UNIDAD 3. ELECTRONICA INDUSTRIAL BASICA 2

3.1 INTRODUCCION A LA ELECTRONICA INDUSTRIAL (ANALOGICA Y DIGITAL). 2

3.2 ELEMENTOS BASICOS DE ELECTRONICA ANALOGICA (DIODO, DIODO EMISOR DE LUZ, TRANSISTOR, SCR Y TRIAC.) 3

3.3 ELEMENTOS BASICOS DE LA ELECTRONICA DIGITAL (COMPUERTAS LOGICAS, TABLAS DE VERDAD, TEMPORIZADORES, CONTADORES Y SUMADORES) 7

3.4 APLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS BASICOS DE ELECTRONICA. 12

UNIDAD 3. ELECTRONICA INDUSTRIAL BASICA

3.1 INTRODUCCION A LA ELECTRONICA INDUSTRIAL (ANALOGICA Y DIGITAL).

Electrónica analógica. La electrónica analógica es una parte de la electrónica que estudia los sistemas en los cuales sus variables; tensión, corriente,..., varían de una forma continua en el tiempo, pudiendo tomar infinitos valores (teóricamente al menos). En contraposición se encuentra la electrónica digital donde las variables solo pueden tomar valores discretos, teniendo siempre un estado perfectamente definido.

Pongamos un ejemplo: Disponemos de una medida real concreta; la longitud total de un coche, por ejemplo. En un sistema digital esta medida podría ser de 4 metros o de 4 metros y 23 centímetros. Podremos darle la precisión que queramos pero siempre serán cantidades enteras En un sistema analógico la medida seria la real; es decir 4,233648596... en teoría hasta que llegásemos a la mínima cantidad de materia existente (siempre que el sistema de medida sea lo suficientemente exacto).

Electrónica digital.La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga 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, refiriéndose a que en un circuito electrónico digital hay dos niveles de tensión. 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. Por lo regular los valores de voltaje en circuitos electrónicos pueden ir desde 1.5, 3, 5, 9 y 18 voltios dependiendo de la aplicación, así por ejemplo, en una radio de transistores convencional las tensiones de voltaje son por lo regular de 5 y 12 voltios al igual que se utiliza en los discos duros IDE de computadora.

Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor de voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica analógica hay una infinidad de estados de información que codificar según el valor del voltaje. Esta particularidad permite que, usando Álgebra Booleana y un sistema de numeración binario, se puedan realizar complejas operaciones lógicas o aritméticas sobre las señales de entrada, muy costosas de hacer empleando métodos analógicos. La electrónica digital ha alcanzado una gran importancia debido a que es utilizada para realizar autómatas y por ser la piedra angular de los sistemas microprogramador como son los ordenadores o computadoras.

3.2 ELEMENTOS BASICOS DE ELECTRONICA ANALOGICA (DIODO, DIODO EMISOR DE LUZ, TRANSISTOR, SCR Y TRIAC.)

Diodo.

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un único sentido; en el sentido contrario no lo permite. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.De forma simplificada, la curva característica 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 una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.

Diodo emisor de luz.

Un led (de la sigla inglesa LED: Light-Emitting Diode: ‘diodo emisor de luz’) es un diodo semiconductor que emite luz. Se usan como indicadores en muchos dispositivos, y cada

vez con mucha más frecuencia, en iluminación. Presentado como un componente electrónico en 1962, los primeros ledes emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.

Cuando un led se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor. Por lo general, el área de un led es muy pequeña (menor a 1 mm), y se pueden usar componentes ópticos integrados para formar su patrón de radiación. Los ledes presentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente como un consumo de energía mucho menor, mayor tiempo de vida, tamaño más pequeño, gran durabilidad y fiabilidad. Los ledes que pueden iluminar un cuarto son relativamente costosos y requieren una corriente más precisa y una protección térmica a comparación de las lámparas fluorescentes.Los ledes se usan en aplicaciones tan diversas como iluminación de aviación, iluminación automotriz (específicamente las luces de posición traseras, direccionales e indicadores) así como en las señales de tráfico. El tamaño compacto, la posibilidad de encenderse rápido, y la gran fiabilidad de los ledes han permitido el desarrollo de nuevas pantallas de texto y vídeo, mientras que sus altas frecuencias de operación son también útiles en tecnologías avanzadas de comunicaciones. Los ledes infrarrojo también se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo televisores, reproductores de DVD, entre otras aplicaciones domésticas.

Transistor.

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.

SCR Y TRIAC.

SCR Es un dispositivo de tres terminales que se comporta como un disco rectificador,

conduce en directo y no conduce en inverso, pero adicionalmente para entrar en conducción debe inyectarse en el compuerta una corriente mayor que una corriente de compuerta mínima (I Gmin ? ) que es diferente para cada referencia de SCR, la aplicación de la corriente de compuerta cuando el SCR está en directo para que entre en conducción se llama el disparo del SCR. Una vez que el SCR ha entrado en conducción, se mantiene así todo el tiempo que el circuito externo mantenga una corriente a través del SCR mayor que una corriente mínima de sostenimiento. Cuando la corriente del SCR se hace menor que la corriente de sostenimiento éste deja de conducir, a este proceso se llama conmutación apagado. Conmutación natural: cuando el circuito de carga por los voltajes aplicados hace que la corriente sea menor que la de sostenimiento. Conmutación forzada: Cuando se coloca un circuito adicional que induzca la conmutación, hay tres formas típicas: a. Colocar un interruptor normalmente abierto en paralelo, al cerrarlo la corriente se va por el interruptor y la corriente del SCR se vuelve cero apagándose. b. Colocar un interruptor normalmente cerrado en serie, al abrirlo la corriente se hace cero y apaga el SCR. c. Un circuito que inyecte una corriente de cátodo hacia ánodo de forma que la suma de las corrientes inyectada y de carga se haga menor que la corriente de sostenimiento. Cuando el voltaje de ánodo a cátodo varía en el tiempo (dv/dt) muy rápido el SCR puede entrar en conducción sin corriente de compuerta, ésta es una situación indeseada y se debe de evitar pues produce estados de conducción no deseados. Las características principales de un SCR son:

I Tmax : Máxima corriente que puede conducir (pico, RMS o promedio) V Dmax ? : Máximo voltaje entre ánodo o cátodo (inverso o directo en no conducción). IG Tmin ? : Corriente de compuerta mínima para producir el dispatro. VG Tmax :Voltaje compuerta cátodo máximo Ihold min: Corriente de sostenimiento mínima. VFON :Voltaje ánodo cátodo cuando está en conducción dv/dt max : Máxima variación de voltaje admisible sin disparo

APLICACIONES DE SCR Existen muchas aplicaciones de SCR de las cuales se indican aquí unas pocas. DISPARO DE UNA ALARMA El reed switch se cierra en presencia de un campo magnético, ejemplo un imán, a través de R pasa la corriente de compuerta, el SCR entra en conducción y el relé se cierra activando la sirena, aunque el campo magnético se retire y el reed switch se abra el SCR ya que está en conducción y se mantendrá así hasta que se abra el circuito usado el pulsador normalmente cerrado (NC). En la parte de SCR se escoge de forma que soporte la corriente que requiere la bobina del relé, la resistencia se escoge de forma que por ella pase una corriente mayor que IG Tmin. R máx V / IG Tmin PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

TRIAC Es otro dispositivo de tres terminales, su diferencia principal con el SCR es que puede conducir en ambos sentidos por lo que es especial para aplicaciones con ambas polaridades de los voltajes alternos.

Siendo VT el voltaje entre MT2 y MT1 y VG el voltaje de G a MT1 se pueden dar cuatro combinaciones que se llaman los cuadrantes de disparo del Triac, que se indica en la gráfica a la derecha abajo todas las referencias de triacs se disparan en los cuadrantes I y III, algunas referencias se disparan también en los cuadrantes II y IV pero requieren de corrientes de compuerta mayores. Igual que en el SCR el Triac pasa a conducción cuando la corriente de compuerta se hace mayor que la corriente mínima y un Triac conmutan a corte cuando la corriente del dispositivo se hace mayor que la corriente de sostenimiento. Las características principales de un Triac son las mismas de un SCR: I Tmax, V Dmax, IG Tmin, VG Tmax, Ihold min, VFON, dv/dt max.

APLICACIONES DEL TRIAC Control de voltaje RMS sobre una carga monofásica. Se usa especialmente para control de iluminación con lámparas incandescentes o control de velocidades de motores universales. En cada semiciclo al ir aumentando el voltaje pasa una corriente muy pequeña por la carga que no la activa pero esa corriente va por el potenciómetro y es suficiente para cargar el condensador, cuando el condensador se ha cargado a unos 2 o 3 voltios la compuerta entra en conducción descargando el condensador y ésta es la corriente de compuerta que dispara el Triac y enciende la carga. En el semiciclo positivo el condensador se carga positivo y el Triac dispara en el cuadrante I, en el semiciclo negativo el condensador se carga negativo y el Triac se dispara en el cuadrante III. Modificando el resistencia del potenciómetro se hace más rápida o más lenta la carga del condensador con lo que se varía el tiempo de disparo el valor RMS de voltaje en la carga varia. Algunos Triacs requieren de mayor corriente de compuerta en el cuadrante III que en el I, esto hace que el tiempo de disparo en el semiciclo negativo sea mayor, el voltaje positivo aplicado a la carga resulta mayor que el negativo y en muchos casos inestabilidad en el circuito o variaciones bruscas el voltaje RMS en la carga. Para solucionar esta situación se agrega en la compuerta un dispositivo llamado DIAC, necesario, en el mercado se consigue el Triac con Diac incluido y se llama Quádrac. RELÉ DE ESTADO SÓLIDO Este dispositivo reemplaza a los relés magnéticos, su ventaja es que no tiene elementos móviles por lo que su tiempo de conexión es menor, no sufre desgaste mecánico y no presenta generación de chispas. Su ventaja es que al no ser un interruptor físico metálico se presenta una caída de tensión entre los terminales de Triac (Von) que multiplicada por la corriente que pide la carga representa una potencia que se pierde en forma de calor y eleva la temperatura del relé, obliga a tener precauciones sobre disipación de calor. Sus características básicas son el voltaje de activación en la entrada que normalmente esta entre 3 y 30 voltios, algunos modelos pueden trabajar con DC o AC, otra característica es la máxima corriente que pueden conducir hacia la carga que depende de la capacidad del Triac.

3.3 ELEMENTOS BASICOS DE LA ELECTRONICA DIGITAL (COMPUERTAS LOGICAS, TABLAS DE VERDAD, TEMPORIZADORES, CONTADORES Y SUMADORES)

Compuertas lógicas.

Las computadoras digitales utilizan el sistema de números binarios, que tiene dos dígitos 0 y 1. Un dígito binario se denomina un bit. La información está representada en las computadoras digitales en grupos de bits. Utilizando diversas técnicas de codificación los grupos de bits pueden hacerse que representen no solamente números binarios sino también otros símbolos discretos cualesquiera, tales como dígitos decimales o letras de alfabeto. Utilizando arreglos binarios y diversas técnicas de codificación, los dígitos binarios o grupos de bits pueden utilizarse para desarrollar conjuntos completos de instrucciones para realizar diversos tipos de cálculos.La información binaria se representa en un sistema digital por cantidades físicas denominadas señales, Las señales eléctricas tales como voltajes existen a través del sistema digital en cualquiera de dos valores reconocibles y representan una variable binaria igual a 1 o 0. Por ejemplo, un sistema digital particular puede emplear una señal de 3 volts para representar el binario "1" y 0.5 volts para el binario "0". La siguiente ilustración muestra un ejemplo de una señal binaria.

Como se muestra en la figura, cada valor binario tiene una desviación aceptable del valor nominal. La región intermedia entre las dos regiones permitidas se cruza solamente durante la transición de estado. Los terminales de entrada de un circuito digital aceptan señales binarias dentro de las tolerancias permitidas y los circuitos responden en los terminales de salida con señales binarias que caen dentro de las tolerancias permitidas.La lógica binaria tiene que ver con variables binarias y con operaciones que toman un sentido lógico. La manipulación de información binaria se hace por circuitos lógicos que se denominan Compuertas.Las compuertas son bloques del hardware que producen señales en binario 1 ó 0 cuando se satisfacen los requisitos de entrada lógica. Las diversas compuertas lógicas se encuentran comúnmente en sistemas de computadoras digitales. Cada compuerta tiene un símbolo gráfico diferente y su operación puede describirse por medio de una función algebraica. Las relaciones entrada - salida de las variables binarias para cada compuerta pueden representarse en forma tabular en una tabla de verdad.A continuación se detallan los nombres, símbolos, gráficos, funciones algebraicas, y tablas de verdad de las compuertas más usadas.

Compuerta AND: Cada compuerta tiene dos variables de entrada designadas por A y B y una salida binaria designada por x. La compuerta AND produce la multiplicación lógica AND: esto es: la salida es 1 si la entrada A y la entrada B están ambas en el binario 1: de otra manera, la salida es 0. Estas condiciones también son especificadas en la tabla de verdad para la compuerta AND. La tabla muestra que la salida x es 1 solamente cuando ambas entradas A y B están en 1.El símbolo de operación algebraico de la función AND es el mismo que el símbolo de la multiplicación de la aritmética ordinaria (*).Las compuertas AND pueden tener más de dos entradas y por definición, la salida es 1 si todas las entradas son 1.

Compuerta OR: La compuerta OR produce la función sumadora, esto es, la salida es 1 si la entrada A o la entrada B o ambas entradas son 1; de otra manera, la salida es 0. El símbolo algebraico de la función OR (+), es igual a la operación de aritmética de suma. Las compuertas OR pueden tener más de dos entradas y por definición la salida es 1 si cualquier entrada es 1.

Compuerta NOT: El circuito NOT es un inversor que invierte el nivel lógico de una señal binaria. Produce el NOT, o función complementaria. El símbolo algebraico utilizado para el complemento es una barra sobra el símbolo de la variable binaria. Si la variable binaria posee un valor 0, la compuerta NOT cambia su estado al valor 1 y viceversa. El círculo pequeño en la salida de un símbolo gráfico de un inversor designa un inversor lógico. Es decir cambia los valores binarios 1 a 0 y viceversa.Compuerta Separador (yes): Un símbolo triángulo por sí mismo designa un circuito separador, el cual no produce ninguna función lógica particular puesto que el valor binario de la salida es el mismo de la entrada. Este circuito se utiliza simplemente para amplificación de la señal. Por ejemplo, un separador que utiliza 5 volt para el binario 1, producirá una salida de 5 volt cuando la entrada es 5 volt. Sin embargo, la corriente producida a la salida es muy superior a la corriente suministrada a la entrada de la misma.De ésta manera, un separador puede excitar muchas otras compuertas que requieren una cantidad mayor de corriente que de otra manera no se encontraría en la pequeña cantidad de corriente aplicada a la entrada del separador.

Compuerta NAND: Es el complemento de la función AND, como se indica por el símbolo gráfico, que consiste en una compuerta AND seguida por un pequeño círculo (quiere decir que invierte la señal).La designación NAND se deriva de la abreviación NOT - AND. Una designación más adecuada habría sido AND invertido puesto que es la función AND la que se ha invertido.Las compuertas NAND pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función AND.

Compuerta NOR: La compuerta NOR es el complemento de la compuerta OR y utiliza el símbolo de la compuerta OR seguido de un círculo pequeño (quiere decir que invierte la señal). Las compuertas NOR pueden tener más de dos entradas, y la salida es siempre el complemento de la función OR.

Tablas de verdad.

Una tabla de verdad, o tabla de valores de verdad, es una tabla que despliega el valor de verdad de una proposición compuesta, para cada combinación de valores de verdad que se pueda asignar a sus componentes.1

Fue desarrollada por Charles Sanders Peirce por los años 1880, pero el formato más popular es el que introdujo Ludwig Wittgenstein en su Tractatus logico-philosophicus, publicado en 1921.

Temporizadores.

Un temporizador o minutero es un dispositivo, con frecuencia programable, que permite medir el tiempo. La primera generación fueron los relojes de arena, que fueron

sustituidos por relojes convencionales y más tarde por un dispositivo íntegramente electrónico. Cuando trascurre el tiempo configurado se hace saltar una alarma o alguna otra función a modo de advertencia.

Contadores.

En electrónica digital, Un contador (counter en inglés) es un circuito secuencial construido a partir de biestables y puertas lógicas capaz de realizar el cómputo de los impulsos que recibe en la entrada destinada a tal efecto, almacenar datos o actuar como divisor de frecuencia. Habitualmente, el cómputo se realiza en un código binario, que con frecuencia será el binario natural o el BCD natural (contador de décadas).Clasificación de los contadores

Según la forma en que conmutan los biestables, podemos hablar de contadores síncronos (todos los biestables conmutan a la vez, con una señal de reloj común) o asíncronos (el reloj no es común y los biestables conmutan uno tras otro).

Según el sentido de la cuenta, se distinguen en ascendentes, descendentes y UP-DOWN (ascendentes o descendentes según la señal de control).

Según la cantidad de números que pueden contar, se puede hablar de contadores binarios de n bits (cuentan todos los números posibles de n bits, desde 0 hasta 2n − 1), contadores BCD (cuentan del 0 al 9) y contadores Módulo N (cuentan desde el 0 hasta el N-cuarto.

El número máximo de estados por los que pasa un contador se denomina módulo del contador. Este número viene determinado por la expresión 2^n donde n indica el número de bits del contador. Ejemplo, un contador de módulo 4 pasa por 4 estados, y contaría del 0 al 3. Si necesitamos un contador con un módulo distinto de 2^n, lo que haremos es añadir un circuito combinacional.

Sumadores.

En electrónica un sumador es un circuito lógico que calcula la operación suma. En los computadores modernos se encuentra en lo que se denomina Unidad aritmético lógica (ALU). Generalmente realizan las operaciones aritméticas en código binario decimal o BCD exceso 3, por regla general los sumadores emplean el sistema binario. En los casos en los que se esté empleando un complemento a dos para representar números negativos el sumador se convertirá en un sumador-substractor (Adder-subtracter).Las entradas son A,B,Cin que son la entradas de bits A y B, y Cin es la entrada de acarreo. Por otra parte, la salida es S y Cout es la salida de acarreo.En la siguiente tabla muestra los resultados de este circuito.

Entrada SalidaA B C0 C1 S0 0 0 0 00 0 1 0 10 1 0 0 10 1 1 1 01 0 0 0 11 0 1 1 01 1 0 1 01 1 1 1 1

la forma de las funciones para el acarreo y la suma respectivamente son:S = a'b'C0 + a'bC0' + ab'C0' + abC0C1 = ab + bC0 + aC0También se puede poner la salida S en función de C1:S = C0C1' + bC1' + aC1' + abC1

Además, como lo único que se hace para incluir el acarreo en la suma es añadirlo a la operación, este mismo circuito se puede formar anidando dos semisumadores, de manera que, la salida S del primer semisumador se conecte a una de las entradas del segundo semisumador, la entrada C0 se conecte con la otra entrada del semisumador, las salidas de acarreo se conectan a un or para proporcionar la salida del acarreo total de la suma (C1) y la salida S del segundo semisumador se queda como resultado total de la operación.

3.4 APLICACIÓN DE LOS CONCEPTOS BASICOS DE ELECTRONICA.