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Conceptos básicos de electrónica
#1
Extraído de El blog de Carrax

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Lo primero que hay que dominar en electrónica son las magnitudes y unidades físicas que se utilizan con más frecuencia. Los más usados son los siguientes:

Potencial eléctrico: trabajo que debe aportar un campo electrostático para transportar una carga eléctrica de un punto A a otro punto B. Conocido también como tensión o voltaje. Se mide en voltios (V)

Corriente eléctrica: flujo de carga por unidad de tiempo que pasa a través de un material conductor. Conocida también como intensidad. Se mide en amperios (A)

Resistencia eléctrica: propiedad de un material a oponerse al paso de electrones. Se mide en ohmios (Ω)

Quizá no comprendas a la primera cómo interactúan estas tres propiedades. Para ello, utilizaremos el símil del agua:

Imagínate una tubería que circula por una fachada. El agua se desplaza del punto más alto al punto más bajo. La diferencia de alturas sería el potencial eléctrico (a mayor altura, mayor potencial). La sección de la tubería sería la resistencia eléctrica (a mayor sección, menor resistencia), de forma que en función de su sección modificaría el caudal, que representaría a la corriente eléctrica.

Estas tres propiedades se utilizan a la vez en una fórmula imprescindible en electrónica, la ley de Ohm. Esta ley dice que la diferencia de tensión entre dos puntos es directamente proporcional al producto de la resistencia por la corriente eléctrica que pasa por ella. Visualizada en forma de ecuación:

I=V/R

Es muy importante tener en cuenta que V es la diferencia entre los dos puntos a medir, y no la tensión de un sólo punto (suele ser un fallo de novato).

A partir de estas tres propiedades pueden sacarse otras. Una bastante importante suele ser la potencia eléctrica, que es el producto de la tensión por la corriente (P=V*I).

Hay muchas más propiedades y unidades que se utilizan. Puedes encontrar muchas de ellas en este enlace de Wikipedia:
Electricidad - Wikipedia, la enciclopedia libre

También es muy importante conocer los prefijos y símbolos aplicables a las magnitudes. Suele ser también uno de los aspectos donde se cometen más fallos. También los puedes encontrar en este enlace de Wikipedia: Prefijos del Sistema Internacional - Wikipedia, la enciclopedia libre

En lo que respecta a tipos de tensión, distinguiremos entre corriente continua (CC o en inglés DC) y corriente alterna (CA o en inglés AC).

La corriente continua (como dice su nombre) es el flujo continuo de electrones a través de una carga. Las fuentes de corriente continua idealmente suministran una tensión constante e invariable en el tiempo (aunque pueden variar ligeramente, pero de forma casi imperceptible y despreciable), pudiendo modificar su tensión a través de reguladores de tensión y elementos pasivos (como puede ser un potenciómetro o una resistencia variable). Una pila sería un tipo de fuente de corriente continua (la que sale en la foto suministra 9V DC).

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La corriente alterna es el flujo variable de electrones en magnitud y sentido en función del tiempo. Al igual que con la continua, se pueden modificar varios de sus parámetros, como puede ser la tensión de pico, la frecuencia, el offset... Una fuente de corriente alterna puede ser cualquiera de las tomas de tensión de una casa (para el caso de España, una tensión eficaz de 230V y frecuencia de 50Hz). Si has dado algo de física en bachillerato, te sonará aquello de movimiento ondulatorio. Pues la corriente alterna puede representarse igual.

Para entenderlo mejor, aquí lo ilustro:

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La tensión de pico sería la distancia que hay entre el eje horizontal y la cresta de uno de los semiciclos (1V). La tensión de pico a pico sería dos veces la tensión de pico (lo que viene representado en el dibujo como amplitud, 2*1V=2V). El periodo (T) es el tiempo que tarda en realizar un ciclo completo(2.1ms), y la frecuencia (f), la inversa del periodo (f=1/T=1/0.0021s). Por ejemplo, si la frecuencia de la corriente alterna en España es de 50Hz, la frecuencia será de 1/50=0.02 segundos, o 20 ms (recuerda la importancia de las unidades como dijimos en la lección 1).

Hay otros aspectos a tener en cuenta en la corriente alterna, más detallados en este enlace de Wikipedia: Corriente alterna - Wikipedia, la enciclopedia libre

A continuación, hablaremos de componentes eléctricos.

Comencemos por las resistencias ( Resistor - Wikipedia, la enciclopedia libre ). Se tratan de dispositivos que permiten reducir el paso de corriente entre dos puntos, y por lo tanto, mantener una diferencia de potencial entre sus extremos (según la ley de Ohm). Se miden en ohmios.

Existen muchos modelos de resistencias, tanto por su composición (carbón, película metálica...) como por su máxima disipación de potencia (1/4W, 1/8W, 2W...). Por lo general, en electrónica suelen usarse resistencias de 1/4W, es decir, que el cociente entre el cuadrado de su diferencia de potencial entre los extremos y su valor resistivo no puede pasar de 0.25:

P=V*I=V^2/R=I^2*R

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Para poder identificar su valor, se utiliza un código de colores, mediante el cual pueden determinarse los valores sin necesidad de forzar la vista. Dicha tabla es la siguiente:

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Por lo general, disponen de cuatro franjas. Las dos primeras determinan los dos primeros números del valor, la tercera da el número por el que hay que multiplicar los dos anteriores, y la cuarta proporciona la tolerancia. Normalmente, la tolerancia suele ser del 5 o el 10% (oro o plata), por lo que se empieza por el lado opuesto.

En algunos casos (con resistencias de película metálica), aparecen cinco franjas. Se calcula igual que antes, teniendo en cuenta que la tercera franja corresponde a un tercer dígito (mayor exactitud).

En un diagrama, se representan en zig-zag o con un rectángulo.


Otro tipo de componente es el condensador ( Condensador eléctrico - Wikipedia, la enciclopedia libre ). Está formado por dos extremos conductores separados por una pequeña capa no conductora. Su misión es la de almacenar un potencial eléctrico entre sus dos extremos, de forma que al cargarse alcanza ese potencial y al no pasar corriente por el circuito va descargándose poco a poco. Es muy útil en aplicaciones que requieren de una tensión medianamente estable, ya que protege de los picos de tensión (subidas de tensión durante un muy corto espacio de tiempo) y suaviza el rizado de señales armónicas y parásitas del circuito (señales alternas de muy baja tensión de pico centradas en la tensión de continua). Se miden en faradios (generalmente en el orden de 10^-6 o 10^-9, microfaradio o nanofaradio).

Al igual que con las resistencias, hay distintos tipos de condensador. Los hay cerámicos (suelen ser naranjas y con forma de lenteja), de poliéster (generalmente cuadrados y de diferentes colores) y electrolíticos (con forma de tubo). No tienen polaridad, a excepción de los electrolíticos que sí la tienen. También tienen valores máximos de tensión para funcionar. Si pasas de esos valores, pueden llegar a explotar (si estás cerca, puede ser peligroso, ya que te puede dar en la cara), por lo que es recomendable seleccionarlos para una tensión del doble de la que se vaya a utilizar.

En los diagramas, se representan con dos T enfrentadas (si tienen polaridad, la negativa está deformada)

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#2
Por último, vamos a introducir las bobinas ( Inductor - Wikipedia, la enciclopedia libre ) (también conocidas como inductores). Son componentes construidos con material conductor (cobre), el cual ha sido doblado formando un [url="http://es.wikipedia.org/wiki/Solenoide"]solenoide[/url]. Cuando la corriente pasa por una bobina, ésta crea un campo magnético determinado según la [url="http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaciones_de_Maxwell"]ley de Maxwell[/url], por lo que disipan energía en forma de inducción. Suelen ser menos usados que los dos anteriores, pero son ampliamente utilizados en la construcción de filtros (de los cuales ya hablaremos más adelante). Se miden en henrios.

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Pueden tener núcleo de aire o núcleo ferromagnético, siendo el segundo más efectivo que el primero. Se representan en los diagramas mediante una espiralde unas 5 o 6 vueltas.

Si entiendes más o menos inglés, te serán interesantes estos vídeos:

http://www.youtube.com/watch?v=VPVoY1QROMg

http://www.youtube.com/watch?v=ZYH9dGl4gUE

http://www.youtube.com/watch?v=STDlCdZnIsw
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#3
Un elemento bastante importante es el diodo ( Diodo - Wikipedia, la enciclopedia libre ). Es un dispositivo formado por una unión p-n ( Unión PN - Wikipedia, la enciclopedia libre ) (es decir, materiales con defecto o exceso de electrones en su última capa). Su funcionamiento es sencillo: De forma ideal, permite el paso de electrones en un sentido pero no en el otro. En el caso real, hay una corriente inversa de saturación, lo que no permite que el diodo no deje pasar corriente si está polarizado inversamente, pero suele ser muy pequeña (del orden de 1 microamperio), por lo que puede despreciarse casi siempre. Además, cuando se polariza directamente, provoca una caída de tensión entre su entrada y salida (unos 0,7V para diodos de silicio, de uso general). Se representa con un triángulo y una línea perpendicular en el vértice del mismo.

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Hay casos en los que interesa que pase una cierta cantidad de corriente a través del diodo polarizado inversamente, y para ello se utiliza un diodo de diferentes características, conocido como diodo Zener ( Diodo Zener - Wikipedia, la enciclopedia libre ). Polarizados directamente, se comportan como diodos normales, pero al ser polarizados inversamente, mantienen una diferencia de potencial fija independientemente de la corriente que pase por ellos (siempre que sea menor a la soportada). Dicha tensión es diferente según el modelo de Zener que se utilice. Por esta cualidad, son usados como estabilizadores de tensión para corrientes pequeñas que no requieran de una gran precisión. Se dibujan de forma similar al diodo normal, pero la línea perpendicular tiene los extremos desviados en sentidos opuestos.

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También existe otro tipo de diodo, caracterizado por emitir un espectro visible (luz) al comportarse de forma activa. Son los denominados diodos LED ( Led - Wikipedia, la enciclopedia libre ). La luz emitida se debe a que liberan energía en forma de fotones ( Fotón - Wikipedia, la enciclopedia libre ) al recombinarse los huecos del dispositivo. Se representa como un diodo normal con dos flechas saliendo del símbolo, representando la luz emitida.

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Aparte de los diodos y sus diferentes variantes, existen más componentes usados generalmente. Aunque se use en menor medida, la fotorresistencia (también conocida como LDR, del inglés Light-dependent resistor) está presente en muchos proyectos que dependen de la variación de luz. Se comporta al igual que una resistencia, pero su valor varía en función de la luz que incide sobre su superficie (debido al efecto fotoeléctrico ( Efecto fotoeléctrico - Wikipedia, la enciclopedia libre )). Se representa al igual que una resistencia normal, con dos flechas apuntando hacia ella (al contrario que un diodo LED).

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Para no extender demasiado el artículo, comentaremos otros componentes de forma más breve. Están los componentes cuya resistencia varía de forma mecánica, accionados por una pieza que gira y modifica su resistencia. Los hay de varios tipos:

Esto es una resistencia variable:

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Esto es un trimmer:

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Y esto es un potenciómetro:

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Se representan de la siguiente forma:

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Todavía existen más componentes (finales de carrera, pulsadores, puentes de diodos...), pero no se van a comentar de momento.
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#4
Hasta ahora, hemos hablado de bastantes componentes como para montar algún circuito sencillo (lámpara LED, regulador de tensión...). Sin embargo, muchas veces las señales suministradas son de muy baja potencia (poca corriente).

A principios del siglo XX, se conseguía amplificar esa señal con válvulas de vacío ( http://es.wikipedia.org/wiki/V%C3%A1lvul...%C3%B3nica ), sin embargo, no eran muy eficientes, ya que eran voluminosas, consumían elevada electricidad (por lo que se calentaban mucho) y solían fallar en poco tiempo. A pesar de ello, permitieron el avance de la electrónica en la primera mitad de siglo.

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Pero la electrónica daría un gran paso de gigante en 1947 con la invención del transistor ( http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor ) por Bardeen, Shockley y Brattain (arriba, de izquierda a derecha). En un intento de buscar la forma de obtener un conmutador de estado sólido, colocan sobre una placa de germanio una pletina de oro en ángulo con un minúsculo surco en el vértice manteniéndose en todo momento en contacto con el germanio. De manera ilustrada, esto mismo:

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De esta forma se consiguió construir el primer transistor bipolar de la historia, el BJT (bipolar junction transistor, http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_jun...transistor ).

Depende del tipo de material por el que están construídos, existen de canal N (PNP) y de canal P (NPN), donde los materiales de tipo P son los que tienen huecos (o defecto de electrones) y los de tipo N los que están dopados (exceso de electrones). Para un transistor de canal P, el colector estará conectado a +Vcc (la tensión suministrada por la fuente) y el emisor a Vref (por lo general, a masa). La base estará conectada a la salida de la señal que se desea amplificar. Entre +Vcc y colector o entre emisor y Vref deberá existir una resistencia que limite el paso de corriente para no quemar el transistor (en ocasiones basta con la impedancia de la carga).

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Como se puede observar, se comportan de una forma similar (que no igual) a dos diodos. Al igual que éstos, La diferencia de potencial entre dos extremos variará. Vbe (tensión base-emisor) suele ser de unos 0,6-0,7V, mientras que Vcb variará en función de las demás cargas del circuito. Para su uso, se tiene en cuenta otra ecuación:

Ic=?*Ib

Donde Ic es la corriente de colector, Ib la corriente de base y ? una constante determinada por el fabricante del transistor (suele ser del orden de 100).

Como la suma de estas dos corientes ha de ser igual a la corriente del colector, y la corriente de base es muy pequeña, se considera que:

Ic?Ie (la corriente de colector es aprox. igual a la corriente de emisor).

Para que el transistor esté activo, la tensión de base deberá ser al menos 0,6-0,7V mayor que la de emisor (por aquello de que se comporta como un diodo). De no ser así, se dirá que está cortado. Si Vce (tensión colector-emisor) es casi nula, se dirá que está en zona de saturación (o saturado).

Y aquí un vídeo que demuestra su poder de amplificación (la corriente que pasa por la mano es muy pequeña pero el transistor la amplifica lo suficiente como para encender el LED):

http://www.youtube.com/watch?feature=pla...5PV2XQrZGg
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#5
Una vez conocidos varios de los componentes más utilizados en electrónica, podemos entrar en teoría de circuitos. Para comenzar, hay que tener claras las siguientes definiciones:

-Un nodo es un punto del circuito donde coinciden dos o más elementos.
-Si en dicho nodo se unen tres o más elementos, pasará a llamarse nodo esencial.
-Un camino es un conjunto de elementos (componentes) por el que se puede recorrer el circuito sin pasar por el mismo más de una vez.
-Una rama es un camino que une dos nodos, y contiene únicamente un elemento (una resistencia, un inductor...)
-El conjunto de ramas que forman un camino cerrado se denomina lazo.
-Una malla es un lazo que no contiene ningún otro lazo en su interior.
-La combinación de varios de estos elementos se conoce como red

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Utilizando la ley de Ohm ( http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm , que ya vimos en lecciones anteriores), es posible resolver circuitos como el de la foto. Sin embargo, hay casos en los que resolverse mediante este método pasa a ser bastante complicado por la presencia de muchos componentes. Para ello, existen las dos leyes de Kirchhoff ( http://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Kirchhoff ).

La primera dice que el sumatorio de todas las corrientes de entrada y salida de un nodo es igual a 0:

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En un circuito como el siguiente:

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Las corrientes de entrada serán i2 e i3, ya que las flechas indican que entran al nodo. Las corrientes de salida serán i1 e i4, ya que las flechas salen del nodo. El sentido de las mismas es arbitrario (se pueden dibujar como se desee), ya que únicamente cambiarán el signo de los valores, aunque es aconsejable que se parezcan al circuito real.

Así pues, en este circuito se obtiene:

i2+i3=i1+i4

Igualando a cero:

i2+i3-i1-i4=0

de forma que se cumple la primera ley de Kirchhoff.

La segunda ley es igual, pero aplicada a las tensiones:

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En este circuito:

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Imaginemos que V4 (la fuente) es 3V y que R1=R2=R3=R5=1KΩ. Tomamos solamente una malla (en este caso, la que contiene a R1, R2 y R3, por lo que despreciamos R5), y llamamos a los nodos a, b, c y d. Si aplicamos la segunda ley de Kirchhoff:

V4=V1+V2+V3

Sabiendo que estas tensiones son en realidad la diferencia de potencial entre los dos nodos más próximos, V1=Va-Vb, V2=Vb-Vc y V3=Vc-Vd. Y sustituyendo en la ecuación anterior:

V4=Va-Vb+Vb-Vc+Vc-Vd

Tanto Vb como Vc se cancelan (mismos valores con diferente signo), de forma que se simplifica:

V4=Va-Vd

Igualando todo a cero:

V4-Va+Vd=0

Como Vd=0V (es masa), V4=Va=3V, por lo que la ecuación se cumple.

La ecuación puede aplicarse a cualquier punto del circuito:

V2=V4-V1-V3

V3=V4-V1-V2

Y con un sistema de ecuaciones calculamos la tensión en cualquier nodo.

Quizá no haya quedado del todo claro, pero practicando un poco con ejercicios diferentes se puede entender perfectamente. Te aconsejo practicar con diseños distintos e ir probando con varias ramas.
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#6
Esta de puta madre tío. Explicas mejor que algunos de mis profesores de la facultad
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#7
Muy bueno :one:

Como mucho añadiría Thevenin, por lo demás perfect.
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#8
Y yo buscando manuales... Gracias por el post esta muy currado y seguro que le damos uso lo novatos en electrónica!
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#9
Ait0r escribió:Muy bueno :one:

Como mucho añadiría Thevenin, por lo demás perfect.


Ese es peligroso Confundidois1: Confundidois1:
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#10
Ait0r escribió:Muy bueno :one:

Como mucho añadiría Thevenin, por lo demás perfect.

Gracias

Sí, tendré que poner algo de Thévenin y Norton. A ver si cuando acabe los dos exámenes que me quedan (control digital y potencia Sisi3 ) lo actualizo un poco.
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#11
Aplicad la ley de kirchhoff! xD

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(Esta es la típica pregunta de examen de carrera que te cascan después de tres circuitos como los del ejemplo xD)
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#12
Tru story!
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#13
n0p escribió:Aplicad la ley de kirchhoff! xD

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(Esta es la típica pregunta de examen de carrera que te cascan después de tres circuitos como los del ejemplo xD)


Espera que voy a por los apuntes xD
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#14
En un diagrama, se representan en zig-zag o con un rectángulo.
gclub royal
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#15
En un diagrama, se representan en zig-zag o con un rectángulo.
gclub royal
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#16
Es muy interesante pero no se ve ninguna de las imágenes :gnomito:
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#17
vcode escribió:Es muy interesante pero no se ve ninguna de las imágenes :gnomito:

Me caducó el dominio y no renové. Me temo que las imágenes se han perdido.

Si alguien tiene una copia, que las pase y edito los mensajes Mola
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