Apuntes electricidad - Colexio Calasancias

Introducción a la electricidad
r-~---------,
Recuerdo
•
• El átomo está formado por
un núcleo, compuesto de neu­
trones y protones, y rodeado
de electrones, partículas que
están en continuo movimiento.
Estamos tan familiarizados con el uso de la electricidad, que ya no
nos maravilla el hecho de que, pulsando un simple interruptor, logremos
iluminar una habitación.
• Los protones tienen carga
eléctrica positiva, y los electro­
nes, carga eléctrica negativa.
Los neutrones, en cambio, ca­
recen de carga.
protón
•••
------8-.
Pero ¿qué ocurre cuando pulsamos ese interruptor? Millones de diminutas
partículas comienzan a circular por la bombilla formando un circuito
de alta velocidad y transportando la energía necesaria para que aquella
se ilumine.
neutrón
~"8---F
\ (:)
,
o
1.1. El circuito eléctrico
.,
Un circuito eléctrico es un recorrido por
el cual circulan los electrones. Consta de los
siguientes elementos: un generador que propor­
ciona energía, un hilo conductor, un interruptor
y un receptor (bombilla, motor, timbre, etcétera).
···-8-···· .0
.-.~
• Aunque, en la realidad, los
electrones circulan desde el
polo negativo de la pila al posi­
tivo, por convenio se ha esta­
blecido el sentido contrario:
desde el polo positivo al nega­
tivo.
Circulación de electrones
a través de un hilo conductor.
Se denomina corriente eléctrica la circulación de electrones de forma continua
por un circuito.
Para que se establezca y se mantenga una corriente eléctrica, necesitamos
un generador que proporcione energía a los electrones.
Un circuito similar al eléctrico es el hidráulico, en el que una bomba se
encarga de mantener una corriente continua de agua.
generador
+.
¿Te imaginas un mundo sin electricidad? No funcionaría ningún electro­
doméstico, desaparecerían el teléfono móvil y el fijo, Internet, la radio y
la televisión. Los medios de transporte quedarían reducidos a poco más
que la bicicleta. Significaría, también, el adiós a las calculadoras y a los
ordenadores.
I
punto de luz
Esquema de un circuito eléctrico con
sus símbolos.
L
.J
receptor
(bombilla)
Comparación entre un circuito hidráulico y uno eléctrico.
Actividades
o Completa el cuadro que figura en el margen, comparando un circuito
hidráulico con uno eléctrico.
1
~I=11
Bomba
Tubería
I
Partículas
de agua
28
Bombilla
I
1
I
1
CJCJ
UNIDAD
2
f) Imagina que el depósito del circuito hidráulico estuviera situado a una
altura mayor. ¿De qué forma afectaría esto a la bomba, la turbina y la presión
del agua? ¿Cómo se podría lograr el mismo efecto en el circuito eléctrico?
¿Qué consecuencias tendría?
e ¿Por qué los pájaros que se posan en los cables eléctricos no reciben una
descarga?
1.2. Voltaje o diferencia de potencial
En el circuito que se muestra a continuación, cuando los electrones son
lanzados fuera de la pila, transportan con ellos cierta cantidad de energía
que consumen al pasar por la bombilla. Esta energía se ha convertido en
luz y en calor.
Con el voltfmetro se mide la tensión
de la bombilla.
Al pasar por la bombilla, los electrones gastan su energía.
Esquema del circuito de la figura superior.
La cantidad de energía que una pila o batería (generador) es capaz de
proporcionar a cada electrón viene expresada por su voltaje o tensión y se
mide en voltios (V). Esta tensión o desnivel eléctrico de la pila se reparte
entre los distintos elementos del circuito.
Para medir el voltaje, se utiliza un aparato denominado voltímetro. Los
cables que salen del voltímetro (sondas) se conectan en paralelo en los
extremos del componente cuya tensión deseamos medir.
Observa cómo, en el siguiente circuito, los 9 voltios de la pila se reparten entre las tres bombillas.
3 V
3 V
3 V
9 V
Entre los extremos de cada bombilla se produce una caída de tensión o diferencia de potencial de 3 V. Utilizando el símil
del circuito hidráulico es como si un desnivel entre el depósito y la bomba se repartiera en tres escalones, al final de cada
cual hay una turbina.
Actividades
o ¿Cómo unirías las tres pilas de 1,5 V que aparecen en el margen para conse­
guir una pila de 4,5 V?
o Di qué voltaje marcarían los voltímetros del siguiente circuito:
Electricidad y electrónica
29
r- ... - - - - - - - - - ,
: ~ Recuerda
I La unidad de carga eléctrica
I es el culombio:
IL 1 e = 6, 2S . 10 18 electrones
I
.JI
1.3. Intensidad de corriente eléctrica
En cualquier circuito se desplazan millones de electrones. Para compren­
der el funcionamiento de los circuitos eléctricos, es importante conocer
cuántos electrones salen de la pila y cómo se reparten entre los distintos
elementos del circuito antes de regresar a ella.
Normalmente, en un circuito eléctrico se mide la intensidad de
corriente eléctrica, que se define como la carga o el número de electrones
que atraviesan la sección de un conductor cada segundo:
1= Q
t
amperímetro
G:6\
1_­
En el sistema internacional, la intensidad de una corriente eléctrica se
mide en amperios (A). Se dice que por un cable circula 1 amperio cuando
lo atraviesa 1 culombio cada segundo:
+
le
lA=­
1s
Para medir la intensidad de corriente que
pasa por un circuito se utiliza el amperímetro.
La intensidad de corriente que pasa por un circuito se mide con un
amperímetro. Este aparato, como se muestra en el esquema del margen,
debe conectarse en serie, de modo que todos los electrones tengan que
pasar por él.
-r-
Ja r9 practicar
J..
12 V
~
®
12~mA ~
Esquema del circuito de la figura superior.
1. Monta el siguiente circuito. Después, mide la intensidad que sale del polo
positivo de la pila, la que pasa entre las bombillas B1 y B2, Y la que vuelve a
la pila.
B,
B1
45 mA
+
9 V
B,
45 mA
B,
~
.
-
45mA
Todos los electrones que parten de la pila atraviesan B1 y B2; luego, regresan
a la pila, adquieren energía e inician de nuevo el circuito. Por eso, los tres
amperímetros marcan el mismo número de amperios.
2. Justifica las intensidades que indican los amperímetros del circuito.
r---------- . . . ,
I
I
I
I
Te interesa saber
30mA
En electricidad se utilizan muy
a menudo dos submúltiplos
del amperio:
I • El miliamperio:
I
1 mA = 1 • 10- 3 A
I
I • El microamperio:
6
I
L __ ....1 ¡.LA = 1 . 10- A
30
UNIDAD
2
60mA
+
9 V ;
.J
30mA
1.4. Conductores y aislantes
No todos los materiales permiten el paso de la corriente eléctrica. Los
cables de los enchufes son de cobre para que los electrones puedan circular
por ellos. Sin embargo, no pueden circular a través del plástico que
envuelve los cables, el cual actúa como protección frente a las descargas.
La estructura atómica de cada material determina la mayor o menor
facilidad con que se desplazan los electrones.
_
Conductores
Se trata de materiales que permiten la circulación de electrones. Son
buenos conductores el cobre, el oro, la plata, el aluminio y, en general,
todos los metales.
En un cable eléctrico, el cobre (conductor)
está recubierto por el plástico (aislante).
_
Aislantes
En estos materiales, los átomos retienen los electrones, por lo que no
pueden circular libremente. La madera, el vidrio, el plástico y el aire son
aislantes.
r---------- .... ,
Te interesa saber
Semiconductores
Presentan propiedades intermedias entre los materiales conductores y
los aislantes. Los más importantes son el silicio y el germanio.
El silicio es, después del oxíge­
no, el elemento más abundan­
te en la corteza terrestre. Com­
binado con otros elementos
forma parte, por ejemplo, de
la composición de la arena.
Con estos materiales se fabrican componentes electrónicos, como
el diodo, el transistor y los circuitos integrados, y también los micro­
procesadores.
Los semiconductores resultan muy útiles, ya que si se les añade pequeñas
cantidades de otros materiales (impurezas) pueden comportarse como
conductores o aislantes, según convenga.
Resistencia eléctrica
La oposición que presenta un material al paso de la corriente eléctrica
se denomina resistencia eléctrica. Los metales, por tanto, tienen una
resistencia eléctrica casi nula, y los aislantes, en cambio, muy elevada.
L
~
..J
La resistencia aumenta con la longitud del cable y disminuye al aumentar su grosor.
Actividades
o Elige diez objetos del aula y clasifícalos en aislantes y conductores.
f) El valor de la resistencia también depende de la forma del material. Imagina
que los electrones tienen que atravesar los tres conductores que aparecen
en la figura superior. ¿En cuál encontrarían más dificultades? ¿Yen cuál
sería mínima la resistencia?
o ¿De qué elementos están formados los cables de la instalación eléctrica de
tu casa?
o ¿Por qué conviene usar guantes cuando se manipulan aparatos eléctricos?
¿Qué otras normas de seguridad habría que seguir?
Electricidad y electrónica
31
1.5. Ley de Ohm
Para medir la resistencia de una lámpara, hemos realizado el siguiente
experimento con un circuito:
A
la lámpara tiene una resistencia de 100.0..
e
B
En primer lugar, hemos anotado en el cuadro que figura al margen los
valores que marcan el voltímetro y el amperímetro en el circuito A y, a
continuación, hemos aumentado la tensión de la pila (B y C). De esta
forma, hemos comprobado que, conforme aumenta la tensión, se incre­
menta también la intensidad que atraviesa el circuito, de forma que la
relación VII permanece constante.
Esta relación constante, que depende del material que utilicemos, es la
resistencia:
R=~
I
----1
1-­
Podemos concluir que la resistencia que un material opone al paso de la
electricidad es el cociente entre la tensión aplicada en sus extremos y la
intensidad que lo atraviesa. Este enunciado se conoce como ley de Ohm.
La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio (O). Por consiguiente:
-ANNv­
Símbolos de una resistencia.
lV
10=lA
Así, la lámpara de nuestro experimento tiene una resistencia de 100 O.
Actividades
alG b'r-- CJO
~ ¿Qué intensidad circula por los siguientes circuitos?
-: 9V
-1_
18V
4D
Al unir el polo positivo y el polo negativo de la pila en el último circuito,
hemos provocado un cortocircuito. ¿Cómo crees que afectará esto a la
pila? ¿Por qué?
4»
Determina los valores de las resistencias en los siguientes circuitos.
al
bl
el
r ' \ 12V
R,
bl
/,
/,-­
/3
+1
311
-
18V
32
I
m Calcula qué valores marcarán los amperímetros y voltímetros de los dos
circuitos que aparecen en el margen.
IJNIDAD?
_
r-----------,
Aplicaciones de la ley de Ohm
Circuito en serie
I
Recuerda
I
I
I En un circuito en serie, el vol- I
Vamos a calcular la intensidad de corriente que proporciona la pila y la
diferencia de potencial en los extremos de cada resistencia en este circuito.
I taje de la pila se reparte entre I
Como la intensidad que sale de la pila, 11, circula por cada resistencia:
ILlos distintos componentes.
.JI
,
A
1 kO
B
e
2 kf1
"
o
1 kf1
/,
VAB = 1( . 1 ' 103
+
V oc =I¡'2'10
9V
3
V cD =I¡·1·10 3
9 = 11 .1'103 + 11 .2. 103 + 11 '1 '1~
11 = 2,25·10-) A = 2,25 roA
Circuito en paralelo
En el siguiente circuito, vamos a calcular VAB' 11, 12, 1) e 14,
Como el punto A está conectado al polo positivo de la pila, y el punto
B, al negativo, VAB = 9 V.
lkO
/,
9
12 =~=9mA
2kO
9
1) = 2, 103 = 4,5 OlA
lkf1
14
= 9 OlA
11 = 12 + 13 + 14 = 9 + 4,5 + 9 = 22,5 roA
Circuito mixto
Calculamos VA13 , V oc , 11, 12 , e 1, en el siguiente circuito:
lkO
/,
V AB = 1\ . 2000
A
Actividades
/,
4D
+
VAB,
Determina en este circuito
VBC' '1' '2 e '3:
A
/1
/,
2kf1
/3
2kO
e
B
/3
¿Se podrían sustituir las tres
resistencias del circuito en serie
de la Aplicación por una sola
resistencia equivalente, de mane­
ra que la intensidad continuara
siendo 2,25 mA?
4»
2kf1
-
V oc = 13 ,1000
9V
11 =1 2 +1 3
9 = V AB + V oc
V oc , V Be
-V AB
-=-T-­
2 000
T 12V
1000
1000
(9-V Bd
V oc
V oc
2 000
1000
= 1,8
1000
....:........_~:..:....=--+--
B
V BC
V AB
+
V oc = 12 , 1000
1 kf1
= 9 - 1,8 = 7,2 V
A partir de VAB Y VBe resulta sencillo calcular los valores de las inten­
sidades:
1, =3,6 OlA; 12 = 1,8 OlA; 13 = 1,8 OlA
Electricidad y electrónica
33
1.6. El polímetro
El polímetro O multímetro es un aparato que sirve para medir magnitudes
eléctricas: tensiones, intensidades y resistencias.
_
Para medir tensiones
Para realizar medidas de tensión en circuitos con pilas y baterías, el
polímetro se debe conectar en paralelo.
El selector central debe señalar DC o AC, según vayamos a realizar
medidas de tensión continua o alterna. En nuestro caso, para realizar medidas
de tensión en circuitos con pilas y baterías, seleccionamos DC. La sonda
roja se introduce en el agujero V (voltios), y la negra, en COM (común).
Dentro del sector DCV disponemos de varios valores límite o fondos
de escala: 200 m V, 2 V, 20 V, etc. Seleccionamos el valor que más se adecue
a nuestra medida. Por ejemplo, si tenemos un circuito cuya tensión máxima
es 9 V, elegiremos 20 V. Después podemos bajar a 2 Vo a 200 mV, si
descubrimos que la tensión es más pequeña.
La selección adecuada del fondo de escala
en el polímetro permite aumentar la precisión
de la medida. Si, por ejemplo, seleccionas De
1000 Vpara medir el voltaje en los extremos
de una pila de 1,5 V, el error de la medida será
grande, ya que sería como pesar una moneda
en una báscula para camiones.
7,2 V
/2
---e:::::=
lkíl
~
1 kíl
~
--+--1"-­
/3
9V
Para medir intensidades
Debes prestar mucha atención cuando realices medidas de intensidad
con el polímetro, ya que, si no lo utilizas correctamente, podrías estro­
pearlo.
r-::- ... -------,
Como ahora vamos a medir amperios, el polímetro se conecta en serie.
El selector central debe señalar DC. La sonda roja se introduce en el
agujero mA, y la sonda negra, como siempre, en COMo
Te interesa saber I
I
Algunos polímetros permiten
también realizar otro tipo de I
medidas, como la capacidad de I
un condensador o la ganancia I
I
L. de un transistor.
....
Como no sabemos qué intensidad circulará, hacemos que el selector
apunte al máximo (lO A) y vamos moviéndolo hasta que aparezca la
medida correcta.
~
Observa el circuito de la figura inferior. La medida correcta aparece
cuando seleccionamos 20 mA como fondo de escala, ya que la corriente es
de 3,6 mA. En cambio, si seleccionamos 2 mA, el polímetro indicará que
la corriente es superior a este valor.
/1
---e=
lk!1
~
~
~
-1
/3
9V
I l!'.lInl\r)?
~
OOOOQOOQQOOOQOOODOO
O~OOODOOOoOOOOOOOOD
OOOOOOODOOOOOOooooo
O~OOooo~ODaoocDooOO'
3,6
.. ~"'
.
~I.l-
lk!1
~DOOOOODooaOCOOOOQO
.~~
OOOLl'V
¿o()_~
~~_~~
~~_~~.J
_
Para medir resistencias
Para medir resistencias con un polimetro, debes colocar la sonda roja
en n, y la negra, en COMo Después, selecciona ohmios. Antes de realizar
la medición, tienes que desconectar la pila y conectar la resistencia del
circuito a los bordes del polímetro.
el
/2
2k.íl
A
lk.íl
B
e
/,
lk.íl
+
os
e
­
/)
9V
-T
a
si
1.7. Potencia eléctrica
Sin duda, alguna vez habrás observado que algunas bombillas lucen más
que otras. Pues bien, para que una bombilla ilumine más necesita recibir
mayor cantidad de energía eléctrica con objeto de transformarla en
energía luminosa.
La cantidad de energía que consume un aparato eléctrico en cada instante se
denomina potencia.
En física, la potencia se define como la energía o el trabajo desarrollados
por unidad de tiempo. Se mide en vatios (W):
p=~
t
iad
'ie,
Una lámpara de 100 W consume el doble de energía cada segundo
que una de 50 W. La potencia eléctrica que consume un aparato o
componente eléctrico, o la que transmite un generador, se calcula de la
siguiente forma:
e!
p = V· 1
,Or
la
Si aumentamos el número de electrones (1) que atraviesan una bombilla
y la energía aportada por la pila a cada electrón (V), la bombilla recibirá
más potencia y, por consiguiente, se iluminará más.
ro-
'ce
ctividades
es
ue
~
Dibuja el esquema correspondiente al montaje del margen y razona cómo
medirías con el polímetro la tensión en los extremos de cada bombilla.
-
(fj Indica cuánto marca el voltímetro
de la lámpara B en el circuito. ¿Qué
potencia consume esa lámpara?
Calcula también la potencia que
consume la lámpara A y la potencia
generada por la pila. Comprueba
que se cumple que Pp;ra = PA + Pe.
A
2A
v
3
~-----.L
A
V
.
B
::... 9V
~ El circuito anterior funciona con una pila de 9 V. ¿Sabes con qué voltaje
funcionan los electrodomésticos de tu casa? ¿Se podrían utilizar pilas de
ese voltaje para hacerlos funcionar?
Electricidad yelectrónica
35
I
Tipos de corriente
Algunos aparatos eléctricos no se pueden conectar a la red eléctrica;
otros no pueden funcionar con pilas o baterías. En ambos casos, sin
embargo, obtenemos energía eléctrica, aunque de muy distinta forma.
Veamos cuáles son las diferencias.
2.1. Corriente continua
Entre los bornes o extremos de una pila o batería existe una tensión
constante que no varía con el tiempo. Si cada segundo midiéramos con un
voltímetro los voltios que hay en la batería de un coche, el resultado sería
siempre 12 V.
Si conectamos una bombilla a una batería, los electrones circulan siempre
en el mismo sentido y con idéntica intensidad. Es lo que se conoce como
corriente continua.
2.2. Corriente alterna
la lámpara conectada a la red eléctrica recibe
corriente alterna; la linterna y la calculadora,
que funcionan con pilas, reciben corriente
continua.
r--- ... -------,
Recuerdo
Hay diferentes formas de repre­
sentar las señales eléctricas:
Siempre que conectamos una lámpara a un enchufe, el resultado es el
mismo: se enciende la bombilla. Pero los electrones realizan su trabajo de
forma muy distinta: cambian de sentido 50 veces por segundo, como si el
polo positivo y el polo negativo se movieran constantemente en el interior
del enchufe. Además, no circulan siempre con igual intensidad.
Si fuéramos capaces de medir los voltios que hay en un enchufe, obten­
dríamos una gráfica similar a esta:
V(V)
e- a velocidad máxima
311
100·
r
0.6
e- en reposo
Electrocardiograma.
(v
~1O
= O)
-100
Tonos de entrada a un altavoz.
-
~j)
-311
t (s)
L Señal de tensión continua.
..J
\5
012. t(ms)
La tensión comienza siendo
O V y sube hasta alcanzar los
311 V. A partir de ese mo­
mento, desciende hasta si­
tuarse de nuevo en O V. Es
entonces cuando se hace
negativa y disminuye hasta
- 311 V. Por último, aumen­
ta hasta alcanzar otra vez O V.
Lo sorprendente es que esto
ocurre 50 veces cada segundo
y se repite continuamente,
esté conectado o no el apa­
rato eléctrico.
La variación de cualquier parámetro eléctrico, en este caso la tensión,
con respecto al tiempo se denomina señal eléctrica.
La tensión o voltaje que llega a nuestras casas, y que aparece repre­
sentada en la gráfica, recibe el nombre de señal alterna (porque
adquiere valores positivos y negativos) senoidal (debido a la forma de
la señal).
Actividades
-\::J
Símbolo de generador de corriente alterna.
36
UNIDAD
2
G>
¿Cuáles son los valores de la tensión cuando los electrones alcanzan su
máxima velocidad? ¿Se detienen en algún momento? ¿Circulan durante
más tiempo hacia la derecha o hacia la izquierda?
¿Dónde están los 220 voltios?
Seguramente has oído decir que todos los electrodomésticos funcionan
a 220 V. Sin embargo, si observas la señal alterna senoidal de la gráfica de
la página anterior, comprobarás que esta cantidad no aparece indicada en
ningún momento. ¿De dónde procede entonces?
ica;
sin
a.
Imagina que conectas un radiador eléctrico a un enchufe y otro a una
batería.
ión
un
ría
Aunque los electrones experimenten paradas, aceleraciones y desacele­
raciones, el radiador conectado a la red eléctrica proporciona una deter­
minada cantidad de calor. En el caso del radiador conectado a una batería,
si desde O V aumentáramos poco a poco la tensión de la batería, el calor
que se generaría sería cada vez mayor. No obstante, a 311 V el calor
producido con la tensión continua superaría al generado con la tensión
alterna. Cuando la tensión de la batería alcanza 220 V, la energía eléctrica
producida por las dos señales es la misma.
pre
mo
El valor eficaz de una señal eléctrica alterna es el valor que debería
tener una señal continua para que ambas produjeran el mismo efecto
energético. En el caso de una señal alterna senoidal, ese valor eficaz sería:
v
ef
ndo
los
_
110­
, n­
_
~sto
ldo
He,
Los transformadores constan de dos
devanados de cobre. Si aplicamos una tensión
alterna en un devanado, en el otro se induce
otra tensión, cuyo valor depende del número
de vueltas de cada devanado, ni Yn,:
~=~
¡re-
V,
de
su
nte
La tensión alterna senoidal tiene una cualidad esencial frente a la
tensión continua: su valor se puede aumentar o reducir mediante el uso
de transformadores. Esta característica permite transportar la energía
eléctrica a tensiones muy altas, y a lo largo de cientos de kilómetros, sin
que se pierda parte de ella debido al calentamiento de los cables.
tI!>
n,: n,
V,
¿Por qué se utiliza?
Actividades
n,
~ue
I
¿Cómo se obtiene la tensión alterna?
Este tipo de tensión se obtiene, mediante alternadores, en grandes
centrales de producción de energía eléctrica.
)V
ón,
1,41
Ya hemos visto que es posible obtener tensión continua de pilas y baterías,
así como de paneles solares fotovoltaicos y de la dinamo de una bicicleta.
Pero ¿de dónde procede la tensión alterna que usamos en nuestras casas?
si­
Es
ace
Ista
pa-
= V m' x
V,
Calcula la intensidad que pasa
por cada bombilla del circuito
y la que sale del generador
de 220V.
SOH,
220 V
$
l00W~
fl) Explica por qué podemos
conectar la sirena de la figura,
que funciona a 11 V, a un
enchufe de 220 V.
Símbolo del transformador.
Electricidad y electrónica
37
Electrónica
La electrónica se ocupa del estudio de los circuitos y de los componentes
que permiten modificar la corriente eléctrica. Las modificaciones que
podemos realizar son aumentar o reducir la intensidad de la corriente
(amplificación o atenuación), obligar a los electrones a circular en un
único sentido (rectificación) y dejar pasar solamente a aquellos electrones
que circulen a una determinada velocidad (filtrado).
3.1. Componentes electrónicos
Resistencia fija o resistor
Resistencias fijas de distinto tamaño.
En un circuito, la resistencia fija o resistor dificulta el paso de la
corriente eléctrica. Esta oposición se mide en ohmios (O) y su valor se
indica mediante un código de colores.
Cuando utilices resistencias en un circuito, debes tener en cuenta que
pueden quemarse si las sometes a tensiones e intensidades muy altas. El
tamaño de la resistencia indica la potencia que pueden disipar en forma
de calor: 1/8 W, 1/4 W, 1/2 W, etcétera.
82 D
--1
.....­
Representación de una resistencia fija
o resistor de 82 D.
tolerancia
Los valores de las resistencias fijas vienen indicados por colores
o números. Las dos primeras bandas se sustituyen por dos
números, según su color. La tercera indica la cifra por la que
debemos multiplicar la cantidad anterior. La cuarta franja es
la tolerancia, es decir, el margen de error en el valor teórico
calculado.
oro
negro
marrón
rojo
Observa el ejemplo que te mostramos a continuación. El valor
de la resistencia se obtiene a partir de las dos primeras bandas
de colores y del multiplicador:
naranja
amarillo
Código de colores
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
GJ
10000 n = 10 kn
verde
azul
morado
gris
[TI
blanco
WW
o
10 3
2:5%
El valor de la tolerancia es el 5 % de 10000 n, es decir, 500
. 109
n.
Por tanto, el valor real de la resistencia se expresa mediante el
intervalo (10 000:.':: 500) n.
Resistencia variable o potenciómetro
Es la resistencia cuyo valor se puede ajustar entre O y un máximo espe­
cificado por el fabricante.
~
-1
100kil
Símbolos de una resistencia variable o potenciómetro de 100 kil.
Actividades
ti
Resistencias variables de grosores, lontigudes
y materiales distintos.
38
UNIDAD
2
A partir del código de colores, indica el valor de las resistencias que aparecen
en la fotografía de arriba.
nt:~I~\t:I'lIalcl::t
"(U~ U~IJ'C""''''''''
"'"'"
__• _ .._. __
Este parámetro físico puede ser, entre otros, la temperatura o la cantidad
de luz.
Si las resistencias dependen de la temperatura se llaman termistores,
que pueden ser de dos tipos: NTC (coeficiente de temperatura
negativo), en los que la resistencia disminuye al aumentar la tempe­
ratura, y PTC (coeficiente de temperatura positivo), en los que la
resistencia aumenta al subir la temperatura.
un
nes
LDR: se trata de resistencias que varían con la cantidad de luz que
reciben. Al aumentar la cantidad de luz, disminuye la resistencia.
L,---J
Termistores
LDR
Resistencias que dependen de un parámetro
físico.
la
En la siguiente figura se muestra un componente capaz de almacenar
carga eléctrica (1), que después se utiliza para encender una bombilla (2),
la cual permanece encendida hasta que dicho componente se descarga (3).
-H-
se
Condensador
Símbolo del condensador.
Asociación
de condensadores
•••••••••••••••••••••••
's
Si ahora repites el montaje que se
representa en la figura y conectas
la bombilla a dos condensadores
iguales asociados en paralelo, esta
permanecerá encendida el doble
de tiempo. Si los asocias en serie,
solo se mantendrá encendida la
mitad de tiempo.
Este componente recibe el nombre de condensador, un dispositivo
formado por dos placas metálicas planas y paralelas, separadas por un
aislante. Cuando los condensadores adquieren la máxima carga, impiden
el paso de la corriente, comportándose, entonces, como un circuito abierto
o un interruptor abierto.
• Explica qué ocurre con la capa­
cidad cuando se asocian conden­
sadores.
La capacidad de un condensador alude a la cantidad de carga que es
capaz de almacenar con una tensión dada. Se mide en faradios (F).
Actividades
J.
t1) Observa la gráfica con la señal que aparece en los extremos del conden­
el
¡pe­
sador y del circuito y completa el cuadro. ¿Por qué el condensador tarda
más en cargarse que en descargarse?
V(V) 10
r-----------,
L.
4
5
1-2
+
-
= 1 . 10- 9 F
..
3
6
7
t (s)
2
• El nanofaradio:
• El picofaradio:
1 pF= 1· lO-uF
2
10 kfl.
• El microfaradio:
1 f.lF = 1 . 10-6 F
(en
"
O
Para medir la capacidad de un
condensador se utilizan tam­
bién:
1..____
/1
1\
I
O
Te interesa saber
1 nF
I
5
9V
2kn
100 f-lF
2-3,2
3,2-6
6- ...
.J
I Descargiindose
11
1I
11
Electricidad y electrónica
39
Tipos de condensadores
10 ¡.cF
+11­
Existen varios tipos de condensadores, que vienen determinados por el
material con el cual están construidos: de papel, cerámicos, de poliéster,
electrolíticos de aluminio o de tántalo, etc. Analizaremos a continuación
los condensadores sin polaridad y los condensadores electrolíticos.
Observa Que, en el condensador, además
de su valor, aparece el voltaje máximo
Que podemos aplicar (en este caso, 2S V).
Diodos.
Condensadores sin polaridad.
Condensadores con polaridad o electrolíticos.
-j~
Símbolo de condensador sin polaridad.
~~
Símbolo de condensador con polaridad.
Los condensadores electrolíticos suelen ser de mayor capacidad. Debido
a su composición química interna, al conectarlos se debe tener en cuenta
la polaridad (disponen de un polo positivo y otro negativo). No ocurre lo
mismo con los condensadores de papel, cerámicos o de poliéster.
Diodo
Un diodo es un componente electrónico fabricado con material semi­
conductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección.
Para los electrones es como circular por una calle de único sentido.
...
i'! •
LEO.
~
---{51­
Símbolo del LEO.
En el circuito inferior de la izquierda, los electrones salen del polo posi­
tivo de la pila, pasan a través de la bombilla y se dirigen al polo negativo;
el diodo permite el paso de electrones. En el circuito de la derecha, los
electrones intentan atravesar el diodo en el sentido equivocado, pero este
se comporta ahora como un interruptor abierto y no permite la circulación
de corriente.
ánodo
1/
----t*­
símbolo del diodo
Un diodo posee dos terminales o patillas
denominadas ánodo y cátodo. Los electrones
únicamente pueden circular en el sentido
ánodo-cátodo.
Display de siete segmentos formado por LEO.
fV' ~ 3
~
EJJ
~o--
raJ
Un LED (diodo emisor de luz) es un tipo especial de diodo. Su caracte­
rística principal es que emite luz cuando pasa corriente por él. Son LEO,
por ejemplo, los pequeños pilotos de color verde o rojo colocados en orde­
nadores, teclados y aparatos de radio.
e~
N
Transistor
or el
Es un elemento básico en los circuitos electrónicos. Está formado por
semiconductores y dispone de tres patillas, denominadas emisor, base y
colector, cuya posición depende del modelo de transistor. El fabricante,
además de ofrecer las características del transistor, informa de la posición
de las pati lIas.
~ster,
ción
base
s.
base
bido
enta
re lo
Símbolos de los transistores NPN y PNP. Cada
patilla del transistor (emisor, base y colector)
está unida a un material semiconductor
N(ceden electrones) o P(aceptan electrones).
Con transistores se puede fabricar desde un simple interruptor hasta un
microprocesador. Sin ellos no hubiera sido posible el desarrollo de la
informática y las comunicaciones.
Actividades
~
Explica por qué unas bombillas se encienden y otras no en el circuito:
emi­
:ción.
I
posi­
ativo;
;'\, los
peste
ación
raeteLEO,
orde­
~ Para utilizar un LED en un circuito es necesario limitar la intensidad que lo
atraviesa colocando una resistencia en serie. Observa estos circuitos y com­
pleta las frases que figuran a continuación:
330 n
1 kn
+
+
5 V
_5V
non
J
T
5 V
+
.1
_5V
-1_ _T
cl
a) Cuanto mayor es la resistencia,
_
b) Si no ponemos resistencia,
_
e) En el último circuito, los electrones
cátodo y, en este caso, el LED
pueden entrar por el
_
Electricidad yelectrónica
41
Funcionamiento
Para que entiendas mejor el funcionamiento de los transistores, recurri­
remos a un símil.
Imagina que en una presa hidráulica (colector, C) hay un gran embalse
lleno de electrones. Estos tienden a pasar al emisor (E), mas solo podrán
hacerlo si alguien abre el embalse. Puede darse uno de estos tres casos:
·r transistor
1. Por la base (B) no entra ningún electrón; por tanto, no se produce
I
en corte
circulación de electrones entre el colector y el emisor. En este caso,
decirnos que el transistor está en corte y que, por consiguiente, el
colector y el emisor están aislados.
E
2. Algunos electrones se introducen por la base. En este caso, la energía
que transportan es suficiente para abrir un poco la compuerta de la
presa. Cuantos más electrones entren, más abierta quedará la presa y
mayor será la corriente entre el colector y el emisor. Decimos,
entonces, que el transistor funciona en su zona activa como ampli­
ficador.
'transistor
en activa
2
La intensidad que pasa por el colector es un mLdtiplo de la corriente
de base: le = !3 . IR' Así, si ese múltiplo (que depende deJ modeJo de
transístor/ vare roo, cada electrón que entra por la base da paso a
100 electrones a través del colector.
3
3. Si llegan muchos electrones por la base, podrán derribar y abrir por
completo la presa. El colector y el emisor quedan unidos y los elec­
trones circulan de uno a otro libremente. En este caso, el transistor
funciona en saturación.
transistor
en saturación
Tanto en corte como en saturación, la unión colector-emisor funciona
como un interruptor, abierto o cerrado, controlado por la intensidad de
base.
...fgrg prgcticgr
Análisis de un par de circuitos básicos con transistor
Analizar los siguientes circuitos nos ayudará a entender el funcionamiento de un
transistor.
En el primer circuito, al no circular electrones por la base del transistor, la
corriente entre el colector y el emisor está bloqueada, y el LED no se ilumina.
En e.1 segundo circuito conectamos la base al polo positivo de la pila a través de
una resistencia. La pequeña corriente que entra por la base desbloquea la unión
colector-emisor, facilitando el paso de los electrones.
"
~
: 4,5 V
A
200n +
10kn
+
-: 4,5 V
r. ~C548BT
B
la kll
T
4,5 V
e
aJ ¿Qué ocurre en el circuito C?
e
B
E
Transistor BCS48B. Las tres patillas e, By E
corresponden al colector, base y emisor
respectivamente.
&J
¿Por qué no entran los electrones por la base?
eJ ¿Podría servir de alarma? ¿Cómo?
d) Indica cómo medirías en cada caso la intensidad de base (lB)' la intensidad
de colector (le) y la tensión entre la base y el emisor (VBE)'
La
qu
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L1ce
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00 -
o.e ~
I
3.2. Montajes básicos
"j{;~a
Con los componentes electrónicos (resistencias, condensadores, diodos
y transistores) que hemos estudiado vamos a diseñar diferentes dispositivos,
tales como un temporizador, un circuito con memoria y un oscilador, que
podrán formar parte de otros circuitos más complejos.
~ev..~ <?as
c-ee.d-z,\c..o.~ O(
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V\.
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Temporizador
Muchas veces necesitamos que un dispositivo, por ejemplo las luces de
la escalera, un secador de manos o el televisor, esté funcionando durante
determinado tiempo y después se desconecte de forma automática. Para
ello necesitamos un temporizador.
ln.
~~.
...::r::...o---_-¡,.....--­
---,
200Ü
+
4,5
1,8kn
8(5488
+
100 fLF
v-:
Al principio, el LEO está apagado,
ya que por la base no circula corriente.
Estamos, por tanto, ante un transistor
en corte. Cuando accionamos el pulsa­
dor, circula corriente por la base, se
activa el transistor y se enciende el LEO.
A la vez, el condensador se carga.
Al soltar el pulsador, el LED sigue
luciendo durante un tiempo. Ahora, la
corriente de base la proporciona el con­
densador. Cuando se descarga, el tran­
sistor se bloquea y el diodo se apaga.
Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, más carga adquirirá
y más tiempo tardará en descargarse.
_
El siguiente circuito está dotado de
memoria, es decir, es capaz de avisar­
nos de lo que ha sucedido:
m
A partir de ahora en los circuitos
vamos a utilizar los símbolos TI y T z
para representar el transistor BC548B
y L I y Lz para representar dos tipos
de LEO. Por el LEO, L I , que está apa­
gado baja una pequeña corriente que
activa T z, permitiendo, con ello, que
se ilumine el Lz.
la
le
ln
L,
200n
200n
+
~
4,5 V
T,
Si pulsamos P, la corriente deja de
llegar a la base de T z y este se bloquea.
Ahora, la corriente que baja por el Lz
debe desviarse hasta la base de TI' Se
activa TI y se enciende el L I .
,5 V
d
Memoria
Aunque soltemos P, la corriente
ya no llegará a la base de T z. Al
alcanzar el punto A, todos los electro­
nes bajan por el transistor, ya que la
unión colector-emisor apenas presenta
resistencia.
La memoria de un ordenador son circuitos
que permiten almacenar información yestán
formados por millones de transistores.
Este circuito recibe el nombre de
biestable o flip-flop.
+
-: 4,5
v
T,
p
T,
~
12e.o-8 t
oVL
~
t.-,~,o
C;~ 6~~-6~
43
Fuente de alimentación
• • ••• •• •••••••••• • • ••••
Para montar nuestros circuitos,
necesitamos muy a menudo una
fuente de tensión continua. Una
solución es usar pilas, pero estas
presentan algunos inconvenien­
tes: hay que reemplazarlas cuando
pierden la carga almacenada y no
pueden proporcionar intensidades
de corriente muy elevadas. Otra
solución es idear un circuito co­
nocido como fuente de alimen­
tación, capaz de transformar la
tensión alterna de la red en ten­
sión continua.
VlAPc
_
Intermitente
Con este circuito iluminamos un LEO alternativamente (L I o L2 ) .
Los dos transistores trabajan en
conmutación, es decir, cuando uno
conduce (saturación), el otro está
cortado, y viceversa.
Por el L2 circula una pequeña
+
corriente, insuficiente para encen­
:- 4,5V
derlo, que pasa por la resistencia de
200 n, atraviesa C I y llega hasta TI
T,
para activarlo. El L¡ está encendido, y
e,
e,
CI' cargándose. Cuando C I se carga,
220 IJoF 220 IJoF
impide el paso de la corriente y
bloquea TI'
Ahora comienza a cargarse C 2, se activa T 2 y se enciende el L2• Mientras
se carga C 2 , C I se descarga a través de la resistencia de 22 kn. Después, el
proceso se repite.
En electrónica, este circuito que cambia continuamente de estado se
denomina oscilador.
Cirl
t
Fuente de alimentación. Señal alterna
de entrada y continua de salida.
Rctividades
~
Indica el color que debe tener cada línea de la gráfica.
5O"'~1
220V~
50",01
220V~
5O",EJI
5O"'~1
220V~
+H
100 IJoF
500n
V(V)
10
~~
8
01
Símbolo de toma de tierra o de masa.
Representa un punto del circuito con una
tensión de cero voltios. Puede ser una conexión
a tierra, como en las instalaciones eléctricas;
estar unido a la carcasa ocarrocería, como en
el caso de los círcuitos eléetrícos de los coches,
oser simplemente un punto del círcuito.
44
UNIDAD
2
~~
¡}
-y \ 11' '\ -y \
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6
I
\ I
\ I
\ I
\ I
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\ I
\ I
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30
35
40
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I
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45
t(ms)
L ...
".". \.1
cuno
Int~y.-Cluu
Desde 1947, fecha en la que se inventó el primer transistor, se han
venido produciendo nuevos avances tendentes a reducir su tamaño, ya
que, según sea su tamaño, el transistor disipa más o menos cantidad de
energía en forma de calor.
Visto al microscopio, un chip tiene el aspecto
de una ciudad llena de cables y transistores.
El tamaño de un transistor viene dado por el calor que debe disipar. Si
conseguimos que trabajen con corrientes y tensiones extremadamente
pequeñas, podremos reducir su tamaño e interconectarlos para formar dimi­
nutos circuitos electrónicos. Obtendremos, así, los circuitos integrados.
Los circuitos integrados utilizan pequeños chips de silicio, cada uno de
los cuales está instalado dentro de una funda de plástico y conectado a un
juego de patillas situado en los laterales de la funda.
chip de silicio
ras
, el
..
--­
.;JI
conexión del chip
con la patilla
.'
T"
'
.. .~~~'.
funda de plástico
•. , .._~
se
Circuito integrado.
•
!
Detalle de la conexión del chip
con las patillas.
punto pequeño
patilla metálica
Esquema de la estructura de un chip. El punto pequeño indica la situación de la patilla 1 del circuito integrado.
Fabricación
Okil
Tras la etapa de diseño, comienza la fabrica­
ción. Durante este proceso hay que ubicar, en
un espacio semejante al tamaño de una uña,
millones de transistores y de interconexiones.
Los chips se obtienen a partir de un cilindro
de silicio cortado en láminas de unos 0,25 mm
de espesor. Es en estas donde, mediante técnicas
fotográficas, se imprimen los circuitos previa­
mente diseñados. Con posterioridad se cortan
y se monta cada uno en su cápsula.
r ..... ----------,
Te interesa saber
¿De dónde viene el nombre
de chip?
La oblea de silicio tiene forma
de patata frita, que en inglés
se denomina chip.
(ms)
L.
El silicio ha de tener un elevado grado de
Fabricación de chips.
pureza (casi el ciento por ciento). Además, la
fabricación de chips tiene lugar en laboratorios donde se vigilan las condi­
ciones ambientales para que no haya polvo, puesto que una simple mota
podría estropear un chip.
Existen chips muy complejos, como el denominado microprocesador,
que constituye el «cerebro» de los ordenadores y está formado por más de
40 millones de transistores. Las tarjetas inteligentes, por su parte, están
dotadas de un microchip capaz de almacenar el crédito disponible o el
historial médico del titular.
.J
Aplicaciones. Se utilizan circuitos integrados en más aparatos de los
que creemos: electrodomésticos (lavadoras, frigoríficos, hornos progra­
mables ... ), dispositivos para grabar o reproducir imágenes y sonidos (video­
cámaras, televisores, equipos de música ... ), ordenadores, etcétera.
Electricidad y electrónica
45