Taller electronica
- 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRONICA HISTORIA Desde el principio de la historia, el hombre ha explorado los fenómenos eléctricos que experimenta en su vida diaria. A medida que los científicos desarrollaron el conocimiento de la carga eléctrica, formularon leyes tal como se conocen hoy día. La electricidad es un fenómeno natural controlado por el ser humano. Con este fenómeno se han desarrollado las comunicaciones, el alumbrado, los dispositivos de computación, entre otros. El conocimiento científico de la electricidad dio lugar, inmediatamente, a aplicaciones tecnológicas importantes, como el telégrafo, con el que el hombre pudo comunicarse por medios eléctricos a grandes distancias, las máquinas eléctricas, tales como, motores y generadores eléctricos. De esta forma, el hombre tuvo a su disposición fuentes de electricidad de gran intensidad, hecho que cambió drásticamente la vida, dando lugar a una revolución en la forma de vida de la humanidad. Luego los científicos vieron la necesidad de desarrollar una rama de la ciencia que se encargara de los requerimientos del mundo moderno, y entonces surgió la electrónica como respuesta a esta necesidad, gracias a ella se llevaron a cabo descubrimientos científicos que tuvieron inmediata aplicación práctica, los cuales fomentaron la investigación científica en esta nueva área del conocimiento. La electrónica es el campo de la ingeniería y de la física aplicada, para al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción y almacenamiento de información. Esta información puede consistir en voz o sonidos como en un receptor de radio, en imágenes como en una pantalla de televisión, o en números o datos como en una computadora. Ya que sabemos que es la electrónica y sabemos para que sirve podemos hablar ahora de como ha evolucionado a través de los años; la introducción de los tubos de vacío a comienzos del siglo XX propició el rápido crecimiento de la electrónica moderna. Con estos dispositivos se hizo posible la manipulación de señales, algo que no podía realizarse en los antiguos circuitos telegráficos y telefónicos, ni con los primeros transmisores que utilizaban chispas de alta tensión
- 2. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio para generar ondas de radio, con los tubos de vacío pudieron amplificarse las señales de radio y los sonidos débiles, además podían superponerse señales de sonido a las ondas de radio. El desarrollo de una amplia variedad de tubos, diseñados para funciones especializadas, posibilitó el rápido avance de la tecnología de comunicación radial antes de la II Guerra Mundial, y el desarrollo de las primeras computadoras, durante y después de ella. Luego el transistor, que fue inventado en 1948, reemplazó al tubo de vacío en la mayoría de sus aplicaciones, al incorporar un conjunto de materiales semiconductores y contactos eléctricos, que podían realizar las mismas funciones que el tubo de vacío, pero con un coste, peso y potencia más bajos, y una mayor fiabilidad. Los progresos subsiguientes en la tecnología de semiconductores, atribuible en gran medida a las investigaciones asociadas con la intensión de exploración del espacio, llevó al desarrollo, en la década de 1970, de los circuitos integrados, los cuales pueden contener centenares de miles de transistores en un pequeño trozo de material, permitiendo la construcción de circuitos electrónicos complejos, como los de los microordenadores o microcomputadoras, equipos de sonido y vídeo, satélites de comunicaciones, entre muchos otros. OBJETIVO GENERAL Introducir conceptos y elementos relacionados con la electrónica en la comunidad académica de la educación básica secundaria. OBJETIVOS ESPECIFICOS Comprender el funcionamiento global de cada uno de los circuitos implementados y la función especifica que cumple cada uno de los elementos. Construir circuitos con componentes electrónicos simulando sistemas de uso cotidiano. Incentivar el estudio de temas relacionados con la electrónica de forma autodidáctica, para promover el desarrollo y la investigación de nuevas tecnologías. 2
- 3. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio ELECTRONICA ANALOGA Conceptos básicos Un circuito electrónico es una serie de elementos o componentes electrónicos, tales como resistencias, diodos, transistores, condensadores y fuentes, conectados entre sí en una trayectoria cerrada con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas. Podemos encontrar dos formas comunes de conectar estos elementos: Un circuito en serie es aquel en el cual solo hay un camino por el cual circula una única corriente, entre tanto un circuito en paralelo es aquel en el cual hay varios caminos pero en cada uno de ellos hay el mismo voltaje. En la electrónica se utilizan una gran cantidad de componentes, cada uno de ellos cumple una determinada función, en este taller podremos utilizar y entender algunos de ellos. Ahora vamos a estudiar los componentes de los circuitos que vamos a construir, observando su apariencia física, el símbolo que se emplea para representarlos en los planos y su función. La Protoboard Tablero con agujeros que en su interior tienen contactos metálicos distribuidos en filas o columnas dependiendo del sector, utilizado para construir circuitos electrónicos. Los puntos de las filas y columnas que están interconectadas entre si se llaman puntos comunes, ya que sirven para conectar las terminales de los elementos del circuito que se encuentran en un punto. 3
- 4. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio Las Pilas Una pila es un elemento que produce energía eléctrica a partir de un proceso químico. Esta energía se llama voltaje de corriente continua. En un circuito de este tipo la corriente no varía de dirección, esto da lugar a que el circuito tenga una polaridad claramente definida. Los tipos más comunes de pilas son las que producen 1.5 voltios y que se utilizan para alimentar los radios, linternas, grabadoras, juguetes y todo tipo de aparatos eléctricos y electrónicos. Las pilas tienen dos terminales o bornes por donde entregan su energía y se llaman polo positivo y polo negativo, el polo positivo se representa por un signo (+) y el polo negativo se representa por un signo menos (-). Las Resistencias Las resistencias también llamados resistores, son los componentes que mas se encuentran en todos los aparatos electrónicos. Como su nombre lo indica, las resistencias, presentan una oposición o resistencia al paso de la corriente, limitando la cantidad de ella que circula por un circuito. El valor de una resistencia, o sea cuanto se opone al paso de la corriente, se expresa en una unidad llamada Ohmio y este se indica por unas bandas de colores alrededor del cuerpo de la resistencia. Este método de identificación se llama código de colores. 4
- 5. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio El código de colores En el código de colores para las resistencias cada color tiene un número equivalente. NEGRO 0 CAFÉ 1 ROJO 2 NARANJA 3 AMARILLO 4 VERDE 5 AZUL 6 VIOLETA 7 GRIS 8 BLANCO 9 Para averiguar el valor de una resistencia este debe sostenerse con la banda dorada(o plateada), hacia la derecha. La resistencia se debe leer de izquierda a derecha. 1. La primera banda es el primer número del valor de la resistencia. 2. La segunda banda es el segundo número del valor de la resistencia. 3. La tercera banda es el numero de ceros que se añadirán a los dos primeros números (Si es negra no se añaden ceros). 4. La cuarta banda representa un valor de tolerancia. Esta banda, es usualmente dorada con el 5% o plateada con el 10%. Ejemplo: Colores: azul – amarillo – rojo – dorado. Valores: 6 4 00 5% Por lo tanto, el valor de esta resistencia es de 6.400 o 6.4K con una tolerancia del 5%. 5
- 6. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio Las Fotorresistencias Una fotorresistencia es un tipo especial de resistencia cuyo valor varía automáticamente de acuerdo a la cantidad de luz que llegue a su superficie. Por lo tanto su aplicación es ideal para todo tipo de aparatos que trabajan de alguna manera con un rayo luminoso. Cuando recibe luz su valor de resistencia es bajo y cuando no recibe luz su valor de resistencia aumenta notablemente. Los Diodos Emisores de Luz LEDS Un Led o diodo emisor de luz es una clase especial de diodo que produce luz cuando circula una corriente a través de el. Tiene dos terminales llamados Ánodo y Cátodo. El cátodo se indica por medio de un lado plano en la cubierta de plástico o por tener la terminal mas corta que la otra. Los diodos tienen una polaridad definida, el ánodo va conectado a la terminal positiva (+) y el cátodo a la terminal negativa (-). Los Transistores El transistor, que también pertenece a la familia de los semiconductores, es un componente utilizado principalmente para amplificar o aumentar señales y como suiche electrónico. Tiene 3 terminales llamados emisor (E), base (B) y colector (C), las cuales tienen una determinada configuración dependiendo del transistor, para utilizarlo como suiche electrónico se energiza la base lo cual permite el paso de corriente entre el emisor y el colector. De acuerdo a su fabricación los transistores pueden ser de tipo PNP o NPN. 6
- 7. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio Los Capacitores Son unos dispositivos formados por dos conductores, por lo general en forma de placas o láminas, separadas por un dieléctrico que actúa como aislante. Al ser sometido a una diferencia de potencial (voltaje) adquiere una determinada carga eléctrica, a esta propiedad se le llama capacitancia se mide en faradios. Mientras el capacitor se carga eléctricamente actúa como suiche cerrado en el circuito, cuando tiene carga completa abre el circuito hasta que se descarga completamente. Los capacitores electrolíticos, al igual que los LEDS tiene un cátodo y un ánodo, el cátodo se identifica por una pata mas corta que la otra o el símbolo negativo (-) encima de ella. Los Interruptores Son dispositivos para cambiar el estado de un circuito, de abierto a cerrado y viceversa, los más comunes son los mecánicos que funcionan por accionamiento manual, pero existen otros tipos tales como de accionamiento eléctrico, magnético, térmico, entre otros. Procedimiento En esta sección se encuentran esquemas y descripciones para construir tres circuitos electrónicos con los elementos citados anteriormente. 1) Simulador de encendido automático de alumbrado público Se construirá un circuito electrónico con resistencias, LED’s, transistores, fotorresistencias y pilas. Este circuito básico tiene múltiples aplicaciones pues es un prototipo a escala de un sistema automático de alumbrado, bien sea público o al interior de las viviendas. En este circuito hay un elemento que es el encargado de controlar el sistema, es la fotorresistencia, también conocida como fotocelda, la 7
- 8. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio cual es un sensor lumínico, encargado de detectar la intensidad de luz que hay en el área en el que se encuentra, variando sus características resistivas y por ende modificando el comportamiento del circuito. A continuación se presenta el dibujo esquemático del circuito descrito. Si la fotorresistencia recibe luz la corriente eléctrica solo circula por la resistencia numero 2, la base del transistor tiene un mayor valor de resistencia que la fotorresistencia, por lo que la corriente que llega a la base no es suficiente para estimular el paso de corriente entre el colector y el emisor. Cuando la fotorresistencia no recibe luz la mayor cantidad de corriente circula por la base del transistor lo cual permite el paso de corriente entre el emisor y el colector, lo que hace posible que circule corriente por la resistencia 3 y por lo tanto por el diodo, prendiéndolo. ¿Cuándo la fotorresistencia no recibe luz por cuál resistencia circula mayor cantidad de corriente? ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ ¿Que sucede con los cambios de luz sobre la fotorresistencia? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 8
- 9. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio 2) Semáforo electrónico miniatura En este circuito se utilizarán elementos electrónicos como resistencias, capacitores electrolíticos, LED’s, pila y transistores. Es la simulación a escala del funcionamiento de un semáforo similar a los ubicados en las ciudades. La característica del condensador es que permite por instantes cargas y descargas en él mismo, permitiendo de esta manera que las corrientes que pasan por los transistores, sean modificadas y alternadas; El esquema del circuito es el siguiente. Cuando se energiza el circuito la corriente comienza a distribuirse por cada una de las resistencias, cada uno de los capacitores empieza a almacenar la corriente eléctrica que llega a él en forma de carga eléctrica (voltaje), mientras sucede esto no circula corriente desde los condensadores hacia las bases de los transistores. Cuando los condensadores terminan de cargarse ya no llega más corriente a ellos y estos empiezan a entregarle corriente a las bases de los transistores para sumarse con las corrientes que circulan a través de las resistencias, lo cual permite el paso de corriente encendiendo los diodos. ¿Qué hace que en el circuito las luces se alternen? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ ¿Por qué cuando llega corriente a la base del transistor, el LED prende? _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ 9
- 10. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio 3) Juego de Luces Intermitentes Los elementos para construir este circuito son los mismos que los del semáforo, adicionando una fotorresistencia. Simula el comportamiento de las luces navideñas. Los elementos que determinan el funcionamiento de este son la fotorresistencia y los capacitores. El circuito esquemático es el siguiente: Cuando se energiza el circuito la corriente comienza a distribuirse por cada una de las resistencias, si la fotorresistencia está recibiendo luz su resistividad es muy baja con lo cual la mayor cantidad de corriente de esa línea circula a través de la fotorresistencia y no por la resistencia de 100K , si la fotorresistencia no recibe su luz su resistividad es muy alta, debido a esto las corrientes en el circuito disminuyen ya que la fuente de voltaje está suministrando la misma cantidad de energía, debido a esta disminución de la corriente y dado que ninguno de los elementos fue modificado el tiempo de carga de los capacitores se tarda más que cuando la fotorresistencia recibe luz, lo cual genera una intermitencia más lenta. Cuando los condensadores terminan de cargarse ya no llega más corriente a ellos y estos empiezan a entregarle corriente a las bases de los transistores para sumarse con las corrientes que circulan a través de las resistencias, lo cual permite el paso de corriente encendiendo los diodos. ¿Si conectamos una fotorresistencia con un LED en serie, cuando prende este? _________________________________________________________________________ ¿Qué pasa con las características del circuito si quitamos la fotorresistencia? _________________________________________________________________________ 10
- 11. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio ELECTRONICA DIGITAL La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga del estudio de sistemas electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos estados. A dichos estados se les puede llamar "verdadero" o "falso", o más comúnmente 1 y 0. Electrónicamente se les asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje determinado, a los que se les denomina niveles lógicos, típicos en toda señal digital. La electrónica digital hace uso del Álgebra Booleana y un sistema de numeración binario (1’s y 0’s), que permite realizar operaciones lógicas o aritméticas sobre las señales de entrada. Dentro de las operaciones lógicas mas comunes se encuentran la AND (Y), la OR (O) y la NOT (NO) cada una de estas se puede implementar con un elemento específico llamado compuerta. Código Binario. Como mencionamos anteriormente, en el código binario solo existen dos elementos el cero y el uno, el sistema que nosotros conocemos tradicionalmente es el decimal cada uno de estos números tiene su respectiva representación en el binario. Algunos ejemplos que nos serán útiles en esta práctica son los siguientes: Sistema Decimal Sistema Binario 0 0000 1 0001 2 0010 3 0011 4 0100 5 0101 6 0110 7 0111 8 1000 9 1001 11
- 12. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio Algunos de los elementos nuevos que se utilizarán en esta sección son los siguientes: Compuerta AND En una compuerta AND, normalmente encontramos dos entradas y una salida, si ambas entradas tienen un valor “verdadero” o 1 el valor de salida será 1, si en las entradas se encuentra cualquier otro tipo se combinación el valor de la salida será “falso” o 0. Compuerta NAND Esta compuerta es muy parecida a la AND, la única diferencia es que en la salida se invierte el valor, es decir si fuera una compuerta AND y en ambas entradas hubiera 1 el valor de salida sería 1 pero como es NAND el valor de salida se invierte y por lo tanto será 0. Display de Siete Segmentos El display está formado por un conjunto de 7 leds conectados en un punto común en su salida. Cuando la salida es común en los ánodos, el display es llamado de ánodo común y por el contrario, sí la salida es común en los cátodos, llamamos al display de cátodo común. En el display, una señal alta encenderá el segmento excitado por la señal. La alimentación de cierta combinación de leds, dará evidenciará un dígito de 0 a 9. Decodificador BCD a 7 Segmentos Es un circuito integrado, con un cierto número de entradas, y otro cierto número de salidas. De acuerdo a la combinación de valores que se hagan en las entradas se producirá cierta combinación de valores en las salidas, que en este caso sirven para representar un digito en un display. 12
- 13. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio A continuación vamos a construir dos circuitos que nos permitirán acercarnos más a la electrónica digital. 4) Decodificador De Números Binarios Los elementos para construir este circuito son: un dipswitch, un conversor BCD a siete segmentos y un display de ánodo común. El funcionamiento general del circuito es el siguiente; en el dipswitch se escribe un número en código binario y en el display se visualiza el número en código decimal. Para cada número binario generado con el dipswitch en la entrada del decodificador BCD a 7 segmentos, se activan algunas de sus salidas iluminado algunos leds del display de 7 segmentos, lo cual permite visualizar un número decimal, resultado de la conversión que se dio en el circuito integrado. 5) Circuito para Registrar el paso de las personas. Los elementos para construir este circuito son: una compuerta NAND tipo schmitt trigger, dos resistencias de 10K , una fotorresistencia, un led y un capacitor cerámico de 100 nF. El funcionamiento general del circuito es el siguiente; cuando se interrumpe el paso de luz a la fotorresistencia se enciende el led. 13
- 14. Cartilla de Electrónica. El Jardín de la Ciencia va a Tu Colegio Cuando el circuito se encuentra energizado y la fotorresistencia iluminada, ésta ofrece una baja resistencia al paso de la corriente y por lo tanto en la entrada de la compuerta NAND habrá un nivel lógico 1, lo que nos presentará un nivel lógico 0 de salida, porque la compuerta, es inversora. Cuando un objeto o persona corta el haz de luz que incide sobre la fotorresistencia, ésta ofrece un alto valor de resistencia al paso de la corriente por lo cual ésta deja de circular, lo que ocasiona que no haya ninguna tensión o voltaje en la entrada de la compuerta, por lo tanto tendrá un nivel lógico 0 y como consecuencia de esto, nos proporcionará un pulso de salida de nivel lógico 1 de duración proporcional al tiempo de cruce ante el mencionado haz de luz. Alejandro Vélez García Daniel Villada Cano. Elaborado por Juan Fernando Tamayo Vélez John Fredy Medina Eusse 1. http://www.pablin.com.ar/electron/cursos/simbolos/index.htm 2. Mister electrónico Jr. Manual de experimentos. CEKIT 3. http://www.hispavila.com/3ds/lecciones/lecc1.htm 4. Mundo Electrónico. Sensores y Transductores. McGraw Hill. 1988 Referencias 5. Boylestad, Robert & Nashelsky. Electrónica: Dispositivos y Circuitos 6. Malvino, Albert Paul. Principios de Electrónica McGraw Hill. Cuarta Edición. 1991. 7. http://www.geocities.com/jjrc_79/electronica/fundamentos/hist oria.htm Fecha 04 de marzo de 2008 14