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Principios Elctricos Y

Aplicaciones Digitales

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Principios elctricos y aplicaciones digitales

OBJETIVO GENERAL: Desarrollar aplicaciones electrnicas, manejando instrumentos de

medicin que ayuden a implementar el diseo de circuitos digitales, que solucionen

problemas computacionales.

INDICE

CAPITULO No. 1.- ELECTRONICA ANALOGICA.

1.- Corriente elctrica.

1.1.- Introduccin.

1.2.- Corriente Directa (CD).

1.3.- Corriente Alterna (CA).

2.- Elementos de circuitos bsicos.

2.1.- Pasivos. (ejem: Resistencia, capacitor, y bobina)

2.2.- Activos. (ejem: Transformador, fuente de alimentacin, etc.).

3.- Anlisis de circuitos.

3.1.- Tcnicas de solucin para circuitos de CD y CA.

3.2.- Circuitos RLC.

4.- Caractersticas de los semiconductores.

4.1.- Silicio y Germanio.

4.2.- Materiales tipo p y n.

5.- Dispositivos semiconductores.

5.1.- Diodos. (Diodo normal, Diodo Zener, LED, Fotodiodo,

Fotocelda, Fotorresistencia y Optoacoplador).

5.2.- Transistores: Bipolares (NPN y PNP), FET y MOSFET.

5.3.- Tiristores: (SCR, SCS, Triac y Diac)

6.- Aplicaciones con semiconductores.

6.1.- Rectificadores. (media onda, onda completa y tipo puente).

6.2.- Amplificadores.

6.3.- Osciladores.

6.4.- Conmutadores.

6.5.- Fuentes de poder.

7.- Amplificadores operacionales (AmpOp).

7.1.- Introduccin a los circuitos integrados (CIs)

7.2.- Configuraciones principales. (Amplificador Inversor, No Inversor,

Sumador, Integrador, Restador, Diferenciador).

8.- Circuitos de Tiempo (MV).

8.1.- Caractersticas.

8.2.- Configuraciones. (monoestable, biestable y astable).

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4 Prcticas en el Laboratorio:

1- Diseo de un circuito elctrico con 10 resistencias para medir I, V y R (5 ptos).

2.- Diseo y medicin en prototipo de una Fuente Alimentacin regulada (20 ptos).

3.- Diseo de una CI 741 como Amplificador No inversor en 2 etapas. (5 ptos).

4.- Diseo de un circuito electrnico empleando CD, CA y un optoacoplador (10 ptos).

CAPITULO No. 2- ELECTRONICA DIGITAL.

1.- Sistemas Numricos.

1.1.- Representacin y conversiones entre diferentes bases. (Decimal,

Binario, Octal y Hexadecimal).

1.2.- Operaciones bsicas (suma, resta, multiplicacin y divisin).

1.3.- Cdigos Binarios (BCD, Gray, Exceso a 3 y ASCII).

2.- lgebra booleana.

2.1.- Teoremas y postulados.

2.2.- Compuertas lgicas (NOT, OR, AND, XOR, etc.)

2.3.- Simplificacin de funciones (Teoremas y postulados, Miniterminos,

Maxiterminos y Mapas de Karnaugh).

3.- Lgica combinacional.

3.1.-Anlisis, Sntesis y Diseo de circuitos.

3.2.- Diseo de circuitos combinacionales.

3.3.- Aplicaciones de los Circuitos Combinacionales MSI. (Exposiciones)

(Mux, Demux, Decoder, Coder).

4.- Lgica secuencial.

4.1- Flip-Flops. (Tipos: T, D, JK y SR).

4.2.- Aplicaciones de los Flip-Flops. (Registros y contadores).

4.3.- Diseo de circuitos secuenciales.

5.- Familias lgicas. (Exposiciones)

5.1.- Las 5 caractersticas ms importantes de las Familias Lgicas.

(Niveles lgicos, Factor de carga, Flujo/Reflujo de corriente, Disipacin

de potencia y Rapidez, y Nivel de ruido).

5.2.- TTL, ECL, MOS y CMOS.

5.3.- Familias ms recientes y de bajo voltaje (LVT, LV, LVC y ALVC).

4.- Prcticas en el Laboratorio:

5.- Operacin de las compuertas lgicas. (5 ptos.).

6.- Diseo de un circuito Combinacional (ejem.: Suma y Resta de 4 bits) (5 ptos.).

7.- Diseo de un circuito Secuencial (ejem.: Contador del 0 al 99 con displays). (10 ptos.).

8.- Diseo de un contador aleatorio sealando #s 0-15 con FF y LCDs (20 ptos.).

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CAPITULO No. 3- APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DIGITALES.

1.- Convertidores.

1.1.- Conceptos y caractersticas de los convertidores.

1.2.- Tipos: Analgico/Digital y Digital/Analgico.

2.- Lenguajes HDL.

2.1.- Dispositivos Lgicos Programables (PLD).

2.1.1.- Tipos, caractersticas y fabricantes.

2.1.2.- Pasos para el diseo con PLDs.

2.2.- Programacin de circuitos combinacionales con HDL

2.2.1.- Por captura esquemtica, por tabla de verdad, por ecuaciones

Booleanas y por descripcin de comportamiento.

2.3.- Programacin de circuitos secuenciales con HDL

2.3.1.- Por captura esquemtica, por tabla de verdad, por ecuaciones

Booleanas y por descripcin de comportamiento.

2.- Prcticas en el Laboratorio:

9.- Circuito de conversin de digital a analgico o de analgico a digital. (20 ptos.).

10.- Simulacin de la implementacin de un circuito con PLDs (20 ptos.).

ANEXOS

Manual de Prcticas

BIBLIOGRAFIA:

Electrnica Bsica Ed. Prentice Hall Aut. Grobb

ABC de la electrnica. Ed. Esteren

Lgica Digital y Diseo de Computadoras Ed. Prentice Hall Aut. M.Morris Manno

Diseo Digitales Principios y Prcticas Ed. Prentice Hall Aut. John F. Wakerly

Sistemas digitales (Principios y Aplicaciones) Ed. Prentice Hall Aut. Ronald J Tocci

VHDL El arte de programar sistemas digitales Ed. CECSA Aut. David G. Maxinez /

Jessica Alcal. TEC de Monterrey.

Notas:

Habrn 3 evaluaciones: en las que el 40 % ser de prcticas, 10 % reporte de las prcticas y el

50 % el examen escrito.

Para tener derecho a segundas oportunidades, necesariamente habrn pasado al menos una

evaluacin. Es decir en segundas solo podrn presentar 1 evaluacin el mismo da.

Habrn puntos extras para la calificacin de cada examen que ser por participacin durante

clases. Los puntos extras son para subir calificacin, no para pasar un examen.

No se cambiaran fechas de evaluaciones. Se avisarn una semana antes.

No se pasara lista, por lo que personas que lleguen retrazados o no asistan a alguna clase,

tendrn la responsabilidad de ponerse al da con algn compaero.

El nmero de alumnos se dividir en equipos ( 4 p. max) para trabajar en las prcticas.

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CAPITULO No. 1.- ELECTRONICA ANALOGICA.

1.- Corriente elctrica.

1.1.- Introduccin.

Electrnica se deriva de la palabra electrn, que se emplea para denotar una cantidad muy pequea e invisible de electricidad que est presente en todos los materiales. Todas las substancias estn constituidas de partculas diminutas llamadas tomos.

Una sustancia est formada totalmente de un tipo de tomo conocido como elemento. Los tomos a su

vez estn formados por partculas an ms pequeas llamadas: protones, neutrones y electrones.

Estructura bsica de un tomo Carga elctrica:

Cuando un electrn se separa de un tomo exhibe una pequea carga elctrica. La unidad bsica para medir una carga elctrica es el Coulomb, la carga combinada de 6.25 x 10

18 e- equivale a la carga de un

Coulomb.

Actualmente existe dos tipos de cargas elctricas: la carga negativa que es la que exhibe el electrn y la

carga positiva que exhibe un protn que tiene la misma cantidad de carga elctrica pero es de tipo opuesto. Dos partculas similarmente cargadas (es decir, 2e-, 2 protones) tienden a repelarse uno a otra. Por otro lado 2 partculas con cargas opuestas (un e- y un protn) tienden a atraerse.

Corriente elctrica:

Cuando un electrn se separa de un tomo se desplaza a travs del espacio hasta que choca un segundo tomo el cual lo acepta incorporndolo a su estructura y expulsa a uno de sus electrones originales. Este electrn a su vez golpea a un tercer tomo y as sucesivamente. Cada electrn individual no viaja muy lejos, pero la energa de los electrones en movimiento puede transmitirse cual largo sea la longitud del conductor.

Cuando este proceso ocurre con electrones en un conductor se llama electricidad o corriente elctrica.

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Ahora, si consideramos a la corriente como flujo efectivo de electrones, esto es si un coulomb fluye pasando por un punto dado en un segundo, se dice que la corriente es de 1 Amper que viene siendo la

unidad bsica para la medicin de la corriente elctrica. De tal forma que la electricidad estudia los

fenmenos elctricos mientras que la electrnica estudia la aplicacin prctica de estos fenmenos.

Voltaje: Ya que la corriente especifica el nmero de electrones que se mueven pasando por cierto punto en un intervalo de tiempo dado, se puede considerar como la rapidez del flujo electrnico. Ya que las cargas elctricas del mismo signo se repelen y cargas opuestas se atraen, en una fuente de alimentacin un montn de electrones fluir de punto ms negativo a un punto mas positivo. La intensidad de corriente que fluye depender de la diferencia de esta carga, entre el punto ms negativo y el punto ms positivo del circuito. Esta diferencia de potencial recibe el nombre de voltaje o fuerza electromotriz (f.e.m).

Resistencia:

Es el equivalente elctrico de la friccin donde normalmente se representa por la letra R que es un componente electrnico diseado para introducir una cantidad especfica de resistencia en un circuito. La unidad de fundamental de la resistencia es el ohm (). Un volt puede hacer que circule un ampere de corriente a travs de una resistencia de un ohm. La relacin de estos tres factores es quizs el concepto ms importante en la electrnica. Esa relacin queda definida por el principio denominado Ley de Ohm.

I = V/R, efecto=causa/oposicin

Potencia:

Es la rapidez en la que la carga se mueve por el efecto de un voltaje o dicho de otra forma, es la energa total consumida en un circuito con un voltaje y corriente determinada.

P=VI=I2 R=V

2/R

La potencia se mide en watts, donde un watt de potencia se consume cuando un volts impulsa un ampere a travs de un circuito.

Nota: Para evitar que la resistencia se caliente demasiado y se dae se deber calcular la potencia nominal que ser la doble de la potencia real.

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Ejemplo prctico de los anteriores conceptos: Consideremos que tenemos una mesa en donde uno de sus extremos tenemos un auto de juguete, ste no se mover mientras la mesa esta parada paralelamente con respecto al piso. Esto es porque no hay ninguna fuerza que la mueva. Ahora si inclinamos la mesa haciendo que la parte ms alta sea por el lado donde est el auto, ste se deslizar hacia la parte inferior de la mesa, donde se tiene:

Kilowatt-Hora: Es la unidad empleada par medir grandes cantidades de trabajo o energa elctrica. El trabajo se obtiene multiplicando la potencia en kilowats por el tiempo en horas.

Kwh=P*h/1000 Ejercicios:

1) La corriente a travs de una resistencia de 100 que ser empleado en un circuito es de 150 miliampers. Cul deber ser la potencia nominal de la resistencia?

2) Qu corriente fluye por el filamento de un foco de 100 watts cuando este se conecte a la energa de 120 volts.

3) Si deseamos conectar un led a una batera de 9 volts que valor de resistencia debemos conectar en serie para evitar que el led se queme, considerando que la corriente nominal del led es de 10 miliampers.

4) Si alimentamos una resistencia de 150 Ohms por medio de una fuente de alimentacin de +48 Vcd, calcular el valor de la potencia adecuada para evitar que la resistencia se dae.

5) Si un foco de 100 watts se deja prendido toda la noche durante 8 horas. Como impactara en el recibo de la luz si CFE cobra $4.00 el kwh.

6) Cul ser el costo de operacin de una plancha de 1200 watts durante 2 horas?. 7) Para las posiciones del siguiente cuadrante calcule la factura que va a recibir, si la lectura

anterior fue 4,650 kwh.

Medidor en KWhatts-Hora

1000 100 10 1

8) Se desea calcular el costo de operacin de una clase durante 2 horas en la LSC del TEC, para ello se deber considerar 8 lmparas de 75 watts y 2 aires acondicionados de 12,000 watts cada uno.

Rapidez (Corriente)

Exceso de electrones

(Carga negativa)

Ausencia de electrones

(Carga positiva)

Porosidad de la mesa

(Resistencia)

Intensidad de la luz

(Potencia)

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1.2.- Corriente Directa ( ) : En todas las aplicaciones elctricas en las que se necesita utilizar corriente, los componentes se representan en forma de un circuito, que viene siendo la trayectoria cerrada para el flujo de la corriente. Un circuito elctrico bsico consta de 4 elementos:

1) Fuente de energa: Funciona de una bomba de agua que hace que se muevan los electrones. 2) Los conductores: Funcionan como la tubera donde se observa el flujo de electrones llamado

corriente y est dada en Amper. 3) La carga se transforma la energa de los electrones en movimiento en alguna otra forma til de

energa (Trmica o luminosa). 4) Dispositivos de control: le sirve para habilitar o deshabilitar la corriente a travs del circuito es

conocido como switch o interruptor. Existen 3 maneras de representar los circuitos:

1. Diagrama a bloques 2. Diagrama pictrico 3. Diagrama esquemtico

En conclusin la corriente directa o corriente continua (CD o CC) es la corriente que fluye en una sola direccin y esto se debe a que la polaridad de su fuente de alimentacin no vara.

1.3.- Corriente Alterna ( ). Si la corriente fluye en una sola direccin debido a que la polaridad del voltaje no vara significa que estamos hablando de corriente elctrica y continua. Existe otro tipo de corriente elctrica que no siempre fluye en una misma direccin sino alterna y fluye primero en una direccin y luego se invierte hacia la otra, a este tipo de electricidad se llama corriente alterna.

+

-

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A menudo es muy til saber como cambia la corriente y el voltaje al transcurrir el tiempo. La forma ms fcil de hacer esto consiste en graficar con una forma de onda senoidal, por lo cual se tiene una representacin grfica de la corriente del voltaje donde nos muestra la magnitud y direccin de cualquier instante. Otra forma de representar la I y el V es por medio de grados de rotacin tal como se ilustra continuacin:

VALOR PROMEDIO:

Como su nombre lo indica el valor promedio de un voltaje a una CA es el promedio de todos los valores instantneos durante medio ciclo, o sea una alteracin, puesto que durante medio ciclo el voltaje o la corriente aumentan del 0 al valor pico luego disminuyen a 0, el valor promedio deber encontrarse en algn punto entre 0 y el valor pico.

VALOR EFECTIVO (RMS):

Tambin llamado raz cuadrtica media o RMS donde es igual a la raz cuadrada del valor medio de las cuadradas de todos los valores instantneos de corriente o voltaje durante medio ciclo. Este valor es utilizado en circuitos donde se maneja CA y CD y se emplea para determinar con exactitud la dimensin de corriente o voltaje para situaciones de variaciones en diferentes casos.

VALOR PICO:

Es el mximo valor de la corriente o voltaje durante medio ciclo. Cuando se toman en cuenta las

amplitudes [la (+) y la (-)], se dice que tiene un valor pico a pico. Observe de los 2 valores picos no pueden ocurrir al mismo tiempo y no necesariamente tiene que ser simtricos y eso depender de la forma de onda.

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# intervalo Angulo Sen

2

(Sen )

1 15 0.26 0.07 PROMEDIO= 7,62/12

2 30 0.50 0.25 = 0,637

3 45 0.71 0.50

4 60 0.87 0.75 V. efectivo= 6/12 = 0.5 = 0.707

5 75 0.97 0.93

6 90 1.00 1.00

7 105 0.97 0.93

8 120 0.87 0.75

9 135 0.71 0.50

10 150 0.50 0.25

11 165 0.26 0.07

12 180 0.00 0.00

7,62 6,00

Ecuaciones bsicas de la CA

(Valor efectivo o eficaz) Valor RMS= 0.707 * Vpico=1.11*valor promedio (Valor medio) Valor promedio=0.637*Vpico = 0.9*Valor RMS

(Valor pico)Vp=1.57*Valor promedio = 1.4*valor efectivo(RMS) Valor pico a pico = 2*Vpico(Slo valores simtricos)

Nota: Los anteriores se usan para V I.

FRECUENCIA:

Es un voltaje con corriente, es el nmero de ciclos generados cada segundo y se denota con la letra f y sus unidades son CPS hz. f = 1/T kHz=1*10

3 Hz

MHz=1*106 HZ

GHz=1*109 Hz

PERIODO:

Es el tiempo de duracin de un ciclo y se simboliza con la letra T ya que el periodo depende de la frecuencia de la onda, se dice que el periodo y la frecuencia son recprocos. T=1/f Miliseg=1*10

-3 seg

Microseg=1*10 -6 seg

Nanoseg=1*10 -9 seg

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LONGITUD DE ONDA:

Ya que la frecuencia es una medida del nmero de ciclos por determinado tiempo, es posible calcular hasta donde puede llegar la onda en recorrer cierta distancia, tambin durante determinado tiempo. Esta distancia recibe el nombre de Longitud de Onda, que es igual a la longitud de un ciclo completo de la onda. El smbolo para representar una longitud de onda es (lambda). = v/f = velocidad (cm/seg) / frecuencia (Hz) = Unidades mtricas: metros o centmetros

ANGULO DE FASE:

El trmino de fase se utiliza para comparar la relacin de tiempo de 2 ondas, como tambin se usa para indicar un punto de una onda en determinado instante. Es decir, si 2 generadores de voltaje se pusieran a funcionar al mismo instante y a la misma velocidad, las 2 formas de onda comenzarn y terminarn simultneamente. Tambin alcanzarn sus valores mximos y pasarn por cero al mismo tiempo. Entonces se dice que las 2 formas de onda coinciden entre si y que las tensiones que representan estn en fase . Ejercicios

1. Cual es el valor eficaz de una tensin cuya amplitud maxima es de 200 volts? 2. Cual es el valor promedio de la tensin de salida de una batera de 6 volts? y cual es el valor

efectivo? 3. El valor medio de una corriente de una onda senoidal es de 5 amp. Cules son sus valores pico, efectivo, pico a pico? 4. Cual es el periodo y la frecuencia de la energa comercial? 5. Cual es el periodo para frecuencia de un 1MHZ Y 2MHZ? 6. Grafica la forma de ondas y periodo de las seales de radio FM de la comadre (98.5MHz) y exa

(99.3MHz). 7. La velocidad de las ondas de radio electromagnticas en el aire o en el vaco es de 186,000

millas/seg o 3x1010

cm/seg, que tambin es la velocidad de la luz, por consiguiente cual es la para una frecuencia de 2 GHz?

8. Calclese la para una onda de radio con una frecuencia de 30 GHz ? 9. En la banda de 6 m que utilizan los radioaficionados Cul es la frecuencia correspondiente? 10. Dibuje las formas de onda para las tensiones de 120 Vca, 220 Vca y un consumo de corriente

de 10 amp. Mencionar si estn en fase o no.

2.- Elementos de circuitos bsicos.

2.1.- Elementos pasivos: Son aquellos que consumen una parte de la energa elctrica de un sistema elctrico transformndola en otro tipo de energa. Dicho de otra manera, son aquellos que suponen un gasto de energa y que al circular corriente producen una diferencia de potencial entre sus bornes y disipan potencia en forma de calor (consumen energa). Los componentes ideales pasivos basan su funcionamiento en uno de los siguientes efectos electromagnticos:

1.- Efecto resistivo.- Representa la cada de tensin electrocintica en el interior del conductor.

2.- Efecto capacitivo.- Se produce por el almacenamiento de cargas en un sistema formado por dos conductores separados por una pequea distancia.

3.- Efecto inductivo.- Producido por la influencia de los campos magnticos.

RESISTENCIA ():

Es un componente elctrico diseado con carbn de silicio y que sirve para limitar el paso de la corriente en un circuito dado. Dependiendo el tamao de cada resistencia es la cantidad de potencia (corriente)

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que puede manejar. La caracterstica fundamental de este componente es que la tensin que aparece entre sus extremos, slo depende del valor instantneo de la corriente que lo atraviesa (y viceversa), es decir V = R.I. La accin de una resistencia provoca su calentamiento convirtindolo de energa elctrica en trmica (calor). Si una resistencia se calienta demasiado puede llegar a alterar su valor ohmico hasta daarse (estallar). Existen 3 formas de resistencia: R. normal R. variable R. variable o potencimetro

Cdigo de colores para poder diferenciarlas. Para conocer el valor de cada resistencia utiliza un cdigo de colores con 4 bandas alrededor de su cuerpo. Estas bandas son de color y se toman como banda ms significativa la banda ms prxima al extremo de la resistencia. La banda siguiente es la segunda ms significativa. La tercera banda es el multiplicador y la cuarta es la tolerancia.

CAPACITOR:

La capacitancia es la facultad que posee un dielctrico para almacenar una carga elctrica. La unidad de

la capacitancia es el farad. Un capacitor est formado por un aislador colocado entre 2 placas conductoras. Los capacitores comerciales se fabrican con valores especficos de capacitancia. Los diferentes tipos de capacitores reciben su nombre de acuerdo a su material dielctrico en que fueron hechos. (Por ejemplo: papel, cermica, electrolitos, tantalio). Un dielctrico es un material aislador que no puede conducir corriente, pero si almacenar carga elctrica.

Smbolos:

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Ejemplo de su uso:

La capacitancia es una constante fsica que indica la cantidad de carga que puede almacenarse para un determinado valor de voltaje aplicado donde:

Q=CV=It Donde: Q=Carga del capacitor en coulomb C=Valor de la capacitancia en farad V=Voltaje aplicado I=Corriente en amper t=tiempo en segundos qe = 0.16 x 10

-18 Coulombs

1 Coulomb = 6.25 x 10 18

e-

Capacitancias en paralelo: Para hallar la capacitancia total en paralelo se usa la siguiente formula:

CT= C1+C2+C3 +.+ Cn Capacitancias en serie: Para hallar la capacitancia total en serie se usa la siguiente formula:

Constante tiempo RC:

Si una resistencia y un capacitor se conectan en serie con una fuente de voltaje, el capacitor se cargar a travs de la resistencia donde sta pedir (de acuerdo a su valor ohmico) el flujo de electrones para finalmente cargar el capacitor. El tiempo que se requiere para el capacitor quede cargado en un 63% de su nivel de carga al pleno potencial, se llama la constante de tiempo. Esta dado por t=RC Donde: t=Constante de tiempo (seg), R=Resistencia (ohm) y C=capacitancia (farad)

CT

CT

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Para descargarse emplea un 37% de su valor a plena carga y se requiere de 5 veces la constante de tiempo para que el capacitor se quede cargando completamente.

Para cargar cerramos S1 y abrimos S2.

Para descargar abrimos S1 y cerramos S2.

Donde: T = R x C = 3 MOhms x 1 Farad = 3 Seg.

5 T para que se cargue al 100 %, para que se descargue al 63 % transcurrirn una T.

Ejercicios:

1. Cuanta carga puede almacenarse en un capacitor de 2 microfarad y de 40 microfarad. Cuando se aplica a travs de l una diferencia de potencial de 50 V.

2. Una corriente constante de 2 microamper carga un capacitor durante 20 segundos Cul es la cantidad de la carga almacenada en el capacitor despus de este tiempo? Que pasara si el voltaje despus del capacitor cargado es de 20 V cual es el valor del capacitor?

3. Una corriente constante de 5 miliampers carga un capacitor de 10 microfarad durante 1 segundo Cul es el voltaje del capacitor despus de este tiempo?

4. Por cuanto tiempo fluir la corriente en el siguiente circuito:

Qu pasara si el voltaje aumenta a 200 watts por cuanto tiempo fluir la corriente?

5. Si disponemos de 4 capacitores de 2 microfarad Cmo los conectamos para tener una capacidad de: ?

a) 0.8 microfarad b) 8 microfarad

6. Calcular el valor de la capacitancia total de:

a)

Ct

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b)

BOBINA:

Una bobina es un solenoide cilndrico de N espiras de radio a y longitud total l. El material que forma el solenoide se supone conductor con resistencia nula. Una corriente elctrica crea un campo magntico en la regin del espacio que la rodea (Ley de Biot y Savart). A su vez, un campo magntico variable induce una f.e.m. en un conductor que lo abrace (Ley de Faraday). Tambin llamado inductor o reactor donde es un pedazo de alambre en forma de espiral, el cual se representa por la letra L y su unidad es el henry (H). Su escala est en microhenrys y milihenrys, y generalmente tiene un ncleo de aire o de hierro que sirve para aumentar disminuir la inductancia.

Inductancia en serie:

LT=L1+L2+..+Ln

Inductancia en paralelo

Factores que afectan a la inductancia:

1) Nmero de vueltas 2) Permeabilidad de ncleo 3) rea transversal del ncleo 4) Longitud de ncleo 5) Y esparcimiento de las espiras

Nota: La bobina puede probarse con un multmetro es ohms, donde si da circuito abierto (R = 1) significa que esta daada y si da circuito cerrado (R = 0) significa que esta buena.

2.2.- Elementos activos: Los elementos o componentes activos son aquellos que introducen energa elctrica a un sistema elctrico tomndolo a su vez de cualquier otro sistema, es decir toda fuente de alimentacin o transformador acta como elemento activo. Los generadores o fuentes son los componentes que aportan la energa para que exista circulacin de corriente en un circuito elctrico. Los generadores se pueden clasificar de dos modos diferentes: 1.- Por la forma de suministrar la energa:

a) Generadores de tensin b) Generadores de corriente

Ct

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2.- Por la dependencia con otras tensiones o corrientes del circuito.

a) Generadores dependientes: mantiene una tensin fija entre sus bornes dependiendo de una

tensin o de la corriente que lo atraviesa. (ejemplo un transformador). b) Generadores independientes: mantiene una tensin fija entre sus bornes independientemente

de la corriente que lo atraviesa. (ejemplo una fuente de alimentacin).

Transformadores: Cuando existe una inductancia mutua entre dos bobinas o devanados, entonces un cambio de corriente en una de ellas induce una tensin en la otra. Todo transformador tiene un devanado primario y uno o

ms devanados secundarios. El devanado primario (lado que tiene 2 cables) recibe la energa elctrica y acopla sta energa al devanado secundario por medio de un campo magntico variable. Por medio de los transformadores, se puede transferir energa de un circuito a otro sin que exista una conexin fsica entre ellos. La transferencia de energa se efecta a travs del campo magntico, por lo que un transformador funciona con un dispositivo de acoplamiento. Si conectramos un voltaje al primario, el voltaje del secundario depender del nmero de espiras del devanado secundario, comparado con el nmero de espiras del devanado primario. Cuando el devanado secundario tiene ms espiras que el primario, el voltaje secundario es mayor que el voltaje primario, en ste caso ocurre un aumento de voltaje y al transformador se le conoce como transformador elevador de tensin. As mismo, si el devanado secundario tiene menor nmero de espiras que el primario, el voltaje secundario ser menor que la primaria (en la mayora de los casos) y al transformador se le conoce como transformador reductor de tensin.

Donde: VP=Voltaje del devanado primario VS=Voltaje del devanado secundario NP=Nmero de vueltas espiras del devanado primario NS=Nmero de vueltas espiras del devanado secundario. Ejemplo: Calcular la tensin de salida de un transformador conectado a la energa comercial, si existe una relacin de 10:1 entre el devanado primario y el secundario respectivamente.

Fuentes de alimentacin: Todos los circuitos electrnicos requieren de alguna fuente de voltaje. Esto quiere decir que los circuitos de las fuentes de alimentacin son extremadamente importantes. Si un circuito requiere de un voltaje de CA, la fuente de alimentacin ser simplemente un transformador conectado a la energa comercial, ahora si un circuito requiere de CD significa que tiene baja demanda de potencia y se puede utilizar bateras. Sin embargo, la mayora de los circuitos prcticos son operados con CD, y requieren niveles de potencia que haran antieconmica la operacin con bateras, por lo tanto necesitarn de un circuito de fuente de alimentacin. En realidad los circuitos de fuente de alimentacin o de potencia tienen un nombre que no les corresponde, ya que no suministran potencia, mas bien son convertidores de potencia. Por lo general convierten voltajes de CA a voltajes de CD. El proceso para realizar dicha conversin se ilustra en el siguiente diagrama:

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Diseo de las Fuentes de Alimentacin:

Debido a que en ste curso no corresponde efectuar paso a paso los clculos matemticos para disear una fuente de alimentacin, a continuacin se menciona el material a emplear: Para ensamblar las partes electrnicas en una tableta existen dos formas de realizarlo, por medio de un circuito impreso o por medio de una tabla tipo kit, la diferencia es que en sta ltima los huecos ya estn hechos y las interconexiones entre los dispositivos se realizan por medio de cables telefnicos. En el primer caso, se realiza por medio de un circuito impreso utilizando cloruro frrico (feCl3). Los materiales bsicos a emplear para hacer una fuente de alimentacin son: 1.- Una clavija de CA con todo y su cable calibre 12 AWG (aprox. 2 mts de longitud). 2.- Un transformador a 120 Vca primario a 12 Vca secundario con derivacin central a 3 amp. 3.- Un fusible de amp a 250 V con su portafusible tipo rosca. 4.- Un interruptor para CA de preferencia con luz. 5.- Un puente de diodos en CI (RB158) o 4 diodos de silicio IN4001 6.- Dos capacitares electrolticos de 4,700 Fd a 25 V. 7.- Regulador de voltaje de acuerdo al voltaje secundario deseado y la corriente mxima a proporcionar. (Ejemplo si se requiere sacar +5 Vcd se requiere un CI 7805, para +12 Vcd un CI 7812, para -12Vcd un CI 7912, etc.) 8.- Un capacitor de tantlio de 0.1 Fd a 25 V. 9.- La tablilla para armar los dispositivos electrnicos, segn el mtodo seleccionado. 10.- Una caja de plstico, madera metlica (tener cuidado con los cortos) para ensamblar los dispositivos. 11.- Un cautn y estao para soldar las conexiones. 12.- Cable telefnico para hacer las conexiones.

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3.- Anlisis de Circuitos.

3.1.- Tcnicas de solucin para CD:

Circuitos en serie: Cuando dos o ms componentes de un circuito se conectan en orden sucesivo uno detrs de otro, se dice que estn conectados en serie. VT = V1 +V2+V3 It = I1 = I2 = I3

RT= R1+R2+R3 VT=V1-V2+V3

Circuitos en paralelo: Cuando 2 o ms componentes se conectan a travs de una fuente de voltaje forman un circuito en

paralelo. Cada trayectoria recibe el nombre de rama o maya, y por ella circula una corriente de determinado valor. Por lo tanto los circuitos en paralelo tienen un voltaje comn a travs de todas las dems ramas, pero las corrientes que circulan a lo largo de ellas son diferentes, es decir: VT=V1=V2=V3 It = I1 + I2 + I3 La suma de todas las corrientes es igual a la corriente total ( IT.).

1/RT=1/R1 + 1/R2 +1/R3 Si RT < R1 R2 R3 Para # R>2 y R1 R2 R3 Casos especiales: 1.- Si R1=R2=R3=> RT Cualquier valor de las resistencias entre el numero de resistencias R/3. 2.- Si R1 R2 => RT= R1*R2 / R1+R2 solo cuando R1 R2 y # R = 2 Ejercicios: 1.- Calcular la resistencia total del siguiente circuito.

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Rt = 7.5 Ohm

2.- Del siguiente circuito, calcular el Vt y la It. IT = 4.5 Amp VT = 1.5 V

Circuitos en serie y paralelo: En la mayora de los circuitos algunos componentes se conectan en serie para que por ellos circule la misma corriente, mientras que para otros se conectan en paralelo para que tengan el mismo voltaje. Los circuitos en serie-paralelo se utilizan cuando es necesario proporcionar diferentes cantidades de corrientes y voltaje; y se tienen una sola fuente de alimentacin aplicada. Para analizar este tipo de circuitos se realiza por separado para obtener un circuito final simplificado. La manera ms fcil de simplificar circuitos cuando se requiere obtener la resistencia total, se va simplificando de derecha a izquierda hasta obtener la resistencia total, una vez obtenida se calcula la corriente total por la ley de ohm. Despus se va calculando la corriente que consume cada resistencia de izquierda a derecha. Recordar que la corriente que circula por todo el circuito es la misma que regresa. Ejercicios: 1. Hallar IT, VR1 y VR2 y VT

2. Hallar I1, I2, VR1 y VR2

It= 3 amp

A

A

B

B

12V

3 amp

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3.- Hallar el VR1, Vt, VReq, I2 y R2.

4.- Hallar todas las Is y Vs.

5.- Determinar la intensidad de la corriente que circula para cada una de las ramas del circuito, y la diferencia de potencial entre los puntos C y D.

3.1.- Tcnicas de solucin para CA:

En circuitos de CA con resistencias en configuracin serie-paralelo, se utiliza una fuente de voltaje en forma de una onda senoidal (120 Vca mientras no se indique otra cosa). Cuando esta fuente de voltaje se conecta a travs de cualquier resistencia externa de carga, produce una CA que tiene la misma forma de onda, frecuencia y fase de la fuente de voltaje lo nico que diferencia es la magnitud. Para realizar los clculos de los valores de los componentes se utilizan la ley de Ohm, aplicando el mismo principio para fuentes de CD. Cuando se combinan resistencia serie-paralelo en un circuito de corriente alterna, su anlisis es el mismo que para circuitos de CD, lo nico que diferencia es que estos tipos de circuitos adems de usar resistencias se usan bobinas y capacitores. Ejemplo: Calcular todas las corrientes y voltajes del siguiente circuito:

R3= 10 Ohm

I3= 2 amp

R1= 1 Ohm

It= 4 amp

R2

D A

B

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Reactancia: La oposicin que presenta la inductancia L y la capacitancia C al paso de una corriente senoidal alterna

recibe el nombre de reactancia, y se simboliza con X, el smbolo para la reactancia inductiva ser XL

mientras que para la reactancia capacitiva ser Xc. La reactancia se mide en como si fuera una resistencia, pero la reactancia tiene un ngulo de frase ms o menos 90. Para XL la fase es de ms 90, mientras que para XC es de menos 90. La resistencia tiene un Angulo de fase de 0, mientras que el de la reactancia es de mas o menos 90, por lo tanto cuando se combina R con X, el ngulo de fase del circuito de CA se encuentra de 0 y 90 o entre 0 y menos 90.

Puesto que el voltaje que se crea en un inductor es determinado por la inductancia (L) de una bobina y la frecuencia (f) de la corriente, entonces la reactancia inductiva se puede calcular de la siguiente manera;

XL=2 f L

Donde: XL = Reactancia inductiva en 2 = constante 6.28 (periodo completo) f = frecuencia de la corriente en hertz (Hz) = 60Hz L = Inductancia de la bobina en Henrys En el caso de un capacitor puede usarse la oposicin al flujo de corriente, ya que la oposicin depende tambin de la frecuencia y la capacitancia. Sin embargo como el flujo de la corriente es directamente proporcional a la frecuencia y a la capacitancia, la oposicin a la corriente debe ser inversamente proporcional a esas cantidades. Entonces la reactancia capacitiva se calcula de la siguiente manera:

Donde: XC = Reactancia capacitiva en 2 = constante 6.28 (periodo completo) f = frecuencia de la corriente en hertz (Hz) = 60Hz C = Capacitancia en farads

Finalmente la resistencia y la reactancia deben combinarse por medio de una suma fasorial, ya que el

ngulo de fase es de 90, la suma resultante se llama impedancia y se representa por la letra Z. Donde es la oposicin total que representa la resistencia y la reactancia al paso de una corriente senoidal de CA.

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Lo anterior se debe entender mejor con un diagrama vectorial de resistencia y reactancia, donde siempre adopta la forma de un triangulo rectngulo. Si se conoce la longitud de sus lados que forman el ngulo

recto, se puede resolver el tercer lado por la frmula algebraica: c2 = a

2+b

2

Entonces, adaptando la frmula tenemos:

Z=R2 + X

2

Donde: Z = Impedancia en R = Resistencia en X = Reactancia L C en Nota: La frmula adoptar la configuracin de acuerdo al circuito, es decir:

ZT= R2 + (XL-XC)

2

ZT= R2 + (XC - XL)

2

IT= VT /zT

3.2.- Circuitos RCL.

Circuitos RL:

Un circuito RL es el que tiene tanto resistencias (R) como inductancias (L). Cuando se mezclan resistencias como inductancia en un circuito elctrico, el procedimiento para su clculo y anlisis vara en comparacin que si se analizara de forma independiente. As como la resistencia es la oposicin del paso de una corriente, para el caso de una inductancia L, la oposicin al paso de una corriente senoidal

alterna recibe el nombre de reactancia y se indica con la letra X. Para poderla distinguir se simboliza como XL. La reactancia tambin se da en Ohms como la resistencia. Puesto que el voltaje que se crea en un inductor es determinado por la inductancia (L) de un inductor y la frecuencia (f) de la corriente, entonces la reactancia inductiva se puede calcular de la siguiente manera:

XL = 2 f L

Donde XL es la recatancia inductiva en Ohms, 2 = 6.28 que simboliza un perodo completo de la CA, f es la frecuencia de la corriente en Hz y L es la inductancia en henrys. Aunque tanto la resistencia como la reactancia inductiva se oponen al flujo de la corriente, algunas de sus caractersticas y efectos son diferentes. Por esta razn, la oposicin total al flujo de corriente en circuitos RL no se expresa en funcin de la resistencia ni de la reactancia inductiva. En lugar de ello se

usa una suma resultante llamada Impedancia. La cual se representa con la letra Z y su unidad es el Ohm. Donde:

Z = R2 + XL

2

Los mtodos que se usan para calcular la impedancia dependen de si la resistencia y la reactancia inductiva estn en serie o paralelo.

Circuitos en serie RL:

Resistencia

Impedancia Reactancia

Por Pitgoras:

c = a2 + b

2

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Cuando se conectan resistencia e inductores en serie, de tal manera que por cada uno fluye la misma corriente total del circuito, an que el mismo circuito contenga una o ms resistencias o una o ms bobinas. Si una resistencia se conecta en serie con una o ms bobinas, generalmente la resistencia es mucho mayor que la resistencia de las bobinas. Cuando es diez o ms veces mayor, puede hacerse caso omiso del efecto de la resistencia de la bobina. Dado que las frmulas en serie tanto para las resistencias como para las bobinas es la misma, cuando se tienen ms de una resistencia o bobina en serie en el circuito, se sumarn de manera independiente, es decir resistencias con resistencias y bobinas con bobinas. Ya teniendo la resultante de cada caso, se calcula la resistencia total utilizando la frmula de la impedancia. Para calcular el voltaje total, se calcula el voltaje de la resistencia como VR = I R y el voltaje de la bobina como VL = I XL. Dado que estamos analizando un circuito en serie, la suma de todos los voltajes deber ser igual al voltaje total, ms sin embargo en este tipo de circuitos no pasa as, ya que si se midiera o se sumara algebraicamente, se encontrara que la suma es mayor que el voltaje total realmente aplicado. Esto se debe a que cada cada de tensin o voltaje no estn en fase, por lo tanto deber usarse una suma vectorial en lugar de una suma aritmtica. Es decir:

VT = VR2 + VL

2

O tambin: tan = c.o./c.a.=VL / VR

Potencia: En circuitos resistivos toda la potencia que transmite la fuente es disipada por la carga, en un circuito RL slo una parte de la potencia de entrada se disipa. La parte transmitida a la inductancia regresa a la fuente cada vez que desaparece el campo magntico que est alrededor de la inductancia. Por lo tanto

existen dos clases de potencia en un circuito RL. Una es la potencia aparente (Papar) y la otra es la

potencia real (Preal) que efectivamente consume el circuito.

Preal = Papar IT cos = IT2 ZT cos = (VT

2/ZT) cos = VT.IT cos

El valor del cos puede variar entre 0 y 1, el cual recibe el nombre de factor de potencia del circuito. Factores de potencia pequeos (prximos a 0) son inconvenientes, ya que significan que la fuente de energa tiene que trasmitir ms potencia de la que se usa. El factor de potencia se determina como: Potencia real

Factor de potencia = -------------------------- Potencia aparente Ejemplo: 1.- Si se tiene un circuito en serie RL, donde la fuente de energa total es de 200 V a 50 c.p.s o Hz, R = 1 kOhms y L = 10 H, calcular la corriente que circula por el circuito. Solucin: Calculamos XL = 2 f L = 6.28 (50 Hz) (10 H) = 3,140 Ohms

Calculamos Z = R2 + XL

2 = (1,000)

2 + (3,140)

2 = 3,295 Ohms

Calculamos por la ley de Ohm: IT = V/R = V/Z = 200 V/3,295 Ohms = 0.061 amp = 61 mAmp

Circuitos en paralelo RL: En un circuito en paralelo RL tanto la resistencia como la inductancia estn conectadas en paralelo a una fuente de tensin, lo que significa que los voltajes para cada dispositivo es el mismo, y las corrientes en cada rama son diferentes. El anlisis de circuitos en paralelo RL y los mtodos que se usan para

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resolverlos son diferentes al anlisis y solucin de circuitos en serie RL. Para resolver este tipo de circuitos se deber considerar lo siguiente: 1.- La corriente total en un circuito paralelo RL es igual a la suma vectorial de las corrientes:

IT = IR2+IL

2

las ramas resistiva (IR = V/R) e inductiva (IL = V/XL). O tambin se puede calcular como IT = VT/ZT. 2.- La impedancia Z de un circuito paralelo RL es la oposicin total al flujo de corriente, presentado por la resistencia de la rama resistiva y la reactancia inductiva de la rama correspondiente. Ya que XL y R son magnitudes vectoriales, se debern sumar vectorialmente, es decir: R.XL

Z = ---------- R

2+XL

2

3.- Para calcular la potencia del circuito se realiza similarmente que para un circuito en serie RL. 4.- Para calcular el ngulo de fase entre el VT e IT se calcula de la siguiente manera: RTot

Tang = -------- XL Tot

Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms y la L = 150 Henrys.

Circuitos RC: Un circuito con resistencia (R) y capacitancia (C) se conoce como circuito RC. Los mtodos para resolver circuitos RC dependen de si la resistencia y la capacitancia estn en serie o en paralelo. Se usan las mismas consideraciones que para los circuitos RL. La nica diferencia es que en el caso del capacitor puede usarse la oposicin al flujo de la corriente, ya que la oposicin depende tambin de la frecuencia y la capacitancia. Sin embargo como el flujo de corriente es directamente proporcional a la frecuencia y a la capacitancia, la oposicin de la corriente debe ser inversamente proporcional a esas cantidades. Entonces la reactancia capacitiva se puede calcular de la siguiente manera: 1

XC = ----------- 2 f C

Donde XC es la reactancia capacitiva en Ohms, 2 = 6.28 que simboliza un perodo completo de la CA, f es la frecuencia de la corriente en Hz y C es la capacitancia en farads. De manera similar la impedancia se calcula de la siguiente manera:

Z = R2 + XC

2

Los mtodos que se usan para calcular la impedancia dependern si la resistencia y la reactancia capacitiva estn en serie o paralelo.

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Circuitos en serie RC: En un circuito RC en serie donde una o ms resistencias estn conectadas en serie con una o mas capacitancias, de manera que la misma corriente total fluye a travs de cada uno de los componentes. En caso de que exista ms de un componente de igual naturaleza, se deber simplificar resistencia con resistencias (sumndolas) y capacitancias con capacitancias (el inverso de la suma de los inversos). De manera similar, para calcular los voltajes se har VR = I.R y VC = I.XC. Para calcular el VT se har:

VT = VR2 + VC

2

O tambin: tan = c.o./c.a.=VC / VR Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms y los C = 150 microFarads.

Circuitos en paralelo RC: En un circuito en paralelo RC, una o ms resistencias y uno o ms capacitores se conectan en paralelo a una fuente de tensin. Por lo que al final se tendr ramas resistivas que solo tendrn resistencias, y ramas capacitivas que solo tendrn capacitores. La corriente que sale de la fuente de tensin se divide entre las ramas, de manera que se tiene diferentes corrientes en diferentes ramas. Las cadas de tensin para cada rama sern la misma que el voltaje total aplicado por estar en paralelo. Cuando se calculan las magnitudes totales del circuito correspondientes al voltaje aplicado, corriente total, impedancia y potencia, las ramas resistivas y capacitivas se debern reducir primeramente a sus equivalentes ms simples. Para resolver este tipo de circuitos se deber considerar lo siguiente: 1.- Cuando se tienen 2 resistencias en paralelo se deber aplicar la frmula: Requiv= (R1.R2 /R1 + R2), y cuando se tengan 2 capacitores en paralelo se debern sumar (Cequiv= C1 + C2). 2.- La corriente de cada rama en un circuito en paralelo RC es independiente de la corriente en las dems ramas. La corriente en una rama solo va depender de la tensin en la rama y la resistencia o reactancia capacitiva que exista en ella. O sea: IR = V/R IC = V/XC. 3.- La corriente total en un circuito paralelo RC es igual a la suma vectorial de las corrientes (IT = IR

2+IC

2). O tambin se puede calcular como IT = VT/ZT.

4.- La impedancia Z de un circuito paralelo RC es la oposicin total al flujo de corriente, presentado por la resistencia de la rama resistiva y la reactancia capacitiva de la rama correspondiente. Ya que XC y R son magnitudes vectoriales, se debern sumar vectorialmente, es decir: R.XC

Z = ---------- R

2+XC

2

5.- Para calcular la potencia del circuito se utiliza la siguiente frmula:

Preal = Papar IT cos = IT2 ZT cos = (VT

2/ZT) cos = VT.IT cos

6.- Para calcular el ngulo de fase entre el VT e IT se calcula de la siguiente manera: RTot

tan = -------- XC Tot

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Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si las R = 15 Ohms y el C = 150 microFarads.

Circuitos RCL:

Este tipo de circuito cuenta con las propiedades de elementos resistivos (R), inductivos (L) y capacitivos (C), que puede tener combinaciones ya sea en serie o en paralelo. Todas las caractersticas vistas anteriormente se aplican para el anlisis de los circuitos RCL. Algunas de las propiedades y caractersticas nuevas que hay que considerar son las siguientes:

Para circuitos RCL en serie: 1.- Si se tiene en la malla solo un capacitor y una bobina la impedancia total del circuito ser:

XT = XL XC (cuando el circuito es inductivo o sea si XL > XC) XT = XC XL (cuando el circuito es capacitivo o sea si XC > XL)

2.- Si se tiene en la misma malla un capacitor, una bobina y una resistencia, la impedancia total ser:

ZT = RT2 + (XL XC)

2 ZT = RT

2 + (XC XL)

2

3.- Si se tiene en la misma malla un capacitor, una bobina y una resistencia, el voltaje total ser:

VT = VR2 + (VL VC)

2 VT = VR

2 + (VC VL)

2

4.- Para calcular la corriente total como ser la misma para todos los dispositivos que se encuentren en ella, se podr calcular como:

IT = VT / ZT 5.- Para calcular la potencia consumida por la malla se podr utilizar:

Papar = VT.IT y Preal = VT IT. cos = IT

2 RT

6.- Para calcular el ngulo de fase entre el VT e IT se calcula de la siguiente manera: ZTot

tan = -------- RTot Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms, el C = 150 microFarads y la L = 150 Henrys.

Para circuitos RCL en paralelo: 1.- Dado que para circuitos en paralelo los voltajes son los mismos para cada dispositivo, para calcular el voltaje total se utilizar la siguiente frmula:

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VT = IT.ZT

2.- Las corrientes para cada malla en paralelo sern diferentes, entonces para calcular las corrientes se har:

IL = VT/XL, IC = VT/XC, IR = VT/R 3.- Para calcular la corriente total del circuito se hace:

IT = IR2 + (IC IL)

2 si IC > IL IT = IR

2 + (IL IC)

2 si IL > IC

4.- Para determinar la impedancia de un circuito paralelo RCL, primero deber obtenerse la reactancia total (XT) de las ramas inductiva y capacitiva, y luego determinar la impedancia total (ZT) del circuito. XL. XC R.XT

XT = ---------------- y ZT = ---------- XL + XC R

2+ XT

2

Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms, el C = 150 microFarads y la L = 150 Henrys.

Para circuitos RCL en general. Son los circuitos que combinan las combinaciones serie-paralelo para RCL.

Ejemplo: Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito.

Ejercicios:

1) Cual es la reactancia inductiva de una bobina de 10 mili Henrys que frecuencias de 100 Hz un 1 KHZ y 100 KHz.

2) Cual es la impedancia de un circuito si la resistencia total es de 10 y la reactancia de 1 k. 3) Si conectas una resistencia de 1.5 K en serie con un capacitor de 4700 microfarad y una bobina

de 150 miliHenrys, calcular la impedancia total, as como la corriente fluye en el circuito. 4) Para que frecuencia una inductancia de un Henry tendra una reactancia de 1000 . 5) Calcular la reactancia de un circuito si la impedancia de 150 y la resistencia a 100 . 6) Calcular la impedancia total y la corriente que circula por el siguiente circuito.

4.- Caractersticas de los semiconductores.

4.1.- Silicio y Germanio.

Un semiconductor es un dispositivo que tiene las caractersticas entre un conductor y un aislador. Los elementos semiconductores usan generalmente el silicio (Si) y el Germanio (Ge), donde la arena es igual

XL = 870 Xc = 250

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al dixido de silicio y las cenizas del carbn es el germanio. Las caractersticas principales de los semiconductores puros son:

1. Su resistencia es mayor que la de los metales conductores pero menor que la de los aisladores. 2. El coeficiente de temperatura es negativa, es decir su resistencia disminuye conforme aumenta su

temperatura.

3. Su valencia electrnica es de ms o menos 4. Esta valencia significa que el tomo tiene 4 electrones en su capa ms externa.

Estructura atmica del silicio

Enlace covalente: Es cuando los tomos comparten sus electrones de valencia, dando como resultado una configuracin estable. El enlace covalente forma una estructura cristalina y debido a esto, es posible aadir impurezas para contaminar el material. El propsito de este proceso es cambiar las caractersticas elctricas del semiconductor.

Estructura cristalina del silicio

De acuerdo al tipo de enlace covalente los semiconductores se dividen en 2 grupos:

a) Semiconductores intrnsecos: Son los tomos de un mismo elemento o en otras palabras, es u semiconductor puro sin contaminacin. El cristal de silicio formado por el enlace covalente es un ejemplo de sta caracterstica.

T (oC)

R ()

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b) Semiconductores extrnsecos: Es la contaminacin de los semiconductores mediante la introduccin de otros tomos (impurezas) dentro de la red cristalina. (Ej. Arsenio, indio, galio).

4.2.- Materiales de tipo P y de tipo N.

Los elementos utilizados como impurezas tienen en general valencia electrnica de 5 o 3. Como consecuencia de esto, un semiconductor contaminado tiene un exceso o una deficiencia de electrones en

su estructura formada por enlaces covalentes. Un semiconductor de tipo N (-) tiene un exceso de

electrones, mientras que uno de tipo P (+) tiene una deficiencia de ellos.

Unin PN.-

Polarizacin inversa:

Polarizacin directa:

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5.- Dispositivos semiconductores.

5.1.- Diodos.

Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente elctrica en una nica direccin. De forma simplificada, la curva caracterstica de un diodo (I-V) consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequea resistencia elctrica.

Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento est basado en los experimentos de Lee De Forest.

Diodo Normal.

El diodo semiconductor es un dispositivo unidireccional ya que permite el flujo de electrones en un solo sentido (en el sentido contrario al indicar de la flecha de su smbolo). Tambin se puede decir que es un dispositivo electrnico que permite al flujo de electrones huecos en el sentido indicado por la flecha de su smbolo (es como generalmente se estudia). Smbolo: Corriente de huecos i nodo (+) Ctodo ( - ) ie Una de las aplicaciones ms comunes del diodo es como rectificador, ya que convierte valores de CA a CD. Las 2 caractersticas electrnicas mas importantes son su voltaje pico con polarizacin inversa (PIV), y su corriente de polarizacin directa (IF). El PIV es igual al mximo voltaje que el diodo puede tolerar cuando se polariza inversamente. La IF es el valor de la corriente que puede circular por el diodo sin daarlo cuando ese se encuentra en el estado de conduccin. La manera de verificar si un diodo esta funcionando correctamente, es conectar por medio de un multmetro en la escala de Ohms para tener nicamente dos posibilidades: 1.- Que en polarizacin directa la lectura este entre 20 Ohm a 1 kOhm (resistencia interna del diodo y el multmetro). 2.- Que en polarizacin inversa la lectura sea el nmero 1, que significa infinito o una resistencia muy grande.

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Diodo Zener. El diodo zener es una variante especial del diodo semiconductor normal, ya que responde al voltaje y polaridad inversa de forma nica, es decir cuando a este diodo se le aplica un voltaje con polarizacin inversa, mientras no sobrepase el voltaje nominal de fbrica, el diodo no conducir. Esta condicin se mantendr hasta el punto de la fuente de alimentacin exceda al voltaje nominal del diodo zener (por ej.

6.8 V de CD). A este punto se le conoce como punto de avalancha, debido a que la corriente por el diodo se eleva abruptamente desde prcticamente cero (0), hasta un valor muy alto limitado nicamente por la baja resistencia interna del diodo. Con polarizacin directa el diodo acta como un semiconductor normal pero generalmente no se utiliza de esta manera. Un diodo zener se checa de igual manera que un diodo convencional. Los voltaje normales tpicos para el zener van desde 2.4 a 200 volts y sus voltajes de potencia van de a 50 watts. Smbolo: Corriente de huecos nodo (+) Ctodo ( - ) R

Diodo emisor de luz (LED).

Este dispositivo como su nombre lo indica es un diodo que emite luz. Es fabricado normalmente con semiconductores especiales (arseniuro de galio) que permite emitir luz roja, verde, amarilla, blanca, azul infrarroja (no visible), cuando es recorrida la unin por una corriente. Se utilizan como dispositivos indicadores, se checan al igual que un diodo semiconductor normal o con una batera de 1.5 Vcd emitiendo luz en polarizacin directa. Con polarizacin inversa el LED permanecer obscuro. Dentro de ciertos lmites, mientras el voltaje aumente el LED brillar con mayor intensidad, y si el voltaje disminuye el LED se opacar. Los LEDs estn diseados nicamente para utilizarlos con CIs de bajo voltaje. Tpicamente no deber aplicarse ms de 3 a 6 Vcd a un LED, y su corriente nominal es de 10 mA. Existen diversos tipos de LEDs, por ejemplo los dobles que de acuerdo a su polarizacin es el color. O tambin hay encapsulados en forma de 8 llamados displays. Smbolo: Corriente de huecos nodo (+) Ctodo ( - )

2 Vcd a 12 Vcd

Funciona como un regulador el diodo zener

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Celda Solar.

Una celda solar se forma con la unin de 2 semiconductores diferentes, siendo uno de ellos tan delgado que hasta cierto punto es traslcido. Cuando esta unin PN es iluminada entrega un voltaje que es proporcional a la intensidad luminosa (Lumenes). Este tipo de dispositivo es utilizado para el almacenamiento de energa, como es el caso de lugares donde no llega la energa comercial para equipos electrnicos como son calculadoras hasta satlites de comunicacin. Tambin las celdas solares se emplean para activar o desactivar circuitos o lmparas que tienen contacto con el sol.

Smbolo: Ejemplo: Disee un circuito elctrico que utilice una celda solar para controlar el encendido de un foco de 25 Watts a 120 Vca.

Fotodiodo.

Son dispositivos que utilizan principalmente como detectores de luz ya que al inducir luz en ellos liberan electrones induciendo una corriente inversa a mayor cantidad de luz mayor cantidad de corriente inversa generada. Aspecto fsico: Smbolo:

nodo (+) Ctodo ( - )

Fotorresistencia.

Son dispositivos sensibles a la luz ya que disminuyen su resistencia al aumentar la energa luminosa. Este fenmeno se produce ya que los materiales utilizados (Cadmio, Galio, etc.) liberan electrones al ser iluminados (sulfuro de cadmio). Para probarlos basta conectar el multmetro en e ir acercando y alejando una fuente luminosa de el. Donde la resistencia obtenida deber ser menor a medida que se tenga mayor cantidad de luz. Simbolo: Aspecto fsico:

(lum)

R ( )

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Optoacoplador.

Es un dispositivo que se compone simplemente de un paquete que contiene un LED infrarrojo como emisor y un fotodetector. Los optoaclopladores son capaces de convertir una seal elctrica en una seal luminosa modulada y volverla a convertir en una seal elctrica. La gran ventaja de un optoacoplador es el aislamiento elctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida. El funcionamiento se basa en el que al llegarle una seal al LED infrarrojo emisor, vara la intensidad de acuerdo a la magnitud de la seal de entrada, esta luz puede activar ya sea a un fotodiodo, un fototriac o un fototransistor. Una de las mayores aplicaciones son como interfaz de potencia de un sistema digital a un motor, un swich, una maquina o cualquier otro sistema que no trabaje al nivel del voltaje a corriente de los circuitos digitales (por lo general de 3 a 10 Vcd), logrando manejar niveles altos de voltaje (por ejemplo de 120 Vca). Los tipos de optoacopladores se clasifican de acuerdo al arreglo que se emplee para el elemento fotosensible. El modelo ms usado es el siguiente:

DIP (Dual Inline Package) o con un mdulo con necesidad de superficie reflejante. Un ejemplo de este puede ser el MOC 3010.

Ventajas del optoacoplador:

Es econmico

Es confiable en estado slido

Velocidad de transmisin de mediana a alta

Transmisin DC

Alto aislamiento de voltaje

Alto impedancia de aislamiento

Tamao pequeo del encapsulado del circuito

Eliminacin de rebotes

Bajo consumo de potencia Desventajas

Resistencia de encendido y apagado finitas

Baja eficacia de transmisin

5.2.-Transistor.

El transistor es un dispositivo electrnico semiconductor que cumple funciones de amplificador o interruptor. El trmino "transistor" es la contraccin en ingls de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se les encuentra prcticamente en todos los enseres domsticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y vdeo, hornos de microondas, lavarropas automticas, automviles, equipos de refrigeracin, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lmparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomgrafos, ecgrafos, reproductores mp3, celulares, etc. El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes drenadas artificialmente que forman

dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la

tercera, que est intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las vlvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseo de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a

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diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Existen dos familias principales de transistores: Los Bipolares y los de efecto campo. De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es amplificada y se inyecta al "emisor", pero el transistor slo grada la corriente que circula a travs de s mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", segn el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificacin logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parmetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Mxima, disipacin de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parmetros tales como corriente de base, tensin Colector Emisor, tensin Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas bsicos para utilizacin analgica de los transistores son emisor comn, colector comn y base comn.

Los Transistores Bipolares (BJT Bipolar Junction Transsistor). Son dispositivos fabricados con materiales semiconductores, cuentan con 3 elementos y su caracterstica principal es poder amplificar y conmutar una seal. Todo transistor est formado por 3 terminales:

1. Emisor Se suministra los portadores mayoritarios para el flujo de la corriente. Es la terminal que se simboliza por medio de una flecha.

2. Colector Recoge los portadores mayoritarios al emisor para la operacin del circuito.

3. Base Controla el flujo de corriente entre el emisor y el colector.

Estos transistores pueden ser de dos tipos: Los NPN y los PNP. Estos se diferencian por la manera como son polarizados.

Los Transistores FET.

El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en ingls) es en realidad una familia de transistores que se basan en el campo elctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un

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material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de potencial. Los Fets se han vuelto ms importantes que los transistores bipolares, ya que son fciles de fabricar y requieren de menos silicio.

Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor controlado por tensin, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.

As como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son tambin de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicacin de una tensin positiva en la puerta pone al transistor en estado de conduccin o no conduccin, respectivamente. Los transistores de efecto de campo MOS son usados generalmente en electrnica digital, y son el componente fundamental de los circuitos integrados o chips digitales.

Smbolos esquemticos del transistor de efecto campo

Canal P

Canal N

Smbolos esquemticos para

los FETs canal-n y canal-p.

G=Puerta(Gate),

D=Drenador(Drain) y

S=Fuente(Source).

Ventajas del FET:

1) Son dispositivos controlados por tensin con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 10

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ohmios). 2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT. 3) Los FET son ms estables con la temperatura que los BJT. 4) Los FET son ms fciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar ms dispositivos en un CI. 5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensin para valores pequeos de tensin drenaje-fuente. 6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilizacin como elementos de almacenamiento. 7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Desventajas que limitan la utilizacin de los FET:

1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada. 2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT. 3) Los FET se pueden daar debido a la electricidad esttica.

Los transistores de efecto de campo o FET ms conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET).

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Los Transistores MOSFET.

MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste en un transistor de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor ms utilizado en la industria microelectrnica. Prcticamente la totalidad de los circuitos integrados de uso comercial estn basados en transistores MOSFET.

El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta no

absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequea en comparacin con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada. Los MOSFET, adems, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el anlisis y diseo de circuitos.

Todos los tipos de MOSFETS son del tipo-N y tipo-P. A diferencia del FET de unin, la compuerta de un MOSFET no tiene contacto elctrico con la fuente y el drenaje. Una capa parecida al vidrio hecha de dixido de silicio (oxido = funciona como un aislante) sepra el contacto de metal de la compuerta del resto del transistor, es decir:

En el MOSFET de canal N la parte "N" est conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)

En el MOSFET de canal P la parte "P" est conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)

En los transistores bipolares la corriente que circula por el colector es controlada por la corriente que

circula por la base. Sin embargo en el caso de los transistores FET, la corriente de salida es controlada por una tensin de entrada (un campo elctrico). En este caso no existe corriente de entrada.

Los transistores MOSFET se pueden daar con facilidad y hay que manipularlos con cuidado. Debido a que la capa de xido es muy delgada, se puede destruir con facilidad si hay alta tensin o hay electricidad esttica.

5.3.- Tiristores.

Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrnicos de bajo consumo de potencia. Se utilizan en circuitos de electrnica de potencia, como pueden ser en fbricas, ensambladoras, etc.

La palabra tiristor, procedente del griego que significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la funcin que efecta este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a travs de ella. As como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturacin, los tiristores en cambio slo conmutan entre dos estados: corte y conduccin.

Los tiristores son dispositivos semiconductores 2 o 3 pines de conexin. Una pequea corriente en uno de sus pines permite que fluya una corriente muy grande a travs de los otros 2 pines. La corriente controlada puede ser solamente de encendido o apagado, es por eso los tiristores no amplifican las seales como la hacen los transistores si no en su lugar son interruptores de estado slido.

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Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este curso los tipos ms significativos, como son: SCR (Silicon Controlled Rectifier), SCS (Silicon Controlled Switch), Diac y Triac

SCR

Este dispositivo se caracteriza por tener 2 estados de operacin de electricidad o apagado. Su mayor aplicacin est en electrnica industrial y los circuitos de control. Su funcionamiento bsico es:

a) Si se polarizan inversamente no va a conducir corriente (de ah su nombre de rectificador) b) Si se polariza directamente tampoco conduce. c) Si se polariza directamente y se le aplica pulso a su compuerta con la polaridad requerida, este se

desbloquea y pasa de estado de apagado a encendido. d) En estado de encendido la compuerta ya no ejerce control sobre el dispositivo. e) Para apagar el SCR es necesario cancelar el voltaje aplicado entre sus extremos (nodo y

ctodo). La tercera patita es la compuerta G puede ser fabricada de material tipo N, lo cual requerir de un pulso negativo para realizar su conmutacin (apagado/encendido). Tambin hay SCRs donde la compuerta G se realiza con material P (positivo), lo cual requerir de un pulso positivo para su conmutacin (son los casos ms comunes). Para probarlos se coloca al multmetro en la posicin para checar diodos o resistencias, entre el nodo y el ctodo no debe marcar bajo ninguna polaridad. Tampoco debe marcar entre la compuerta y el nodo, pero entre cada ctodo y la compuerta debemos medir un diodo.

Smbolo:

Ejemplo: a) b)

TRIAC (Transistor Interruptor de A.C.)

Su funcionamiento es similar al SCR, con la diferencia que el TRIAC permite la circulacin de corriente de ambos sentidos. Su compuerta pude ser disparada en tensiones positivas y negativas. De hecho el TRIAC es un SCR bidireccional.

Pulso Pulso

Pulso

A

K G

G K

A

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DIAC (Diodo de AC): Es un dispositivo de 3 capas similar a un transistor de unin PNP pero sin la terminal de base. Puede conmutar voltajes de AC. El diac es interruptor bidireccional de AC. Su funcin es similar al triac ya que permite la circulacin de corriente en ambos sentidos. La nica diferencia es que en este dispositivo no existe la terminal G de compuerta. nicamente dejara de pasar la corriente en un sentido cuando exista la diferencia de potencial definida por el fabricante. Puede conmutar voltaje de AC y pasar la corriente en ambos sentidos.

SCS (Silicon Controlled Switch):

Es similar en cuanto a construccin al SCR. La diferencia est en que posee dos terminales de puerta, uno para entrar en conduccin y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos de potencia menores que el SCR.

Smbolo del SCS

El SCS tiene aplicaciones muy similares a las de SCR. Este ltimo tiene la ventaja de poder abrirse ms rpido mediante pulsos en cada uno de los terminales de gate, pero el inconveniente que presenta respecto al SCR es que se encuentra ms limitado en cuanto a valores de tensin y corriente. Tambin se utiliza en aplicaciones digitales como contadores y circuitos temporizadores.

6.- Aplicaciones con semiconductores Las aplicaciones de los semiconductores se pueden agrupar en 5 partes:

G = compuerta

T1 = terminal 1

T2 = terminal 2 TRIAC

Potencimetro

T1 = terminal 1

T2 = terminal 2

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1) Rectificadores 2) Amplificadores 3) Oscilador 4) Conmutador 5) Fuente de poder

6.1.-Rectificadores: Hay varios mtodos para realizar esta funcin, con Diodos semiconductores que tiene la funcin de convertir de CA a CD. Un rectificador es el que convierte la seal alterna a una seal pulsante de CD a una seal que aun no es una seal de CD pura. Dependiendo del nmero de diodos utilizados podemos realizar rectificadores de 3 tipos:

Rectificador de media onda

Rectificador de onda completa

Rectificador tipo puente

Rectificador de media onda:

Es un circuito que utiliza un solo diodo, donde la mitad de cada ciclo no se aprovecha lo cual representa un desperdicio de energa. Y su nombre viene de la mitad de cada ciclo no se aprovecha.

Rectificador de onda completa:

Es un circuito de fuente de alimentacin que utiliza dos o ms diodos como rectificadores, en donde el desperdicio de energa la entrada es menor. En este tipo de rectificador utiliza un transformador con derivacin central, debido a que se pone a tierra la derivacin central secundario para que la mitad inferior del devanado secundario reduzca una seal que es igual a la seal superior pero con un desfasamiento de 180. Una limitante de este tipo de rectificador es que necesariamente utiliza un transformador de derivacin central.

Rectificador tipo puente:

Este rectificador combina las ventajas del rectificador de media onda y onda completa. Como el rectificador de onda completa, el rectificador puente, puede fcilmente usar el ciclo completo de entrada y es fcilmente filtrar.

+

in

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El rectificador tipo puente reside de 4 diodos para completar el ciclo de entrada y su seal de salida no requiere un transformador con plug de derivacin central. En la actualidad se puede encontrar estos 4 diodos en un paquete. Elctricamente ambos funcionan de la misma manera.

Nota: 2 de los diodos del puente estn conduciendo en un ciclo, y los otros 2 no por estar polarizados inversamente, es decir se van alternando su operacin ayudando a alargar su vida.

Grfica de la seal de salida del rectificador puente:

6.2.- Amplificadores. Un circuito amplificador aumenta la seal que tiene a su entrada. Los amplificadores electrnicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensin, la corriente o la potencia de una seal. Este amplificador requiere de una alimentacin directa con referencia a tierra, para aplicar una seal de CD o CA. Todo amplificador tiene una ganancia que se calcula dividiendo el voltaje de salida entre la entrada. Para lo anterior se requiere de un lazo de retroalimentacin, que viene siendo una conexin de la salida con la entrada.

6.3.- Oscilador. Un circuito oscilador es un caso especial del amplificador, ya que genera una salida de CA a partir de un voltaje de alimentacin de CD sin necesidad de aplicar en su entrada ninguna seal de CA. Los osciladores constan de un amplificador y algunos de un tipo de retroalimentacin, es decir, las seales de salida sern conducidas a la entrada del amplificador para regular la ganancia. A los osciladores tambin se le conocen como multivibradores y sirven como fuente de reloj para circuitos digitales.

Out

+-

-+

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6.4.- Conmutador. Un circuito conmutador es aquel que depende de la seal de una de las entradas es la entrada a salir funciona como un interruptor de varias conexiones. Cuando los conmutadores tienen una salida se les conoce como multiplexores, y se utilizan en infinidad de circuitos electrnicos.

6.5.- Fuente de Poder. Una fuente de poder de alimentacin es bsicamente un circuito que convierte una seal de CA a CD. Todos los circuitos elctricos necesitan una fuente de poder, y en caso de requerir una baja corriente se podrn usar bateras, de lo contrario se requerir una fuente de poder o de voltaje que est conectada a la energa comercial. Una fuente de poder no genera voltaje potencia, sino ms bien convierte una potencia o un voltaje. Para realizarlo se requiere indispensablemente de las siguientes partes:

Un Transformador, puente de diodos, capacitor, regulador.

Nota: Dependiendo de la capacidad del transformador y el regulador en ampers, ser la cantidad de corriente mxima que la fuente de alimentacin podr proporcionar sin saturarse.

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7.- Amplificadores operacionales

7.1.-. Introduccin a los Circuitos Integrados. El circuito integrado (CI) o chip, es una pieza de plstico generalmente de color negro que internamente contiene muchos componentes electrnicos. Durante la dcada pasada a cambiado su uso por completo, hacindolo cada vez ms pequeo, ms econmico y con mayores funciones. En la actualidad transistores, diodos, resistencias y capacitores microscpicos forman una sola pieza de silicio. Internamente el CI contiene miles de transistores y resistencias de otros componentes que estn diseados en una oblea, del tamao de un lunar la cual se instala en la parte de en medio de los CI, tal como se ilustra a continuacin: Los CIs son casi de uso exclusivo en muchos dispositivos digitales como cronmetros, relojes, microcomputadoras, juegos y calculadoras. Tambin se emplea en equipos analgicos modernos como son amplificadores de audio y receptores de TV. Los CIs rara vez se reparan, ya que en la actualidad es ms fcil y econmico reemplazar la tarjeta completa que ponerse a reparar un CI. En la actualidad existen 3 tipos de CIs comercialmente:

1) CI monoltico: Es cuando los componentes forman parte de una oblea tipo P o tipo N. 2) CI de pelcula delgada o gruesa: Es cuando los componentes electrnicos se forman sobre un

sustrato de cermica o vidrio lo cual forma una pelcula aislante. 3) CI hibrido: En este tipo de CIs se combinan las caractersticas de los CIs monolticos y los de

pelcula delgada o gruesa. Ahora en cuanto su funcin, los CIs se clasifican en dos grandes grupos:

CIs digitales: Que procesan seales digitales y estn constituidos por circuitos de pulsos. Una seal digital es aquella que tiene 2 niveles discretos de voltajes, algunas veces indicados como 1 lgico (+ 5Vcd) y 0 lgico (0 Vcd o tierra). Su voltaje de alimentacin es de +3 a +15 Vcd.

Ejemplo de un circuito digital:

CIs lineales o analgicos: Que sirven para procesar seales analgicas. Una seal analgica es aquella que varia en forma continua en proporcin a su entrada. Las pastillas de CIs lineales contienen varios circuitos amplificadores para seales de amplitud de frecuencia o radiofrecuencia. Su voltaje de alimentacin oscila entre +15 a +40 Vcd.

Ejemplo de un circuito analgico:

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Una diferencia entre los CIs digitales y los CIs analgicos es que los digitales maneja 0 y 1 y su nivel de control es estable, y los analgicos manejan voltajes y su nivel de control no es estable. Mientras que para los CIs digitales nicamente existen 2 valores posibles (el 1 o 0), para los CIs analgicos una pequea variacin de corriente o voltaje representa un valor especfico y diferente comparado con los otros valores obtenidos. Ahora de acuerdo a su complejidad los CIS digitales se clasifican en:

VLSI (Very Large Scale Integration = de integracin a escala muy grande): Contiene una circuitera igual o mayor a 1000 compuertas lgicas.

LSI (Large Scale Integration = de integracin a gran escala): Contiene una circuitera de entre 100 a 1000 compuertas lgicas.

MSI (Medium Scale Integration = de integracin a mediana escala): Contiene una circuitera entre 12 y 100 compuertas lgicas.

SSI (Small Scale Integration = de integracin a pequea escala): Contiene un nmero de compuertas menor a 12 compuertas lgicas (que son los que emplearemos en este curso).

Una oblea de silicio es ms pequea que una moneda de 12 mm de dimetro. Los CIs se disean en diferentes tipos de encapsulados, aunque generalmente son de forma rectangular y de plstico color negro, aunque lo existen redondos y metlicos. Estos dispositivos lucen como transistores extra grandes distinguindose en que tienen 10 12 terminales en vez de 3. La mayora de los circuitos modernos vienen en encapsulados de doble fila de terminales, o sea los DIP (Dual-Inline Package) que son empaques rectangulares de plstico que tienen 2 filas lneas paralelas de terminales. Los DIP normalmente tienen 8, 14 16 terminales. Normalmente son de color negro, aunque los existen de otros colores. En todos los CIs existe una ranura o un crculo grabado en la parte superior del envase para identificar la terminal 1. Algunos dispositivos MSI y LSI tienen 24, 28 inclusive 40 terminales. La mayor parte de los CIs se ilustran en los diagramas esquemticos como bloques.

Un amplificador operacional (Amp Op) es sin duda el tipo ms comn de CI lineal o analgico, ya que es un amplificador de amplia ganancia acoplado directamente. La ganancia del amplificador depende de una red externa de retroalimentacin, desde la salida hasta la entrada, que determina las caractersticas de operacin. La ganancia de un amplificador se fija por medio de resistencias externas. Su nombre proviene del hecho de que los primeros Amp Op. fueron utilizados por las computadoras analgicas para llevar a cabo las operaciones matemticas. Uno de los CIs ms populares y econmicos es el CI 741, ste CI puede venir en empaques de 8 y 14 terminales. En algunas ocasiones este nmero es precedido o seguido por letras clave que identifican al fabricante, el tipo de encapsulado, el rango de temperatura,

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13

12

11

10

9

8

1

2

3

4

5

6

7

Parte

Superior

(Vcc)

(GND)

Parte

Superior

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Parte

Superior

(Vcc)

(GND)

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9 (GND)

(Vcc)

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el contenido, etc. Estas letras o nmeros son tiles para los ingenieros que disean circuitos electrnicos. Smbolo: Ejemplo de la configuracin interna de un CI 741: V V

Un amp op tiene 2 terminales de entrada del lado izquierdo, la inversora (-) y la no inversora (+), y una terminal de salida que est en la parte derecha de su smbolo. Todo amp op requiere de alimentarse de voltaje positivo y negativo con su referencia a tierra. La entrada no inversora (+) estar en fase con la seal de salida o mejor dicho, la salida del amp op estar en fase con una seal de entrada en esta terminal. Para la otra entrada inversora (-), la seal de salida estar 180 fuera de fase con una seal de entrada en esta terminal. El CI741 se puede configurar en innumerables configuraciones como son: como inversor, como no inversor, como integrador, como restador, como diferencial, como integracin, como diferenciacin y como comparador.

7.2.- Configuraciones principales:

Amplificador inversor:

En este tipo de configuracin la salida est fuera de fase 180 con respecto a la entrada. Cuando la seal de entrada aumenta (se hace mas positiva), el voltaje de salida decrece (se hace mas negativa) y viceversa. El Amp.Op. tiene una resistencia R2 que retroalimenta parte de la seal de salida a la entrada. La resistencia a la entrada R1 est conectada en serie con R2 para hacer el lazo de retroalimentacin. La seal se aplica a la entrada inversora (-) del amplificador. La ganancia de voltaje del amp op depender del valor de la resistencia de entrada R1 y el de retroalimentacin R2.

Amplificador no inversor:

Esta configuracin se diferencia con la anterior en que usa la entrada NO inversora (+) en lugar de la entrada inversora. La salida estar en fase con respecto a la entrada.

inversora

inversora

=

= Vout/Vin

-

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En esta configuracin la seal de entrada se amplifica pero no sufre inversin de polaridad alguna, por lo que se dice que las seales de entrada y salida estn en fase. En estos amplificadores puede utilizarse como entrada voltajes de CD o CA. La ganancia de voltaje depende del coeficiente de las resistencias externas (R1 y R2). Ejercicios:

1. Calcular el voltaje de salida y las corrientes que circulan por el circuito de un multiplicador de ganancia constancia inversor, cuando el voltaje de entrada es de 2 Vcd , R2 = 500 k R1 = 100 K.

2. Si cuentas con una batera de 9 volts y quieres alimentar tu autoestereo, disear el circuito elctrico apropiado con amp op

para realizar la anterior. En lista todo el material que vayas a

utilizar.

3. Disear un circuito que amplifique un seal de 500 mV originario de un teclado de computadora, para que esta seal pueda ser interpretada por los circuitos digitales que se encuentran en la tarjeta madre.

Amplificador sumador:

Sin duda es el mas til de las configuraciones en Amp. Op. utilizados en las computadoras, ya que en su circuito considera 2 o ms entradas de voltaje, el cual brinda un medio para sumar algebraicamente voltajes de entrada, cada uno multiplicado por un factor de ganancia constante.

Ejercicios:

1. Calcular el voltaje de salida y todas sus corrientes de un amplificador sumador para el siguiente juego de voltajes de entrada y de resistencia cuando se cuenta con una resistencia de 1 M en el lazo de retroalimentacin para todos los casos.

R3 R2

R1

R4

V3

V2

V1

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a) V1=+1V, V2=+2V, V3=+3V, R1=500 K, R2=1M y R3=1M.

b) V1= -2V, V2=+3v, V3=+1V, R1=200 K, R2=500 K, R3=1M

c) V1=+5V,V2= -6V,V3=+2V, V4= -3V, R1=150 K, R2=220 M, R3=550 M, R4=330

Amplificador Integrador:

Hasta ahora las configuraciones que se han visto utilizan solamente resistencias, en este tipo de configuraciones se utiliza un capacitor en el lazo de retroalimentacin. La ganancia del amp op variar con la frecuencia, ya que la reactancia del capacitor es dependiente de la frecuencia. A medida que la frecuencia de entrada aumente, la reactancia del capacitor en el circuito de retroalimentacin disminuye, nulificando ms y ms la seal de entrada a las frecuencias ms altas, de ah que tambin se le conoce como filtro pasa bajos activo. El trmino activo es porque ms bien amplifica en lugar de producir atenuacin.

Amplificador restador o diferencial:

Si se aplican seales diferentes a cada una de las seales de entrada de un amplificador con ganancia unitaria, la salida ser igual a la diferencia entre las seales de entrada. Este tipo de configuracin resta las 2 seales de entrada que puede tener el Amp. Op (Entrada inversora y no inversora).

Amplificador diferenciador:

Este es el proceso opuesto a la integracin, ya que en vez de utilizar un capacitor en el lazo de retroalimentacin utiliza resistencia, y en vez de la resistencia de entrada se sustituye por un capacitor.