Electrónica IndustrialIntroducción

Curso 2012-2013

Información general de la asignatura

ftp://ftp.ehu.es/cidira/dptos/depjt/Electronica_Industrial_Grado/

Programa (i)Introducción

1. Introducción a la Electrónica. Sistemas electrónicos. Áreas de especialización de la electrónica. Visión de detalle, visión de sistema. Magnitudes fundamentales. Señales y ondas. Funciones básicas. Aplicaciones. (J. Sánchez)

Electrónica Gen.

2. Clasificación de los componentes electrónicos. Componentes activos y pasivos. Componentes pasivos básicos. Resistencias lineales y no lineales; fijas y variables. Condensadores. Bobinas (I. Díaz de Corcuera)

3. Diodos y Circuitos con diodos. El diodo ideal y el diodo real.Características. Regiones de polarización directa, inversa y zener. Otros diodos: zener, leds .Análisis de los circuitos con diodos. Modelos. Aplicaciones de los circuitos con diodos, rectificadores y recortadores. (I. Díaz de Corcuera)

4. El Transistor Bipolar. Definiciones. Regiones de trabajo de los BJTs. Curvas cacterísticas. Análisis en continua. (I. Díaz de Corcuera)

5. Transistores JFET y MOSFET. Definiciones. Regiones de trabajo de los JFETs y MOSFETs. Curvas características. Análisis en continua. (I. Díaz de Corcuera)

Programa (ii)6. Circuitos de polarización de los transistores. Cálculo de los puntos de trabajo. Redes de

polarización. Estabilidad del punto de trabajo. Variación con la Tª de los diferentes parámetros. (I. Díaz de Corcuera)

7. Amplificadores de pequeña señal. Circuitos equivalentes en pequeña señal. Definiciones básicas. Análisis de las configuraciones básicas de una y varias etapas. (I. Díaz de Corcuera)

Electrónica digital y microcontroladores

8. Introducción a la Electrónica Digital. Sistema binario. Códigos numéricos. Algebra de Boole. Funciones lógicas elementales. Familias lógicas. (L.A. Aguado)

9. Introducción a los microcontroladores, funcionamiento básico, registros, contador de programa, pila y funcionamiento de las interrupciones. (J.M. Gil-García)

Electrónica de potencia

10. Introducción a la Electrónica de Potencia. Somera descripción de componentes de potencia y de los convertidores básicos. (J. Sánchez)

Aplicaciones

11. Aplicaciones de la Electrónica en la Industria. (J. Sánchez)

HorariosComo norma informarse de los establecidos oficialmente (página de la EUI)

TEORÍA

GRUPO 1:

Lunes 11:30-12:30 y Jueves 10:30-12:30

GRUPO 2:

Lunes 10:30-11:30 y Martes 10:30-12:30

PRÁCTICAS

Horario de 15:30 a 17:30 Lunes a Jueves según grupo y en semanas alternas. Se concretarán en las primeras semanas del curso.

Cada grupo ha de asistir a 6 sesiones de prácticas en laboratorio.

Planificación de clases

MES DE SEPTIEMBRE

Septiembre Grupo 1L M X J V S D

1 2

3 4 5 6 7 8 9

10Jesús

11 12 13 14 15 16

Jesús

Iñaki

17Iñaki

18 19 20 21 22 23

Iñaki

Iñaki

24Iñaki

25 26 27 28 29 30

Iñaki

Iñaki

Planificación de clases

MES DE SEPTIEMBRE

Octubre Grupo 1

L M X J V S D

1Iñaki

2 3 4 5 6 7

Iñaki

Iñaki

8Iñaki

9 10 11 12 13 14

Iñaki

Iñaki

15Iñaki

16 17 18 19 20 21

Iñaki

Iñaki

22Iñaki

23 24 25 26 27 28

29Iñaki

30 31

Planificación de clasesNoviembre Grupo 1

L M X J V S D

1 2 3

4

8 Luis

Angel o

Iñaki

5 Iñaki

6

7

Luis

Angel o

Iñaki

9 10

11

15 Luis

Angel o

Iñaki

12 Luis

Angel o

Iñaki

13

14

Luis

Angel o

Iñaki

16 17 18

22 Luis

Angel o

Iñaki

19 Luis

Angel o

Iñaki

20

21

Luis

Angel o

Iñaki

23 24 25

29 Josemi

26 Luis

Angel o

Iñaki

27

28

Josemi

30

Planificación de clases

MES DE SEPTIEMBRE

Diciembre Grupo 1

L M X J V S D

1 2

3Josemi

4 5 6 7 8 9

10Josemi

11 12 13 14 15 16

Josemi

Jesus

17Jesus

18 19 20 21 22 23

Jesus

Jesus

24 25 26 27 28 29 30

31

Evaluación

Según la guía de la asignatura:

La asignatura constará de una evaluación teórica y otra práctica de los conocimientos adquiridos durante el curso.

La parte de Teoría se dividirá en un 10% evaluación continua y un 90% evaluación en examen final.

Una vez superada la evaluación de la Teoría se realizará un examen de prácticas, pudiendo ser esta parte superada con la asistencia y aprovechamiento de las sesiones de laboratorio.

Bibliografía

• Apuntes-Transparencias de Electrónica Básica. Iñaki Díaz de Corcuera.

• Principios de Electrónica. Malvino. Edit Mc Graw Hill.

• Electrónica analógica para ingenieros. Pleite. Edit Mc Graw-Hill

• Circuitos Microelectrónicos. Sedra y Smith. Edit Oxford.

• Problemas de Electrónica. Varios aut. Edit Marcombo

• http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/

• http://grupos.unican.es/dyvci/ruizrg/html.files/LibroWeb.html

ElectrónicaSistemas electrónicos

Ejemplos de aplicación

Ejemplos

jeronimo.quesada@ehu.es

Ejemplos

jeronimo.quesada@ehu.es

Fuentes de alimentación para todo tipo de aplicaciones. Mercado de gran volumen con fuertes requisitos de eficiencia, fiabilidad y coste

Regulación de velocidad o par de motores eléctricos. Ejemplo: en un tren de laminación se ha de regular velocidad de cientos de motores de gran potencia

Ejemplos (energías renovables)

jeronimo.quesada@ehu.es

Un Mercedes clase S incluye más de 70 microcontroladores distribuidos en distintos puntos del vehiculo (M. Santarini. "Design Challenges steer automotive electronics". EDN January 5,2006)

En las últimas décadas la electrónica ha pasado a suponer un porcentaje elevado del coste de un automóvil, las previsiones son que este porcentaje siga creciendo, y puede llegar a ser la tecnología dominante en los vehículos híbridos o eléctricos

Ejemplo importante: penetración de la electrónica en el automóvil

La electrónica en el transporte

jeronimo.quesada@ehu.es

© Prisma SenseFuente: http://www.scgyjt.net/intelligent-transport-systems.html

Salud: La electrónica es una de las tecnologías determinantes en el futuro de los sistemas de diagnóstico y tratamiento

jeronimo.quesada@ehu.es

© Prisma Sense

Edificios inteligentes: el control electrónico es fundamental para la evolución hacia la edificios seguros y con alta eficiencia energética

jeronimo.quesada@ehu.es

© Prisma Sense

Agricultura y ganadería: ya está penetrando de forma importante en el control y gestión inteligente de cultivos y ganado

jeronimo.quesada@ehu.es

© Prisma Sense

Electrónica y electrónica industrial

• Se suele definir la electrónica como la rama de la ciencia y la tecnología relacionada con el estudio y desarrollo de sistemas basados en el control del movimiento microscópico de partículas cargadas (electrones).

• Pero se ha de diferenciar de la electrotecnia y electricidad clásica en el hecho de que en electrónica el nivel de control, complejidad y variedad de operaciones es superior y en que se basa sobre todo en dispositivos activos, es decir dispositivos que pueden alterar de forma significativa y bien controlada las variables eléctricas fundamentales (tensión, corriente, ..)

• La primera etapa en la historia de la electrónica (desde principios a mediados del siglo XX) se fundamentó sobre la tecnología de válvulas de vacío, en la que movimiento de cargas (electrones) se producía por corriente controlada en el vacío (emisión termoiónica).

• A mediados del siglo XX y con el descubrimiento del transistor la electrónica inició una segunda etapa basada en el control de conducción de partículas (electrones, huecos) en dispositivos sólidos (en la actualidad el Silicio es el material dominante). Es la conocida como electrónica del estado sólido que es la dominante en la actualidad.

• La especialidad de electrónica industrial hace referencia a la aplicación de la electrónica en los sistemas industriales de fabricación y proceso y en los dispositivos, sistemas y equipos manufacturados. Clásicamente se ha distinguido de la electrónica física y o del estado sólido (más orientada al análisis y diseño de dispositivos electrónicos) y de la relacionada con la ingeniería de telecomunicaciones.

Sistema electrónico. Finalidad

Finalidad de un sistema electrónico:

El diseño y la posterior producción de un sistema electrónico puede obedecer a una de las siguientes finalidades (o a más de una):

� Procesar información

� Controlar

� Procesar energía

Sistema electrónico como procesador de información

La información reside en los cambios de las variables (eléctricas en nuestro caso). Una variable que transporta información se denomina señal.

• Sistema electrónico como procesador de señal– Toma una señal débil y la amplifica, manteniendo calidad (televisor, teléfono móvil,....)– Toma una señal corrompida por ruido y la filtra, acondiciona y trata para extraer información de ella

(audio, imagen etc.)

Sistema electrónico como procesador de información

Dos ramas de la electrónica:

Electrónica Analógica• Si una señal puede tomar todos los valores posibles en un intervalo se dice que es continua. Por

el contrario, si toma valores en un conjunto finito o sólo importa si se sitúa en un conjunto finito de intervalos se dice que es discreta, si ese conjunto se reduce a dos valores se trata de una señal digital. Se denomina electrónica analógica (también electrónica de baja señal) a la que trata con señales continuas. En los circuitos analógicos el objetivo fundamental es generar formas de onda concretas, modificarlas y amplificarlas. Se manejan potencias reducidas. No importa tanto la eficiencia energética, resulta mucho más importante conseguir una buena fidelidad o calidad en la conversión. Ejemplos: amplificador de alta fidelidad, electrocardiógrafo,…

• en la analógica se busca, como objetivo fundamental, la calidad o fidelidad en el tratamiento de las señales. Por otra parte los niveles de potencia, tensiones y corrientes que se manejan son, en general, reducidos. El consumo es siempre un factor importante en los dispositivos portátiles, tan extendidos hoy en día, incluso en la parte analógica de los sistemas electrónicos.

Sistema electrónico como procesador de información

Dos ramas de la electrónica:

Electrónica Digital

• Son sistemas en los que tratan señales electrónicas en los que sólo se distinguen dos posibles niveles (tensión alta o baja, corriente o no corriente, etc): Utiliza interruptores �Electrónica de Conmutación

• La electrónica digital es la base del tratamiento moderno de la información. Ejemplos: ordenador, microcontroladores incluidos en todo tipo de sistemas,..., en la actualidad invade aplicaciones que clásicamente se resolvían con electrónica analógica (aunque siempre será necesaria ésta última en las etapas de captación de variables físicas y amplificación inicial).

• Para muchas aplicaciones la utilización de información de tipo digital proporciona una mayor precisión que la analógica, es menos sensible al ruido y, además, el número de operaciones básicas a realizar con variables digitales es muy reducido. De esta forma un sistema digital se consigue mediante la

interconexión de multitud de circuitos básicos de un número reducido de tipos fundamentales. Todo lo anterior, unido a la extraordinaria velocidad con que puede ser procesada la información digital, hace que el proceso digital haya invadido gran número de aplicaciones y sea la base fundamental de la denominada “era digital”.

Sistema electrónico como procesador de información

En muchos casos coexisten ambas soluciones:

Ejemplo:Las señales biológicas son muy débiles y han de ser amplificadas evitando ruidos que las enmascaren para luego poder procesarlas por el sistema digital y obtener información útil para diagnóstico médico

El sistema electrónico como sistema de

control

• Capta estado del medio que controla, actúa para mantener o llevar ese medio a un estado prefijado o solicitado por una consigna o programa.

– (Piloto automático, regulación de un horno, maniobra de un ascensor....)

• Realizado mediante sistemas electrónicos analógicos o digitales

Sistema electrónico como procesador de energía

• La finalidad es modificar los parámetros de la energía que viene “empaquetada” de forma adecuada para su distribución o almacenamiento para adecuarlos a los requisitos de los sistemas que la consumen (ejemplo: pasar de 230V a 5V para cargar un móvil).

• Requisito: que sea altamente eficiente

• Los elementos que componen el sistema electrónico de potencia deben ser eficientes �Electrónica de conmutación.

• Pero a diferencia de la electrónica digital, como la finalidad es diferente, los interruptores y la forma de operarlos son diferentes.

• Dos campos de aplicación:

– Altas energías (control de motores, hornos industriales, aplicaciones industriales y de distribución o producción eléctrica

– Bajas energías y muy alta eficiencia: cargadores, adecuadores de tensión, alimentadores, etc.

Sistema electrónico como procesador de energía

El circuito de control se basará

en electrónica analógica o digital

El circuito de control se basará

en electrónica analógica o digital

Estructura:

Convertidor conmutado

(interruptores)

Ejemplos de conversión electrónica de energía

Fuentes de alimentaciónRegulador de velocidad de motor

Planta de energía de un satélite artificial

Análisis y diseño de circuitos y sistemas electrónicos

Análisis : dada la señal Ve aplicada al circuito de la figura, determinar cómo será la señal Vs

Diseño : Diseñar un circuito tal que al serle aplicadas como entrada la señal V1 se obtenga como señal de salida la V2

Al igual que en otras ramas de la ingeniería, en electrónica el análisis es una etapa más rutinaria y sencilla, y el diseño es más creativo y el objetivo fundamental de la ingeniería

Magnitudes y variables fundamentales en electrónica

Campo y potencial eléctricos

• Las cargas eléctricas establecen un campo de fuerza. La intensidad de campo es fuerza por unidad de carga situada en dicho campo. El campo eléctrico es una magnitud vectorial

• El potencial eléctrico define la cantidad de energía potencial almacenada en cada punto de un campo eléctrico o, de otra forma, puede describirse como la cantidad de energía (trabajo) necesaria para transportar una carga unitaria desde un punto de referencia hasta el punto concreto del campo en que se mide el potencial.

• La unidad de potencial es el julio/culombio o voltio (V).

• El potencial eléctrico es una de las magnitudes fundamentales que se utilizarán en el análisis de circuitos eléctricos y electrónicos. (variables normalente utilizadas: u o v)

• Siempre se expresa respecto a un punto de referencia o como diferencia de potencial entre dos puntos

EqF��

.=

v1 es el potencial del punto 1 respecto al punto de referencia

v2 es el potencial del punto 2 respecto al punto de referenciav=v1-v2 es el potencial del punto

1 respecto al punto 2, los símbolos + y – se asocian a v, se señala con + el punto de mayor potencial suponiendo que v>0

v1 es el potencial del punto 1 respecto al punto de referencia

v2 es el potencial del punto 2 respecto al punto de referenciav=v1-v2 es el potencial del punto

1 respecto al punto 2, los símbolos + y – se asocian a v, se señala con + el punto de mayor potencial suponiendo que v>0

Corriente eléctrica

• Cuando se aplica una diferencia de potencial en un punto de un circuito eléctrico las cargas pueden desplazarse a través de dicho circuito buscando el equilibrio de carga, se produce asíun movimiento de cargas.

• El flujo de carga por unidad de tiempo se mide en Culombios/segundo o amperios (A) y dicha magnitud se denomina corriente eléctrica.

• Será la segunda magnitud fundamental que se utilizará en el análisis de circuitos eléctricos y/o electrónicos. La corriente eléctrica aparece como un flujo entre dos puntos de un circuito conectados por un elemento más o menos conductor. Variable normalmente utilizada: i

• En circuitos eléctricos la carga que se desplaza es normalmente negativa (electrones) que se mueven en el sentido contrario al convencional para la corriente positiva.En los dispositivos electrónicos la carga que se desplaza puede ser negativa o positiva. Se profundizará en estos conceptos al ver electrónica física

La corriente i circula entre los

puntos 1 y 2 del circuito. Se

supone que el sentido de

circulación de la carga

(positiva) es el de la flecha

cuando i>0

La corriente i circula entre los

puntos 1 y 2 del circuito. Se

supone que el sentido de

circulación de la carga

(positiva) es el de la flecha

cuando i>0

Magnitudes fundamentales• El potencial eléctrico y la corriente eléctrica son las dos magnitudes fundamentales a tener en cuenta

en el análisis de circuitos electrónicos.

• El potencial eléctrico se mide en voltios (V) y sus múltiplos y submúltiplos según el sistema internacional de unidades (SI).

• La corriente eléctrica se mide en amperios (A) y sus múltiplos y submúltiplos según el SI.

• Las diferencias de potencial y corrientes en distintos nodos o ramas de un circuito se representarán

como variables dependientes del tiempo: v(t) , i(t)

• La potencia eléctrica instantánea absorbida o cedida por un circuito electrónico entre dos puntos dados es el producto de la diferencia de potencial y la corriente entre esos dos puntos. p(t)=v(t).i(t) . La unidad de potencia es el vatio (W)

• La integral en el tiempo de potencia determina la energía que se ha entregado o extraído del circuito. La unidad de energía es el joule o julio (J)

Señales y formas de onda

Variables, señales y formas de onda• Las variables de un circuito, como el potencial eléctrico en un punto o la corriente

eléctrica en un conductor son, en Gen., variantes en función del tiempo. Se pueden expresar, por tanto, como funciones del tiempo: v(t), i(t).

• Se utilizarán letras minúsculas para simbolizar los valores instantáneos de estas magnitudes cuando varían en el tiempo.

• A un potencial o corriente eléctricos que varía con el tiempo se le denomina de forma genérica señal y al perfil que sigue dicha evolución en el tiempo forma de onda. Entre las formas de onda no periódicas más típicas se encuentran el escalón, la rampa y el pulso.

Señales periódicas. Periodo• En electrónica van a tener particular importancia las señales que se repiten de

forma periódica. Una señales de onda a(t) se dice que es periódica con periodo T, si se puede encontrar un valor T tal que se verifica a(t+T)=a(t) para cualquier instante t. El mínimo valor T que cumple la condición anterior se denomina periodo propio o fundamental, cualquier múltiplo entero de T también será un periodo.

Señales periódicas. Frecuencia• Ciclo es la parte de la una forma de onda periódica comprendida en un

intervalo igual al periodo fundamental, por ejemplo en el intervalo (t, t+T)• Frecuencia de una onda periódica es el número de ciclos que tienen lugar en la

unidad de tiempo , así pues siendo f la frecuencia se tiene que f=1/T. El periodo se mide en segundos (s), normalmente se utilizan submúltiplos, dado el rango de tiempos usual en electrónica: milisegundos, microsegundos etc.

• La frecuencia se mide en hercios (Hz) o ciclos por segundo, normalmente se utilizarán múltiplos (kilohercio, megahercio, ..)

Tf

1=

Señales periódicas. Fase. Valores de pico• Se denomina fase a la fracción de periodo que transcurre desde un instante que

se toma como referencia. Dos ondas periódicas de igual forma y frecuencia pueden diferenciarse en fase. Se dice que una adelanta o retrasa en fase a la otra, tomando siempre diferencias de fase iguales o inferiores a T/2

• Valores de pico o cresta: son los valores máximo y mínimo que toma la función. Se designan, para una onda a, como Ap+ y Ap-, respectivamente

• Valor pico a pico: diferencia Ap+- Ap-

Señales periódicas. Valores promedio

• Valor medio: Es el promedio integral en un periodo, para una onda a se designa como Am

• Valor eficaz: es la raíz cuadrada del valor medio del cuadrado de la función en un periodo, para una onda a, se designa como A. Este valor es muy importante en análisis de potencias y energías en circuitos. Nótese que aunque el valor medio puede ser nulo, el valor eficaz nunca lo será para una onda no nula.

• Factor de forma: relación entre valor eficaz y medio fforma= A/Am

∫+

=Tt

t

m dttaT

A0

0

).(1

∫+

=Tt

t

dttaT

A0

0

.)(1 2

Ondas senoidales

• Las formas de onda senoidales o sinusoidales siguen una función sinusoidal o sinusoide en el tiempo

• La ecuación para una forma de onda sinusoidal es: a(t)= Ap. sen (ωωωω.t + ϕϕϕϕ ) en ella: Ap es la amplitud o valor de pico. ωωωω es la pulsación, ωωωω.t + ϕϕϕϕ es el ángulo de fase en un instante t dado, ϕϕϕϕ es la fase inicial. El periodo T satisface la relación ωωωω.T=2ππππ, luego se tiene ωωωω=2ππππ / T = 2ππππ f

En electrotecnia se utiliza en muchos casos como referencia la función coseno en lugar de la función seno. No existe diferencia fundamental entre ambos criterios.

Ondas senoidales. Valores promediados• El valor de pico coincide con la amplitud

Ap• El valor de pico a pico es 2.Ap• El valor medio en un periodo es cero. Se

suele utilizar el valor medio de semiperiodo o el valor medio del valor absoluto de la onda u onda rectificada . Con ese criterio los valores medio y eficaz son:

ApAp

dsenAp

dttT

senT

ApAm

T

ππ

παα

ππ π

2)cos0(cos..

2.2

0

2/

0

=−==

= ∫∫

24

2

2

1..

1.

2.

2

00

2

2/

0

22 ApsenApdsenApdtt

TsenAp

TA

T

=

−==

= ∫∫ππ αα

παα

ππ

11,122

== πfforma