Ministerio de Educación Pública

Asesoría de Artes Industriales

Material Capacitación

de Electrónica

para profesores de Artes Industriales

Regional Cartago

Instructor: Ing. José Roberto Santamaría Sandoval

2006

Indice Indice de Contenido

Indice...................................................................................................................................... 2

Indice de Contenido ...................................................................................................................................................2

Capítulo I: Conceptos............................................................................................................ 4

Conceptos ............................................................................................................................ 4

Capítulo II: Componentes Electrónicos e Instrumentos de prueba .................................... 6

Instrumentos Electrónicos ................................................................................................... 6 Protoboard....................................................................................................................................................................6 Multímetro ...................................................................................................................................................................7

Componentes Electrónicos................................................................................................... 7 Resistencias .................................................................................................................................................................7 Capacitor o Condensador........................................................................................................................................10 Diodos ........................................................................................................................................................................12 Transistores ................................................................................................................................................................14 Timer 555...................................................................................................................................................................16

Capítulo III: Hojas de Fabricante......................................................................................17

Timer 555..........................................................................................................................17

Transistor NPN 2N2222.....................................................................................................20

Capítulo IV: Experimentos Prácticos .................................................................................22

Experimento 1: LED indicador de Corriente.......................................................................................................22 Experimento 2: Control de brillo de LED............................................................................................................22 Experimento 3: LED activado por luz ..................................................................................................................23 Experimento 4: Almacenamiento de Electrones.................................................................................................23 Experimento 5: Probador de Diodos .....................................................................................................................24 Experimento 6: Probador de SCR..........................................................................................................................24 Experimento 7: Probador de transistor NPN y PNP...........................................................................................25 Experimento 8: Luz intermitente...........................................................................................................................25 Experimento 9: Transistor como oscilador ..........................................................................................................26 Experimento 10: Alarma Burlador de Ladrones.................................................................................................26 Experimento 11: Metrónomo Electrónico............................................................................................................27

Experimento 12: Semáforo .....................................................................................................................................27 Experimento 13: Generador de Audio ..................................................................................................................28 Experimento 14: Sirena Policial Electrónica .......................................................................................................28 Experimento 15: Oscilador Código Morse ..........................................................................................................29 Experimento 16: Luz Nocturna Automática ........................................................................................................29 Experimento 17: Motocicleta Electrónica............................................................................................................30 Experimento 18: Luces de Velocidad Variable ...................................................................................................30 Experimento 19: Alarma Despertadora ................................................................................................................31 Experimento 20: Sirena de la Policía Inglesa......................................................................................................31 Experimento 21: Canario Electrónico...................................................................................................................32 Experimento 22: Switch Controlado por Luz......................................................................................................32 Experimento 23: Regulador de Voltaje ................................................................................................................33 Experimento 24: Semáforo Electrónico................................................................................................................33 Experimento 25: Juego de Luces Intermitentes controlado por luz.................................................................34 Experimento 26: Control de Tiempo .....................................................................................................................35 Experimento 27: Control de Humedad .................................................................................................................36 Experimento 28: Control de Humedad con 555..................................................................................................37 Experimento 29: Temporizador Variable.............................................................................................................37 Experimento 30: Generador de Audio ..................................................................................................................38 Experimento 31: Miniórgano Electrónico............................................................................................................38

Bibliografía ..........................................................................................................................39

Capítulo I: Conceptos

Conceptos Corriente Eléctrica: Es un flujo de electrones que recorre un circuito. Este flujo de electrones es el que va a energizar todo el circuito, si una corriente no fluye a través del circuito este no va a funcionar. La dirección que siguen los electrones es del negativo al positivo de la fuente de energía, pero a través del circuito. Esta se mide en Amperios (A) según el Sistema Internacional de Unidades, y se representa con una I. Voltaje: Es la diferencia de energía entre dos puntos del circuito. En cualquier libro que hable del tema se encuentra la siguiente definición: “el potencial eléctrico es una cantidad escalar (o sea sin dirección) y es la energía potencial por unidad de carga eléctrica” (Resnick, Vol 2: pág 70). La unidad en que se mide el voltaje es en Voltios, su símbolo es la V. Igualmente el voltaje se representa con una V. En un circuito siempre se dibujará el voltaje en dirección contraria a la corriente, esto únicamente por convención, no porque tenga una dirección real. Potencia: Es la energía que tienen para gastar los componentes. Más físicamente se define como el trabajo que se realiza por unidad de tiempo, y como solamente hay trabajo cuando hay un cambio en la condición inicial del componente, entonces vamos a considerar cambio en una condición como todo aquel que se puede sentir, no solamente con la vista sino también con el tacto, como un cambio en la temperatura del algún componente. Por ejemplo en un bombillo cuando éste se calienta. Relación entre el voltaje, la corriente y la potencia

1) Ley de Ohm: Es la ley que relaciona la corriente y el voltaje mediante una constante, que se conocerá más adelante como la resistencia del componente. Todo elemento que cumpla con la ley de ohm se conoce como elemento óhmico. Esta ley se enuncia de la siguiente manera:

V = I*X (1)

Donde V es el voltaje, la I es la corriente y la X es la resistencia. De una manera más gráfica la ley de ohm se puede observar en el siguiente dibujo.

V X I

Figura 2. Relación de la corriente, el voltaje y la resistencia

2) Ley de Potencia: Es la ley que relaciona el voltaje y la corriente con la potencia. La potencia se mide en Watts (W). En si la potencia es igual al voltaje por la corriente, como se muestra a continuación:

P = V*I (2) Circuito: Es un conjunto de componentes que se disponen de cie rta manera, con el fin de cumplir con algún objetivo. Por ejemplo, en las casas hay circuitos para la iluminación en general, circuito para la cocina, circuitos para tomas, porque cada circuito tiene componentes diferentes ya que su misión es alimentar a diferentes elementos. Existen tres tipos de circuitos:

- Serie: Donde los componentes se encuentran uno después del otro, si uno de los componentes falla, el circuito queda abierto y por lo tanto deja de circular la energía. La característica primordial es que todos los componentes tienen la misma corriente. Un ejemplo muy claro son los circuitos de luces de navidad, donde cuando una bombilla se quema deja de funcionar toda la serie de luces. Los componentes únicamente comparten un nodo.

- Paralelo: Es el circuito donde los componentes comparten dos nodos, todos los

componentes en un circuito en paralelo tienen el mismo voltaje, pero no la misma corriente. Un ejemplo son las luces de la casa, porque aunque están en un mismo circuito, cuando una se quema, solamente es esa bombilla, el resto de las bombillas sigue funcionando.

- Mixto: Es una combinación de circuitos en serie y paralelo. Donde van a existir

componentes en serie y componentes en paralelo. Nodo: Es el punto físico donde se conectan dos o más compone ntes. Esto quiere decir que si en cierto lugar del circuito hay 4 componentes conectados en el mismo lugar, ese punto es un solo nodo. Véanse los siguientes diagramas.

Figura 3. Diagrama de circuitos con 3 y 4 nodos

Ley de Nodos: La suma de corrientes que entran y salen de un nodo debe ser cero. Esto porque en electrónica, al igual que en toda la ingeniería eléctrica, toda la energía que se produce se debe de gastar, no puede haber excedente, ya que esto produce una sobrecarga que es lo que provoca el daño de muchos sistemas.

M1

M2 M3

Circuito con 3 mallas

Malla: La malla es un camino cerrado a través de un circuito. Es como se puede ver en la figura 4, un camino en donde si se recorre siempre se debe llegar al punto de inicio del recorrido.

Figura 4. Ejemplos de circuitos con 2 y 3 mallas.

Ley de Mallas: Al igual que en la ley de nodos, toda la energía que se produce se debe gastar o distribuir. En este caso, la ley no tiene que ver con corrientes, cada elemento tiene su voltaje, entonces esta ley enuncia que la suma de voltajes dentro de una malla debe ser cero, SIEMPRE y sin ninguna excepción.

Capítulo II: Componentes Electrónicos e

Instrumentos de prueba

Instrumentos Electrónicos Protoboard

Este es un dispositivo que le permite ensamblar circuitos electrónicos sin uso de soldadura. Hace la conexión rápida y fácil. La mayoría de las protoboard vienen como se muestra en la siguiente figura.

Figura 5. Vista frontal de una protoboard.

Donde se observan las palabras Grupo Vertical, es porque éste es un nodo o punto de conexión. Esto es posible gracias a que por detrás de la proto hay líneas de metal que unen los diferentes agujeros, de tal manera que cuando se inserte un componente en dicha línea, cualquier otro componente que se inserte en este grupo ya estará conectado.

Figura 6. Vista por dentro de una protoboard.

Multímetro

Este es un instrumento de medición. El multímetro puede medir resistencia, voltaje, corriente, conductividad de diodos y transistores, entre otras funciones. Para el voltaje, corriente y resistencia se tienen varias escalas, dependiendo del valor que se piensa se va a medir, debe colocarse en la escala siguiente superior, para obtener un valor más exacto, porque si se coloca en la escala inferior, estará fuera de ésta, con lo cual no se obtendrá la medida. A continuación se verá la carátula de algunos modelos de multímetro, ya que existen muchos modelos.

Figura 7. Carátulas de diferentes modelos de multímetros.

Componentes Electrónicos

Resistencias

Las resistencias son componentes del tipo pasivo y lineal. Cuando se menciona que un componente es pasivo es porque gasta energía, no la agrega al circuito, sino más bien le saca energía al circuito. En realidad son los componentes más comunes en una tarjeta, porque estos elementos son los que limitan la cantidad de corriente. Por el otro lado, son lineales porque cumplen con la ley de Ohm. Si se grafica en un sistema xy la relación de Ohm, poniendo la I en el eje x y la V en el eje y, ento nces se obtiene una línea recta, con una pendiente constante, y este valor es la resistencia. Como se puede observar en la siguiente figura.

Figura 8. Gráfico de la relación de Ohm

En este caso, se puede cambiar la X de la ecuación 1 del capítulo 1, por una R, ya que de esta manera se representa el valor de la resistencia. Las resistencias se miden en ohmios y su símbolo es el siguiente Ω. Función: La función primordial de cualquier resistencia es limitar el paso de la corriente. Simplifiquemos dicho concepto. Si tomamos la relación de la ley de Ohm y despejamos la corriente, del otro lado de la ecuación queda el voltaje dividido por la resistencia. Si en este caso se pone una resistencia con el valor de cero queda la siguiente relación:

IV

=0

(3)

Por lo tanto el resultado es infinito, y si la corriente es infinita lo que produce es un sobrecalentamiento de los elementos hasta quemarlos, que es lo que sucede en un corto circuito en una casa. Por eso, es que se coloca una resistencia, de tal manera que se limite la corriente a un valor máximo. Se debe recordar que los cables tienen resistencia despreciable. Tipos: Comercialmente se pueden encontrar dos tipos de resistencias:

a. Fijas: Las resistencias fijas son aquellas que tienen un código de colores para indicar su valor. Estas resistencias tienen dicho nombre debido a que tienen un valor fijo. Entre las características primordiales que tienen estas resistencias aparte del valor fijo, es que se compran por su potencia, existen de ¼ de Watt, ½, 1, 2 Watts, entre otros. O sea, a la hora de comprarlas se debe indicar el valor y su potencia.

Figura 9. Imagen y símbolo de una resistencia fija.

En total existen 10 colores, cada color se le asigna un valor desde 0 hasta 9. Existen resistencias de 4 y 5 bandas de colores. En esta guía únicamente se tratarán las resistencias de 4 colores. La tabla de asignación de valores es la siguiente:

Tabla 1. Tabla de asignación de valores Colores Valor Negro 0 Café 1 Rojo 2

Naranja 3 Amarillo 4

Verde 5 Azul 6

Violeta 7 Gris 8

Blanco 9 Con un ejemplo muy sencillo se explicará la forma en que se calcula el valor

TEORICO o COMERCIAL de la resistencia. La única manera de conocer el valor real es por medio del multímetro, o también con el ohmímetro. Por ejemplo, si tenemos una resistencia con los siguientes colores: rojo, rojo, café, dorado, se toman la primera y segunda banda colocando sus valores en orden, o sea 22. La tercer banda indica la cantidad de ceros que se deben agregar a la derecha de estos números, como es café debe agregarse un cero, entonces el valor es 220 Ω. La cuarta banda es la que se conoce como banda de tolerancia, ya que esta banda indica un porcentaje que al final nos permite dar un margen dentro del cual esta el valor real de la resistencia. Para esta banda solo se mencionaran dos valores, el dorado es un 5% y el plateado es un 10 %. Para el ejemplo dado, como se mencionó dorado es un 5%. Esto quiere decir que el valor comercial de la resistencia es de 220 ± 5%

b. Variables: Las resistencias variables se conocen con el nombre de

potenciómetro, pot ó control de volumen. Este último nombre es debido a que en los radios analógicos – los que usaban perillas –, el elemento que tenía a su cargo el volumen es un potenciómetro, o sea que cuando la persona manipulaba la perilla del volumen era en realidad un pot. El potenciómetro a diferencia de las resistencias fijas, es un componente de 3 o 5 patillas, como se puede observar en la siguiente figura.

Figura 10. Símbolo e imagen del potenciómetro.

El potenciómetro es una resistencia variable que tiene un valor mínimo de 0 Ω hasta el valor máximo que indica un grabado que tiene por debajo de su superficie, o encima de él. Estos valores comerciales de los pots pueden ser de 10, 25, 50, 100, 200 kΩ, entre otros. Como el valor mínimo del potenciómetro es de 0Ω, cuando se utiliza de manera variable se coloca una resistencia en serie, porque de esta manera aunque el potenciómetro este en cero, siempre habrá una resistencia en el camino limitando la corriente. La función del

potenciómetro es igual a la de una resistencia, la de limitar la corriente. En este caso, por ejemplo del radio analógico, se modificaba el volumen porque a menor resistencia mayor la cantidad de corriente y por lo tanto mayor el volumen, y en el caso contrario, a mayor resistencia menor volumen. Se hizo referencia a utilizar el potenciómetro de manera variable, es porque también se puede utilizar como resistencia fija. Como se indicó, el pot tiene 3 patillas, si se conecta únicamente de las patillas de los extremos, entonces se estaría utilizando como una resistencia fija con una valor igual al máximo que viene grabado en la superficie. Para que el control de volumen se utilice como una resistencia variable, entonces se debe de conectar una patilla del extremo junto con la del centro. No importa cual patilla del extremo, porque en realidad las resistencias no tienen polaridad, o sea no tiene positivo ni negativo. Si se observa el símbolo, la patilla del centro se representa con una flecha, de tal manera que se indica que ésta es la que varía.

c. Fotoceldas: Estas son resistencias variables pero controladas por luz, dependiendo de la cantidad de luz que reciban en su superficie así será su valor. A mayor luz menor será menor la resistencia de la fotocelda, y en el caso opuesto lo contrario. El funcionamiento de la resistencia se basa en la teoría corpuscular de la luz, ésta indica que la luz viaja en paquetes de energía llamados fotones, entonces los materiales con los que se construye la fotocelda son sensible a la luz, y variarán sus características de resistividad dependiendo de la cantidad de luz que incida en su superficie.

Figura 11. Imagen y símbolo de fotocelda.

Capacitor o Condensador

Este componente es un elemento que se conoce como acumulador de energía. En realidad es como una pequeña batería que al inicio de la conexión no tiene energía, cuando se energiza el sistema este elemento comienza a cargarse, la energía que puede almacenar va a depender valor del capacitor, y cuando se quita la energía del sistema, este elemento puede seguir entregándole al sistema dicha energía pero solamente por un tiempo limitado, hasta que se descargue completamente. El condensador se mide en Faradios, la unidad de medida es en honor a Faraday. Por otro lado, si se dice que se tiene un capacitor de un faradio, se estaría hablando de un capacitor del tamaño de un balde de basura sino más grande. Por eso, en el área de la electrónica los valores más usuales son valores de micro faradios, que se simboliza de la siguiente manera µf. El símbolo del faradio es f. Estas palabras de micro, kilo, nano, son prefijos para indicar múltiplos o submúltiplos de la

unidad de medida dada. Por ejemplo kilómetro son 1000 metros, en este caso micro es una millonésima parte, nano se representa como 0.000000001, o sea una cien millonésima parte de una unidad. Otra característica importante del capacitor a la hora de comprarlo es para que voltaje se necesita, existen condensadores para 10, 16, 25, 50, 250 V, entre otros mayores voltajes. Debido a que en electrónica son valores de voltajes bajos, entonces lo más común es usar condensadores de hasta 50 V máximo. Este voltaje lo que indica es la tensión máxima que puede soportar el capacitor entre sus terminales. Función: El capacitor, dependiendo del circuito en el que se esté va a tener una función específica. En algunos casos sirve como una batería extra. En el caso de los filtros de los radios para sintonizar la estación sirve para eliminar ciertas frecuencias, por ejemplo si se sintoniza una estación de radio que puede ser 102.7 kHz, sólo queremos oír esa estación y ninguna otra, entonces el radio tiene un filtro que elimina las otras estaciones que están en otras frecuencias. En este caso, los filtros tienen capacitores que eliminan dichas frecuencias. Otra función es la de temporizar, cuando se conecta un capacitor en un timer 555, se aprovecha su característica de carga y descarga, entonces bien conectado se puede regular ese tiempo de carga y descarga de tal manera que sirva como un reloj. Por ejemplo, en un juego de luces si queremos tener la luz encendida por 5 segundos, que luego se apague por otros 5 segundos, para luego volverse a prender, entonces se diseña el circuito con un cierto valor de capacitor que permita crear dicha función.

Figura 12. Capacitares de Cerámica y Electrolíticos.

Tipos: Existen varios tipos de capacitores. En muchos casos depende del material con el que se va a construir. La siguiente clasificación es en base a sus características de polaridad.

a. Electrolíticos: Son aquellos capacitores que tienen polaridad, o sea un polo negativo y un polo positivo. Dentro de los materiales para construir dichos condensadores se encuentran los de papel de aluminio, de poliuretano, de tantalio.

b. Sin Polaridad: Son aquellos capacitores que no tienen polaridad. El principal material con el que se construye este tipo de condensadores es con cerámica. Estos condensadores se utilizan principalmente en aplicaciones donde se requiere un gran voltaje, debido a las características intrínsecas del material.

Figura 13. Curva de Carga y Descarga Típica del Capacitor.

Diodos

Son elementos no lineales porque no cumplen con la ley de Ohm. El diodo cuando se explica su funcionamiento se hace una analogía con una válvula on / off, porque en realidad el diodo al igual que esta válvula solo tienen dos estados, conduce o no conduce, y no es porque se haya quemado, sino que sus características de funcionamiento son así. Es un elemento que tiene polaridad, o sea un lado negativo conocido como cátodo y un lado positivo conocido como ánodo. Para que un diodo conduzca se debe polarizar correctamente, esto es colocar la parte positiva con el positivo de la alimentación y la negativa con el negativo de la batería. Esta característica de conducción es debido a que los diodos son componentes dopados, sus materiales de construcción se conocen como materiales P y materiales N. Esto es porque tienen impurezas que provocan que estén cargados negativa o positivamente. Cuando el diodo se polariza correctamente ocurre la siguiente secuencia

Figura 14. Secuencia de conducción del diodo

Cuando se polariza correctamente el diodo, las cargas positivas comienzan a entrar y a hacer presión sobre el polo positivo o capa P. En el centro del diodo se combinan los protones y los electrones, de esta manera se convierte en una región neutra, pero al existir una sobredosis de cargas positivas, entonces las negativas se ven en la obligación de pasar esta zona neutra y así comenzar a combinarse, con lo cual se establece una corriente y de esta manera un equilibrio, donde el diodo esta conduciendo. En el caso contrario, al entrar las cargas positivas en el polo negativo o capa N, los electrones no se ven obligados a pasar sobre la región neutra para combinarse, sino que se combinan de su lado, aumentando dicha zona neutra, y por lo tanto haciendo más grande la barrera a vencer, de esta forma es que el diodo no conduce.

Si vemos la gráfica de un diodo en un circuito variable o AC, este tipo de circuitos son como los de la casa donde el voltaje tiene una frecuencia (en los residenciales es de 60 Hz), se puede notar que en un momento dado, el diodo no conducen de ahí que la corriente del diodo conocida como Di sea cero, y en otro momento esta sea infinita. Esta

característica de corriente infinita es porque se supone que el diodo cuando conduce no presenta resistencia, o sea como si fuera un cable.

Figura 15. Característica de la corriente en el diodo en condiciones ideales

Función: La función primordial de un diodo siempre es la de funcionar como una válvula, en un circuito DC donde la corriente siempre tiene el mismo voltaje, muchas veces se coloca a la entrada del circuito, porque de esta manera evita que haya una devolución de la energía y esto pueda provocar que se queme algún componente. En los circuitos AC es donde se encuentra su función primordial. Para aquella persona curiosa y que haya destapado una fuente de poder de una computadora, pudo notar como a la entrada de la fuente hay 4 diodos, conectados entre ellos y con una entrada y una salida, esos diodos siempre están a la entrada de algunos equipos para producir una rectificación. El rectificar significa convertir una señal AC pura, en una señal DC con algo de AC. Esto se explica de la siguiente manera, una señal AC pura tiene una forma parecida a la de la figura 12.

Figura 16. Señal AC pura

Una señal AC pura tiene componentes negativas y positivas, si se realiza una suma tomando en cuenta el signo, entonces la sumatoria en el infinito es cero, porque hay igual cantidad de componentes positivas y negativas con la misma magnitud. Entonces, no se puede aprovechar dicha energía, porque finalmente la energía aprovechable es cero. Es en este punto donde está la función del diodo. El diodo rectifica esta señal, porque cuando la señal AC es positiva, va a polarizar correctamente el diodo y por lo tanto este va a conducir, siguiendo la forma de la señal AC, y cuando se polariza inversamente deja de conducir, produciendo un cero. Entonces la forma de la onda después del diodo sería como se ve en la siguiente figura.

Figura 17. Señal rectificada después de un diodo

Se puede observar como esta señal sólo tiene componentes positivas, de ahí que si se hace una sumatoria de los componentes se obtiene un valor positivo, distinto de cero, por lo tanto ya es una señal DC, con la cual se alimentan muchos tipos de componentes. Tipos: De este componente existen muchos tipos, pero en esta guía únicamente se mencionarán 3 tipos.

a. Rectificador: Su nombre indica su función, prácticamente la función que se ha explicado es la de este tipo de diodo. Su forma es como un pequeño cilindro que tiene dos bandas de colores. Una de mayor tamaño de color negro, y la banda más delgada de color plateado. La de color negro es la banda de la capa P y la banda plateada es la capa N. Estos diodos se construyen principalmente de Silicio y de Germanio. En la siguiente figura se observa la imagen y símbolo de un diodo rectificador.

Figura 18. Símbolo e Imagen de un diodo.

b. LED: Su nombre en inglés es Light Emissor Diode (Diodo Emisor de Luz), siendo está su característica principal. El LED es un diodo rectificador, con la única diferencia que el material con el que se construye tienen impurezas de materiales que al calentarse producen luminiscencia. Muchas veces se confunden con un bombillo, y se piensa que conectado de cualquier manera va a funcionar, lo cual como se ha visto no es cierto. Los LED es su mayoría tienen una base redonda circular, pero este círculo no es completo, sino que semicircular. La parte cortada es el negativo del LED y la parte redonda la positiva.

Figura 19. Símbolo e Imagen de un LED

c. SCR: Su nombre en español es Rectificador Controlado por Silicio, por lo tanto SCR son sus siglas en inglés. La diferencia de este diodo es que tiene 3 patillas, donde aparte de las patillas C y A se tiene una patilla llamada compuerta o gate (G). La característica de este diodo es que no comienza a conducir hasta tanto no se conecte la patilla G, pero una vez que esta conduciendo, se puede desconectar G y este sigue funcionando. Su función al igual que los otros diodos es de rectificar.

Figura 20. Símbolo e imagen del SCR

Transistores

Los transistores son el segundo tipo de componentes no lineales que se analizarán en esta guía. Se diferencian de los diodos en que tienen 3 patillas y cada patilla representa una capa N o P, la relación siempre son 2 capas N y una P, o dos P y una N, depende del tipo como se verá más adelante. Al igual que en el diodo, las patillas del transistor tienen un nombre, estos nombres son Colector, Base y Emisor. El transistor se alimenta en la base, pero por ésta debe entrar una corriente pequeña. La patilla de la base en casi todos los

transistores es la del centro, y siempre es la capa única, o sea cuando son dos N la base es la capa P, o en el caso contrario. Entonces, cuando es capa N debe conectarse al negativo de la batería, si es capa P se conecta al positivo, porque de esta manera entran cargas de las misma polaridad, con lo cual excita a los electrones o protones de las capas N ó P, según el caso, para producir canal donde se de el libre tránsito de electrones de tal manera que fluya un flujo de electrones.

Figura 21. Diferentes presentaciones de los transistores.

Función: Es muy normal en el lenguaje de las personas oír, voy a comprar un amplificador de audio para tal equipo de sonido, o un ecualizador que tenga muy buena amplificación. La amplificación del sonido no es por el tamaño del parlante, porque si las vibraciones eléctricas que le llegan al parlante son muy pequeñas, entonces el sonido será pobre. A los transistores también se les conoce como amplificadores, porque precisamente esa es su función, tomar una señal de entrada pequeña y amplificarla, que en términos de electrónica es producir una ganancia. La salida del transistor es por el colector, donde se obtiene lo que se conoce como ganancia invertida. Esto es originado por una característica propia del funcionamiento del transistor, si la base es alimentada, o sea hay señal, el voltaje entre el colector y el emisor es cero porque está conduciendo, o es un voltaje que va bajando conforme aumenta la señal de la base de manera lineal, está es la región lineal del transistor. Pero cuando no hay señal, el voltaje entre colector y emisor es máximo, que depende del valor de la fuente que lo este alimentando, en este caso del colector se obtiene una señal de voltaje, sin corriente, está es la región de ruptura del transisto r. Por último, cuando un transistor tiene una señal grande de entrada (al referirse a señal en el transistor se refiere a una corriente, porque el transistor se controla por corriente, al igual que el diodo), se entra en una región conocida como saturación, donde el voltaje entre colector y emisor es el mínimo y la corriente máxima.

Figura 22. Curva normalizada de un transistor

El transistor además tiene una constante que se le denomina factor de amplificación que se va a representar con una β , donde se debe de cumplir la siguiente relación

Bc ii *β= (4)

Donde =Ci Corriente del Colector e =Bi Corriente de base. De esta manera calculando la corriente del colector, o conociendo la corriente de base se puede saber la ganancia. Casi siempre este valor viene indicado por el fabricante, o se usa un valor de 100, sin unidades porque el factor de ganancia es adimensional. Tipos: Existen varios tipos de transistores, entre ellos se puede mencionar BJT, JFET, MOSFET, MOSPOWER, IGBT, entre otros. Para esta guía únicamente se va a mencionar el tipo BJT, que a su vez se subdivide en dos tipos.

a. BJT: Su nombre en español es Transistor de Unión Base, porque es un transistor donde la base está conectada físicamente al colector y al emisor. Son los primeros tipos de transistores en desarrollarse y los más expandidos, aunque actualmente superados por la mayoría de tipos, y no son aplicables en función de alto voltaje.

1 NPN: Los transistores NPN son los transistores que tienen dos capas N y una capa P, como se podrá ver en la figura 20.

2 PNP: Son los transistores que tienen dos capas P y una capa N, como se puede observar en la figura 20.

Figura 23. Símbolos de los transistores NPN y PNP

Timer 555

El timer 555 es un circuito integrado que tiene por función temporizar en un circuito, eso significa que va a funcionar como un reloj. El 555 es un circuito que consta de 8 patillas, cada una de estas patillas tiene una función. En este caso se va a mencionar que la patilla número 8 es la alimentación positiva, la # 1 es la patilla del negativo, la patilla # 3 es la salida del 555, la # 5 es para modulación de ancho de pulso, el resto se podrá observar en las hojas de datos, junto con la explicación del funcionamiento del circuito. Esto se deja a lectura de interés propio porque existen tres tipos de modos de funcionamiento. Entre estos modos ésta el de producir una señal variable, que varía desde 0 V hasta 9 V, dependiendo de la alimentación, y esta señal variable es periódica y con un tiempo de encendido igual al de apagado. O sea, es una señal simétrica. A continuación se verá el diagrama esquemático del 555.

Figura 24. Imagen y símbolo del timer 555

Capítulo III: Hojas de Fabricante Las hojas del fabricante son hojas que indican ciertas características propias de cada componente. En estas hojas se indican dependiendo del componente, voltaje máximo al que se puede conectar, temperatura máxima y mínima ambiente que puede soportar, temperaturas de trabajo, corriente máxima con la que se puede alimentar y mínima que puede entregar. Entre otras. Aquí se hará un repaso de una hoja de datos del timer 555 y del transistor 2N222, que es del tipo NPN. Timer 555

Siempre en la primera página viene una descripción general, características y aplicaciones, como se ve a continuación.

En el caso del 555 viene un diagrama esquemático interno, porque al ser un circuito integrado estos componentes no se ven.

Seguido se tiene el diagrama de conexión de las patillas, donde se ven las funciones

específicas de cada patilla.

Después viene la sección para esta guía más importante, donde se tienen los rangos

absolutos máximos y las características eléctricas.

Aquí es donde los valores de voltaje de alimentación, corriente de alimentación, y

valores típicos de error, con un valor de resistencia y capacitor dados. Estos valores deben entenderse únicamente para estos componentes, no se debe de extender a ninguna otra condición. Posteriormente se tienen las aplicaciones, o sea modos de trabajo.

Estas figuras anteriores muestran los dos tipos principales de aplicaciones, donde se

tiene un solo estado estable (monoestable) o con dos estados estables (astable). Además, el tiempo que va a durar en cada estado se puede calcular usando las fórmulas que vienen en las hojas de datos. Además, vienen en total como 8 aplicaciones diferentes, modulación de ancho de pulso, de disparo, en fin, se tienen muchas opciones que son cubiertas por el fabricante. En las dos últimas páginas se da un repaso de los empaquetados y las medidas que estos tienen.

Transistor NPN 2N2222

En estas hojas de datos, los primero que vienen son los gráficos de los empaquetados en que viene el producto.

Seguido vienen las características eléctricas, rangos máximos y características térmicas. Estas últimas muy importantes a la hora de diseñar un disipador, o de poner un ventilador.

Después vienen las curvas características del transistor, y por último las características de cada tipo de empaquetado con las medidas de cada tipo.

Capítulo IV: Experimentos Prácticos Experimento 1: LED indicador de Corriente

Objetivo: Observar la función de limitar la corriente que tiene una resistencia. Materiales: Resistencias de 100, 220, 1 k y 6.8 k ohmios, LED, broche, batería.

Resistencia (Ω ) Voltaje (V) Corriente con Multímetro (I)

Corriente con Ohm (I)

Experimento 2: Control de brillo de LED

Objetivo: Observar como trabaja un potenciómetro como una resistencia variable y como una resistencia fija. Materiales: Potenciómetro, LED, broche, batería.

Experimento 3: LED activado por luz

Objetivo: Observar como funciona una fotocelda o resistencia controlada por luz. Materiales: Fotocelda, LED, broche, batería.

Experimento 4: Almacenamiento de Electrones

Objetivo: Observar el efecto de almacenamiento de energía en un condensador, y su función como batería de emergencia. Materiales: Capacitores de 10, 100 y 1000 uF, LED, broche, batería, resistencias de 1 k y 220Ω.

Tiempo Capacitor 1 minuto 2 minutos

10 uF 100 uF

1000 uF

Experimento 5: Probador de Diodos

Objetivo: Observar como permite un diodo el paso de la corriente en una sola direcciçon, así como construir un probador de diodos. Materiales: Diodo Rectificador 1N4007, LED, broche, batería, resistencia de 220Ω.

Experimento 6: Probador de SCR

Objetivo: Conocer el funcionamiento de un SCR, así como construir un útil probador. Materiales: Diodo SCR, LED, broche, batería, resistencias de 220Ω y de 1 kΩ.

Experimento 7: Probador de transistor NPN y PNP

Objetivo: Conocer el funcionamiento y manera de conectar los transistores NPN y PNP. Materiales: Transistores NPN y PNP, 2 LED, Interruptor, broche, batería, resistencias de 220 Ω y de 6,8 kΩ.

Experimento 8: Luz intermitente

Objetivo: Conocer el funcionamiento y manera de conectar el timer 555. Materiales: Timer 555, LED, capacitor 10 uF, broche, batería, resistencias de 220Ω, 6,8 kΩ y de 18 kΩ.

Experimento 9: Transistor como oscilador

Objetivo: Aprender sobre una nueva configuración de transistores. Materiales: Broche, batería, transistor NPN, transistor PNP, Parlante, capacitor 0.1 uF, resistencias 120 k y 10 Ω

Experimento 10: Alarma Burlador de Ladrones

Objetivo: Construir una alarma que detecte la presencia de ladrones. Materiales: Broche, batería, SCR, LED, Diodo 1N4007, capacitor 0.1 uF, resistencias: 2 de 33k y 1 de 220 Ω, parlante o zumbador.

Experimento 11: Metrónomo Electrónico

Objetivo: Construir un circuito que trabaje como un metronomo. Materiales: Broche, batería, transistor NPN, transistor PNP, Potenciómetro, capacitor 100 uF, resistencia de 18 kΩ, parlante.

Experimento 12: Semáforo

Objetivo: Construir un circuito que utilizando un timer 555 trabaja en forma similar a un semáforo. Materiales: Broche, batería, timer 555, capacitor 10 uF, 2 LED, resistencias: 2 de 220, 1 de 6.8 k y 1 de 33 kΩ.

Experimento 13: Generador de Audio

Objetivo: Construir un circuito que genere audio mediante un oscilador, pero sin la necesidad de usar dos transistores, sino usando un timer 555 y un transistor. Materiales: Broche, batería, timer 555, capacitor 0.1 uF, transistor NPN, Parlante, Potenciómetro, resistencias: de 10, 220, 6.8 k, 1kΩ.

Experimento 14: Sirena Policial Electrónica

Objetivo: Construir un circuito que funcione como una sirena de policía pero manual. Materiales: Broche, batería, timer 555, capacitores: 1 de 1000 uF y 1 de 0.1 uF, transistor NPN, Parlante, Interruptor, resistencias: de 10, 220, 1 k, 2.2 k, 6.8 k, 120kΩ.

Experimento 15: Oscilador Código Morse

Objetivo: Construir un práctico oscilador que puede funcionar para transmitir código Morse. Materiales: Broche, batería, timer 555, capacitor de 0.1 uF, transistor NPN, Parlante, Interruptor, resistencias: de 10, 220, 1 k, 120kΩ.

Código Morse

Experimento 16: Luz Nocturna Automática

Objetivo: Construir un circuito que produzca luz durante la noche, o cuando haya oscuridad automáticamente Materiales: Broche, batería, transistor NPN, Fotocelda, 2 LED’s, Potenciómetro, resistencias 18 k y 47 Ω

Experimento 17: Motocicleta Electrónica

Objetivo: Construir un circuito que produzca el sonido de una motocicleta Materiales: Broche, batería, transistor NPN, transistor PNP, Parlante, capacitor 10 uF, Potenciómetro, resistencias 10 y 3.3 kΩ

Experimento 18: Luces de Velocidad Variable

Objetivo: Construir un circuito que funcione como un semáforo donde se puede regular la alternancia Materiales: Broche, batería, Timer 555, 2 LED’s, capacitor 10 uF, Potenciómetro, resistencias 2 de 220, 1 de 1k y 1 de 6.8 kΩ

Experimento 19: Alarma Despertadora

Objetivo: Construir un circuito que produzca sonido con la luz solar, con lo cual puede funcionar como una alarma despertadora Materiales: Broche, batería, Timer 555, Parlante, Capacitor 0.1 uF, Fotocelda, Transistor NPN, Resistencias de 10, 220 y 2.2 kΩ

Experimento 20: Sirena de la Policía Inglesa

Materiales: Broche, Interruptor, Parlante, Transistor NPN, Capacitor 0.01 uf, Timer 555, Batería, Resistencias de 10, 220, 1k, 120k, 470 kΩ

Experimento 21: Canario Electrónico

Materiales: Broche, Interruptor, Potenciómetro, Parlante, Transistor NPN y PNP, Capacitor 0.01, 1, 10, 1000 uf, Timer 555, Batería, Resistencias de 47, 2 de 100, 3.3k, 6.8k, 33 kΩ

Experimento 22: Switch Controlado por Luz

Experimento 23: Regulador de Voltaje

Experimento 24: Semáforo Electrónico

Experimento 25: Juego de Luces Intermitentes controlado por luz

Experimento 26: Control de Tiempo

Experimento 27: Control de Humedad

Experimento 28: Control de Humedad con 555

Experimento 29: Temporizador Variable

Experimento 30: Generador de Audio

Experimento 31: Miniórgano Electrónico

Bibliografía - Laboratorio de Ciencia Electrónica, CEKIT. Manual de Experimentos.

- Laboratorio de Ciencia Electrónica, CEKIT. Manual de Experimentos. Mister

Electrónica Junior, Mecano Electrónico.

- Resnick et otros. 1999. Física. Compañía Editorial Continental, S.A. Cuarta

Edición, Versión Ampliada, Vol.2. México.

- Schilling, Donald L. y Charles Belove. 1993. Circuitos Electrónicos: Discretos e

Integrados. Editorial Mc Graw – Hill Interamericana. Tercera Edición. España.

Capítulo 1 y Capítulo 2.

- Wilson, Jerry D. 1999. Física. Editorial Prentice Hall Hispanoamérica, S.A.

Segunda Edición. Mëxico.