

o placa de pruebas

3 visualizadores de siete segmentos

Un expansor de 18 pines para interfaz con los

escenarios o ejercicios que propone el simulador.

4 pulsadores azules12 interruptores: 4 verdes y 8 rojos 2 temporizadores: un reloj de 1 Hz y otro de 10 Hz

Cables para unir las casillas

de la protoboard o placa

LED encendidos

Interruptores y pulsadores accionados

Módulo encendido

Fig. 36


REC

UR

SOS M

ULTIM

EDIA

9. Controla los 3 displays de 7 segmentos a través de los 8 interruptores.

— Del interruptor 1 origina 3 salidas, con cable de un

mismo color.

— Repite el proceso con los otros 7 interruptores. Utiliza

para cada uno de ellos cable de un color diferente,

para dar una mayor claridad en la composición del

circuito (fig. 37).

— Para variar el color del cable, accede en la barra de

menú a la opción Cable. Puedes cambiar el color y la

anchura del cable.

— Observa cómo los displays muestran la misma infor-

mación.

— Para practicar, realiza todas las combinaciones posi-

bles con las 8 entradas.

10. Control digital del comportamiento de una bomba en un tanque de agua.

— Accede a la opción Escenarios de la barra de menú. A continuación, esco-

ge la opción Bomba de agua (fig. 38).

— Mueve hacia la derecha la barra de desplazamiento horizontal para poder

visualizar en el simulador el escenario correspondiente a la Bomba de

agua (fig. 39).

Para el manejo y el control de los distintos escenarios propuestos por el simulador, es necesario el desplazamiento

horizontal de un lado a otro, ya que en la pantalla no se puede mostrar toda la información de una vez.

— Observa que en el simulador, dos sensores, pin 11 y 13, comunican mediante LED la situación del tanque de agua.

— Une mediante cable un pulsador con el pin 15, el activador del relé de la bomba de agua.

— Si accionas el pulsador, la bomba de agua se pone en funcionamiento. La bomba adquiere color rojo y se llena el tanque.

— Si haces clic sobre la llave de paso del tanque, abres o cierras la salida de agua del tanque.

— Observa el comportamiento de los sensores durante las sucesivas maniobras.

Fig. 37

Fig. 38

Fig. 39

Sensores de control


AC

TIV

IDA

DE

S6 16. Explica el funcionamiento de un relé. Puedes observar la

animación que presenta esta página web:

http://www.youtube.com/watch?v=QjszJEncew8


17. Describe brevemente en qué se diferencia un circuito inte-

grado simple (por ejemplo, una puerta NAND) de un micro-

procesador de última generación.

18. Justifica por qué se construyen varios circuitos integrados

sobre una sola oblea de silicio.

19. Razona brevemente por qué es necesario encapsular el sili-

cio de un circuito integrado y qué interés tiene efectuar

un test antes de encapsularlo.

20. Formad un equipo de trabajo y confeccionad un circuito

que permita encender y apagar un LED, con una secuencia

de 0,5 segundos aproximadamente.

Sugerencia:

La forma más sencilla es construir un circuito multivibrador

que no tiene ningún estado estable, es decir, que va cam-

biando simultáneamente de uno a otro estado sin solución

de continuidad.

Podéis emplear un circuito integrado (555) por su sencillez

y por ser la solución más utili zada. El funcionamiento de

este circuito se basa en el mismo principio que los tempori-

zadores: carga y descarga de un condensador.

El esquema electrónico aparece representado en la figura

siguiente.

Fuentes de alimentación

11. Busca una fuente de alimentación inservible y desmóntala

cuidadosamente.

a) Identifica en su interior el transformador y el circuito

electrónico.

b) Describe el aspecto que presenta cada uno de estos

componentes y enumera los elementos que te resulten

conocidos.

12. Busca información en Internet sobre los sistemas de ali-

mentación ininterrumpida (SAI).

a) ¿Qué función desempeñan?

b) ¿Qué equipos electrónicos de tu hogar y de tu centro

de estudios consideras que deberían disponer de ellos?


13. Queremos gobernar una bombilla por medio de dos in-

terruptores, de manera que se pueda apagar o encender

desde cualquiera de ellos.

a) Indica qué configuración de contactos deben presentar

los interruptores.

b) Dibuja el esquema eléctrico del circuito de gobierno

de la bombilla.


14. ¿Qué diferencia hay entre un timbre y un zumbador?

15. Lleva a cabo el análisis anatómico, funcional y técnico de

un relé comercial. Ten en cuenta los aspectos siguientes:

— Para el análisis anatómico, la forma, las dimensiones

y los elementos componentes.

— Para el análisis funcional, la función global del relé y la

función de cada elemento componente.

— Para el análisis técnico, los materiales empleados, los

procesos de fabricación y las normas de uso y seguridad.

Si no puedes localizar ninguno en el aula taller, utiliza el

modelo que aparece en la figura.

Elemento móvil

Contactos

Electroimán

Chapa

Pivote

Varilla

Los valores de los componentes utilizados son:

— Circuito integrado: TLC555

— Resistencias: R1 5 56 KV

R2 5 560 KV

R3 5 2,2 KV, 1/4 W

— Condensadores: C1 5 2,2 nF

C2 5 0,01 nF/40 V

— LED: color rojo.

C1

C1

R3

R2

R1

VDD15 V

LED

1 2

4 8 75

63


23. Completa en tu cuaderno el esquema con los principales contenidos de la unidad.

SÍNTESIS

REF

UER

ZO

AM

PLIA

CIÓ

N21. Identifica a qué componentes corresponden cada una

de las definiciones.

— Indica también si se trata de componentes de entra-

da, de salida o de proceso.

a) Dispositivo formado por un gran número de com-

ponentes electrónicos insertados en una única

pastilla u oblea.

b) Operadores capaces de transmitir una señal eléc-

trica cuando se accionan de forma manual.

c) Diodo capaz de emitir luz.

d) Operador electromagnético que permite abrir,

cerrar o conmutar uno o varios circuitos, según la

posición de sus contactos.

e) Componentes electrónicos de naturaleza semi-

conductora cuya resistencia varía en función de la

variación de alguna magnitud o fenómeno físico

que les afecta.

f) Operadores eléctricos capaces de generar una se-

ñal acústica a partir de una señal eléctrica.

g) Dispositivo formado por un conjunto de LED que

permite leer mensajes.

h) Componente capaz de producir un movimiento vi-

bratorio cuando se le aplica una corriente eléctrica.

R

22. Formad un equipo de trabajo y confeccionad una fuen-

te de alimentación programable de 2 a 15 V, que sea

capaz de suministrar una intensidad máxima de salida

de 1 A.

Sugerencia:

Utilizad un circuito integrado que sea regulador-estabili-

zador de tensión.

El esquema electrónico aparece representado en la figura

siguiente.

A

Determinad previamente las características de los com-

ponentes que tendréis que utilizar.

R1

R2

O

A

I

PC

220 V LM 31712

SISTEMAS ELECTRÓNICOS

Fuente de alimentación




Componentes Transformador

...................................... Rectificador y .......................

Regulador y ...........................

Interruptores

.............................

Resistencias dependientes

Funciones Domésticas: ......................................

Industriales: ......................................

Clasificación Por el tipo de señal que procesan: .................................

Por el número de componentes: ......................................

Dispositivo capaz de .......................

Los más habituales son los ......................., también llamados .......................

LDR: dependen de ..................................

Varistores VDR: dependen de ...................

Termistores NTC y PTC: dependen de ..............

Zumbadores y timbres: son capaces de generar .................................................

Zumbadores piezoeléctricos: basan su actuación en ..............................................

Relés: según la posición de sus contactos permiten .................................................

LED: se trata de un ................... que es capaz de generar ..........................................

Visualizadores: permiten leer mensajes. El más conocido es ............................


TRABAJA LAS COMPETENCIAS BÁSICAS

DNI electrónico

Los ciudadanos y las ciudadanas de muchos países disponen de un documento emitido por la au-toridad administrativa compe-tente que sirve para su identifica-ción personal.

En España este documento es el documento nacional de identidad o DNI, creado en al año 1944, y del que han existido siete modelos diferentes. A lo largo del tiempo, ha ido variando su forma, la infor-mación presente y las medidas de se guridad hasta llegar al actual modelo electrónico, que se empezó a emitir en marzo de 2006 y que está en proceso de implantación a la totalidad de la población.

¿Dispones ya de un DNI electrónico? ¿Conoces sus características? ¿Sabes por qué se llama electrónico?

24. Para conocer las características del DNI electrónico y las ventajas que presenta puedes consultar las siguientes páginas:

http://www.dnielectronico.es/

http://www.xataka.com/hogar-digital/como-usar-el-dni-electronico

Responde a estas preguntas:

a) El DNI incorpora un circuito integrado o chip. ¿Qué información en formato digital proporciona?

b) ¿Para qué se puede utilizar? ¿Cuáles son sus ventajas?

c) ¿Qué es la firma electrónica?

d) ¿Qué dispositivos físicos son necesarios para usar el DNI electrónico?

25. ¿Crees necesario un documento como el DNI? ¿Añadirías o suprimirías alguna información en el chip?

26. Señala las ventajas y los inconvenientes, si los tiene, a la hora de llevar a cabo trámites y gestiones a través de Internet, utilizando métodos electrónicos, frente al tradicional de tener que personarse físicamente para la realización de estos.

27. Compara la firma tradicional con la electrónica. Recuerda que la firma caligráfica o tradicional sirve para autentificar la identidad de un autor o remitente y expresa nuestra personalidad, cómo nos vemos, cuál es la imagen que tenemos de nosotros mismos y la forma en que nos proyectamos al exterior.

28. La letra que forma parte del DNI no es una letra arbitraria, está relacionada con el resto de la división del número completo del DNI entre 23 según la tabla de equivalencias adjunta:

RESTO 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

LETRA T R W A G M Y F P D X B N J Z S Q V H L C K E

a) Señala la letra que completa los siguientes DNI: 30647132, 01932166 y 22654321.

b) ¿Cómo tienen que ser dos DNI para que tengan la misma letra? Pon dos ejemplos.

1596. Sistemas electrónicos

EVALUACIÓN

5. Razona por qué los zumbadores pueden funcionar indis-

tintamente en corriente continua o en corriente alterna.

6. Explica el principio de funcionamiento de un relé.

— Indica, al menos, una aplicación de este tipo de dis-

positivos.

7. Explica qué significa la sigla LED.

a) ¿Se trata de un componente bidireccional; es decir,

puede conducir en los dos sentidos? Razona tu res-

puesta.

b) Indica alguna aplicación de este dispositivo.

c) ¿Cómo se consiguen los distintos colores en la luz

que emiten?

d) ¿Qué tensión necesitan para funcionar?

e) ¿Qué es un display de 7 elementos?

8. Indica por qué es necesario que el silicio que se utiliza

para fabricar circuitos integrados sea muy puro.

9. ¿Qué es un circuito integrado?

— Clasifica los circuitos integrados según su aplicación

y señala algunas de ellas del ámbito doméstico.

1. Señala alguna aplicación de una fuente de alimentación

de corriente continua.

2. Queremos construir una fuente de alimentación de

corriente continua con salida de 2 a 40 V.

— Enumera qué componentes tendremos que utilizar

y cuál será la función de cada uno.

3. En una fuente de alimentación conectada a la red de

220 V, la tensión a la salida del secundario del transfor-

mador es de 24 V.

— Indica qué tensión marcará un polímetro a la salida

del circuito electrónico y justifica tu respuesta.

4. Queremos proteger un componente electrónico me-

diante una NTC y otro mediante una PTC.

— Indica dónde habría que conectar el termistor en cada

caso y la forma de conexión (en serie o en paralelo).

La tecnología de fabricación de circuitos integrados ha permitido

obtener componentes extraordinariamente pequeños capaces de

realizar una gran variedad de funciones.

Busca información en la Red y averigua:

— Qué significan las siglas SSI, MSI, LSI, VLSI y ULSI.

— Cuáles son las ventajas de los circuitos integrados y qué incon-

venientes presentan.

— Qué características presentan los circuitos integrados TTL

y cuáles son sus principales aplicaciones.

Puedes consultar en:

http://www.notycs.com/2007/11/circuitos-integrados

historiadefinicion.html

http://www.unicrom.com/Dig_Familia_TTL.asp

http://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado

MINI WEBQUEST

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