Guia 4 Componentes Electrónicos

7/21/2019 Guia 4 Componentes Electrnicos

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Universidad Nacional De Colombia

Facultad De Ingeniera

Departamento De Ingeniera Electrica Y Electronica

Taller de Ingeniera

Electronica

ProfesoresIng. Gustavo Chica P.

Ing. Jhon Reinosa V.

Gua de Laboratorio No. 4

Componentes Electronicos

1. DESCRIPCION

Por medio de esta practica se describen y trabajan componentes electronicos basicos como conductores,interruptores, pulsadores, condensadores, diodos y transistores bipolares que son utiles para todas las aplica-ciones en esta ciencia aplicada.

2. OBJETIVO

Presentar a los estudiantes componentes basicos en electronica, trabajar con estos, observar y analizaralgunas de sus caractersticas.

3. MARCO TEORICO

Hasta el momento en el curso se ha trabajado fundamentalmente con dos tipos de materiales : Aislantes(resistencias) y conductores (cables, alambres). Sin embargo, dentro del campo de la electronica existe un tercertipo de material: el semiconductor, con el cual es posible la fabricacion de una gran variedad de dispositivospara el manejo de corrientes electricas, dentro de los cuales se encuentran los diodos y los transistores de unionbipolar (BJT).

3.1. CONDUCTORES

El transporte de corriente electrica entre los elementos de un circuito requiere el uso de conductores. Exis-ten varias presentaciones para los conductores electricos, entre ellas se cuentan los alambres, los cables, flejes,pistas de cobre en circuitos impresos, laminas metalicas de las carcazas de los equipos, etc. La presentacionde los cables depende en gran medida de la aplicacion en que vayan a utilizarse, no es lo mismo trabajar encircuitos de prueba con tensiones de menos de 12 V que trabajar en media o alta tension. Vamos a tratarespecialmente de los cables y los alambres.

Los alambres son conductores formados por un hilo unico de material conductor, que puede ser, en general,cobre o aluminio. Los cables son conductores conformados por varios hilos o alambres, los cuales van trenzadospara evitar que el cable se desarme.

Los conductores pueden llevar aislamiento o estar desnudos, como se muestra en la figura1. El aislamientopuede ser de varios tipos de materiales, dependiendo de la aplicacion, generalmente se usa un material plasticocomo el PVC (figura2). El aislamiento no solo sirve para separar electricamente varios conductores, proveeproteccion contra de la accion del medio ambiente, permite agrupar varios conductores, etc.

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Figura 1: Conductores, alambre (arriba) y cable (abajo)

Figura 2: Varios tipos de conductores con aislamiento

Para cada aplicacion se requiere un calibre de conductor determinado dependiendo de la cantidad de corri-ente a manejar. Se ha difundido ampliamente la convencion de calibres de conductores American Wire Gauge(AWG). En el cuadro1 se relacionan algunos conductores con respecto a esta convencion.

AWG Diam. (mm) Area (mm2) AWG Diam. (mm) Area (mm2)1 7.35 42.40 16 1.29 1.312 6.54 33.60 17 1.15 1.043 5.86 27.00 18 1.024 0.8234 5.19 21.20 19 0.912 0.653

5 4.62 16.80 20 0.812 0.5196 4.11 13.30 21 0.723 0.4127 3.67 10.60 22 0.644 0.3258 3.26 8.35 23 0.573 0.2599 2.91 6.62 24 0.511 0.205

10 2.59 5.27 25 0.455 0.16311 2.30 4.15 26 0.405 0.12812 2.05 3.31 27 0.361 0.10213 1.83 2.63 28 0.321 0.080414 1.63 2.08 29 0.286 0.064615 1.45 1.65 30 0.255 0.0503

Cuadro 1: Calibres y secciones transversales de varios conductores AWG

La resistencia electrica de los alambres y cables depende de la seccion transversal, de la longitud del Cabley de la resistividad del material.

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3.2. INTERRUPTORES

Los interruptores se usan para aislar o conectar dos partes de un circuito electrico. Existen gran cantidadde interruptores en el mercado, disenados especialmente para cada aplicacion. Algunos se usan para permitir elpaso de grandes cantidades de corriente, otros simplemente para senales. Los hay de varias posiciones, conmu-tadores, de varios polos, etc. Algunos interruptores usados tpicamente en electronica se muestran en la figura3.

Figura 3: Interruptores

En general, los interruptores poseen piezas fijas y moviles, las cuales al accionar el interruptor ponen encontacto las partes conductoras que permiten conectar dos partes de un circuito. Para aplicaciones donde elinterruptor va a permitir el paso de grandes cantidades de corriente, adem as de los contactos puede incluir unsistema de proteccion contra sobrecargas o corrientes de corto circuito, como pueden ser fusibles o protecciontermomagnetica.

3.3. PULSADORES

Los pulsadores (figura4 y 5) son un tipo de interruptor. Tienen las mismas piezas y funcionan de manerasimilar. Hay dos tipos de pulsadores: normalmente abiertos (NA) y normalmente cerrados (NC).

Figura 4: Pulsadores

Cuando se presiona un pulsador NC, los contactos que sirven como conexi on se separan abriendo el circuito,hasta cuando se libera y regresa nuevamente a su estado cerrado. El pulsador NA cierra sus contactos alpresionarlo y los abre al liberarlo.

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Figura 5: Algunos tipos de Pulsadores Comerciales

3.4. CONDENSADORES

Los condensadores son elementos circuitales de amplio uso. Explicaremos brevemente su funcionamiento,tipo y modo de identificacion.

Suponga que dos placas metalicas son colocadas una cerca de la otra sin tocarse, y ambas placas sonconectadas a una batera a traves de unos cables y un interruptor, como se ilustra en la figura6. En el instanteen que el interruptor se conecta, los electrones de la placa superior son atrados por el polo positivo de la pila,y la misma cantidad de electrones es depositada en la placa inferior por el polo negativo de la pila. Se mueventantos electrones en cada placa como sean necesarios para igualar el voltaje de las mismas al voltaje de la pila.Si el interruptor es abierto despues de que las placas esten cargadas ambas placas permaneceran con el excesoo defecto de electrones pues evidentemente no hay una trayectoria a traves de la cual los electrones puedanescapar. El dispositivo permanecera cargado hasta que los electrones puedan circular por algun circuito quepermita nivelar los potenciales de las dos placas (por ejemplo colocando un conductor entre las dos placas deforma que el exceso de electrones en una viaje hasta la otra donde hay defecto)

Figura 6: Placas paralelas

Este par de placas, separadas por un medio no conductor constituye el modelo general de un dispositivocircuital llamado CONDENSADOR, cuyos smbolos circuitales son los que se muestran en la figura7

Figura 7: Smbolos circuitales del condensador

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La caracterstica mas destacable de un condensador es su capacidad para almacenar carga electrica, pormecanismos que en general son similares al descrito anteriormente.

Notese que en un circuito que tenga condensadores la corriente fluye unicamente mientras el condensadorse carga (es decir, durante el tiempo en que adquiere el mismo nivel de voltaje que la fuente de tension) omientras se descarga (tiempo en que las placas vuelven a estar al mismo potencial) y luego para de fluir. Estetiempo de carga o descarga depende sera explicado mas adelante.

Los condensadores se especifican de acuerdo a su capacitancia, es decir de acuerdo a la cantidad de cargaque pueden almacenar por unidad de voltaje aplicado entre sus terminales.

C=Q

V [F]

Un parametro que influye en el valor de la capacitancia es el tipo de aislante o dielectrico que se situe entrelas placas. Diferentes tipos de dielectricos dan lugar a capacitancias diferentes aun cuando la geometra del

condensador sea la misma.

Los materiales dielectricos se caracterizan por su constante de permitividad relativa, parametro que equiv-ale al cociente entre un condensador hecho con un material dielectrico y el mismo condensador hecho usandocomo dielectrico el aire.

3.4.1. Tiempo de carga y descarga de un condensador

Si conectaramos una fuente de volta je DC directamente a los terminales de un condensador, este se cargaracasi inmediatamente al valor del voltaje de la fuente. Una resistencia colocada entre el condensador y la fuentede voltaje limitara la cantidad de corriente que entra al condensador, retardando el tiempo requerido por estepara cargarse hasta el voltaje de la fuente (figura8).

Figura 8: Circuito para medir carga y descarga del condensador

El voltaje entre los terminales del condensador es una funci on del tiempo dada por la siguiente expresiony graficado en la figura9.

VC(t) = VS

1 et/RC

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Figura 9: Curva de carga de un condensador

3.4.2. Tipos de Condensadores

En general los condensadores se nombran de acuerdo al tipo de dielectrico con el que esten fabricados.

Es as que tenemos los siguientes tipos de condensadores (figura10):

Electrolticos

Ceramicos

Condensadores de poliester metalizado

De tantalio

Ajustables

Cada condensador posee caractersticas que lo hacen util para alguna aplicacion, no todos pueden utilizarseindistintamente sin tomar precauciones, particularmente los condensadores electrolticos ya que al utilizarlosen la polaridad equivocada pueden explotar.

Las especificaciones generales que debe tener un condensador son:

Capacidad medida en Faradios [F] o en submultiplos de Faradios (uF, nF, pF)

Maxima tension de operacion.

Polaridad si es un condensador polarizado

La tolerancia en el valor de la capacidad del condensador.

La capacitancia de un condensador puede identificarse por los siguientes metodos.

El condensador puede llevar impreso el valor de capacidad en su exterior

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Figura 10: Algunos tipos de condensadores.

Los condensadores de poliester o ceramicos, usualmente, llevan escritos tres numeros, como se muestraen el cuadro2. Las dos primeras cifras, igual que en las resistencias, representan las cifras significativasdel valor de capacidad en picoFaradios; la cifra restante representa una potencia de 10 por la cual hayque multiplicar las cifras significativas para darle el valor de capacidad. Cabe resaltar que el valor decapacidad obtenido tiene una tolerancia, al igual que con las resistencias de la forma en que se muestraen el cuadro3.

Nominacion Valor en pF Valor en nF Valor enF

10 5 1,0 00,000 1,000 1

404 400,000 400 0.4203 20,000 20 0.02102 1,000 1 0.001

Cuadro 2: Determinacion de la capacidad del condensador

Algunos condensadores tienen codigo de colores impreso. El cuadro 4 muestra el codigo necesario parainterpretar el valor de los condensadores y el cuadro5 para la lectura de sus tolerancias.

Ejemplo:Si se tiene el condensador de la figura 11, su valor de capacitancia y tolerancia puede ser leido como

Figura 11: Condensador con Codigo de Colores - ejemplo

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Letra Tolerancia %

D 0.5F 1

G 2H 3J 5K 10M 20

Cuadro 3: Codigo de Tolerancia

TABLA DE COLORESColores Banda 1 Banda 2 Multiplicador Tension

Negro 0 x 1Marron 1 1 x 10 100 V

Rojo 2 2 x 100 250 VNaranja 3 3 x 1000Amarillo 4 4 x 104 400 V

Verde 5 5 x 105

Azul 6 6 x 106 630 VVioleta 7 7

Gris 8 8Blanco 9 9

Cuadro 4: Codigo de Colores para determinar el valor de los condensadores

Verde, Azul, Naranja, Verde, Rojo = 56 x 1000 pF / 5% / 250 V = 56 nF/ 5% /250 V

3.5. El Diodo Semiconductor

El diodo semiconductor un dispositivo de dos terminales que permite el paso de la corriente en una soladireccion. Su funcionamiento se puede comparar con una puerta de una sola vapor donde solo se puede entrarpero no salir.

Dos de los parametros mas importantes, por los cuales pueden ser clasificados los diodos, son el voltajemaximo que pueden soportar en inverso y la corriente maxima que puede circular a traves de ellos. Por ejemplo,el diodo 1N4001 soporta una corriente de un Amperio y 100 Voltios en inverso entre sus terminales.

Los diodos tienen polaridad, es decir, funcionan de manera distinta seg un como sean conectados, a difer-encia de las resistencias. Sus dos terminales reciben el nombre de ANODO(A) y CATODO(K). En un diodo

comercial el catodo se indica con una banda que rodea el encapsulado o con una forma especial, tal como semuestra en la Figura12.

Otra forma comun de identificar cada uno de los terminales de un diodo es con la ayuda del multmetro ensu funcion de medida de semiconductores. Para ello se sigue el siguiente procedimiento:

Se ubica la perilla de seleccion de medida del multmetro frente al smbolo de diodo que aparece all.

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TABLA DE COLORESColores Tolerancia (C > 10 pF) Tolerancia (C < 10 pF)

Negro +/- 20 % +/- 1 pF

Blanco +/- 10 % +/- 1 pFVerde +/- 5 % +/- 0.5 pFRojo +/- 2 % +/- 0.25 pF

Marron +/- 1 % +/- 0.1 pF

Cuadro 5: Codigo de Colores para leer la tolerancias de los condensadores

Figura 12: Smbolo del diodo de union y su presentacion comercial

Se toma el diodo que se quiere identificar y se colocan las puntas del equipo en cada una de sus terminales(tal como se hizo en clases anteriores con las resistencias).

Se observa la medida entregada por el multmetro teniendo en cuenta lo siguiente:

Si es un diodo de union, debera mostrar un valor finito o tendiendo a cero en el caso de que las

puntas roja y negra del multmetro esten conectadas con el anodo y el catodo, respectivamente. Encaso de haber ubicado las puntas de medicion en sentido contrario, el multmetro indicara que lamedida se sale del rango.

Si es un led, este debera iluminar de forma tenue si se ha conectado de forma adecuada, es decir, lapunta de color rojo en el anodo y la de color negro en el catodo (Polarizacion en directo).

Si el multmetro indica siempre que la medida esta fuera del rango (probando con las dos combina-ciones posibles de las puntas en los extremos del diodo) significa que el diodo esta averiado.

El diodo se compone de dos sustratos unidos entre s del mismo semiconductor (Por ejemplo Silicio): unoque ha sido dopado con impurezas tipo N y otro con impurezas tipo P. El anodo corresponde con el terminalconectado al material tipo P y el catodo con el terminal conectado al material tipo N.

Si se polariza la union PN en directo (voltaje positivo entre el anodo y el catodo) puede circular la corri-ente a traves del dispositivo, pero si se hace con una polarizacion inversa (voltaje negativo entre el anodo y elcatodo) entonces NO circulara corriente. Lo anterior se ilustra en la Figura13.

Aunque en esta gua solo se trataran los diodos de union, cuya principal aplicacion esta en los circuitosque convierten corriente de AC a corriente de DC (rectificacion), vale la pena resaltar que existen otros tipos

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Figura 13: Diodo de union y su conexion

de diodos para multiples aplicaciones, como por ejemplo diodo varicap, el LED (light emitter diode), el DiodoZener, entre otros.

3.6. El Transistor de Union Bipolar (BJT)

Con la invencion del transistor y su utilizacion a escala masiva en todo tipo de aparatos electronicos, seinicio la gran evolucion tecnologica en que nos encontramos actualmente. Esto debido a su pequeno tamano,bajo consumo de corriente y gran cantidad de aplicaciones.

El transistor es un componente de tres terminales, hecho con base en semiconductores y que es utilizadoprincipalmente para amplificar o aumentar las senales de amplitud o de corriente. Es usado tambien comointerruptor electronico. Sus terminales son llamadas EMISOR, BASE Y COLECTOR. De acuerdo con sufabricacion un transistor puede ser de tipo PNP o NPN.

Segun su aplicacion se tienen varias referencias comerciales de transistores, entre las cuales se encuentran el

2N2222, 2N3055, 2SD845, 2N3904, etcetera. En la Figura14 se muestran distintos encapsulados en los cualeses posible encontrar transistores bipolares.

Figura 14: Diferentes presentaciones f sicas del transistor bipolar

Como se menciono antes, existen dos tipos de transistor bipolar: NPN y PNP, cuyo nombre viene dado por

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la forma como se han organizado los sustratos de material semiconductor para componer sus tres capas, talcomo se muestra en la Figura15.

Figura 15: Clases y smbolos del transistor bipolar

La simbologa, mostrada en la Figura15, indica que el emisor se define por medio de una flecha, ademasindica el sentido de la corriente cuando se polariza en directo la uni on base-emisor y en inverso la union base-colector. El sentido de esta flecha es muy importante pues nos indica si el transistor es de tipo NPN (flechasaliendo) o tipo PNP (flecha entrando al dispositivo).

4. PRACTICA

El objetivo de la practica es usar el condensador como elemento temporizador, aprovechando que la cargade este elemento no se produce de forma instantanea.

4.1. MATERIALES

Protoboard

2 condensadores electrolticos de 3300 uF (microfaradios).

1 condensador electroltico de 100 uF.

4 resistencias de 120 12

W.

Resistencias Varias

2 LED

1 interruptor

1 pulsador normalmente abierto

2 diodo 1N4004

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1 transistor 2N3906

1 transistor 2N3904

Cables para protoboard

4.2. APLICACIONES DE LA CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR

Para cargar un condensador debe ponerse una diferencia de potencial entre sus terminales, la carga que sealmacenara es proporcional a la diferencia de potencial y a su capacidad. Para descargar el condensador debeusarse una resistencia que permita el flujo de corriente.

El condensador no puede cargarse o descargarse instantaneamente, por lo cual una corriente transitoriacirculara mientras se carga o se descarga.

Los LEDs, como se ha visto antes, son dispositivos que emiten luz cuando una corriente circula a traves deellos. Los LEDs permiten el paso de la corriente en una sola direccion.

Procedimiento

Monte el circuito mostrado en la figura 16. El elemento senalado con una [P] es un pulsador normalmenteabierto.

Adecue el osciloscopio para ver la senal que se genera en el condensador y prenda la fuente de alimentacion.

Figura 16: Montaje carga y descarga de un condensador

Accione el pulsador P1 y observe y registre el voltaje en el condensador y espere hasta que encuentrecompletamente cargado. De acuerdo con los resultados responda las siguientes preguntas:

Cuanto tiempo dura la carga del condensador?

Cual es el valor de voltaje en el condensador cuando ha transcurrido un tiempo igual a X=R1 C?.La constante Xse conoce como constante del circuito RC.

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Obtenga matematicamente la grafica de la corriente que circula por el condensador.

Despues de haberse cargado el condensador, suelte el pulsador. Registre el voltaje nuevamente sobre el

condensador utilizando el osciloscopio y responda las siguientes preguntas de acuerdo con lo observado:Cuanto tiempo dura la descarga del condensador?

Es mayor o menor la diferencia del tiempo de descarga que de carga?, argumente su respuesta.

Obtenga matematicamente la grafica de la corriente que circula por el condensador.

Para cada posicion del pulsador, En que direccion circula la corriente?. Muestre sus analisis con undiagrama

Existe alguna diferencia en el comportamiento de los LEDs cuando se cierra o se abre el pulsador?

4.3. CIRCUITOS CON CONDENSADORES

Los condensadores son elementos pasivos que pueden almacenar y entregar carga electrica en de los cir-cuitos que los contienen. A continuacion se muestra una red RC que permite ver este hecho.

Procedimiento

Monte el circuito mostrado en la figura 17 ajustando el valor de entrada en Vi(t) = 10 sin(21000t)

Figura 17: Circuito R-C

Energice el circuito y utilizando el osciloscopio observe el voltaje en el condensador y el voltaje en elgenerador simultaneamente (una senal por canal). Responda las siguiente preguntas:

Cual es la diferencia en amplitud entre la senal del generador y la del condensador?

Cual es la diferencia en fase entre la senal del generador y la del condensador?

Utilice la opcion XY del osciloscopio para determinar la fase entre las senales.

Bosqueje la forma del voltaje y la corriente en la resistencia.

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4.4. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

El rectificador de media onda utiliza semiciclos alternados de la senal alterna de entrada.

Procedimiento

Monte el circuito mostrado en la figura18ajustando el valor de entrada enVi(t) = 10sin(2800t). El valorde la resistencia debe ser el adecuado para que la corriente en el diodo sea aproximadamente la mitad de lacorriente maxima soportada (Ver hoja de datos del diodo).

Figura 18: Circuito Rectificador de Media Onda

Energice el circuito y utilizando el osciloscopio observe el voltaje en el condensador y el voltaje en elgenerador simultaneamente (una senal por canal). Responda las siguiente preguntas:

Las senales estan en fase?

Cual de las dos senales tiene mayor amplitud?

Bosqueje en el informe la forma de onda de la se nal rectificada.

Cual es la diferencia entre la rectificacion de media onda y la de onda completa?.

4.5. FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR

En base a dos sencillos circuitos, se observara el funcionamiento de los transistors tipo PNP y NPN.

Procedimiento

a. Monte el circuito mostrado en la figura19.

Presione el pulsador S1 y responda las siguientes preguntas:

Que ocurre cuando se presiona el pulsador?. Argumente su respuesta

Construya una tabla con los siguientes datos: IB, IC, IE, VCE.

Segun los datos registrados en la tabla, cual es la relacion aproximada entre las corrientes?

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Figura 19: Circuito con transistor tipo NPN

b. Monte el circuito mostrado en la figura20.

Presione el pulsador S1 y responda las siguientes preguntas:

Que ocurre cuando se presiona el pulsador?. Argumente su respuesta

Construya una tabla con los siguientes datos: IB, IC, IE, VCE.

Segun los datos registrados en la tabla, cual es la relacion aproximada entre las corrientes?

Figura 20: Circuito con transistor tipo PNP

5. CONSULTA

Consulte cual es la razon por la que los condensadores electrolticos tienen una polaridad definida parasu correcto funcionamiento?, a diferencia por ejemplo de los condensadores ceramicos que no tienenpolaridad (es decir que pueden ubicarse en el circuito de manera indistinta)

Consulte sobre los transistores de efecto de campo y presente un resumen en una tabla con las diferenciasprincipales entre estos y los transistores bipolares.

Investigar como funciona un fotocelda.

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