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Principios Eléctricos Y
Aplicaciones
Aplicaciones Digitales
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Principios eléctricos y aplicaciones digitales
OBJETIVO GENERAL:
Desarrollar aplicaciones electrónicas, manejando instrumentos de
medición que ayuden a implementar el diseño de circuitos digitales, que solucionen
problemas computacionales.
INDICE
CAPITULO No. 1.- ELECTRONICA ANALOGICA.
1.- Corriente eléctrica.
1.1.- Introducción.
1.2.- Corriente Directa (CD).
1.3.- Corriente Alterna (CA).
2.- Elementos de circuitos básicos.
2.1.- Pasivos. (ejem: Resistencia, capacitor, y bobina)
2.2.- Activos. (ejem: Transformador, fuente de alimentación, etc.).
3.- Análisis de circuitos.
3.1.- Técnicas de solución para circuitos de CD y CA.
3.2.- Circuitos RLC.
4.- Características de los semiconductores.
4.1.- Silicio y Germanio.
4.2.- Materiales tipo p y n.
5.- Dispositivos semiconductores.
5.1.- Diodos. (Diodo normal, Diodo Zener, LED, Fotodiodo,
Fotocelda, Fotorresistencia y Optoacoplador).
5.2.- Transistores: Bipolares (NPN y PNP), FET y MOSFET.
5.3.- Tiristores: (SCR, SCS, Triac y Diac)
6.- Aplicaciones con semiconductores.
6.1.- Rectificadores. (media onda, onda completa y tipo puente).
6.2.- Amplificadores.
6.3.- Osciladores.
6.4.- Conmutadores.
6.5.- Fuentes de poder.
7.- Amplificadores operacionales (AmpOp).
7.1.- Introducción a los circuitos integrados (CIs)
7.2.- Configuraciones principales. (Amplificador Inversor, No Inversor,
Sumador, Integrador, Restador, Diferenciador).
8.- Circuitos de Tiempo (MV).
8.1.- Características.
8.2.- Configuraciones. (monoestable, biestable y astable).
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Principios eléctricos y aplicaciones digitales
OBJETIVO GENERAL:
Desarrollar aplicaciones electrónicas, manejando instrumentos de
medición que ayuden a implementar el diseño de circuitos digitales, que solucionen
problemas computacionales.
INDICE
CAPITULO No. 1.- ELECTRONICA ANALOGICA.
1.- Corriente eléctrica.
1.1.- Introducción.
1.2.- Corriente Directa (CD).
1.3.- Corriente Alterna (CA).
2.- Elementos de circuitos básicos.
2.1.- Pasivos. (ejem: Resistencia, capacitor, y bobina)
2.2.- Activos. (ejem: Transformador, fuente de alimentación, etc.).
3.- Análisis de circuitos.
3.1.- Técnicas de solución para circuitos de CD y CA.
3.2.- Circuitos RLC.
4.- Características de los semiconductores.
4.1.- Silicio y Germanio.
4.2.- Materiales tipo p y n.
5.- Dispositivos semiconductores.
5.1.- Diodos. (Diodo normal, Diodo Zener, LED, Fotodiodo,
Fotocelda, Fotorresistencia y Optoacoplador).
5.2.- Transistores: Bipolares (NPN y PNP), FET y MOSFET.
5.3.- Tiristores: (SCR, SCS, Triac y Diac)
6.- Aplicaciones con semiconductores.
6.1.- Rectificadores. (media onda, onda completa y tipo puente).
6.2.- Amplificadores.
6.3.- Osciladores.
6.4.- Conmutadores.
6.5.- Fuentes de poder.
7.- Amplificadores operacionales (AmpOp).
7.1.- Introducción a los circuitos integrados (CIs)
7.2.- Configuraciones principales. (Amplificador Inversor, No Inversor,
Sumador, Integrador, Restador, Diferenciador).
8.- Circuitos de Tiempo (MV).
8.1.- Características.
8.2.- Configuraciones. (monoestable, biestable y astable).
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4 Prácticas en el Laboratorio:
1- Diseño de un circuito eléctrico con 10 resistencias para medir I, V y R (5 ptos).
2.- Diseño y medición en prototipo de una Fuente Alimentación regulada (20 ptos).
3.- Diseño de una CI 741 como Amplificador No inversor en 2 etapas. (5 ptos).
4.- Diseño de un circuito electrónico empleando CD, CA y un optoacoplador (10 ptos).
CAPITULO No. 2- ELECTRONICA DIGITAL.
1.- Sistemas Numéricos.
1.1.- Representación y conversiones entre diferentes bases. (Decimal,
Binario, Octal y Hexadecimal).
1.2.- Operaciones básicas (suma, resta, multiplicación y división).
1.3.- Códigos Binarios (BCD, Gray, Exceso a 3 y ASCII).
2.- Álgebra booleana.
2.1.- Teoremas y postulados.
2.2.- Compuertas lógicas (NOT, OR, AND, XOR, etc.)
2.3.- Simplificación de funciones (Teoremas y postulados, Miniterminos,
Maxiterminos y Mapas de Karnaugh).
3.- Lógica combinacional.
3.1.-Análisis, Síntesis y Diseño de circuitos.
3.2.- Diseño de circuitos combinacionales.
3.3.- Aplicaciones de los Circuitos Combinacionales MSI. ( Exposiciones)
(Mux, Demux, Decoder, Coder).
4.- Lógica secuencial.
4.1- Flip-Flops. (Tipos: T, D, JK y SR).
4.2.- Aplicaciones de los Flip-Flops. (Registros y contadores).
4.3.- Diseño de circuitos secuenciales.
5.- Familias lógicas. ( Exposiciones)
5.1.- Las 5 características más importantes de las Familias Lógicas.
(Niveles lógicos, Factor de carga, Flujo/Reflujo de corriente, Disipación
de potencia y Rapidez, y Nivel de ruido).
5.2.- TTL, ECL, MOS y CMOS.
5.3.- Familias más recientes y de bajo voltaje (LVT, LV, LVC y ALVC).
4.- Prácticas en el Laboratorio:
5.- Operación de las compuertas lógicas. (5 ptos.).
6.- Diseño de un circuito Combinacional (ejem.: Suma y Resta de 4 bits)
bits ) (5 ptos.).
7.- Diseño de un circuito Secuencial (ejem.: Contador del 0 al 99 con displays). (10 ptos.).
8.- Diseño de un contador aleatorio señalando #s 0-15 con FF y LCDs (20 ptos.).
3
CAPITULO No. 3- APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DIGITALES.
1.- Convertidores.
1.1.- Conceptos y características de los convertidores.
1.2.- Tipos: Analógico/Digital y Digital/Analógico.
2.- Lenguajes HDL.
2.1.- Dispositivos Lógicos Programables (PLD).
2.1.1.- Tipos, características y fabricantes.
2.1.2.- Pasos para el diseño con PLD´s.
2.2.- Programación de circuitos combinacionales con HDL
2.2.1.- Por captura esquemática, por tabla de verdad, por ecuaciones
Booleanas y por descripción de comportamiento.
2.3.- Programación de circuitos secuenciales con HDL
2.3.1.- Por captura esquemática, por tabla de verdad, por ecuaciones
Booleanas y por descripción de comportamiento.
2.- Prácticas en el Laboratorio:
9.- Circuito de conversión de digital a analógico o de analógico a digital. (20 ptos.).
10.- Simulación de la implementación de un circuito con PLD´s (20 ptos.).
ANEXOS
Manual de Prácticas
BIBLIOGRAFIA:
Electrónica Básica Ed. Prentice Hall Aut. Grobb
ABC de la electrónica. Ed. Esteren
Lógica Digital y Diseño de Computadoras Ed. Prentice Hall Aut. M.Morris Manno
Diseño Digitales Principios y Prácticas
Ed. Prentice Hall Aut. John F. Wakerly
Sistemas digitales (Principios y Aplicaciones) Ed. Prentice Hall Aut. Ronald J Tocci
VHDL El arte de programar sistemas digitales Ed. CECSA Aut. David G. Maxinez /
Jessica Alcalá. TEC de Monterrey.
Notas:






Habrán 3 evaluaciones: en las que el 40 % será de prácticas, 10 % reporte de las prácticas y el
50 % el examen escrito.
Para tener derecho a segundas oportunidades, necesariamente habrán pasado al menos una
evaluación. Es decir en segundas solo podrán presentar 1 evaluación el mismo día.
Habrán puntos extras para la calificación de cada examen que será por participación durante
clases. Los puntos extras son para subir calificación, no para pasar un examen.
No se cambiaran fechas de evaluaciones. Se avisarán una semana antes.
No se pasara lista, por lo que personas que lleguen retrazados o no asistan a alguna clase,
tendrán la responsabilidad de ponerse al día con algún compañero.
El número de alumnos se dividirá en equipos ( 4 p. max) para trabajar en las prácticas.
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CAPITULO No. 1.- ELECTRONICA ANALOGICA.
1.- Corriente eléctrica.
1.1.- Introducción.
Electrónica se deriva de la palabra electrón, que se emplea para denotar una cantidad muy pequeña e
invisible de electricidad que está presente en todos los materiales. Todas las substancias están
constituidas de partículas diminutas llamadas átomos.
Una sustancia está formada totalmente de un tipo de átomo conocido como elemento. Los átomos a su
vez están formados por partículas aún más pequeñas llamadas: protones, neutrones y electrones.
Estructura básica de un átomo
Carga eléctrica:
Cuando un electrón se separa de un átomo exhibe una pequeña carga eléctrica. La unidad básica para
medir una carga eléctrica es el Coulomb, la carga combinada de 6.25 x 1018 e- equivale a la carga de un
Coulomb.
Actualmente existe dos tipos de cargas eléctricas: la carga negativa que es la que exhibe el electrón y la
carga positiva que exhibe un protón que tiene la misma cantidad de carga eléctrica pero es de tipo
opuesto. Dos partículas similarmente cargadas (es decir, 2e-, ó 2 protones) tienden a repelarse uno a
otra. Por otro lado 2 partículas con cargas opuestas (un e- y un protón) tienden a atraerse.
Corriente eléctrica:
Cuando un electrón se separa de un átomo se desplaza a través del espacio hasta que choca un
segundo átomo el cual lo acepta incorporándolo a su estructura y expulsa a uno de sus electrones
originales. Este electrón a su vez golpea a un tercer átomo y así sucesivamente. Cada electrón individual
no viaja muy lejos, pero la energía de los electrones en movimiento puede transmitirse cual largo sea la
longitud del conductor.
Cuando este proceso ocurre con electrones en un conductor se llama electricidad o corriente eléctrica.
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Ahora, si consideramos a la corriente como flujo efectivo de electrones, esto es si un coulomb fluye
pasando por un punto dado en un segundo, se dice que la corriente es de 1 Amper que viene siendo la
unidad básica para la medición de la corriente eléctrica. De tal forma que la electricidad estudia los
fenómenos eléctricos mientras que la electrónica estudia la aplicación práctica de estos fenómenos.
Voltaje:
Ya que la corriente especifica el número de electrones que se mueven pasando por cierto punto en un
intervalo de tiempo dado, se puede considerar como la rapidez del flujo electrónico. Ya que las cargas
eléctricas del mismo signo se repelen y cargas opuestas se atraen, en una fuente de alimentación un
montón de electrones fluirá de punto más negativo a un punto mas positivo. La intensidad de corriente
que fluye dependerá de la diferencia de esta carga, entre el punto más negativo y el punto más positivo
del circuito. Esta diferencia de potencial recibe el nombre de voltaje o fuerza electromotriz (f.e.m).
Resistencia:
Es el equivalente eléctrico de la fricción donde normalmente se representa por la letra R que es un
componente electrónico diseñado para introducir una cantidad específica de resistencia en un circuito.
La unidad de fundamental de la resistencia es el ohm (Ω). Un volt puede hacer que circule un ampere de
corriente a través de una resistencia de un ohm.
La relación de estos tres factores es quizás el concepto más importante en la electrónica. Esa relación
queda definida por el principio denominado Ley de Ohm.
I = V/R, efecto=causa/oposición
Potencia:
Es la rapidez en la que la carga se mueve por el efecto de un voltaje o dicho de otra forma, es la energía
total consumida en un circuito con un voltaje y corriente determinada.
P=VI=I 2 R=V2/R
La potencia se mide en watts, donde un watt de potencia se consume cuando un volts impulsa un
ampere a través de un circuito.
Nota: Para evitar que la resistencia se caliente demasiado y se dañe se deberá calcular la potencia
nominal que será la doble de la potencia real.
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Ejemplo práctico de los anteriores conceptos:
Consideremos que tenemos una mesa en donde uno de sus extremos tenemos un auto de juguete, éste
no se moverá mientras la mesa esta parada paralelamente con respecto al piso. Esto es porque no hay
ninguna fuerza que la mueva.
Ahora si inclinamos la mesa haciendo que la parte más alta sea por el lado donde está el auto, éste se
deslizará hacia la parte inferior de la mesa, donde se tiene:
Intensidad de la luz
(Potencia)
Exceso de electrones
(Carga negativa)
Rapidez (Corriente)
Porosidad de la mesa
(Resistencia)
Ausencia de electrones
(Carga positiva)
Kilowatt-Hora:
Es la unidad empleada par medir grandes cantidades de trabajo o energía eléctrica. El trabajo se obtiene
multiplicando la potencia en kilowats por el tiempo en horas.
Kwh=P*h/1000
Ejercicios:
1) La corriente a través de una resistencia de 100 Ω que será empleado en un circuito es de 150
miliampers. ¿Cuál deberá ser la potencia nominal de la resistencia?
2) ¿Qué corriente fluye por el filamento de un foco de 100 watts cuando este se conecte a la energía
de 120 volts.
3) Si deseamos conectar un led a una batería de 9 volts que valor de resistencia debemos conectar
en serie para evitar que el led se queme, considerando que la corriente nominal del led es de 10
miliampers.
4) Si alimentamos una resistencia de 150 Ohms por medio de una fuente de alimentación de +48
Vcd, calcular el valor de la potencia adecuada para evitar que la resistencia se dañe.
5) Si un foco de 100 watts se deja prendido toda la noche durante 8 horas. Como impactara en el
recibo de la luz si CFE cobra $4.00 el kwh.
6) ¿Cuál será el costo de operación de una plancha de 1200 watts durante 2 horas?.
7) Para las posiciones del siguiente cuadrante calcule la factura que va a recibir, si la lectura
anterior fue 4,650 kwh.
Medidor en KWhatts-Hora
1000
100
10
1
8) Se desea calcular el costo de operación de una clase durante 2 horas en la LSC del TEC, para ello
se deberá considerar 8 lámparas de 75 watts y 2 aires acondicionados de 12,000 watts cada uno.
7
1.2.- Corriente Directa (
):
En todas las aplicaciones eléctricas en las que se necesita utilizar corriente, los componentes se
representan en forma de un circuito, que viene siendo la trayectoria cerrada para el flujo de la corriente.
Un circuito eléctrico básico consta de 4 elementos:
1) Fuente de energía: Funciona de una bomba de agua que hace que se muevan los electrones.
2) Los conductores: Funcionan como la tubería donde se observa el flujo de electrones llamado
corriente y está dada en Amper.
3) La carga se transforma la energía de los electrones en movimiento en alguna otra forma útil de
energía (Térmica o luminosa).
4) Dispositivos de control: le sirve para habilitar o deshabilitar la corriente a través del circuito es
conocido como switch o interruptor.
Existen 3 maneras de representar los circuitos:
1. Diagrama a bloques
2. Diagrama pictórico
3. Diagrama esquemático
En conclusión la corriente directa o corriente continua (CD o CC) es la corriente que fluye en una sola
dirección y esto se debe a que la polaridad de su fuente de alimentación no varía.
+
-
1.3.- Corriente Alterna (
).
Si la corriente fluye en una sola dirección debido a que la polaridad del voltaje no varía significa que
estamos hablando de corriente eléctrica y continua.
Existe otro tipo de corriente eléctrica que no siempre fluye en una misma dirección sino alterna y fluye
primero en una dirección y luego se invierte hacia la otra, a este tipo de electricidad se llama corriente
alterna.
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A menudo es muy útil saber como cambia la corriente y el voltaje al transcurrir el tiempo. La forma más
fácil de hacer esto consiste en graficar con una forma de onda senoidal, por lo cual se tiene una
representación gráfica de la corriente del voltaje donde nos muestra la magnitud y dirección de cualquier
instante.
Otra forma de representar la I y el V es por medio de grados de rotación tal como se ilustra continuación:
VALOR PROMEDIO:
Como su nombre lo indica el valor promedio de un voltaje a una CA es el promedio de todos los valores
instantáneos durante medio ciclo, o sea una alteración, puesto que durante medio ciclo el voltaje o la
corriente aumentan del 0 al valor pico luego disminuyen a 0, el valor promedio deberá encontrarse en
algún punto entre 0 y el valor pico.
VALOR EFECTIVO (RMS):
También llamado raíz cuadrática media o RMS donde es igual a la raíz cuadrada del valor medio de las
cuadradas de todos los valores instantáneos de corriente o voltaje durante medio ciclo. Este valor es
utilizado en circuitos donde se maneja CA y CD y se emplea para determinar con exactitud la dimensión
de corriente o voltaje para situaciones de variaciones en diferentes casos.
VALOR PICO:
Es el máximo valor de la corriente o voltaje durante medio ciclo. Cuando se toman en cuenta las
amplitudes [la (+) y la (-)], se dice que tiene un valor pico a pico. Observe de los 2 valores picos no
pueden ocurrir al mismo tiempo y no necesariamente tiene que ser simétricos y eso dependerá de la
forma de onda.
9
2
1
Angulo θ
15
Sen θ
0.26
(Sen θ)
0.07
2
30
0.50
0.25
3
45
0.71
0.50
4
5
6
7
8
9
10
11
12
60
75
90
105
120
135
150
165
180
0.87
0.97
1.00
0.97
0.87
0.71
0.50
0.26
0.00
7,62
0.75
0.93
1.00
0.93
0.75
0.50
0.25
0.07
0.00
6,00
# intervalo
PROMEDIO= 7,62/12
= 0,637
V. efectivo=√ 6/12 =√ 0.5
= 0.707
Ecuaciones básicas de la CA
(Valor efectivo o eficaz) Valor RMS= 0.707 * Vpico=1.11*valor promedio
(Valor medio) Valor promedio=0.637*Vpico = 0.9*Valor RMS
(Valor pico)Vp=1.57*Valor promedio = 1.4*valor efectivo(RMS)
Valor pico a pico = 2*Vpico(Sólo valores simétricos)
Nota: Los anteriores se usan para V ó I.
FRECUENCIA:
Es un voltaje con corriente, es el número de ciclos generados cada segundo y se denota con la letra f y
sus unidades son CPS ó hz.
f = 1/T
kHz=1*103 Hz
MHz=1*106 HZ
GHz=1*109 Hz
PERIODO:
Es el tiempo de duración de un ciclo y se simboliza con la letra T ya que el periodo depende de la
frecuencia de la onda, se dice que el periodo y la frecuencia son recíprocos.
T=1/f
Miliseg=1*10 -3 seg
Microseg=1*10 -6 seg
Nanoseg=1*10 -9 seg
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LONGITUD DE ONDA:
Ya que la frecuencia es una medida del número de ciclos por determinado tiempo, es posible calcular
hasta donde puede llegar la onda en recorrer cierta “distancia”, también durante determinado “tiempo”.
Esta distancia recibe el nombre de Longitud de Onda, que es igual a la longitud de un ciclo completo de
la onda. El símbolo para representar una longitud de onda es λ (lambda).
λ = v/f = velocidad (cm/seg) / frecuencia (Hz) = Unidades métricas: metros o centímetros
ANGULO DE FASE:
El término de “fase” se utiliza para co mparar la relación de tiempo de 2 ondas, como también se usa para
indicar un punto de una onda en determinado instante. Es decir, si 2 generadores de voltaje se pusieran
a funcionar al mismo instante y a la misma velocidad, las 2 formas de onda comenzarán y terminarán
simultáneamente. También alcanzarán sus valores máximos y pasarán por cero al mismo tiempo.
Entonces se dice que las 2 formas de onda “coinciden” entre si y que las tensiones que representan
están “en fase “.
Ejercicios
1. ¿Cual es el valor eficaz de una tensión cuya amplitud maxima es de 200 volts?
2. ¿Cual es el valor promedio de la tensión de salida de una batería de 6 volts? ¿y cual es el valor
efectivo?
3. El valor medio de una corriente de una onda senoidal es de 5 amp.
¿Cuáles son sus valores pico, efectivo, pico a pico?
4. ¿Cual es el periodo y la frecuencia de la energía comercial?
5. ¿Cual es el periodo para frecuencia de un 1MHZ Y 2MHZ?
6. Grafica la forma de ondas y periodo de las señales de radio FM de la comadre (98.5MHz) y exa
(99.3MHz).
7. La velocidad de las ondas de radio electromagnéticas en el aire o en el vacío es de 186,000
millas/seg o 3x1010 cm/seg, que también es la velocidad de la luz, por consiguiente cual es la λ
para una frecuencia de 2 GHz?
8. Calcúlese la λ para una onda de radio con una frecuencia de 30 GHz ?
9. En la banda de 6 m que utilizan los radioaficionados ¿Cuál es la frecuencia correspondiente?
10. Dibuje las formas de onda para las tensiones de 120 Vca, 220 Vca y un consumo de corriente
de 10 amp. Mencionar si están en fase o no.
2.- Elementos de circuitos básicos.
2.1.- Elementos pasivos:
Son aquellos que consumen una parte de la energía eléctrica de un sistema eléctrico transformándola
en otro tipo de energía. Dicho de otra manera, son aquellos que suponen un gasto de energía y que al
circular corriente producen una diferencia de potencial entre sus bornes y disipan potencia en forma de
calor (consumen energía).
Los componentes ideales pasivos basan su funcionamiento en uno de los siguientes efectos
electromagnéticos:
1.- Efecto resistivo.- Representa la caída de tensión electrocinética en el interior del conductor.
2.- Efecto capacitivo.- Se produce por el almacenamiento de cargas en un sistema formado por dos
conductores separados por una pequeña distancia.
3.- Efecto inductivo.- Producido por la influencia de los campos magnéticos.
RESISTENCIA ( Ω):
Es un componente eléctrico diseñado con carbón de silicio y que sirve para limitar el paso de la corriente
en un circuito dado. Dependiendo el tamaño de cada resistencia es la cantidad de potencia (corriente)
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que puede manejar. La característica fundamental de este componente es que la tensión que aparece
entre sus extremos, sólo depende del valor instantáneo de la corriente que lo atraviesa (y viceversa), es
decir V = R.I. La acción de una resistencia provoca su calentamiento convirtiéndolo de energía eléctrica
en térmica (calor). Si una resistencia se calienta demasiado puede llegar a alterar su valor ohmico hasta
dañarse (estallar). Existen 3 formas de resistencia:
R. normal
R. variable
R. variable o potenciómetro
Código de colores para poder diferenciarlas.
Para conocer el valor de cada resistencia utiliza un código de colores con 4 bandas alrededor de su
cuerpo. Estas bandas son de color y se toman como banda más significativa la banda más próxima al
extremo de la resistencia. La banda siguiente es la segunda más significativa. La tercera banda es el
multiplicador y la cuarta es la tolerancia.
CAPACITOR:
La capacitancia es la facultad que posee un dieléctrico para almacenar una carga eléctrica. La unidad de
la capacitancia es el farad. Un capacitor está formado por un aislador colocado entre 2 placas
conductoras. Los capacitores comerciales se fabrican con valores específicos de capacitancia. Los
diferentes tipos de capacitores reciben su nombre de acuerdo a su material dieléctrico en que fueron
hechos. (Por ejemplo: papel, cerámica, electrolitos, tantalio). Un dieléctrico es un material aislador que no
puede conducir corriente, pero si almacenar carga eléctrica.
Símbolos:
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Ejemplo de su uso:
La capacitancia es una constante física que indica la cantidad de carga que puede almacenarse para un
determinado valor de voltaje aplicado donde:
Donde:
Q=CV=It
Q=Carga del capacitor en coulomb
C=Valor de la capacitancia en farad
V=Voltaje aplicado
I=Corriente en amper
t=tiempo en segundos
qe = 0.16 x 10 -18 Coulombs
1 Coulomb = 6.25 x 10 18 eCapacitancias en paralelo:
Para hallar la capacitancia total en paralelo se usa la siguiente formula:
CT
CT= C1+C2+C3 +…….+ Cn
Capacitancias en serie:
Para hallar la capacitancia total en serie se usa la siguiente formula:
CT
Constante tiempo RC:
Si una resistencia y un capacitor se conectan en serie con una fuente de voltaje, el capacitor se cargará
a través de la resistencia donde ésta pedirá (de acuerdo a su valor ohmico) el flujo de electrones para
finalmente cargar el capacitor. El tiempo que se requiere para el capacitor quede cargado en un 63% de
su nivel de carga al pleno potencial, se llama la constante de tiempo. Esta dado por t=RC
Donde: t=Constante de tiempo (seg), R=Resistencia (ohm) y C=capacitancia (farad)
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Para descargarse emplea un 37% de su valor a plena carga y se requiere de 5 veces la constante de
tiempo para que el capacitor se quede cargando completamente.
Para cargar cerramos S1 y abrimos S2.
Para descargar abrimos S1 y cerramos S2.
Donde:
T = R x C = 3 MOhms x 1 μFarad = 3 Seg.
5 T para que se cargue al 100 %, para que se descargue al 63 % transcurrirán una T.
Ejercicios:
1. Cuanta carga puede almacenarse en un capacitor de 2 microfarad y de 40 microfarad. Cuando se
aplica a través de él una diferencia de potencial de 50 V.
2. Una corriente constante de 2 microamper carga un capacitor durante 20 segundos ¿Cuál es la
cantidad de la carga almacenada en el capacitor después de este tiempo? ¿Que pasaría si el
voltaje después del capacitor cargado es de 20 V cual es el valor del capacitor?
3. Una corriente constante de 5 miliampers carga un capacitor de 10 microfarad durante 1 segundo
¿Cuál es el voltaje del capacitor después de este tiempo?
4. Por cuanto tiempo fluirá la corriente en el siguiente circuito:
¿Qué pasaría si el voltaje aumenta a 200 watts por cuanto tiempo fluirá la corriente?
5. Si disponemos de 4 capacitores de 2 microfarad ¿Cómo los conectamos para tener una
capacidad de: ?
a) 0.8 microfarad
b) 8 microfarad
6. Calcular el valor de la capacitancia total de:
a)
Ct
14
b)
Ct
BOBINA:
Una bobina es un solenoide cilíndrico de N espiras de radio a y longitud total l. El material que forma el
solenoide se supone conductor con resistencia nula. Una corriente eléctrica crea un campo magnético en
la región del espacio que la rodea (Ley de Biot y Savart). A su vez, un campo magnético variable induce
una f.e.m. en un conductor que lo abrace (Ley de Faraday). También llamado inductor o reactor donde es
un pedazo de alambre en forma de espiral, el cual se representa por la letra L y su unidad es el henry
(H). Su escala está en microhenrys y milihenrys, y generalmente tiene un núcleo de aire o de hierro que
sirve para aumentar ó disminuir la inductancia.
Inductancia en serie:
LT=L1+L2+……..+Ln
Inductancia en paralelo
Factores que afectan a la inductancia:
1)
2)
3)
4)
5)
Número de vueltas
Permeabilidad de núcleo
Área transversal del núcleo
Longitud de núcleo
Y esparcimiento de las espiras
Nota: La bobina puede probarse con un multímetro es ohms, donde si da circuito abierto (R = 1) significa
que esta dañada y si da circuito cerrado (R = 0) significa que esta buena.
2.2.- Elementos activos:
Los elementos o componentes activos son aquellos que introducen energía eléctrica a un sistema
eléctrico tomándolo a su vez de cualquier otro sistema, es decir toda fuente de alimentación o
transformador actúa como elemento activo. Los generadores o fuentes son los componentes que aportan
la energía para que exista circulación de corriente en un circuito eléctrico. Los generadores se pueden
clasificar de dos modos diferentes:
1.- Por la forma de suministrar la energía:
a) Generadores de tensión
b) Generadores de corriente
15
2.- Por la dependencia con otras tensiones o corrientes del circuito.
a) Generadores dependientes: mantiene una tensión fija entre sus bornes dependiendo de una
tensión o de la corriente que lo atraviesa. (ejemplo un transformador).
b) Generadores independientes: mantiene una tensión fija entre sus bornes independientemente
de la corriente que lo atraviesa. (ejemplo una fuente de alimentación).
Transformadores:
Cuando existe una inductancia mutua entre dos bobinas o devanados, entonces un cambio de corriente
en una de ellas induce una tensión en la otra. Todo transformador tiene un devanado primario y uno o
más devanados secundarios. El devanado primario (lado que tiene 2 cables) recibe la energía eléctrica
y acopla ésta energía al devanado secundario por medio de un campo magnético variable. Por medio de
los transformadores, se puede transferir energía de un circuito a otro sin que exista una conexión física
entre ellos. La transferencia de energía se efectúa a través del campo magnético, por lo que un
transformador funciona con un dispositivo de acoplamiento.
Si conectáramos un voltaje al primario, el voltaje del secundario dependerá del número de espiras del
devanado secundario, comparado con el número de espiras del devanado primario. Cuando el devanado
secundario tiene más espiras que el primario, el voltaje secundario es mayor que el voltaje primario, en
éste caso ocurre un aumento de voltaje y al transformador se le conoce como “transformador elevador de
tensión”. Así mismo, si el devanado secundario tiene menor número de espiras que el primario, el voltaje
secundario será menor que la primaria (en la mayoría de los casos) y al transformador se le conoce
como “transformador reductor de tensión”.
Donde:
VP=Voltaje del devanado primario
VS=Voltaje del devanado secundario
NP=Número de vueltas ó espiras del devanado primario
NS=Número de vueltas ó espiras del devanado secundario.
Ejemplo:
Calcular la tensión de salida de un transformador conectado a la energía comercial, si existe una relación
de 10:1 entre el devanado primario y el secundario respectivamente.
Fuentes de alimentación:
Todos los circuitos electrónicos requieren de alguna fuente de voltaje. Esto quiere decir que los circuitos
de las fuentes de alimentación son extremadamente importantes. Si un circuito requiere de un voltaje de
CA, la fuente de alimentación será simplemente un transformador conectado a la energía comercial,
ahora si un circuito requiere de CD significa que tiene baja demanda de potencia y se puede utilizar
baterías. Sin embargo, la mayoría de los circuitos prácticos son operados con CD, y requieren niveles de
potencia que harían antieconómica la operación con baterías, por lo tanto necesitarán de un circuito de
fuente de alimentación. En realidad los circuitos de fuente de alimentación o de potencia tienen un
nombre que no les corresponde, ya que no suministran potencia, mas bien son “convertidores de
potencia”. Por lo general convierten voltajes de CA a voltajes de CD. El proceso para realizar dicha
conversión se ilustra en el siguiente diagrama:
16
Diseño de las Fuentes de Alimentación:
Debido a que en éste curso no corresponde efectuar paso a paso los cálculos matemáticos para diseñar
una fuente de alimentación, a continuación se menciona el material a emplear:
Para ensamblar las partes electrónicas en una tableta existen dos formas de realizarlo, por medio de un
circuito impreso o por medio de una tabla tipo kit, la diferencia es que en ésta última los huecos ya están
hechos y las interconexiones entre los dispositivos se realizan por medio de cables telefónicos. En el
primer caso, se realiza por medio de un circuito impreso utilizando cloruro férrico (feCl3). Los materiales
básicos a emplear para hacer una fuente de alimentación son:
1.- Una clavija de CA con todo y su cable calibre 12 AWG (aprox. 2 mts de longitud).
2.- Un transformador a 120 Vca primario a 12 Vca secundario con derivación central a 3 amp.
3.- Un fusible de ½ amp a 250 V con su portafusible tipo rosca.
4.- Un interruptor para CA de preferencia con luz.
5.- Un puente de diodos en CI (RB158) o 4 diodos de silicio IN4001
6.- Dos capacitares electrolíticos de 4,700 μFd a 25 V.
7.- Regulador de voltaje de acuerdo al voltaje secundario deseado y la corriente máxima a proporcionar.
(Ejemplo si se requiere sacar +5 Vcd se requiere un CI 7805, para +12 Vcd un CI 7812, para -12Vcd un
CI 7912, etc.)
8.- Un capacitor de tantálio de 0.1 μFd a 25 V.
9.- La tablilla para armar los dispositivos electrónicos, según el método seleccionado.
10.- Una caja de plástico, madera ó metálica (tener cuidado con los cortos) para ensamblar los
dispositivos.
11.- Un cautín y estaño para soldar las conexiones.
12.- Cable telefónico para hacer las conexiones.
17
3.- Análisis de Circuitos.
3.1.- Técnicas de solución para CD:
Circuitos en serie:
Cuando dos o más componentes de un circuito se conectan en orden sucesivo uno detrás de otro, se
dice que están conectados en serie.
VT = V1 +V2+V3
It = I1 = I2 = I3
RT= R1+R2+R3
VT=V1-V2+V3
Circuitos en paralelo:
Cuando 2 o más componentes se conectan a través de una fuente de voltaje forman un circuito en
paralelo. Cada trayectoria recibe el nombre de rama o maya, y por ella circula una corriente de
determinado valor. Por lo tanto los circuitos en paralelo tienen un voltaje común a través de todas las
demás ramas, pero las corrientes que circulan a lo largo de ellas son diferentes, es decir:
VT=V1=V2=V3
It = I1 + I2 + I3
La suma de todas las corrientes es igual a la corriente total ( IT.).
1/RT=1/R1 + 1/R2 +1/R3 Si RT < R1 ó R2 ó R3
Para # R>2 y R1 ≠ R2 ≠ R3
Casos especiales:
1.- Si R1=R2=R3=> RT Cualquier valor de las resistencias entre el numero de resistencias R/3.
2.- Si R1≠ R2 => RT= R1*R2 / R1+R2 solo cuando R1 ≠ R2 y # R = 2
Ejercicios:
1.- Calcular la resistencia total del siguiente circuito.
18
Rt = 7.5 Ohm
2.- Del siguiente circuito, calcular el Vt y la It.
A
B
IT = 4.5 Amp
VT = 1.5 V
A´
Circuitos en serie y paralelo:
B´
En la mayoría de los circuitos algunos componentes se conectan en serie para que por ellos circule la
misma corriente, mientras que para otros se conectan en paralelo para que tengan el mismo voltaje.
Los circuitos en serie-paralelo se utilizan cuando es necesario proporcionar diferentes cantidades de
corrientes y voltaje; y se tienen una sola fuente de alimentación aplicada. Para analizar este tipo de
circuitos se realiza por separado para obtener un circuito final simplificado. La manera más fácil de
simplificar circuitos cuando se requiere obtener la resistencia total, se va simplificando de derecha a
izquierda hasta obtener la resistencia total, una vez obtenida se calcula la corriente total por la ley de
ohm. Después se va calculando la corriente que consume cada resistencia de izquierda a derecha.
Recordar que la corriente que circula por todo el circuito es la misma que regresa.
Ejercicios:
1. Hallar IT, VR1 y VR2 y VT
3 amp
2. Hallar I1, I2, VR1 y VR2
12V
It= 3 amp
19
R3= 10 Ohm
3.- Hallar el VR1, Vt, VReq, I2 y R2.
I3= 2 amp
R2
R1= 1 Ohm
It= 4 amp
4.- Hallar todas las Is y Vs.
5.- Determinar la intensidad de la corriente que circula para cada una de las ramas del circuito, y la
diferencia de potencial entre los puntos C y D.
A
D
B
3.1.- Técnicas de solución para CA:
En circuitos de CA con resistencias en configuración serie-paralelo, se utiliza una fuente de voltaje en
forma de una onda senoidal (120 Vca mientras no se indique otra cosa). Cuando esta fuente de voltaje
se conecta a través de cualquier resistencia externa de carga, produce una CA que tiene la misma forma
de onda, frecuencia y fase de la fuente de voltaje lo único que diferencia es la magnitud. Para realizar los
cálculos de los valores de los componentes se utilizan la ley de Ohm, aplicando el mismo principio para
fuentes de CD.
Cuando se combinan resistencia serie-paralelo en un circuito de corriente alterna, su análisis es el mismo
que para circuitos de CD, lo único que diferencia es que estos tipos de circuitos además de usar
resistencias se usan bobinas y capacitores.
Ejemplo:
Calcular todas las corrientes y voltajes del siguiente circuito:
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Reactancia:
La oposición que presenta la inductancia L y la capacitancia C al paso de una corriente senoidal alterna
recibe el nombre de reactancia, y se simboliza con X, el símbolo para la reactancia inductiva será XL
mientras que para la reactancia capacitiva será Xc. La reactancia se mide en Ω como si fuera una
resistencia, pero la reactancia tiene un ángulo de frase más o menos 90º. Para XL la fase es de más 90º,
mientras que para XC es de menos 90º. La resistencia tiene un Angulo de fase de 0º, mientras que el de
la reactancia es de mas o menos 90º, por lo tanto cuando se combina R con X, el ángulo de fase del
circuito de CA se encuentra de 0º y 90º o entre 0º y menos 90º.
Puesto que el voltaje que se crea en un inductor es determinado por la inductancia (L) de una bobina y la
frecuencia (f) de la corriente, entonces la reactancia inductiva se puede calcular de la siguiente manera;
XL=2π f L
Donde:
XL = Reactancia inductiva en Ω
2π = constante 6.28 (periodo completo)
f = frecuencia de la corriente en hertz (Hz) = 60Hz
L = Inductancia de la bobina en Henrys
En el caso de un capacitor puede usarse la oposición al flujo de corriente, ya que la oposición depende
también de la frecuencia y la capacitancia. Sin embargo como el flujo de la corriente es directamente
proporcional a la frecuencia y a la capacitancia, la oposición a la corriente debe ser inversamente
proporcional a esas cantidades. Entonces la reactancia capacitiva se calcula de la siguiente manera:
Donde:
XC = Reactancia capacitiva en Ω
2π = constante 6.28 (periodo completo)
f = frecuencia de la corriente en hertz (Hz) = 60Hz
C = Capacitancia en farads
Finalmente la resistencia y la reactancia deben combinarse por medio de una suma fasorial, ya que el
ángulo de fase es de 90º, la suma resultante se llama impedancia y se representa por la letra Z. Donde
es la oposición total que representa la resistencia y la reactancia al paso de una corriente senoidal de
CA.
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Lo anterior se debe entender mejor con un diagrama vectorial de resistencia y reactancia, donde siempre
adopta la forma de un triangulo rectángulo. Si se conoce la longitud de sus lados que forman el ángulo
recto, se puede resolver el tercer lado por la fórmula algebraica: c2 = √ a2+b2
Entonces, adaptando la fórmula tenemos:
Z=√R2 + X2
Donde:
Z = Impedancia en Ω
R = Resistencia en Ω
X = Reactancia L ó C en Ω
Nota: La fórmula adoptará la configuración de acuerdo al circuito, es decir:
ZT=√ R2 + (XL-XC)2
ZT=√ R2 + (XC - XL)2
IT= VT /zT
3.2.- Circuitos RCL.
Circuitos RL:
Un circuito RL es el que tiene tanto resistencias (R) como inductancias (L). Cuando se mezclan
resistencias como inductancia en un circuito eléctrico, el procedimiento para su cálculo y análisis varía en
comparación que si se analizara de forma independiente. Así como la resistencia es la oposición del
paso de una corriente, para el caso de una inductancia L, la oposición al paso de una corriente senoidal
alterna recibe el nombre de reactancia y se indica con la letra X. Para poderla distinguir se simboliza
como XL. La reactancia también se da en Ohms como la resistencia. Puesto que el voltaje que se crea en
un inductor es determinado por la inductancia (L) de un inductor y la frecuencia (f) de la corriente,
entonces la reactancia inductiva se puede calcular de la siguiente manera:
XL = 2 π f L
Donde XL es la recatancia inductiva en Ohms, 2 π = 6.28 que simboliza un período completo de la CA, f
es la frecuencia de la corriente en Hz y L es la inductancia en henrys.
Aunque tanto la resistencia como la reactancia inductiva se oponen al flujo de la corriente, algunas de
sus características y efectos son diferentes. Por esta razón, la oposición total al flujo de corriente en
circuitos RL no se expresa en función de la resistencia ni de la reactancia inductiva. En lugar de ello se
usa una suma resultante llamada Impedancia. La cual se representa con la letra Z y su unidad es el
Ohm. Donde:
Z=
Por Pitágoras:
c=
2
2
R + XL
Reactancia
Impedancia
a2 + b2
Resistencia
Los métodos que se usan para calcular la impedancia dependen de si la resistencia y la reactancia
inductiva están en serie o paralelo.
Circuitos en serie RL:
22
Cuando se conectan resistencia e inductores en serie, de tal manera que por cada uno fluye la misma
corriente total del circuito, aún que el mismo circuito contenga una o más resistencias o una o más
bobinas.
Si una resistencia se conecta en serie con una o más bobinas, generalmente la resistencia es mucho
mayor que la resistencia de las bobinas. Cuando es diez o más veces mayor, puede hacerse caso omiso
del efecto de la resistencia de la bobina. Dado que las fórmulas en serie tanto para las resistencias como
para las bobinas es la misma, cuando se tienen más de una resistencia o bobina en serie en el circuito,
se sumarán de manera independiente, es decir resistencias con resistencias y bobinas con bobinas. Ya
teniendo la resultante de cada caso, se calcula la resistencia total utilizando la fórmula de la impedancia.
Para calcular el voltaje total, se calcula el voltaje de la resistencia como VR = I R y el voltaje de la bobina
como VL = I XL. Dado que estamos analizando un circuito en serie, la suma de todos los voltajes deberá
ser igual al voltaje total, más sin embargo en este tipo de circuitos no pasa así, ya que si se midiera o se
sumara algebraicamente, se encontraría que la suma es mayor que el voltaje total realmente aplicado.
Esto se debe a que cada caída de tensión o voltaje no están en fase, por lo tanto deberá usarse una
suma vectorial en lugar de una suma aritmética. Es decir:
O también: tan ө = c.o./c.a.=VL / VR
VT = VR2 + VL2
Potencia:
En circuitos resistivos toda la potencia que transmite la fuente es disipada por la carga, en un circuito RL
sólo una parte de la potencia de entrada se disipa. La parte transmitida a la inductancia regresa a la
fuente cada vez que desaparece el campo magnético que está alrededor de la inductancia. Por lo tanto
existen dos clases de potencia en un circuito RL. Una es la potencia aparente (Papar) y la otra es la
potencia real (Preal) que efectivamente consume el circuito.
Preal = Papar IT cos ө = IT2 ZT cos ө = (VT2/ZT) cos ө = VT.IT cos ө
El valor del cos ө puede variar entre 0 y 1, el cual recibe el nombre de factor de potencia del circuito.
Factores de potencia pequeños (próximos a 0) son inconvenientes, ya que significan que la fuente de
energía tiene que trasmitir más potencia de la que se usa. El factor de potencia se determina como:
Potencia real
Factor de potencia = -------------------------Potencia aparente
Ejemplo:
1.- Si se tiene un circuito en serie RL, donde la fuente de energía total es de 200 V a 50 c.p.s o Hz, R = 1
kOhms y L = 10 H, calcular la corriente que circula por el circuito.
Solución:
Calculamos XL = 2 π f L = 6.28 (50 Hz) (10 H) = 3,140 Ohms
Calculamos Z = R2 + XL2 = (1,000)2 + (3,140)2
= 3,295 Ohms
Calculamos por la ley de Ohm: IT = V/R = V/Z = 200 V/3,295 Ohms = 0.061 amp = 61 mAmp
Circuitos en paralelo RL:
En un circuito en paralelo RL tanto la resistencia como la inductancia están conectadas en paralelo a una
fuente de tensión, lo que significa que los voltajes para cada dispositivo es el mismo, y las corrientes en
cada rama son diferentes. El análisis de circuitos en paralelo RL y los métodos que se usan para
23
resolverlos son diferentes al análisis y solución de circuitos en serie RL. Para resolver este tipo de
circuitos se deberá considerar lo siguiente:
1.- La corriente total en un circuito paralelo RL es igual a la suma vectorial de las corrientes:
IT =
IR2+IL2
las ramas resistiva (IR = V/R) e inductiva (IL = V/XL). O también se puede calcular como IT = VT/ZT.
2.- La impedancia Z de un circuito paralelo RL es la oposición total al flujo de corriente, presentado por la
resistencia de la rama resistiva y la reactancia inductiva de la rama correspondiente. Ya que XL y R son
magnitudes vectoriales, se deberán sumar vectorialmente, es decir:
R.XL
Z = ---------R2+XL2
3.- Para calcular la potencia del circuito se realiza similarmente que para un circuito en serie RL.
4.- Para calcular el ángulo de fase ө entre el VT e IT se calcula de la siguiente manera:
RTot
Tang ө = -------XL Tot
Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms y la L = 150 Henrys.
Circuitos RC:
Un circuito con resistencia (R) y capacitancia (C) se conoce como circuito RC. Los métodos para resolver
circuitos RC dependen de si la resistencia y la capacitancia están en serie o en paralelo. Se usan las
mismas consideraciones que para los circuitos RL. La única diferencia es que en el caso del capacitor
puede usarse la oposición al flujo de la corriente, ya que la oposición depende también de la frecuencia y
la capacitancia. Sin embargo como el flujo de corriente es directamente proporcional a la frecuencia y a
la capacitancia, la oposición de la corriente debe ser inversamente proporcional a esas cantidades.
Entonces la reactancia capacitiva se puede calcular de la siguiente manera:
1
XC = ----------2πfC
Donde XC es la reactancia capacitiva en Ohms, 2 π = 6.28 que simboliza un período completo de la CA, f
es la frecuencia de la corriente en Hz y C es la capacitancia en farads.
De manera similar la impedancia se calcula de la siguiente manera:
Z=
R2 + XC2
Los métodos que se usan para calcular la impedancia dependerán si la resistencia y la reactancia
capacitiva están en serie o paralelo.
24
Circuitos en serie RC:
En un circuito RC en serie donde una o más resistencias están conectadas en serie con una o mas
capacitancias, de manera que la misma corriente total fluye a través de cada uno de los componentes.
En caso de que exista más de un componente de igual naturaleza, se deberá simplificar resistencia con
resistencias (sumándolas) y capacitancias con capacitancias (el inverso de la suma de los inversos). De
manera similar, para calcular los voltajes se hará VR = I.R y V C = I.XC. Para calcular el VT se hará:
O también: tan ө = c.o./c.a.=VC / VR
VT = VR2 + VC2
Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms y los C = 150
microFarads.
Circuitos en paralelo RC:
En un circuito en paralelo RC, una o más resistencias y uno o más capacitores se conectan en paralelo a
una fuente de tensión. Por lo que al final se tendrá ramas resistivas que solo tendrán resistencias, y
ramas capacitivas que solo tendrán capacitores. La corriente que sale de la fuente de tensión se divide
entre las ramas, de manera que se tiene diferentes corrientes en diferentes ramas. Las caídas de tensión
para cada rama serán la misma que el voltaje total aplicado por estar en paralelo. Cuando se calculan las
magnitudes totales del circuito correspondientes al voltaje aplicado, corriente total, impedancia y
potencia, las ramas resistivas y capacitivas se deberán reducir primeramente a sus equivalentes más
simples. Para resolver este tipo de circuitos se deberá considerar lo siguiente:
1.- Cuando se tienen 2 resistencias en paralelo se deberá aplicar la fórmula: Requiv= (R1.R2 /R1 + R2), y
cuando se tengan 2 capacitores en paralelo se deberán sumar (Cequiv= C1 + C2).
2.- La corriente de cada rama en un circuito en paralelo RC es independiente de la corriente en las
demás ramas. La corriente en una rama solo va depender de la tensión en la rama y la resistencia o
reactancia capacitiva que exista en ella. O sea: IR = V/R ó I C = V/XC.
3.- La corriente total en un circuito paralelo RC es igual a la suma vectorial de las corrientes
(IT = IR2+IC2). O también se puede calcular como IT = VT/ZT.
4.- La impedancia Z de un circuito paralelo RC es la oposición total al flujo de corriente, presentado por la
resistencia de la rama resistiva y la reactancia capacitiva de la rama correspondiente. Ya que X C y R son
magnitudes vectoriales, se deberán sumar vectorialmente, es decir:
R.XC
Z = ---------R2+XC2
5.- Para calcular la potencia del circuito se utiliza la siguiente fórmula:
Preal = Papar IT cos ө = IT2 ZT cos ө = (VT2/ZT) cos ө = VT.IT cos ө
6.- Para calcular el ángulo de fase ө entre el VT e IT se calcula de la siguiente manera:
RTot
tan ө = -------XC Tot
25
Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si las R = 15 Ohms y el C = 150
microFarads.
Circuitos RCL:
Este tipo de circuito cuenta con las propiedades de elementos resistivos (R), inductivos (L) y capacitivos
(C), que puede tener combinaciones ya sea en serie o en paralelo. Todas las características vistas
anteriormente se aplican para el análisis de los circuitos RCL. Algunas de las propiedades y
características nuevas que hay que considerar son las siguientes:
Para circuitos RCL en serie:
1.- Si se tiene en la malla solo un capacitor y una bobina la impedancia total del circuito será:
XT = XL – XC (cuando el circuito es inductivo o sea si XL > XC)
XT = XC – XL (cuando el circuito es capacitivo o sea si XC > XL)
2.- Si se tiene en la misma malla un capacitor, una bobina y una resistencia, la impedancia total será:
ZT = RT2 + (XL – XC)2 ó ZT = RT2 + (XC – XL)2
3.- Si se tiene en la misma malla un capacitor, una bobina y una resistencia, el voltaje total será:
VT = VR2 + (VL – VC)2 ó VT = VR2 + (VC – VL)2
4.- Para calcular la corriente total como será la misma para todos los dispositivos que se encuentren en
ella, se podrá calcular como:
IT = VT / ZT
5.- Para calcular la potencia consumida por la malla se podrá utilizar:
Papar = VT.IT
y Preal = VT IT. cos ө = IT2 RT
6.- Para calcular el ángulo de fase ө entre el VT e IT se calcula de la siguiente manera:
ZTot
tan ө = -------RTot
Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms, el C = 150
microFarads y la L = 150 Henrys.
Para circuitos RCL en paralelo:
1.- Dado que para circuitos en paralelo los voltajes son los mismos para cada dispositivo, para calcular el
voltaje total se utilizará la siguiente fórmula:
26
VT = IT.ZT
2.- Las corrientes para cada malla en paralelo serán diferentes, entonces para calcular las corrientes se
hará:
IL = VT/XL, IC = VT/XC, IR = VT/R
3.- Para calcular la corriente total del circuito se hace:
IT = IR2 + (IC – IL)2 si IC > IL ó IT = IR2 + (IL – IC)2 si IL > IC
4.- Para determinar la impedancia de un circuito paralelo RCL, primero deberá obtenerse la reactancia
total (XT) de las ramas inductiva y capacitiva, y luego determinar la impedancia total (ZT) del circuito.
XL. XC
R.XT
XT = ---------------- y ZT = ---------XL + X C
R2+ XT2
Ejemplo. Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito, si la R = 15 Ohms, el C = 150
microFarads y la L = 150 Henrys.
Para circuitos RCL en general.
Son los circuitos que combinan las combinaciones serie-paralelo para RCL.
Ejemplo: Calcular la corriente que circula por el siguiente circuito.
Xc = 250 Ω
XL = 870 Ω
Ejercicios:
1) Cual es la reactancia inductiva de una bobina de 10 mili Henrys que frecuencias de 100 Hz un 1
KHZ y 100 KHz.
2) Cual es la impedancia de un circuito si la resistencia total es de 10 Ω y la reactancia de 1 k Ω.
3) Si conectas una resistencia de 1.5 KΩ en serie con un capacitor de 4700 microfarad y una bobina
de 150 miliHenrys, calcular la impedancia total, así como la corriente fluye en el circuito.
4) Para que frecuencia una inductancia de un Henry tendría una reactancia de 1000 Ω.
5) Calcular la reactancia de un circuito si la impedancia de 150 Ω y la resistencia a 100 Ω.
6) Calcular la impedancia total y la corriente que circula por el siguiente circuito.
4.- Características de los semiconductores.
4.1.- Silicio y Germanio.
Un semiconductor es un dispositivo que tiene las características entre un conductor y un aislador. Los
elementos semiconductores usan generalmente el silicio (Si) y el Germanio (Ge), donde la arena es igual
27
al dióxido de silicio y las cenizas del carbón es el germanio. Las características principales de los
semiconductores puros son:
1. Su resistencia es mayor que la de los metales conductores pero menor que la de los aisladores.
2. El coeficiente de temperatura es negativa, es decir su resistencia disminuye conforme aumenta su
temperatura.
T (oC)
R (Ω)
3. Su valencia electrónica es de más o menos 4. Esta valencia significa que el átomo tiene 4
electrones en su capa más externa.
Estructura atómica del silicio
Enlace covalente: Es cuando los átomos comparten sus electrones de valencia, dando como resultado
una configuración estable. El enlace covalente forma una estructura cristalina y debido a esto, es posible
añadir impurezas para contaminar el material. El propósito de este proceso es cambiar las características
eléctricas del semiconductor.
Estructura cristalina del silicio
De acuerdo al tipo de enlace covalente los semiconductores se dividen en 2 grupos:
a) Semiconductores intrínsecos: Son los átomos de un mismo elemento o en otras palabras, es u
semiconductor puro sin contaminación. El cristal de silicio formado por el enlace covalente es un
ejemplo de ésta característica.
28
b) Semiconductores extrínsecos: Es la contaminación de los semiconductores mediante la
introducción de otros átomos (impurezas) dentro de la red cristalina. (Ej. Arsenio, indio, galio).
4.2.- Materiales de tipo P y de tipo N.
Los elementos utilizados como impurezas tienen en general valencia electrónica de 5 o 3. Como
consecuencia de esto, un semiconductor contaminado tiene un exceso o una deficiencia de electrones en
su estructura formada por enlaces covalentes. Un semiconductor de tipo N (-) tiene un exceso de
electrones, mientras que uno de tipo P (+) tiene una deficiencia de ellos.
Unión PN.-
Polarización inversa:
Polarización directa:
29
5.- Dispositivos semiconductores.
5.1.- Diodos.
Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma
simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones, por debajo de cierta
diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un
circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica.
Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces
de convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en
los experimentos de Lee De Forest.
Diodo Normal.
El diodo semiconductor es un dispositivo unidireccional ya que permite el flujo de electrones en un solo
sentido (en el sentido contrario al indicar de la flecha de su símbolo).
También se puede decir que es un dispositivo electrónico que permite al flujo de electrones huecos en el
sentido indicado por la flecha de su símbolo (es como generalmente se estudia).
Símbolo:
Corriente de huecos
i
Ánodo (+)
Cátodo ( - )
ie
Una de las aplicaciones más comunes del diodo es como rectificador, ya que convierte valores de CA a
CD.
Las 2 características electrónicas mas importantes son su voltaje pico con polarización inversa (PIV), y
su corriente de polarización directa (IF). El PIV es igual al máximo voltaje que el diodo puede tolerar
cuando se polariza inversamente. La IF es el valor de la corriente que puede circular por el diodo sin
dañarlo cuando ese se encuentra en el estado de conducción.
La manera de verificar si un diodo esta funcionando correctamente, es conectar por medio de un
multímetro en la escala de Ohms para tener únicamente dos posibilidades:
1.- Que en polarización directa la lectura este entre 20 Ohm a 1 kOhm (resistencia interna del diodo y el
multímetro).
2.- Que en polarización inversa la lectura sea el número 1, que significa infinito o una resistencia muy
grande.
30
Diodo Zener.
El diodo zener es una variante especial del diodo semiconductor normal, ya que responde al voltaje y
polaridad inversa de forma única, es decir cuando a este diodo se le aplica un voltaje con polarización
inversa, mientras no sobrepase el voltaje nominal de fábrica, el diodo no conducirá. Esta condición se
mantendrá hasta el punto de la fuente de alimentación exceda al voltaje nominal del diodo zener (por ej.
6.8 V de CD). A este punto se le conoce como punto de avalancha, debido a que la corriente por el
diodo se eleva abruptamente desde prácticamente cero (0), hasta un valor muy alto limitado únicamente
por la baja resistencia interna del diodo.
Con polarización directa el diodo actúa como un semiconductor normal pero generalmente no se utiliza
de esta manera. Un diodo zener se checa de igual manera que un diodo convencional. Los voltaje
normales típicos para el zener van desde 2.4 a 200 volts y sus voltajes de potencia van de ¼ a 50 watts.
Símbolo:
Corriente de huecos
Ánodo (+)
Cátodo ( - )
R
2 Vcd a 12 Vcd
Funciona como un regulador el diodo zener
Diodo emisor de luz (LED).
Este dispositivo como su nombre lo indica es un diodo que emite luz. Es fabricado normalmente con
semiconductores especiales (arseniuro de galio) que permite emitir luz roja, verde, amarilla, blanca, azul
ó infrarroja (no visible), cuando es recorrida la unión por una corriente. Se utilizan como dispositivos
indicadores, se checan al igual que un diodo semiconductor normal o con una batería de 1.5 Vcd
emitiendo luz en polarización directa. Con polarización inversa el LED permanecerá obscuro. Dentro de
ciertos límites, mientras el voltaje aumente el LED brillará con mayor intensidad, y si el voltaje disminuye
el LED se opacará. Los LED’s están diseñados únicamente para utilizarlos con CI’s de b ajo voltaje.
Típicamente no deberá aplicarse más de 3 a 6 Vcd a un LED, y su corriente nominal es de 10 mA.
Existen diversos tipos de LED´s, por ejemplo los dobles que de acuerdo a su polarización es el color. O
también hay encapsulados en forma de 8 llamados displays.
Símbolo:
Corriente de huecos
Ánodo (+)
Cátodo ( - )
31
Celda Solar.
Una celda solar se forma con la unión de 2 semiconductores diferentes, siendo uno de ellos tan delgado
que hasta cierto punto es traslúcido. Cuando esta unión PN es iluminada entrega un voltaje que es
proporcional a la intensidad luminosa (Lumenes). Este tipo de dispositivo es utilizado para el
almacenamiento de energía, como es el caso de lugares donde no llega la energía comercial ó para
equipos electrónicos como son calculadoras hasta satélites de comunicación. También las celdas solares
se emplean para activar o desactivar circuitos o lámparas que tienen contacto con el sol.
Símbolo:
λ
Ejemplo: Diseñe un circuito eléctrico que utilice una celda solar para
controlar el encendido de un foco de 25 Watts a 120 Vca.
Fotodiodo.
Son dispositivos que utilizan principalmente como detectores de luz ya que al inducir luz en ellos liberan
electrones induciendo una corriente inversa a mayor cantidad de luz mayor cantidad de corriente
inversa generada.
Aspecto físico:
Símbolo:
Ánodo (+)
Cátodo ( - )
Fotorresistencia.
Son dispositivos sensibles a la luz ya que disminuyen su resistencia al aumentar la energía luminosa.
Este fenómeno se produce ya que los materiales utilizados (Cadmio, Galio, etc.) liberan electrones al ser
iluminados (sulfuro de cadmio). Para probarlos basta conectar el multímetro en Ω e ir acercando y
alejando una fuente luminosa de el. Donde la resistencia obtenida deberá ser menor a medida que se
tenga mayor cantidad de luz.
R(Ω)
Simbolo:
Aspecto físico:
λ(lum)
32
Optoacoplador.
Es un dispositivo que se compone simplemente de un paquete que contiene un LED infrarrojo como
emisor y un fotodetector. Los optoaclopladores son capaces de convertir una señal eléctrica en una señal
luminosa modulada y volverla a convertir en una señal eléctrica. La gran ventaja de un optoacoplador es
el aislamiento eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y salida. El funcionamiento
se basa en el que al llegarle una señal al LED infrarrojo emisor, varía la intensidad de acuerdo a la
magnitud de la señal de entrada, esta luz puede activar ya sea a un fotodiodo, un fototriac o un
fototransistor. Una de las mayores aplicaciones son como interfaz de potencia de un sistema digital a un
motor, un swich, una maquina o cualquier otro sistema que no trabaje al nivel del voltaje a corriente de
los circuitos digitales (por lo general de 3 a 10 Vcd), logrando manejar niveles altos de voltaje (por
ejemplo de 120 Vca).
Los tipos de optoacopladores se clasifican de acuerdo al arreglo que se emplee para el elemento
fotosensible. El modelo más usado es el siguiente:
DIP (Dual Inline Package) o con un módulo con necesidad de superficie reflejante. Un ejemplo de
este puede ser el MOC 3010.
Ventajas del optoacoplador:
Es económico
Es confiable en estado sólido
Velocidad de transmisión de mediana a alta
Transmisión DC
Alto aislamiento de voltaje
Alto impedancia de aislamiento
Tamaño pequeño del encapsulado del circuito
Eliminación de rebotes
Bajo consumo de potencia









Desventajas
Resistencia de encendido y apagado finitas
Baja eficacia de transmisión


5.2.-Transistor.
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador o
interruptor. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de
transferencia"). Actualmente se les encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso
diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavarropas
automáticas, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras,
calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos,
reproductores mp3, celulares, etc.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes drenadas artificialmente que forman
dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la
tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A
diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene
corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a
33
diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Existen dos familias
principales de transistores: Los Bipolares y los de efecto campo.
De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es amplificada y se inyecta al "emisor",
pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de
corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", según el tipo de
circuito que se utilice. El factor de amplificación logrado entre corriente de base y corriente de colector,
se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo
de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia
Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos
parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de
Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos para utilización analógica de los transistores son emisor
común, colector común y base común.
Los Transistores Bipolares (BJT Bipolar Junction Transsistor).
Son dispositivos fabricados con materiales semiconductores, cuentan con 3 elementos y su característica
principal es poder amplificar y conmutar una señal. Todo transistor está formado por 3 terminales:
1. Emisor
Se suministra los portadores mayoritarios para el flujo de la corriente. Es la terminal que se simboliza
por medio de una flecha.
2. Colector
Recoge los portadores mayoritarios al emisor para la operación del circuito.
3. Base
Controla el flujo de corriente entre el emisor y el colector.
Estos transistores pueden ser de dos tipos: Los NPN y los PNP. Estos se diferencian por la manera
como son polarizados.
Los Transistores FET.
El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad una familia de
transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un
34
material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por diferencia de
potencial. Los Fets se han vuelto más importantes que los transistores bipolares, ya que son fáciles de
fabricar y requieren de menos silicio.
Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la
terminal equivalente a la base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor
controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que fluya o no corriente entre
drenador y fuente.
Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también
de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone
al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. Los transistores de efecto de
campo MOS son usados generalmente en electrónica digital, y son el componente fundamental de los
circuitos integrados o chips digitales.
Símbolos esquemáticos del transistor de efecto campo
Canal P
Canal N
Símbolos esquemáticos para
los FETs canal-n y canal-p.
G=Puerta(Gate),
D=Drenador(Drain) y
S=Fuente(Source).
Ventajas del FET:
1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012
ohmios).
2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.
3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.
4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar
más dispositivos en un CI.
5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión
drenaje-fuente.
6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir
su utilización como elementos de almacenamiento.
7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.
Desventajas que limitan la utilización de los FET:
1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada.
2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT.
3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.
Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect
Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET).
35
Los Transistores MOSFET.
MOSFET son las siglas de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. Consiste en un transistor
de efecto de campo basado en la estructura MOS. Es el transistor más utilizado en la industria
microelectrónica. Prácticamente la totalidad de los circuitos integrados de uso comercial están basados
en transistores MOSFET.
El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta no
absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser
pequeña en comparación con la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada.
Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que tener en
cuenta para el análisis y diseño de circuitos.
Todos los tipos de MOSFETS son del tipo-N y tipo-P. A diferencia del FET de unión, la compuerta de un
MOSFET no tiene contacto eléctrico con la fuente y el drenaje. Una capa parecida al vidrio hecha de
dióxido de silicio (oxido = funciona como un aislante) sepra el contacto de metal de la compuerta del
resto del transistor, es decir:
En el MOSFET de canal N la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En el MOSFET de canal P la parte "P" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain)
En los transistores bipolares la corriente que circula por el colector es controlada por la corriente que
circula por la base. Sin embargo en el caso de los transistores FET, la corriente de salida es controlada
por una tensión de entrada (un campo eléctrico). En este caso no existe corriente de entrada.
Los transistores MOSFET se pueden dañar con facilidad y hay que manipularlos con cuidado. Debido a
que la capa de óxido es muy delgada, se puede destruir con facilidad si hay alta tensión o hay
electricidad estática.
5.3.- Tiristores.
Los tiristores son una familia de dispositivos semiconductores de cuatro capas (pnpn), que se utilizan
para controlar grandes cantidades de corriente mediante circuitos electrónicos de bajo consumo de
potencia. Se utilizan en circuitos de electrónica de potencia, como pueden ser en fábricas,
ensambladoras, etc.
La palabra tiristor, procedente del griego que significa puerta. El nombre es fiel reflejo de la función que
efectúa este componente: una puerta que permite o impide el paso de la corriente a través de ella. Así
como los transistores pueden operar en cualquier punto entre corte y saturación, los tiristores en cambio
sólo conmutan entre dos estados: corte y conducción.
Los tiristores son dispositivos semiconductores 2 o 3 pines de conexión. Una pequeña corriente en uno
de sus pines permite que fluya una corriente muy grande a través de los otros 2 pines. La corriente
controlada puede ser solamente de encendido o apagado, es por eso los tiristores no amplifican las
señales como la hacen los transistores si no en su lugar son interruptores de estado sólido.
36
Dentro de la familia de los tiristores, trataremos en este curso los tipos más significativos, como son:
SCR (Silicon Controlled Rectifier), SCS (Silicon Controlled Switch), Diac y Triac
SCR
Este dispositivo se caracteriza por tener 2 estados de operación de electricidad o apagado. Su mayor
aplicación está en electrónica industrial y los circuitos de control. Su funcionamiento básico es:
a) Si se polarizan inversamente no va a conducir corriente (de ahí su nombre de rectificador)
b) Si se polariza directamente tampoco conduce.
c) Si se polariza directamente y se le aplica pulso a su compuerta con la polaridad requerida, este se
desbloquea y pasa de estado de apagado a encendido.
d) En estado de encendido la compuerta ya no ejerce control sobre el dispositivo.
e) Para apagar el SCR es necesario cancelar el voltaje aplicado entre sus extremos (ánodo y
cátodo).
La tercera patita es la compuerta G puede ser fabricada de material tipo N, lo cual requerirá de un pulso
negativo para realizar su conmutación (apagado/encendido).
También hay SCR’s donde la compuerta G se realiza con material P (positivo), lo cual requerirá de un
pulso positivo para su conmutación (son los casos más comunes).
Para probarlos se coloca al multímetro en la posición para checar diodos o resistencias, entre el ánodo y
el cátodo no debe marcar bajo ninguna polaridad. Tampoco debe marcar entre la compuerta y el ánodo,
pero entre cada cátodo y la compuerta debemos medir un diodo.
Símbolo:
Ejemplo:
a)
b)
A
G
A
K
K G
Pulso
Pulso
Pulso
TRIAC (Transistor Interruptor de A.C.)
Su funcionamiento es similar al SCR, con la diferencia que el TRIAC permite la circulación de corriente
de ambos sentidos. Su compuerta pude ser disparada en tensiones positivas y negativas. De hecho el
TRIAC es un SCR bidireccional.
37
T1 = terminal 1
Potenciómetro
G = compuerta
T2 = terminal 2
TRIAC
DIAC (Diodo de AC):
Es un dispositivo de 3 capas similar a un transistor de unión PNP pero sin la terminal de base. Puede
conmutar voltajes de AC.
El diac es interruptor bidireccional de AC. Su función es similar al triac ya que permite la circulación de
corriente en ambos sentidos. La única diferencia es que en este dispositivo no existe la terminal G de
compuerta. Únicamente dejara de pasar la corriente en un sentido cuando exista la diferencia de
potencial definida por el fabricante. Puede conmutar voltaje de AC y pasar la corriente en ambos
sentidos.
T1 = terminal 1
T2 = terminal 2
SCS (Silicon Controlled Switch):
Es similar en cuanto a construcción al SCR. La diferencia está en que posee dos terminales de puerta,
uno para entrar en conducción y otro para corte. El SCS se suele utilizar en rangos de potencia menores
que el SCR.
Símbolo del SCS
El SCS tiene aplicaciones muy similares a las de SCR. Este último tiene la ventaja de poder abrirse más
rápido mediante pulsos en cada uno de los terminales de gate, pero el inconveniente que presenta
respecto al SCR es que se encuentra más limitado en cuanto a valores de tensión y corriente. También
se utiliza en aplicaciones digitales como contadores y circuitos temporizadores.
6.- Aplicaciones con semiconductores
Las aplicaciones de los semiconductores se pueden agrupar en 5 partes:
38
1)
2)
3)
4)
5)
Rectificadores
Amplificadores
Oscilador
Conmutador
Fuente de poder
6.1.-Rectificadores:
Hay varios métodos para realizar esta función, con Diodos semiconductores que tiene la función de
convertir de CA a CD.
Un rectificador es el que convierte la señal alterna a una señal pulsante de CD a una señal que aun no es
una señal de CD pura. Dependiendo del número de diodos utilizados podemos realizar rectificadores de
3 tipos:



Rectificador de media onda
Rectificador de onda completa
Rectificador tipo puente
Rectificador de media onda:
Es un circuito que utiliza un solo diodo, donde la mitad de cada ciclo no se aprovecha lo cual representa
un desperdicio de energía. Y su nombre viene de la mitad de cada ciclo no se aprovecha.
+
Rectificador de onda completa:
Es un circuito de fuente de alimentación que utiliza dos o más diodos como rectificadores, en donde el
desperdicio de energía la entrada es menor. En este tipo de rectificador utiliza un transformador con
derivación central, debido a que se pone a tierra la derivación central secundario para que la mitad
inferior del devanado secundario reduzca una señal que es igual a la señal superior pero con un
desfasamiento de 180º. Una limitante de este tipo de rectificador es que necesariamente utiliza un
transformador de derivación central.
in
Rectificador tipo puente:
Este rectificador combina las ventajas del rectificador de media onda y onda completa. Como el
rectificador de onda completa, el rectificador puente, puede fácilmente usar el ciclo completo de entrada
y es fácilmente filtrar.
39
El rectificador tipo puente reside de 4 diodos para completar el ciclo de entrada y su señal de salida no
requiere un transformador con plug de derivación central. En la actualidad se puede encontrar estos 4
diodos en un paquete. Eléctricamente ambos funcionan de la misma manera.
+-
-+
Nota: 2 de los diodos del puente están conduciendo en un ciclo,
Out
y los otros 2 no por estar polarizados inversamente, es decir
se van alternando su operación ayudando a alargar su vida.
Gráfica de la señal de salida del rectificador puente:
6.2.- Amplificadores.
Un circuito amplificador aumenta la señal que tiene a su entrada. Los amplificadores electrónicos se
utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Este amplificador
requiere de una alimentación directa con referencia a tierra, para aplicar una señal de CD o CA. Todo
amplificador tiene una ganancia que se calcula dividiendo el voltaje de salida entre la entrada. Para lo
anterior se requiere de un lazo de retroalimentación, que viene siendo una conexión de la salida con la
entrada.
6.3.- Oscilador.
Un circuito oscilador es un caso especial del amplificador, ya que genera una salida de CA a partir de un
voltaje de alimentación de CD sin necesidad de aplicar en su entrada ninguna señal de CA. Los
osciladores constan de un amplificador y algunos de un tipo de retroalimentación, es decir, las señales de
salida serán conducidas a la entrada del amplificador para regular la ganancia. A los osciladores también
se le conocen como multivibradores y sirven como fuente de reloj para circuitos digitales.
40
6.4.- Conmutador.
Un circuito conmutador es aquel que depende de la señal de una de las entradas es la entrada a salir
funciona como un interruptor de varias conexiones. Cuando los conmutadores tienen una salida se les
conoce como multiplexores, y se utilizan en infinidad de circuitos electrónicos.
6.5.- Fuente de Poder.
Una fuente de poder ó de alimentación es básicamente un circuito que convierte una señal de CA a CD.
Todos los circuitos eléctricos necesitan una fuente de poder, y en caso de requerir una baja corriente se
podrán usar baterías, de lo contrario se requerirá una fuente de poder o de voltaje que esté conectada a
la energía comercial. Una fuente de poder no genera voltaje ó potencia, sino más bien convierte una
potencia o un voltaje. Para realizarlo se requiere indispensablemente de las siguientes partes:

Un Transformador, puente de diodos, capacitor, regulador.
Nota: Dependiendo de la capacidad del transformador y el regulador en ampers, será la cantidad de
corriente máxima que la fuente de alimentación podrá proporcionar sin saturarse.
41
7.- Amplificadores operacionales
7.1.-. Introducción a los Circuitos Integrados.
El circuito integrado (CI) o chip, es una pieza de plástico generalmente de color negro que internamente
contiene muchos componentes electrónicos. Durante la década pasada a cambiado su uso por completo,
haciéndolo cada vez más pequeño, más económico y con mayores funciones. En la actualidad
transistores, diodos, resistencias y capacitores microscópicos forman una sola pieza de silicio.
Internamente el CI contiene miles de transistores y resistencias de otros componentes que están
diseñados en una oblea, del tamaño de un lunar la cual se instala en la parte de en medio de los CI, tal
como se ilustra a continuación:
Los CI’s son casi de uso exclusivo en muchos dispositivos digitales como cronómetros, relojes,
microcomputadoras, juegos y calculadoras. También se emplea en equipos analógicos modernos como
son amplificadores de audio y receptores de TV.
Los CI’s rara vez s e reparan, ya que en la actualidad es más fácil y económico reemplazar la tarjeta
completa que ponerse a reparar un CI.
En la actualidad existen 3 tipos de CI’s comercialmente:
1) CI monolítico: Es cuando los componentes forman parte de una oblea tipo P o tipo N.
2) CI de película delgada o gruesa: Es cuando los componentes electrónicos se forman sobre un
sustrato de cerámica o vidrio lo cual forma una película aislante.
3) CI hibrido: En este
este tipo de CI’s se combinan las características de los CI’s monolíticos y los de
película delgada o gruesa.
Ahora en cuanto su función, los CI´s se clasifican en dos grandes grupos:

CI’s digitales: Que procesan señales digitales y están constituidos por circuitos de pulsos. Una
señal digital es aquella que tiene 2 niveles discretos de voltajes, algunas veces indicados como 1
lógico (+ 5Vcd) y 0 lógico (0 Vcd o tierra). Su voltaje de alimentación es de +3 a +15 Vcd.
Ejemplo de un circuito digital:

CI’s lineales o analógicos : Que sirven para procesar señales analógicas. Una señal analógica
es aquella que varia en forma continua en proporción a su entrada. Las pastillas de CI’s lineales
contienen varios circuitos amplificadores para señales de amplitud de frecuencia o
radiofrecuencia. Su voltaje de alimentación oscila entre +15 a +40 Vcd.
Ejemplo de un circuito analógico:
42
Una diferencia entre los CI’s digitales y los CI’s analógicos es que los digitales maneja 0 y 1 y su nivel
de control es estable, y los analógicos manejan voltajes y su nivel de control no es estable. Mientras que
para los CI´s digitales únicamente existen 2 valores posibles (el 1 o 0), para los CI´s analógicos una
pequeña variación de corriente o voltaje representa un valor específico y diferente comparado con los
otros valores obtenidos.
Ahora de acuerdo
acuerdo a su complejidad los CI’S digitales
digitales se clasifican
clasifican en:




VLSI (Very Large Scale Integration = de integración a escala muy grande): Contiene una
circuitería igual o mayor a 1000 compuertas
compuertas lógicas.
LSI (Large Scale Integration = de integración a gran escala): Contiene una circuitería de entre
100 a 1000 compuertas lógicas.
MSI (Medium Scale Integration = de integración a mediana escala): Contiene una circuitería entre
12 y 100 compuertas lógicas.
SSI (Small Scale Integration = de integración a pequeña escala): Contiene un número de
compuertas menor a 12 compuertas lógicas (que son los que emplearemos en este curso).
Una oblea de silicio es más pequeña que una moneda de 12 mm de diámetro. Los CI´s se diseñan en
diferentes tipos de encapsulados, aunque generalmente son de forma rectangular y de plástico color
negro, aunque lo existen redondos y metálicos. Estos dispositivos lucen como transistores extra grandes
distinguiéndose en que tienen 10 ó 12 terminales en vez de 3. La mayoría de los circuitos modernos
vienen en encapsulados de doble fila de terminales, o sea los DIP (Dual-Inline Package) que son
empaques rectangulares de plástico que tienen 2 filas ó líneas paralelas de terminales. Los DIP
normalmente tienen 8, 14 ó 16 terminales. Normalmente son de color negro, aunque los existen de otros
colores. En todos los CI´s existe una ranura o un círculo grabado en la parte superior del envase para
identificar la terminal 1. Algunos dispositivos MSI y LSI tienen 24, 28 ó inclusive 40 terminales. La mayor
parte de los CI´s se ilustran en los diagramas esquemáticos como bloques.
1
2
3
4
(GND)
Parte
Superior
8 (Vcc)
7
6
5
1
2
3
4
5
6
(GND) 7
Parte
Superior
14 (Vcc)
13
12
11
10
9
8
1
2
3
4
5
6
7
(GND)8
Parte
Superior
16
15
14
13
12
11
10
9
(Vcc)
Un amplificador operacional (Amp Op) es sin duda el tipo más común de CI lineal o analógico, ya que es
un amplificador de amplia ganancia acoplado directamente. La ganancia del amplificador depende de
una red externa de retroalimentación, desde la salida hasta la entrada, que determina las características
de operación. La ganancia de un amplificador se fija por medio de resistencias externas. Su nombre
proviene del hecho de que los primeros Amp Op. fueron utilizados
utilizados por las computadoras analógicas para
llevar a cabo las operaciones matemáticas. Uno de los CI’s más populares y económicos es el CI 741,
éste CI puede venir en empaques de 8 y 14 terminales. En algunas ocasiones este número es precedido
o seguido por letras clave que identifican al fabricante, el tipo de encapsulado, el rango de temperatura,
43
el contenido, etc. Estas letras o números son útiles para los ingenieros que diseñan circuitos
electrónicos.
Símbolo:
Ejemplo de la configuración interna de un CI 741:
V
inversora
inversora
V
Un amp op tiene 2 terminales de entrada del lado izquierdo, la inversora (-) y la no inversora (+), y una
terminal de salida que está en la parte derecha de su símbolo. Todo amp op requiere de alimentarse de
voltaje positivo y negativo con su referencia a tierra. La entrada no inversora (+) estará en fase con la
señal de salida o mejor dicho, la salida del amp op estará en fase con una señal de entrada en esta
terminal. Para la otra entrada inversora (-), la señal de salida estará 180° fuera de fase con una señal de
entrada en esta terminal. El CI741 se puede configurar en innumerables configuraciones como son:
como inversor, como no inversor, como integrador, como restador, como diferencial, como integración,
como diferenciación y como comparador.
7.2.- Configuraciones principales:
Amplificador inversor:
En este tipo de configuración la salida está fuera de “fase” 180º con respecto a la entrada. Cuando la
señal de entrada aumenta (se hace mas positiva), el voltaje de salida decrece (se hace mas negativa) y
viceversa. El Amp.Op. tiene una resistencia R2 que retroalimenta parte de la señal de salida a la entrada.
La resistencia a la entrada R1 está conectada en serie con R2 para hacer el lazo de retroalimentación. La
señal se aplica a la entrada inversora (-) del amplificador. La ganancia de voltaje del amp op dependerá
del valor de la resistencia de entrada R1 y el de retroalimentación R2.
=
Amplificador no inversor:
Esta configuración se diferencia con la anterior en que usa la entrada NO inversora (+) en lugar de la
entrada inversora. La salida estará en “fase” con respecto a la entrada.
= Vout/Vin
44
En esta configuración la señal de entrada se amplifica pero no sufre inversión de polaridad alguna, por lo
que se dice que las señales de entrada y salida están en fase. En estos amplificadores puede utilizarse
como entrada voltajes de CD o CA. La ganancia de voltaje depende del coeficiente de las resistencias
externas (R1 y R2).
Ejercicios:
1. Calcular el voltaje de salida y las corrientes que circulan por el circuito de un multiplicador de
ganancia constancia inversor, cuando el voltaje de entrada es de 2 Vcd , R2 = 500 kΩ R1 = 100
KΩ.
2. Si cuentas con una batería de 9 volts y quieres alimentar tu autoestereo, diseñar el circuito
eléctrico apropiado con amp op para realizar la anterior. En lista todo el material que vayas a
utilizar.
3. Diseñar un circuito que amplifique un señal de 500 mV originario de un teclado de computadora,
para que esta señal pueda ser interpretada por los circuitos digitales que se encuentran en la
tarjeta madre.
Amplificador sumador:
Sin duda es el mas útil de las configuraciones en Amp. Op. utilizados en las computadoras, ya que en su
circuito considera 2 o más entradas de voltaje, el cual brinda un medio para sumar algebraicamente
voltajes de entrada, cada uno multiplicado por un factor de ganancia constante.
R4
R1
V1
R2
R3
V2
V3
Ejercicios:
1. Calcular el voltaje de salida y todas sus corrientes de un amplificador sumador para el siguiente
juego de voltajes de entrada y de resistencia cuando se cuenta con una resistencia de 1 MΩ en el
lazo de retroalimentación para todos los casos.
45
a) V1=+1V, V2=+2V, V3=+3V, R1=500 KΩ, R2=1MΩ y R3=1MΩ.
b) V1= -2V, V2=+3v, V3=+1V, R1=200 KΩ, R2=500 KΩ, R3=1MΩ
c) V1=+5V,V2= -6V,V3=+2V, V4= -3V, R1=150 KΩ, R2=220 MΩ, R3=550 MΩ, R4=330 Ω
Amplificador Integrador:
Hasta ahora las configuraciones que se han visto utilizan solamente resistencias, en este tipo de
configuraciones se utiliza un capacitor en el lazo de retroalimentación. La ganancia del amp op variará
con la frecuencia, ya que la reactancia del capacitor es dependiente de la frecuencia. A medida que la
frecuencia de entrada aumente, la reactancia del capacitor en el circuito de retroalimentación disminuye,
nulificando más y más la señal de entrada a las frecuencias más altas, de ahí que también se le conoce
como “filtro pasa bajos activo”. El término “activo” es porque más bien amplifica en lugar de producir
atenuación.
C
Amplitud
R1
Banda
de paso
f (Hz)
Amplificador restador o diferencial:
Si se aplican señales diferentes a cada una de las señales de entrada de un amplificador con ganancia
unitaria, la salida será igual a la diferencia entre las señales de entrada. Este tipo de configuración resta
las 2 señales de entrada que puede tener el Amp. Op (Entrada inversora y no inversora).
V2 = V3 + V4
Amplificador diferenciador:
Este es el proceso opuesto a la integración, ya que en vez de utilizar un capacitor en el lazo de
retroalimentación utiliza resistencia, y en vez de la resistencia de entrada se sustituye por un capacitor. El
circuito diferenciador no es un circuito de computadora tan útil como el integrador debido a problemas
prácticos con el ruido. Como el capacitor esta en la línea de entrada, las frecuencias bajas son
bloqueadas antes de que tengan oportunidad de alcanzar al propio amp op. A las frecuencias más altas
se les permite el paso y son amplificadas como en un amplificador inversor ordinario, razón por la cual
también se le conoce “filtro pasa altos activo”.
46
R2
Amplitud
Banda de
paso
Vin
Vout
f (Hz)
8.- Circuitos de Tiempo (MV)
8.1.- Características:
Otro tipo de CI popular y versátil es el circuito de tiempo o timer, que se encuentra situado entre los
circuitos analógicos y digitales, pudiéndose utilizar en cualquiera de los 2. El multivibrador (MV) es un
generador de pulsos que produce a su salida una onda cuadrada o rectangular. Es frecuente clasificar a
los multivibradores de acuerdo a su estabilidad. Los MV se clasifican de acuerdo a su estabilidad. Un
estado estable permanecerá en la condición de apagado (off) hasta que entre en operación al aplicar al
circuito pulso de disparos externos.
t1
t2
Dependiendo de cómo se conecte externamente resistencias y capacitores se pueden llegar a realizar 3
tipos de clases MVs: Astable, Estable y Monoestable.
CI oscilador ó Temporizador 555:
El CI 555 es muy popular y se adapta fácilmente a estos 3 tipos de configuración. Actualmente lo
fabrican diferentes compañías. Hay cierto número de otros circuitos de tiempo en CI, pero todos ellos
trabajan básicamente en la misma forma. El CI 555 está disponible en varios estilos de paquete, pero la
versión de 8 terminales es la que se utiliza con más frecuencia. La disposición de las terminales para un
circuito 555 es:
1
2
3
4
8
7
6
5
La descripción de las terminales es:
47
La terminal # 1 (Tierra): Es simplemente la terminal de tierra para el circuito. El CI 555 se debe usar con
tierra negativa, donde debe ser el voltaje más bajo aplicado a cualquiera de sus terminales. No debe
conectarse voltajes negativos.
La terminal # 2 (Disparo): Es la entrada de disparo donde normalmente mantiene un valor constante de al
menos una tercera parte del voltaje de la fuente. Si el voltaje disparo cae bajo un tercio de la fuente, se
dispará el circuito y se iniciará el ciclo del tiempo.
La terminal # 3 (Salida): Es la salida de los pulsos de tiempo en la mayoría de los casos.
La terminal # 4 (Restaurar): Restablece o restaura a su estado original el CI, de reposo al final del ciclo
de tiempo.
La terminal # 5 (Voltaje de control): Casi no se utiliza, pero en aplicaciones especiales es
extremadamente útil. Cuando no se utiliza se recomienda conectar a tierra por medio de un capacitor de
0.01 μfd para estabilizar el CI.
La terminal # 6 (Umbral): El potencial sobre esta terminal le indica al circuito cuando iniciará su ciclo de
tiempo. Una resistencia se conecta de esta terminal a la terminal positiva (+) de la fuente de
alimentación.
La terminal # 7 (Descarga): Se usa para determinar la duración del ciclo de tiempo. Se recomienda
conectar un capacitor entre esta terminal y la terminal de tierra.
La terminal # 8 (+V): Es la terminal positiva de la fuente de alimentación. Se usa para alimentar el CI con
voltajes que oscila entre +5 a +15 Vcd.
Multivibrador Monoestable:
Conocido como MV de disparo ya que produce un solo pulso de salida de cierta duración cuando se
aplica a la estrada un pulso de cualquier duración. Es un circuito que tiene un estado estable de salida
(casi nivel tierra), y cuando es disparado pasa a un estado inestable (cercano a nivel de la fuente de
voltaje). La salida se mantiene es este nivel inestable por un período de tiempo específico determinado
por los valores de Rt y Ct. Después la salida se regresa a su estado original, estable. Este pulso será de
la misma duración independientemente del tiempo de la señal de disparo (se supone que la señal de
disparo siempre será menor que la del pulso de salida). Un MV monoestable es un circuito
extremadamente útil en innumerables aplicaciones de control y sincronización.
MV
Monoestable
+V
Rt
8
1
Ct
48
Para una operación confiable, Rt deberá estar entre 10 kΩ (0.01 MΩ) y 10 MΩ, Ct deberá estar entre 100
pfd (0.0001 μfd) y 1000 μfd. Por lo anterior podemos observar que este circuito es capaz de producir
períodos de tiempo desde 0.0000011 seg 1.1 μseg) a 11,000 seg (183 min o sea sobre 3 hrs). Es
evidente que este dispositivo tiene una gama bastante grande de uso.
Ejemplo: Diseñar un circuito con configuración de MV para que las luces de un a casa se prendan
durante un lapso de 4 min. Cada vez que se abra la puerta principal.
Multivibrador Biestable:
Conocido como “f lip-flop”, ya que de un pulso de entrada cambia su estado de salida, es decir con un
solo pulso a su entrada, causa que la salida cambie de estado alto (1) al estado bajo (0) y permanezca
en él. El MV biestable siempre se encuentra en uno de sus estados estables. Este MV biestable no tiene
estados estables, ya que sus estados de salida señal de cero (0) ó uno (1), se consideran estables hasta
que no se genere otro pulso de entrada que lo haga cambiar de estado. El circuito es similar al MV
monoestable.
MV
Biestable
Multivibrador Astable:
Es el más utilizable, conocido como oscilador continuo de pulsos, ya que genera un flujo continuo de
pulsos digitales, en esta configuración no existe un estado estable. Esta configuración no requiere de un
pulso a la entrada para cambiar de estado o disparar el pulso de señal de salida. Para realizar un MV
astable con un CI 555 se ensambla de manera similar que la del MV monoestable, solo que tiene 2
principales diferencias: La primera es que la Rt se divide en 2 resistencias separadas (Ra y Rb), y la
segunda es que no hay entrada para una señal de disparo. Este circuito es autodisparador, La salida del
circuito fluctúa entre los mismos 2 estados como la versión monoestable, pero en éste circuito ningún
estado de salida es estable. A continuación se ilustra la manera de conectar un CI 555 para operar como
MV astable. El tiempo en que la salida está en su estado de voltaje alto (1 = +5 Vcd) se determina por Ct,
Ra y Rb de acuerdo a la siguiente fórmula: T1 = 0.693 x (Ra + Rb) x Ct. Mientras que el tiempo en que la
salida está en su estado bajo (0 = 0 Vcd) ó tierra, depende únicamente de Ct y Rb de acuerdo a la
siguiente fórmula: T2 = 0.693 x (Rb x Ct). Evidentemente el tiempo total (T) del ciclo completo es
simplemente la suma de los tiempos alto y bajo, o sea:
T = T1 + T2 = 0.693 x (Ra + 2 Rb) x Ct
La salida oscila entre los 2 estados a una frecuencia constante. Este circuito también recibe el nombre de
oscilador de onda rectangular, ya que la onda de salida generalmente es rectangular porque T1 es
cuando menos ligeramente mayor que T2. La relación entre el tiempo del estado alto y el tiempo del
estado bajo se llama “ciclo de trabajo”. Si ambos tiempos son iguales el ciclo de trabajo es de 50 % y la
señal es una onda cuadrada. Puesto que se tiene un ciclo repetitivo, podemos referirnos a él en términos
de la frecuencia. La frecuencia de un ciclo repetitivo es el número de ciclos completos que ocurren en un
segundo. La frecuencia se puede calcular al tomar la recíproca del tiempo requerido para que se realice
un ciclo.
F = 1 / T = 1.44 / (Ra + 2 Rb) x Ct
49
Esencialmente en este circuito MV astable se tiene las mismas limitaciones en el rango de los valores de
las resistencias y del capacitor que en el caso de un circuito MV monoestable. La mayor parte de los
circuitos que se construyen en base del CI 555, son variaciones de uno a otro de estos circuitos
fundamentales. Pero estos circuitos básicos pueden encontrar aplicaciones en un vasto número de
sistemas electrónicos.
Ct
Ejemplo: Diseñar un circuito para que la salida de un MV astable genere pulsos con un período de 3
segundos. Dibujar su circuito y en listar todos los componentes que se emplearían.
CAPITULO No. 2.- ELECTRONICA DIGITAL.
1.- Sistemas numéricos.
1.1.- Representación y conversiones entre diferentes bases.
Los sistemas numéricos son aquellos de los cuales los símbolos tienen un valor según la posición que
ocupen. Las potencias de su base son los que ocupan cada valor (nunca se llega a la base). Los
sistemas de numeración se usan para el procesamiento de datos y para el control industrial, en los que
los sistemas digitales hacen las operaciones con números discretos. Los números pueden representarse
en diferentes sistemas de numeración que se diferencian por su BASE. La BASE de un sistema de
numeración, es el número de los símbolos distintos utilizados para la representación de las cantidades en
el mismo.
El sistema de numeración utilizado en la vida cotidiana es el de la base 10 ó decimal, el cual existen 10
símbolos distintos (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9). En los sistemas digitales el sistema de numeración
empleado es el de la base 2 ó binario, en el cual existen solamente 2 símbolos : 0, 1.
La representación de los números en los sistemas de numeración se dan con la base de b, y un numero
N es decimal.
50
N = anbn + an-1bn-1 + …..+aibi +…+a0b0 +a-1b-1 + ….+ a-pb-p
Donde:
ai = Número perteneciente al sistema
a) Sistema Decimal:
Donde la base es: b = 10
y los coeficientes son: ai=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.
Ejemplo:
Si N=1345.82
N=1 * 103 + 3*102 + 4*101+5*100+8*10-1+2*10-2
N=1000+300+40+5+0.8+0.02
N=1342.32
b) Sistema Binario:
Donde la base es: b=2
y los coeficientes son: ai= 0,1
Ejemplo:
Si N = 10101.01
N=1*24+0*23+1*22+0*21+1*20+0*2-1+1*2-2
N=16+0+4+0+1+0+0.25
N=21.25
c) Sistema Octal:
Donde la base es: b=8
y los coeficientes son: ai=0,1,2,3,4,5,6,7.
Ejemplo:
Si N=375.26
N=3*82+7*81+5*80+2*8-1+6*8-2
N=192+56+5+0.25+0.093
N=253.34
d) Sistema Hexadecimal:
Donde l base es: b=16
y los coeficientes son: ai=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F.
Ejemplo:
Si N=4652.83
N=4*163+6*162+5*161+2*160+8*16-1+3*16-2
N=16,384+1,536+80+2+0.5+0.01
N=18,002.51
51
Ejercicio:
A completar la siguiente tabla:
Decimal
Binario
Octal
Hexadecimal
(Base 10)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
(Base 2)
(Base 8)
(Base 16)
Conversiones entre sistemas numéricos:
1.- Conversión de Decimal a Binario (D-B):
52
2.- Conversión de Decimal a Octal (D-O):
3.- Conversión de Decimal a Hexadecimal (D-H):
53
4.- Conversión de Binario a Decimal (B-D):
Si N=10011
N=1*24+0*23+0*22+1*21+1*20
N=16+0+0+2+1
N=19
Si N=1010.0110
N=1*23+0*22+1*21+1*20 . 0*2-1+1*2-2+1*2-3+0*2-4
N=8+0+2+0 . 0+ 0.25+1.125
N=10.375
5.- Conversión de Binario a Octal (B-O):
6.- Conversión de Binario a Hexadecimal (B-H):
7.- Conversión de Octal a Decimal (O-D):
Si N=567
N=5*82+6*81+7*80
N=320+48+7
N=375
8.- Conversión de Octal a Binario (O-B):
54
9.- Conversión de Octal a Hexadecimal (O-H):
Si N = 567
Entonces:
5
101
1
6
110
7
7
111
7
La respuesta es: N = 177 en hexadecimal
10. Conversión de Hexadecimal a Decimal (H-D):
Si N= 2E7
N=2*162+14*161+7*160
N=512+224+7
N=743
Si N=C9E.F4
N=12*162+9*161+14*160. 15*16-1+4*16-2
N=3072+144.937+0.0156
N=3230.953125
11.- Conversión de Hexadecimal a Binario (H-B):
55
12.- Conversión de Hexadecimal a Octal (H-O):
1.2.- Operaciones básicas entre sistemas:
Las operaciones aritméticas con números en base “b” siguen las mismas reglas que los números
decimales. Cuando se usa una base diferente de 10, se debe tener cuidado de usar solamente la “b” de
los dígitos permitidos.
Suma:
La suma de 2 números binarios se calcula mediante las mismas reglas que los decimales, con la
diferencia de que los dígitos de la suma en cualquier posición significativa pueden ser cero o uno.
Cualquier “lleva” obtenida en una posición significativa dada, se usa por el par de dígitos en la posición
significativa superior.
Sumando
Incremento
56
Resta:
La resta es un poco más complicada, sus reglas son las mismas que en el caso del sistema decimal,
excepto que la lleva en una posición significativa dada, agrega el número 2 al digito del minuendo. (Una
lleva en el sistema decimal agrega 10 al digito del minuendo).
Minuendo
Sustraendo
11
7
Nota: Complemento a dos:
1. Intercambia 0s por 1s (por ejemplo: 0111 se convierte a 1000).
2. Se le suma 1 (o sea: 1000+1 = 1001).
Y el resultado es : 1001.
Multiplicación:
Es más simple, ya que los dígitos de multiplicador son siempre 1 o 0, por lo tanto los productos parciales
son iguales al multiplicado o al 0.
División:
En sistemas numéricos se emplea el mismo concepto de la multiplicación, es decir al interactuar el
cociente con el divisor.
57
1.3.- Códigos Binarios:
Los sistemas digitales electrónicos usan señales que tienen 2 valores distintos y elementos de circuito
que tienen 2 estados estables. Los sistemas digitales representan y manipulan no solamente los
números binarios, sino también muchos elementos de directos de información. Cualquier elemento
discreto de información específico entre un grupo de cantidades puede ser representado por un código
binario.
Un “bit” por definición es un digito binario, y cuando se usa en asocio con un código binario es mejor
pensar que denota la cantidad binaria igual a 0 o 1. Un conjunto de cadenas de n bits en que las
diferentes cadenas de bits representan diferentes números u otras cosas se llaman código. Una
combinación particular de valores de n bits se llama palabra de código.
Código de BCD (Código Binario Decimal)
Sin duda es el código más utilizado y sus siglas en inglés significan código binario decimal, ya que
codifica los dígitos del 0 al 9 por sus representaciones binarias sin signo de 4 bits (del 0000 al 1001).
Las palabras del código del 10 al 15 (1010 al 1111) no se usan. Las conversiones entre las
representaciones BCD y decimales son triviales (directa, sin complicación) una sustitución directa de 4
bits por cada digito decimal. Algunos programas de computadora colocan 2 dígitos BCD en un byte de 8
bits en la representación BCD empacada, por lo que un byte puede representar los valores del 0 al 99 en
vez de 0 a 255 para un número binario normal de 8 bits sin signo.
Ejemplo: Convertir los siguientes números decimales a BCD:
58
Se dice que un código es con peso cuando según sea la posición del bit va tener un valor. Los números
decimales codificados en binario están en código pesado, debido a que cada dígito decimal puede
obtenerse de su palabra de código al asignarle un peso fijo a cada bit de la palabra. Los pesos para los
bits BCD son: 8,4,2 y 1, por esta razón también se le llama a éste código “8421” Por otra lado, se dice
que un código es sin peso cuando su valor no depende de la posición de algun bit.
Código Gray:
Se utiliza ampliamente en ordenadores o codificadores de posición axial, mecánicos y ópticos. Es un
código sin ponderación, y solo cambia un bit de cada palabra sucesiva. Se emplea como una rueda que
tienen posiciones sucesivas en los cuales los datos binarios cambian un solo bit (el código Gray solo
permite ambigüedad de una posición).
Para convertir un número binario a Gray se empieza con el MSB (Bit Más Significativo) del número
binario, compárese cada par de bits subsecuentes. Si son iguales póngase un 0 en la palabra del código
Gray. Si son deferentes póngase un 1 en la palabra del código Gray (Comparece el primer digito binario
a 0 para iniciar).
Ejemplo: Convertir los siguientes números binarios al código Gray.
Código Exceso a 3:
Este código es una forma modificada del BCD. Como su nombre lo indica, cada carácter codificado en el
código de exceso a 3, es mayor numéricamente a 3 con respecto al BCD.
59
Ejemplo:
Tarea: Convertir los siguientes números decimales a código BCD, Gray y exceso a 3.
a) 82
b) 153
c) 47
d) 143
e) 65
Código ASCII
Además de los códigos binarios que pueden representar dígitos decimales del 0 al 9, existe un gran
número de códigos binarios usados para representar ambas clases de caracteres (numéricos y
alfanuméricos). Por esta razón a estos códigos también se les conoce como alfanuméricos. Un código
estándar aceptado mundialmente en la industria es el código ASCII. Este es un código de 7 bits que
permite la representación de letras mayúsculas y minúsculas, caracteres alfabéticos, números,
caracteres especiales (por ejemplo: *,+,=, etc.), y más de 30 comandos u operaciones de control (por
ejemplo: inicio de mensaje, fin de mensaje, retorno de carro, salto de línea, etc.). Existe una tabla de
tramas de 7 bits para cada código ASCII.
Por ejemplo:
En Hexadecimal:
En Binario:
H
48
100 1000
7 bits
O
4F
100 1111
7 bits
L
4C
100 1100
7 bits
A
41
100 0001
7 bits
2.- Algebra Booleana:
Como anteriormente vimos, el sistema binario es un sistema numérico que sin embargo puede
representar valores o ideas no numéricas, esta característica es la que hace necesaria una lógica de
manejo e interpretación de los valores representados, esta lógica es precisamente el algebra de Boole,
cuya definición es:
Una estructura algebraica definida en un conjunto de elementos B (números binarios), junto con 2
operadores binarios, la OR (+) y la AND (.) y el operador unitario NOT (- ó ‘) identificada con una ralla
arriba o apóstrofe.
Como cualquier estructura algebraica, esta tiene sus postulados y teoremas como veremos a
continuación.
60
2.1.- Teoremas y Postulados.
X
+Y
2.2.- Compuertas lógicas.
Los circuitos digitales electrónicos se llaman circuitos lógicos ya que con las entradas adecuadas
establecen cambios de manipuleo lógico. Cualquier información deseada para calcular o controlar, puede
ser operada pasando señales binarias a través de varias combinaciones de circuitos lógicos, donde cada
señal representa una variable y transporta un bit de información. Estos circuitos llamados compuertas
están formados por un bloque de circuitos (Resistencias, transistores, capacitores, etc.) que producen
señales de salida de lógica 0 ó lógica 1, siempre y cuando se satisfaga las condiciones de sus entradas
lógicas.
A continuación veremos las más importantes:
61
62
Compuerta Triestado:
Tabla de verdad
Entradas Salidas
(Variables) (Funciones)
X Y
F1
F2
0 0
sin señal 0
0 1
0
sin señal
1 0
sin señal 1
1 1
1
sin señal
X
F1
Y
X
F2
Y
Los CIs solo son del tipo de compuerta exclusiva, es decir que internamente solo tiene compuertas AND,
OR o XOR, etc. Como se puede apreciar es las siguientes figuras:
63
CI 74 LS 08
CI 74 LS 32
CI 74 LS 04
64
2.3.- Simplificación de Funciones.
Por Teoremas y postulados.
Los teoremas y postulados antes vistos sirven tanto para probar que 2 expresiones son idénticas como
para simplificar y manipular algebraicamente expresiones Booleanas, logrando con esto que la misma
operación del circuito se pueda obtener usando menos circuitos electrónicos.
Ejemplo:
Simplifica a su mínima expresión por del algebra de Boole (Teoremas y Postulados) las siguientes
funciones realizando su circuito lógico.
Por Minitérminos:
Unas variables binarias pueden aparecer en su forma normal (x) o en la forma de complemento
.
Ahora si consideramos 2 variables X y Y combinadas con la operación AND, habrá 4 combinaciones
, donde cada uno de estos 4 términos AND se les llama
posibles:
términos mínimos o Miniterminos.
Cuado se smplifica por mnitermnos
Por Maxiterminos:
De manera similar cuando se combinan las 2 variables formados por la operación OR, se tendrá 4
combinaciones posibles:
, las cuales cada uno de los 4 términos
OR se les llama términos máximos o Maxiterminos.
Lo anterior se utiliza para poder representar en una tabla de verdad las variables y las funciones.
Nota:
En los Minitérminos los ceros se toman negados y los unos se toman normal y las variables se suman
cuando existan unos en las funciones.
65
Simplificación con Miniterminos:
Nota:
En los Maxiterminos los unos se toman como negados y los ceros se toman normales y las variables se
multiplican cuando existan ceros en las funciones.
66
Simplificación con Maxiterminos:
Ejercicio: Realizar los diagramas lógicos de la anteriores expresiones.
NOTA: Tanto los resultados de Minitérminos como Maxiterminos las expresiones algebraicas se pueden
simplificar aun más por medio de los teoremas o postulados, y los resultados serán siempre los mismos.
Por Mapas de Karnaugh:
El método de los mapas o diagramas de Karnaugh es el más apropiado para minimizar funciones de 2,3,
y 4 variables de entrada, auque también pueden utilizarse para funciones de 5 ó 6 variables. El diagrama
consiste en la representación figurada de una tabla de verdad. Un diagrama para N variables requiere 2N
celdas, cada una representando un Minitermino de dichas variables. En dichas celdas se colocan los
valores de “1” y “0” según sea el valor de la función correspondiente.
Para establecer la combinación de variables correspondientes a cada celda, hay que numerar el renglón
y la columna especificando dicha celda, es decir, para determinar la combinación de entrada de una
celda hay que examinar los encabezados de los renglones de las columnas.
Mapas de Karnaugh de 2 variables:
Para simplificar las funciones se siguen las siguientes reglas para múltiplos 2 variables:
1. Cualesquiera dos estados lógicos unos adyacentes, se pueden combinar (agrupar) para
representar una variable simple.
2. Cualquier estado lógico uno simple en el mapa, representa la función AND de 2 variables.
3. La expresión total correspondiente a los estados lógicos unos del mapa es la función OR de
varios términos de variables, los cuales cubren la totalidad de estados lógicos unos en el mapa.
Ejemplo: Simplificar la siguiente tabla de verdad para 2 variables de entrada.
2n=22=4
Solamente se toman en cuenta los unos y se agrupan en 2 (siempre y cuando estén adyacentes) para
sacar una sola variable y minimizar el resultado.
Ejercicio: Simplificar la siguiente tabla de verdad por medio de Miniterminos, Maxiterminos y Mapas de
Karnaugh hasta comprobar que los resultados son iguales.
67
Mapas de Karnaugh de 3 variables:
Para 3 variables existen 8 (23) combinaciones posibles. Las reglas para la simplificación usando los
Mapas de Karnaugh son:
1. Un grupo de 4 localidades se pueden combinar para representar una variable simple.
2. Un grupo de 2 localidades se pueden combinar para representar un término de 2 variables.
3. Una localidad simple representa un término de 3 variables (observe que las agrupaciones de 3, 5,
6,7 localidades no se representan con un término).
Nota: El orden mostrado 00, 01, 11 y 10, se empleará siempre en los mapas de Karnaugh para que sea
posible la simplificación por agrupamiento de adyacentes.
Ejemplo: Simplificar la siguiente tabla de verdad para 3 variables de entrada.
Mapas de Karnaugh de 4 variables
Una expresión bolean de 4 variables se tabula en un mapa de Karnaugh de 16 localidades. El
ordenamiento que se sigue también permite la agrupación de unos adyacentes para obtener las
expresiones más simples. Las reglas para 4 variables son:
1.
2.
3.
4.
Una agrupación de 8 localidades de adyacentes representa un término de 1 variable simple.
Una agrupación de 4 localidades adyacentes representa un término de 2 variables.
Una agrupación de 2 localidades adyacentes representa un término de 3 variables.
Localidades individuales representan un término de 4 variables.
El mapa de 4 variables es el siguiente:
68
Ejemplo: Simplificar la siguiente tabla de verdad para 4 variables de entrada.
Ejercicios:
1.- Sacar la expression lógica para los #s pares y #s impares de una tabla de verdad de 4 variables,
sacando por Miniterminos, Maxiterminos y Mapas de Karnaugh la mínima expresión lógica. Una vez
obtenido el resultado realice su circuito lógico.
69
2.- En una embotelladora se quiere premiar algunos de los productos que envasan, para ello se usa un
contador del 0 al 15 el cual dará una señal cada vez que se cuente un # múltiplo de 4, esta señal
accionará un dispositivo que pondrá el ticket premiado en el envase. Diseñe la función para lo anterior.
3.- Lógica Combinacional.
Los circuitos lógicos se clasifican en 2 tipos: Combinacionales y Secuenciales.
Circuitos combinacionales:
Un circuito combinacional es aquél cuyos resultados y datos de salida dependen únicamente de los datos
de entrada en ese momento y del arreglo de compuertas que lo componen.
Un circuito combinacional puede contener un número arbitrario de compuertas e inversores lógicos, pero
no lazos de retroalimentación. Un lazo de retroalimentación es una ruta para alguna señal del circuito que
permite que la salida de una puerta se propague hacia la entrada de la misma compuerta.
3.1.- Análisis, Síntesis y Diseño de circuitos.
Para resolver un circuito lógico combinacional se puede hacer de 3 maneras:
1. Análisis: es cuando comenzamos con un diagrama lógico hasta tener una descripción formal de
la(s) función(es) de salida realizada por el circuito, sea una tabla de verdad, o una expresión
lógica.
2. Síntesis: Es cuando vamos en dirección contraria (como lo hemos venido haciendo),
comenzamos con una descripción formal y llegamos al diagrama lógico.
3. Diseño: Es un súper conjunto de la síntesis, ya que en un problema real de diseño usualmente
comenzamos con una descripción informal (verbal o una idea) del circuito.
Los circuitos combinacionales pueden tener una o más salidas. La mayoría de las técnicas de análisis y
síntesis pueden extenderse de una forma obvia de circuitos de una sola salida a circuitos de salidas
múltiples. Las técnicas formales de análisis para circuitos digitales se fundamenta en un sistema
algebraico de 2 variables llamada “Algebra Booleana” .
Para realizar el análisis de un circuito combinacional se siguen los siguientes pasos:
1. Señalar con símbolos arbitrarios todas las salidas de las compuertas que son una función de las
variables de entrada: Obténgase las funciones de Boole para cada compuerta.
2. Márquese con otros símbolos arbitrarios aquellas compuertas que son una función de las
variables de entrada y las compuertas marcadas anteriormente. Encuéntrese las funciones de
Boole para ellas.
3. Repítase el proceso del paso 2 hasta obtener las salidas del circuito.
4. Obténgase las funciones de Boole de salida en términos de las variables de entrada solamente,
por sustitución repetida de las funciones definidas anteriormente.
Pasos para realizar la tabla de verdad:
70
1. Determinar el número de variables del circuito. Para “n” entradas se tendrá 2n posibles
combinaciones.
2. Realizar su operación lógica de las compuertas seleccionadas con símbolos arbitrarios.
3. Obtener la tabla de verdad para las salidas de aquellas compuertas que son una función de las
variables de entrada solamente.
4. Proceda a obtener la tabla de verdad para las salidas de aquellas compuertas que son una
función de los valores definidos previamente, hasta que se determinen las columnas para todas
las salidas.
Ejemplo: Realizar el análisis del siguiente circuito combinacional:
3.2.- Diseño de circuitos combinacionales.
71
En el diseño de circuitos combinacionales se comienza desde el enunciado del problema y termina con el
diagrama del circuito lógico, o con un conjunto de funciones de Boole de los cuales se pueden obtener el
diagrama lógico fácilmente. Los pasos a seguir son:
1. Se enuncia el problema
2. Se determina el número requerido de variables de entrada, y el número requerido de variables de
salida.
3. Se le asignan letras a las variables de entrada y salida.
4. Se deduce la tabla de verdad que define las relaciones entre las entradas y las salidas.
5. Se obtiene la función de Boole simplificada para cada salida.
6. Se saca la relación de CIs a utilizar y se dibuja el circuito lógico.
7. Finalmente se implementa físicamente el circuito obtenido en el punto anterior.
Ejemplos:
1.- Diseñar un circuito lógico combinacional que cuente hasta el numero 7 y cuya salida sea alta, solo
cuando la mayoría de las entradas sea alta.
2.- Diseñe el circuito lógico combinacional para 3 entradas, de tal forma que la salida se encuentre en
estado alto únicamente cuando la primera entrada sea 0 ó si la segunda es igual a la tercera y ambas de
estas últimas sean igual a 1.
3.- En una ensambladora automotriz se requiere diseñar un circuito lógico combinacional que señale
cuando dos o mas llantas del auto este baja. Para lo anterior se considera instalar un sensor en cada
llanta para que mande una señal cuando detecte menos de 25 libras. Realice un circuito lógico que
solucione lo anterior.
3.3.- Aplicaciones de los circuitos combinacionales. (Exposiciones)
Los circuitos combinacionales MSI (Integración a Mediana Escala) modernos realizan diversas
operaciones de datos e información codificada en binario que normalmente utilizan los sistemas digitales.
Algunas de estas operaciones son:
1.- Decodificar y Codificar (cambiar los datos de un tipo de código a otro).
2.- Multiplexar (seleccionar a uno entre diversos grupo de datos).
3.- Demultiplexar (distribuir los datos a uno de varios destinos).
4.- Envío de datos por un canal (transmisión de datos entre varios dispositivos a una canal común).
Decodificador.-
Es un circuito lógico que convierte un código binario de entrada de N bits en M líneas de salida (N puede
ser cualquier # entero y M es un # entero ≤ 2 N), de manera tal que cada una de estas líneas sólo sea
activada para una posible combinación de entradas. Se abrevia como “Decoder”.
Algunos decodificadores tienen una o más entradas de habilitación, que se utilizan para controlar la
operación del decodificador. Generalmente se representa con la letra “E” (enable) y también se emplea
para fines de extensión a más líneas. Donde la palabra “Codigo” significa un conjunto de valores ó
símbolos que expresan ciertos pensamientos. Algún ejemplo de decodificador es el “decodificador de
BCD a 7 segmentos” que convierte un dígito binario en decimal BCD a 7 salidas para la selección de un
conjunto de 7 segmentos necesarios para exhibir un dígito decimal en un LCD. Un LCD (Líquido Cristal
Dispositivo) es un arreglo de 7 segmentos que sirve para exhibir dígitos decimales, y se utiliza
ampliamente en dispositivos de baterías, como calculadoras, relojes, etc., ya que el LCD trabaja con
voltajes bajos (3 a 15 Vcd) y baja frecuencia (25 a 60 Hz). El LCD prácticamente consiste de 7 LEDs con
la forma de rectángulos angostos y dispuestos en un patrón en forma de 8. De tal manera que si todos
los 7 LEDs están encendidos en el arreglo, aparecerá el # 8, si el # 7 se forma se encienden los
segmentos a, b y c.
Un arreglo de 7 segmentos puede ser ya sea de cátodo ó ánodo común. Existe únicamente una terminal
para el elemento común, y las otras terminales se llevan individualmente al exterior. La palabra común no
72
se refiere necesariamente al punto común de “tierra”, si no se refiere simplemente a un elemento
compartido en éste caso, el elemento compartido para los 7 segmentos es la terminal común referida a
+5 Vcd para ánodo común y la tierra (0 Vcd) para cátodo común (recordar que los segmentos son LEDs
que tiene ánodo y cátodo). Entre más alta sea la corriente con más brillo encenderán los LEDs. Debido a
que la corriente máxima que soportan los LEDs de los “displays” es pequeña (aprox. 20 mAmp), es
necesario instalar una resistencia (220 Ohm ó 330 Ohm) en serie a cada entrada de los 7 segmentos
para no sobrepasar ó limitar la corriente.
Codificador.-
También llamado “Encoder” ó se abrevia como “Coder”, son dispositivos tales que al activar una de las
líneas de entrada, en su salida se forma un código (patrón de bits) que identifica a la línea activada, es
decir un codificador tiene varias líneas de entrada, solo una de las cuales se activa en un momento dado,
y produce un código de salida de N bits según la entrada que se active. Codificar significa pasar de un
código entendible (normal) a otro código no entendible.
A0
A1
Codificador
O0
O1
⋮
⋮
AN
OM
Solo una Entrada es alta
Multiplexor.73
También se abrevia como “Mux” y es un circuito lógico que acepta varias entradas de datos y permite
solo a una de ellas alcanzar la salida. La dirección deseada de los datos de entrada hacia la salida es
controlada por entradas de Selección (o Dirección). El Mux actúa como un interruptor de posiciones
múltiples controlado digitalmente, donde el código digital que se aplica a las entradas de Selección
controla que entrada de datos serán trasladas hacia la salida. Dicho de otra manera, un Mux selecciona
una de N fuentes de datos de entrada y transmite los datos seleccionados a un solo canal de salida. A
esto se le llama Multiplexación.
Multiplexor de 4 canales
de entrada, de 2 bits
Multiplexor de 4 canales
de entrada, de 1 bit
Demultiplexor.-
También se abrevia como “Demux” y es un circuito lógico que efectúa la opera ción contraria al Mux, es
decir toma una sola entrada y la distribuye en varias salidas. El código de entrada de selección determina
hacia que salida se transmitirá la entrada de Datos. En otras palabras, el Demux toma una fuente de
datos de entrada y la distribuye selectivamente a uno de N canales de salida, al igual que un interruptor
de múltiples posiciones.
Demultiplexor de 4 canales
de salida, de 1 bit
Demultiplexor de 4 canales
de salida, de 2 bits
Comparadores de Magnitud.-
Es un circuito combinacional que compara 2 cantidades binarias de entrada y genera salidas que indican
que palabra tiene mayor magnitud. Ejemplo el CI 74LS85 es un comparador de magnitud de 4 bits.
Convertidores de Código.-
Un convertidor de códigos es un circuito lógico que cambia los datos presentados en cierto típo de código
a otro código binario. El decodificador de BCD a 7 segmentos es un convertir de código porque cambia el
código de entrada BCD al código de 7 segmentos necesario por el dispositivo de presentación visual de
LED. Los convertidores de código más comunes son: BCD a 7 segmentos, BCD a binario, Binario a BCD,
Binario a código Gray y de código Gray a Binario.
74
4.- Lógica Secuencial.
Los circuitos secuenciales usan elementos de memoria (celdas binarias) además de compuertas lógicas.
Sus salidas son una función de las entradas y del estado de los elementos de la memoria. El estado de
los elementos de la memoria, a su vez es una función de las entradas previas. Como consecuencia, las
salidas de un circuito secuencial dependen no solamente de las entradas presentes, sino también de las
entradas pasadas, y el comportamiento del circuito debe especificarse por una secuencia de tiempos de
las entradas y estados internos.
Diagrama a bloques de un circuito secuencial:
Un circuito secuencial se divide en sincrónico y asincrónico.
Sincrónico: Es un sistema cuyo comportamiento se define a partir de su conocimiento de sus señales en
instantes discretos de tiempo.
Asincrónico: Es un circuito que depende del orden en que cambien las señales de entrada y puedan ser
afectadas en un instante dado de tiempo.
4.1.- Flip-Flops (Elementos Biestables):
Los circuitos secuenciales sincrónicos que usan pulso de reloj en las entradas de los elementos de
memoria se llaman circuitos secuenciales temporizados. Los elementos de memoria utilizados en los
circuitos secuenciales temporizados se llaman Flip-Flops. Estos circuitos son celdas binarias capaces de
almacenar en bit de información. Todo circuito Flip-Flop tiene 2 salidas (de aquí el nombre de biestable),
una para el valor normal (Q) y otra para el valor complemento . La información binaria puede entrar al
Flip-Flop de una variedad de formas, motivo por el cual existen diferentes tipos de Flip-Flops. Los FilpFlops también se llaman “Multivibrador Biestable”. Los Flip -Flops más conocidos son:
1. Flip-Flop SR
75
2. Flip-Flop D
3. Flip-Flop JK
4. Flip-Flop T
Flip-Flop SR
Este tipo de Flip-Flop tiene 2 entradas una S (set) y otra a R (reset) set puesta 1 y reset puesta 0. Este
Flip-Flop tiene 2 salidas (Q y ). También se le conoce Flip-Flop set-reset o bloqueador SR (SR Latch).
La salida
es el complemento (el estado lógico opuesto) de la otra salida Q. Para que un circuito sea
capaz de registrar o recordar uno de 2 estados posibles; es necesario que el circuito combinacional
tenga una “retroalimentación” de sus salidas con respecto a sus entradas, para “recordarle” al propio
circuito su salida. A continuación se ilustra lo anterior por medio de 2 compuertas NAND.
Símbolo
Diagrama lógico
Tabla de verdad
A medida que fue pasando el tiempo, se mejoraron las características del flip-flop, una de ellas fue darle
seguridad en la escritura del estado. Es decir, que permitiera solo operar a tiempos determinados, lo que
daba la libertad de cuidar solo las entradas en esos tiempos. A este tipo de flip-flops se les llama “flip -flop
con reloj” (CK), y la e scritura únicamente se puede realizar cuando la entrada CK = 1, inhibiendo
completamente al flip-flop cuando CK = 0.
Diagrama lógico
Tabla de verdad
R
Otras de la modificaciones realizadas al flip-flop SR, fue darle la capacidad de ser borrado (CLR) ó
activado (St ó PR) de una manera asíncrona a fin de ponerle en un estado inicial. Ambas señales de
control se activan con un 1 lógico.
76
Flip-Flop D:
Símbolo:
Consta de una entrada llamada D (datos), otra de CK (reloj) y dos salidas la Q y la . Este Flip-Flop
recibe su nombre por la habilidad de transmitir datos, es básicamente un flip-flop SR con un inversor en
la entrada R. El inversor agregado reduce el número de entradas de dos a una. Este tipo de flip-flop se
llama a veces “bloqueador D con compuertas” ó “flip -flop de bloqueo”. La entrada CK se le da a menudo
la designación variable G (de gate) para indicar que ésta entrada habilita el flip-flop de bloqueo para
hacer posible que los datos entren al mismo. Los flip-flops tipo D también pudieran tener las entradas de
borrado (CL) y activado (St) que funcionan de la misma manera que para los flip-flops SR. Ejemplo de un
CI es el 7474 (con 2 flip-flops) y el 7475 (con 4 flip-flops).
Diagrama lógico
Tabla de verdad
Aunque el flip-flop con reloj simplifica el control de la entradas cunsdo CK=1, su salida a un puede oscilar
a capricho de las entradas durante el tiempo que CK=1. Para aumentar aún más el control en la salida,
se diseño un flip-flop que sólo durante la transición del 0 lógico a 1 lógico del CK, permitiera el cambio.
Este esta conformado por 2 flip-flops, uno llamado “maestro” y otro llamado “esclavo”. El maestro
contiene un reloj que esta inhibido mientras su señal se encuentra abajo. Una vez que la señal del reloj
CK se levanta, su salida fluctúa momento en el cual el reloj del esclavo se encuentra inhibido, no
pasando estas fluctuaciones al esclavo. Cuando vuelve a bajar la señal de reloj, el maestro deja de
oscilar, entonces se desinhibe el reloj del esclavo y se dispara, según la salida ya estable del maestro, es
decir:
D
CK
Maestro
Esclavo
D
D
Q
__
CK Q
Q
__
CK Q
77
Flip-Flop JK:
Símbolo:
Es un refinamiento del SR ya el estado indeterminado del tipo SR se define en el tipo JK. La notación JK
se usa simplemente para distinguir este tipo de flip-flop del tipo SR. Las entradas J y K se comportan
como las entradas S y R, donde la letra J se usa para la entrada de puesta a 1 y la letra K para la
entrada de puesta a 0. Cuando ambas entradas se aplican a J y K simultáneamente, el flip-flop cambia a
su estado complemento, esto es si Q=1 cambia a Q=0 y viceversa. Las entradas J y K son entradas
sincronizadas. Esto significa que no tiene ningún efecto en la salida hasta que la entrada de reloj reciba
la señal apropiada. Un ejemplo de CI es el 7476 (con 2 flip-flops).
Diagrama lógico
Flip-Flop T:
Tabla de verdad
Símbolo:
Es la versión de una entrada del flip-flop JK. El nombre T se deriva de la habilidad del flip-flop de variar
(toggle) o cambiar de estado. Independientemente del presente estado del flip-flop, éste asume el estado
de complemento cuando ocurre el pulso de reloj, mientras que la entrada T este en lógica 1.
Diagrama lógico
Tabla de verdad
78
4.2.- Aplicaciones de los Flip-Flops:
Anteriormente vimos que los flip-flops pueden ser de una entrada (tipo D y tipo T) y de dos entradas (tipo
JK y SR) con dos salidas posibles (Q y Q). Cuando se analiza las aplicaciones de los flip-flops existe un
tercer estado binario llamado Q t+1, es decir:
Q t= Q = Estado binario del flip-flop en un tiempo dado (refiriéndose al estado presente).
Q t+1= Es el estado binario del flip-flop después de la ocurrencia de un pulso de reloj CK (refiriéndose al
siguiente estado ó estado futuro).
Un Flip-Flop puede responder a la entrada del reloj como flanco de subida ( ) o como flanco de bajada ( )
O también puede responder durante el tiempo que dure el estado alto ( П ) o el estado bajo ( Ц ). Los
estados lógicos marcados con una “X” son estados de “no importa” el valor que tengan (1 y 0).
Usualmente el estado lógico 1 se representa con una letra “H” (High) y el estado lógico 0 se representa
con una “L” (Low).
Para diseñar las aplicaciones con flip-flops se utilizan las siguientes tablas.
79
Entre las aplicaciones más importantes de los flip-flops están: como contadores, como registros, para
multiplicar, para dividir, etc.
Contadores:
Un contador digital es un círcuito capaz de contar y recordar el número de pulsos de entrada ocurridos.
Cada vez que un pulso de entrada es aplicado a la terminal CK (entrada de reloj) del contador, el número
almacenado del circuito se incrementa y decremento en uno. Dado que los contadores digitales son
construidos a base de flip-flops y compuertas lógicas, los únicos dígitos utilizados son el 0 y el 1. Debido
al hecho que los transistores en los flip-flops y en las partes lógicas, siempre están en conducción o en
corte (no hay posición intermedia). Por lo tanto, no les es posible almacenar los otros dígitos, dado que
para almacenarlos demandaría otros estados posibles a los transistores. Para diseñar un contador por
medio de flip-flops se siguen los siguientes pasos:
1.- Se definen las salidas dependiendo el número de salidas que demande el contador.
2.- Se definen las entradas de acuerdo a la tabla resumida del flip-flop seleccionado.
3.- Siempre de acuerdo a la tabla del flip-flop se sacan los estados futuros (Q t+1).
4.- De acuerdo a la tabla de verdad generada, se saca su expresión lógica simplificada considerando las
entradas como funciones y las salidas como variables. Utilizar el método de los mapas de Karnaugh para
sacar las expresiones simplificadas.
5.- Por último se dibuja el circuito lógico considerando que es un flip-flop por cada bit.
Ejemplo No. 1:
Diseñar un contador de 2 bits ascendente con un Flip-Flop JK.
80
Ejemplo No. 2:
Realizar el circuito lógico de un decodificador de BCD a 7 segmentos.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
X
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
Y
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
Z
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
W a b c d e
0 1 1 1 1 1
1 0 1 1 0 0
0 1 1 0 1 1
1 1 1 1 1 0
0 0 1 1 0 0
1 1 0 1 1 0
0 1 0 1 1 1
1 1 1 1 0 0
0 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 0
f g
1 0
0 0
0 1
0 1
1 1
1 1
1 1
0 0
1 1
1 1
a
f
b
g
e
c
d
Luego realizar los mapas de Karnaugh de la a, b, c, d, e, f y g.
Ejercicio No. 3:
Realizar del siguiente diagrama de estado su circuito lógico.
81
Ejercicio No.4:
Realizar un contador Ascendente/Descendente de 3 bits, donde señale por medio de una entrada de
selección, cuando sea 1 cuente de manera ascendente y cuando sea 0 cuente de manera descendente.
Utilice el flip-flop que desee.
Registros:
Los registros son parte esencial del funcionamiento de una computadora, por lo que es muy importante
su estudio.
Los registros son circuitos secuenciales construidos con flip-flops que sirven para guardar
(momentáneamente) información binaria para su uso posterior (transferir a un destino externo). Un grupo
de flip-flops sensibles a la duración del pulso (tiempo que CK=1) se llama Retenedor ó Latch, mientras
que un grupo de flip-flops sensibles a la transición del pulso se llama Registro. Un Latch es un
dispositivo que almacena información binaria durante cierto tiempo, y que tiene una variable de control
(G) en vea de CK, que le indica cuando guardan un nuevo dato. Existen varios tipos de registros en CI’s.
El registro más simple es el que consiste de flip-flops tipo D sin ninguna compuerta externa. La
transferencia de nueva información a un registro se denomina como la “carga” del registro. Existen varias
formas de realizar lo anterior:
1. REGISTRO DE ENTRADA EN PARALELO , SALIDA EN PARALELO (RIOP).
Es cuando todos los bits del registro se cargan simultáneamente con un solo pulso de reloj, al cargar los
datos se quedan guardados en los flip-flops de adentro. Para que estos últimos datos almacenados se
transfieran a un destino externo, se requiere de otra transición del pulso en la entrada de control CK.
Ejemplo de Cis son el 74174 y el 74178.
Si diseñáramos el dibujo de partes anterior de 4 bits con flip-flops tipo D; observamos que cada registro ó
LATCH, estaría conformada por un registro de 4 bits construido en su respectivos 4 flip-flops tipo D y un
pulso de reloj CK común de entrada. Este pulso de reloj de entrada CK habilita todos los flip-flops de
82
manera que la información disponible (presente) en los 4 entradas pueden ser transferidas al registro de
4 bits, así las 4 salidas Q son transferidas para obtener la información acumulada en el registro.
4D (MSB)
3D
D
Q
2Q
D
Q
Q
1Q (LSB)
D
Q
Q
D
Q
Q
Q
CK
4Q
3Q
2Q
1Q
2. ENTRADA EN SERIE Y SALIDA EN SERIE (RIOS):
Se dice que un sistema digital opera en modo serie cuando la información se transfiere y se manipula un
bit en cada tiempo (se cargan los bits uno tras uno). El contenido de un registro se transfiere a otro
desplazando los bits de un registro al siguiente. La información se transfiere bit a bit, uno cada vez
desplazando los bits del registro fuente hacia el registro de destino. Ejemplo CI 4731B.
Un registro capaz de desplazar su información binaria hacia la izquierda o hacia la derecha se llama
REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO o CORRIMIENTO. La configuración a bloques es:
Salida serial
Q
D
D
Carga o entrada
serial
CK
Salida Serial
Q
CK
Registro serial con corrimiento a la izquierda. Registro serial con corrimiento a la derecha.
La configuración lógica de un registro de desplazamiento consiste en una cadena de Flip-Flops
conectados en cascada, con la salida de un Flip-Flop conectado a la entrada del siguiente. Todos los
Flip-Flops reciben un pulso de reloj CK común el cual causa el desplazamiento de un estado al siguiente.
Registre señal con corrimiento a la derecha.
MSB LSB
1010
D Q
1010
D Q
010
D Q
10
D Q
0 (LSB)
Carga o entrada serial
Q
Q
Q
Q
CK
En el anterior registro, podemos observar que se necesitan 4 pulsos en CK para desplazar un bit
de la entrada serial a la salida serial. Dicho de otra manera, se necesitan 4 pulsos para meter los datos
del LSB al MSB. Si este registro lo realizamos con flip-flops SR a 5 bits quedaría como:
83
3. REGISTRO DE ENTRADA EN SERIE Y SALIDA EN PARALELO (RISOP):
Como su nombre lo indica, este registro se usa para transformar un dato en serie paralelo. Su
entrada en una sola línea donde llegan los bits del dato de una manera secuencial, y su salida es de 4
líneas con el fin de entregar el dato en paralelo. Transmitir un dato en serie representa un ahorro en
líneas, por lo que este registro se usa principalmente en la transmisión de datos. En este registro, las
salidas de los Flip-Flops se conectan a las entradas inmediatas siguientes, de tal manera que al ser
disparados simultáneamente exista un corrimiento del dato a la derecha. Ejemplo CI 74164.
Carga o entrada serie
D
Q
D
Q
Q
D
Q
Q
D
Q
Q
Q
CK
Salida en Paralelo
QD
QC
QB
QA
Note que también en este tipo de registro las salidas están conectados con las entradas es decir,
los Flip-Flops están conectados en cascada. En esta configuración, los datos de entrada se cargan de
forma inmediata y después va saliendo uno por uno en la única salida serie; del bit menos significativo
84
(LSB) hasta el más significativo (MSB). Otra manera de construirlo es por medio de flip-flops SR a 5 bits
tal como se ilustra a continuación:
4. REGISTRO DE ENTRADA PARALELO Y SALIDA EN SERIE (RIPOS)
Como su nombre lo indica, este registro acepta la entrada en paralelo y la entrega en una línea en
serie, según sea el control de entrada CK para cada Flip-Flop tipo D. Ejemplo CI 74165.
Salida en serie
OUT
D
Q
D
Q
4D (MSB)
CK
Q
D
Q
3D
Q
D
Q
2D
Q
Q
1D (LSB)
IN
Si este registro lo realizamos con flip-flops SR a 5 bits quedaría como:
85
Entrada paralelo
5. REGISTRO UNIVERSAL
Existe otro tipo de registro que puede operar de cualquiera de la formas de los registros anteriormente
vistos. Es decir, puede cargar datos en serie y sacarlos en paralelo o cargar en paralelo y sacarlos en
serie tanto en corrimiento a la izquierda como a la derecha, por lo que se le acostumbra llamarle
Universal. Ejemplo: CI 74194.
86
4.3.- Diseño de Circuitos Secuenciales:
Para el diseño de los circuitos secuenciales, se debe tomar en cuenta que el circuito va funcionar de
manera automática sincronizando todas sus acciones por medio de una sola fuente de reloj.
Dependiendo de la frecuencia de los pulsos de la señal de reloj, será la velocidad con que el circuito
funcionará. Otra característica de los circuitos secuenciales es que están “ciclados” lo que significa que
una vez terminado el ciclo de trabajo retorna a su estado original. Razón por la que es imprescindible que
dicha fuente sea confiable y estable. En la mayoría de los casos se utiliza un CI 555 en configuración
como multivibrador astable. Se recomienda instalarle un potenciómetro para regular la frecuencia del
pulso. Algunos ejemplos del diseño de circuitos secuenciales son:
1.- Diseñar un circuito que cuente del 0 al 3 con 2 bits utilizando flip-flops tipo T.
2.- Diseñar un circuito de 2 bits que cuente de manera descendente utilizando flip-flops tipo JK.
3.- Diseñar un contador de 3 bits que cuente de manera ascendente/descendente, de tal forma que
cuando exista un 1 en una de sus entradas sea ascendente, y cuando sea 0 sea descendente. Realizar
lo anterior con flip-flops SR.
4.- Diseñar un contador del 0 al 15 con flip-flops tipo D.
5.- Diseñar un registro RIPOS de 5 bits con flip-flops tipo JK.
6.- Diseñar un contador ascendente del 0 al 99 utilizando LCD con sus respectivos decodificadores.
7.- Diseñar un registro de corrimiento de entrada/salida serie, salida en paralelo (RIOS y RISOP) con flipflops tipo D.
5.- Familias Lógicas.
(Exposiciones)
5.1.- Las 5 Características más importantes de las Familias Lógicas.
Para poder distinguir los CIs los fabricantes en la parte superior utilizan las siguientes abreviaciones:
Clave del contenido (Ejem. 00=4 NAND de 2 entradas cada uno)
Familia TTL Serie 74
14
Fabricante
SN = Texas Instrument
MC = Motorola
DM = National
IM = Intersil
N = Signetics
MM = Monolithic Memories
P = Intel
H = Harries
F = Fairchild
AM =Advaced micro Devices
Serie
13
12
11
10
9
8
Tipo Serie:
SN 74 LS 00 N
1
2
3
4
5
6
H = Alta potencia (mucha potencia de
7
1
Uso
Alimentación
Material:
J = Empaque de Cerámica
W = Empaque Simple
N = Empaque Plástico
salida)
LS = baja potencia (mas común y alta
velocidad)
Sin letras = estándar costo mas bajo
S = Schottky (el mas rápido)
L = menos potencia
HC = CMOS de alta velocidad
AS = Stchottky Avanzada
Temperatura
74
Comercial
4.75 a 5.25 Vcd 0 - 70º C
54
Militar y Es pac ial
4.5 a 5.5 Vc d
55 has ta 125º C
Entre las 5 especificaciones o características más usuales para los circuitos están:
87
1.- Flujo y Reflujo de corriente.
2.- Fan-out. (Factor de Carga de Salida)
3.- Niveles Lógicos
4.- Inmunidad al ruido (margen de ruido)
5.- Disipación de potencia y velocidad
1.- Flujo y Reflujo de corriente:
Cuando la Salida de una compuerta esta a nivel alto, proporcionando corriente a la entrada de la
compuerta siguiente, es donde se dice que la salida actua como un “flujo o fuente de corriente”. En CI´s
TTL es de 40 mAmp.
i
Nivel Alta
Cuando la salida de una compuerta esta a nivel bajo, debe ser capaz de absorber (hasta 16 mAmp.) un
paso de corriente de las entradas de la compuerta siguiente, es donde se dice que funciona como un
hundimiento o reflujo de corriente.
i
Nivel Bajo
2.- Fan-out. (Factor de Carga de Salida):
Es la cantidad de circuitos que una sola salida puede manejar u operar. Es decir, cuando la salida de una
compuerta TTL alcanza un nivel alto, polariza inversamente otra entrada de compuerta con poca
corriente resultante (40 mAmp.). La salida a nivel bajo, debe reflejar una corriente desde la compuerta
con poca corriente desde la compuerta que es que está manejando. A continuación se ilustra una tabla
de fan-out para compuertas TTL.
Carga de Entrada (U.L.)
Tipo de Familia
74
74H
74S
74LS
Carga de Salida (U.L.)
Nivel Alto Nivel Bajo Nivel Alto Nivel Bajo
1
1
20
10
1.25
1.25
25
12.5
1.25
1.25
25
12.5
0.5
0.25
10
5
Donde: U.L.= Unidad de Carga (Unit Load)
Ejemplo:
Un CI 74 LS se utiliza para operar CI´s del mismo tipo, ¿Cuál es la Fun-Out
en nivel alto para esta conexión?
Fan-Out nivel-alto = Carga de Salida / Carga de Entrada = 10 U.L. / 0.5 U.L. = 20
Se puede conectar (o tiene un fan-out) de hasta 20 circuitos de la serie 74LS.
88
3.- Niveles Lógicos:
Para la mayoría de los CI digitales el estado bajo es 0 = 0 Vcd y en estado alto es 1 = +5 Vcd. Por
ejemplo para los circuitos serie 74LS, el estado bajo 0 = 0.2 Vcd y el estado alto es 1=3.4 Vcd.
Sin embargo para la mayoría de las compuertas lógicas los valores son:
Estado lógico 0 = 0 a 0.8 Vcd (también llamado tierra)
Estado lógico 1 = 2 a 5 Vcd
Cuando se entra se deja sin conectar (flotante) a alguna señal lógica o tierra, actúa como 1. Cuando hay
entradas que no se utilizan deben conectarse a tierra para un 0 lógico, o pueden unirse a una entrada
que no se utiliza (NC). Cuando dos o más entradas se interconectan para formar una entrada común
esta tendrá un factor de carga de entrada que es la suma de los factores de carga de cada entrada.
4.- Inmunidad al Ruido (Margen de Ruido):
Es el monto máximo de variación de voltaje que se puede permitir a su nivel lógico bajo o alto de
sus entradas. A continuación se muestran los niveles de voltaje usados para definir el margen de ruido.
Nivel Alto ( 1 = +5 Vcd)
5 Vcd
Edo. Lógico 1
VOH min(2.4 Vcd.)
VIH min(2.0 Vcd.)
Margen de Ruido
0 Vcd
5 Vcd
Nivel Bajo ( 0 = 0 Vcd )
VIL max(0.8 Vcd.)
VOL max(0.4 Vcd.)
0 Vcd
Margen de Ruido
Edo. Lógico 0
Donde:
VOH min(2.4 Vcd.) = Valor mínimo de salida del nivel alto
VIH min(2.0 Vcd.) = Valor mínimo de entrada (aceptada) como nivel alto
VNH (margen de ruido del nivel alto) = V OH min - VIH min = 400 mV
VIL max(0.8 Vcd.) = Valor máximo (aceptable) como entrada del nivel alto
VOL max(0.4 Vcd.) = Valor máximo de salida del nivel bajo
VNH (margen de ruido del nivel alto) = V IL max - VOL max = 400 mV
89
5.- Disipación de Potencia y Velocidad:
La disipación de potencia (CP = Vni) es la cantidad de corriente drenada en una compuerta lógica
con respecto al voltaje aplicado para el estado Alto y Bajo. Para entender lo anterior, tomemos como
ejemplo un CI 7400 (4 NAND de 2 entradas c/u). Sabemos que nada mas pueden existir 2 condiciones:
1.- Cuando todas las entradas están conectados a +5Vcd (1 lógico) y todas las salidas a nivel bajo (0
lógico), la corriente suministrada típicamente (ICCL) es de 12mAmp.
P = V.i = (+5Vcd)(12mAmp) = 60mW
60mW
de tal manera que cada compuerta disipa
4
 15mW
2.- Cuando todas las entradas (8) están conectadas a tierra (0 lógico) y todas las salidas a nivel alto (1
lógico), la corriente suministrada típicamente (ICCH) es de 4mAmp.
P = V.i = (+5Vcd)(4mAmp) = 20 mW
20mW
de tal manera que cada compuerta disipa
4

5mW
Entonces suponiendo que una compuerta está encendida y apagada igualmente (50% de tiempo
en cada condición), la disipación promedio de potencia de una compuerta simple es:

15mW
 5mW
2
 10mW
La velocidad de una compuerta lógica es el tiempo o retardo al recorrer el circuito (Retardo de
propagación). De tal manera:
PLH  es el tiempo de retardo al pasar del estado lógico 0 al 1 (Bajo
PHL  es el tiempo de retardo al pasar del estado lógico 1 al 0
a Alto)
(Alto a Bajo)
Tw
PHL
1
50%
50%
50%
(ancho de
pulso)
0
PLH

Entonces, en CI ‘s si P aumenta,
la V aumenta y si P disminuye, la V aumenta.
5.2.- Familia Lógica TTL.
Es el circuito de lógica transistor, también llamado TTL o T2L. Estos operan muy rápido en tipo
saturado (aquellos que operan el transistor “ on” en saturación).
A continuación se ilustra la equivalencia de una compuerta básica TTL NAND.
+Vcc = 5Vcd
Donde:
R1
f = X·Y·Z
R2
f
Q1
=
f
Q2
90
Todas las familias TTL presentan excelentes características. Es importante hacer algunas distinciones
entre ellas sobre algunos puntos esenciales, tales como disipación de potencia, velocidad y la mayor o
menor sensibilidad a las cargas capacitivas. Para diferenciar las familias de circuitos TTL se utilizan las
indicaciones siguientes:
Siglas
En Inglés
Características
L
LS
LOW POWER
LOW POWER SCHOTTKY
S
SCHOTTKY
AS
ADVANCED SCHOTTKY
Ninguna
Ninguna indicación
Disipación de potencia muy baja
Disipación y tiempo de propagación pequeño
Disipación de potencia normal y pequeño tiempo
de propagación
Disipación normal y tiempo de propagación
extremadamente pequeño
Características normales
En dos tipos de CI de la familia, esto es, en los tipos TTL y L-TTL, los transistores integrados conducen
tan pronto como la corriente de base sea suficiente para hacer la ganancia en corriente mínima.
Normalmente el funcionamiento es diferente. En efecto la corriente de base de un transistor medio (con
ganancia en corriente muy elevada) es mas elevada de la necesaria, lo que contribuye a acelerar la
entrada en saturación del transistor. Cuando se trata de conmutar un transistor para que pase de
saturación al corte, el exceso de carga de la base, provoca un aumento considerable del tiempo de
conmutación. Se suele utilizar normalmente un dopado a base de oro para acelerar la eliminación de esta
carga que trae en consecuencia una disminución notable de la ganancia de corriente. La introducción de
un diodo Schottky de barrera permite obtener excelentes resultados. Este diodo se caracteriza por una
tensión directa pequeña (0.3V) y esta conectado entre la base y el emisor. Cuando el transistor entra en
saturación, la corriente de entrada excedente no entra en la base sino sino que se ve encaminada hacia
el conector a través del diodo Schottky. De esta manera el transistor no esta nunca completamente
saturado y se recupera rápidamente tan pronto como desaparece la corriente de base. Con este sistema
no es necesario el dopado a base de oro y así la ganancia de corriente no se ve afectada; la corriente de
base puede ser mas pequeña y la conmutación se realiza mas rápidamente. Los tipos ALS y AS están
construidos con un proceso que comparado con las tecnologías anteriores, permite una reducción
sustancial de las capacidades parásitas y de los tiempos de conmutación de los transistores por ser mas
superficiales y de menor tamaño. El resultado final es una mejora en relación velocidad/potencia. La
familia ALS puede ofrecer menor potencia y mayor velocidad que la LS, mientras que la familia AL
presenta una velocidad de mas del doble que la TTL Schottky para la misma potencia que esta.
Familia Lógica ECL:
La lógica de emisor acoplado (ECL), es una familia lógica digital no saturada. Como los
transistores no se saturan, es posible lograr un retardo de propagación de 2nseg y aun por debajo de
1nseg. Esta familia lógica tiene el menor retardo de propagación que cualquier otra familia y se usa
principalmente en sistemas que requieren una velocidad una velocidad alta de operación. El retardo de
propagación de la compuerta ECL es de 2nseg y la disipación de potencia es de 25mW. Esto da un
producto velocidad poder de 50, el cual es aproximadamente el mismo que el TTL schottky. El margen
de ruido es cerca de 0.3V y no es tan bueno como el de la compuerta TTL. Es posible una de alta
capacidad de cargo en la compuerta ECL, debido a la impedancia alta de entrada del amplificador
diferencial y la impedancia baja de salida del seguidor de emisor. Debido a la extrema velocidad de las
señales, los alambres externos actúan como líneas de transmisión. Con excepción de alambres cortos
de pocos centímetros, las salidas ECL deben usar cables coaxiales con un acabado resistivo para reducir
deflexiones de la línea de transmisión. En estas compuertas ECL, un bloque lógico produce una salida y
su complemento, eliminando la necesidad de inversores. El flujo de comente total permanece
relativamente constante. Las compuertas hoy en día mas populares de la familia ECL tienen números de
parte de cinco dígitos de la forma “10xxx” (Ejemplo: 10102, 10181, 10209) llamados como ECL de 10k y
de la forma a 6 dígitos “100xxx” (Ejemplo: 100101, 100117, 100170) llamados como ECL de 100k. Estas
91
familias vienen mejoradas con respecto a las compuertas básicas ECL (ejemplo: inmunidad al ruido,
suministro de voltaje menor a 4.5V., tiempos de propagación más cortos = 0.75nseg, etc )
Circuito de compuerta ECL básico
Vcc
Tabla de verdad
Símbolo Lógico
X Y Sal1 Sal2
R2
R3
Entradas
X
Y
Salida 2
Q2
Q1
Salida 1 (NOR)
X
Salida 1
Q3
+Vbb
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
Salida 2 (OR)
Y
R1
-Vee
Familia lógica MOS:
Viene de las siglas en inglés metal – oxide semi- conductor ( semi conductor de oxido metálico) ya que
su nombre lo deriva de un electrodo metálico montado en un aislador de oxido; sobre un substrato
semiconductor.
El MOS esta conformado por transistores de efecto campo denominado MOSFET. El MOSFET es
relativamente simple y poco costoso de fabricar; ya que por su tamaño pequeño y poco requerimiento de
energía, se utiliza en circuitos digitales.
Un transistor MOS (transistor de efecto campo = FET) esta constituido por tres terminales (
compuerta, fuente y drenaje) que actúan como una resistencia controlado por voltaje. En aplicaciones de
conmutación digital un transistor MOS se opera de tal modo que su resistencia este siempre o muy alta o
muy baja. La estructura básica de un transistor MOS puede ser de canal n ( en donde la terminal fuente
se conecta al substracto y se aplica el voltaje positivo ala terminal de drenaje ) y de canal p ( en donde la
terminal fuente se conecta al substracto y se aplica un voltaje negativo ala terminal de drenaje)
TRANSISTOR MOS DE CANAL N:
Estructura básica:
COMPUERTA(-)
=
COMPUERTA(+)
DRENAJE (+)
TRANSISTOR MOS DE CANAL P
Estructura básica:
FUENTE (-)
SUBSTRATO TIPO P
DRENAJE (-)
FUENTE (+)
SUBSTRATO TIPO N
NOTA: En cualquiera de los dos casos, cuando el voltaje entre compuerta y fuente es cero, el dispositivo,
se pone en corte. La compuerta de un transistor MOS, tiene una impedancia muy alta, el voltaje de la
compuerta crea un campo eléctrico que aumenta o disminuye el flujo de corriente entre la fuente y el
drenaje.
Familia lógica CMOS:
Los circuitos MOS complementado utilizan MOSFET de canal P y N en el mismo circuito, los
cuales están interconectados para formar funciones lógicas. El CMOS son más rápidos consumen
menos potencia que las familias MOS. El proceso de fabricación de CMOS es más simple que el TTL y
92
tiene una mayor densidad de integración, lo que permite que se tengan mas circuitos en un área
determinada de substrato y reduce el costo por función.
La lógica CMOS se diseña para un rango de operación de voltaje de entre 5 y 15 v. Pero algunos pueden
operar entre 3 y 18 V. Otras de las ventajas del CMOS es la excelente inmunidad al ruido y un amplio
rango de voltaje de suministro, los hace un fuerte competidor para la familia de circuitos digitales. En las
entradas CMOS nunca se deben dejar desconectadas, tienen que estar conectadas a un nivel fijo de
voltaje, o a otra entrada.
Inversor CMOS:
DIAGRAMA DE CIRCUITO
CARACTERISTICA DE TRANSFERENCIA
Vcc
salida
Q1(canal p)
+5V Vcc
Entrada
salida
Q2(canal n)
bajo indefinido alto(+5V)
Los circuitos CMOS tienen una inmunidad habitual al ruido de 0.45 V. (0.45 * 5 V = 2.25), el cual es muy
grande. La inmunidad al ruido garantizada en la mayoría de las unidades CMOS es 30% o sea:
inmunidad de ruido garantizada=0.3 (5 V) = 1.5 V.
El fat out de los circuitos CMOS idealmente es infinito ya que no ocurren cargas cuando se desconectan
a la compuerta de un transistor MOSFET lo que hace que el voltaje de salida en el estado alto sea
prácticamente igual a +5V en el estado bajo es prácticamente 0V. Un detalle que se debe de tomar en
cuenta es cuando se utiliza unidades CMOS o MOS la descarga de la electricidad estática del ser
humano puede dañarlos, por lo que debe tener sumo cuidado en su utilización. Los fabricantes
recomiendan algunas medidas precautorias adicionales en el manejo de las unidades CMOS, como son
de almacenar y trasportar las unidades en un material antiestático, procurando que hagan tierra la
superficie de trabajo, el operador y el equipo. Entre las principales características de esta familia CI
están:
1. - Gran inmunidad al voltaje de ruido, CMOS (habitualmente de 45% del Vcc)
2. - Velocidades de operación de hasta 30 MHZ, con retardos de conmutación de alrededor de 10 a 15
nseg.
3. - Operación de reflujo de corriente a la salida de 4 mas, con un fan-out de 10 cargas LS(baja
potencia)
4. - Bajo consumo de potencia estática (1µW típico).
Existen varias familias CMOS que se subdividen de acuerdo a sus características 4000/14000: Fue la
primera familia CMOS con éxito comercial ya que dispone de muchas funciones (operaciones lógicas).
Debido a que esta familia es lenta y muy difícil de conectar con TTL, ha sido sustituida por otras familias
CMOS. Se puede distinguir que se numeran empezando con el 4000 ó 14000 ( MC 14001BCP)
5.3.- Familia Lógicas más recientes y de Bajo Voltaje.
LV/LVC (Low Voltage CMOS Technology)
LVT (Low Voltage BiCMOS Technology)
Entre sus principales ventajas es el uso reducido de alimentación de 2 a 5.5 volts y un consumo de
potencia estática de solo 20 µA con un tiempo de propagación promedio de 5.4 ns a 6.5 ns dependiendo
de la familia a 3.3 Vcc. La corriente de salida es de alrededor de 8 mA y con tecnología Ioff que permite
93
“apagar” la corriente de salida dejando únicamente un consumo de 5 µA reduciendo el consumo en
operación “Stand By” que es equivalente a apagar el dispositivo.
Los encapsulados disponibles son: SOIC, SSOP, TSSOP, TVSOP, y LFBGA.
ALVC (Advance Low Voltage CMOS Technology Logic)
ALVT (Advance Low Voltage BiCMOS Technology Logic)
Es una de las familias de chips con mayor desempeño en aplicaciones como interfaces de buses con un
tiempo de propagación de 3 ns, una corriente de salida de 24 mA a 60 mA y corriente estática de 40 µA.
La familia ALVT puede utilizar voltajes de 3.3 y 5 volts como la ALVC y además de 2.5 v.
AVC (Advance Very-Low-Voltage CMOS Logic)
Esta familia son CI’s utilizados para diseños orientados al manejo de datos en alta velocidad por su
excelente tiempo de propagación de 2 ns, voltajes de alimentación de 1.2 a 3.6 volts. Este dispositivo
alcanza velocidades superiores a los 100 Mhz. Sus principales aplicaciones son Workstations, PC’s,
servidores de redes y equipos de conmutación de telecomunicaciones entre otros.
94
CAPITULO No. 3.- APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DIGITALES.
1.- Convertidores.
1.1.- Conceptos y Características de los Convertidores.
Una cantidad digital tiene un valor con 2 posibilidades 0 (bajo) ó 1 (alto). Vimos anteriormente que para
la familia lógica TTL los rangos son:
O lógico= 0V a 0.8 Vcd
1 lógico = 2V a 5Vcd
En contraste con una cantidad analógica puede tomar cualquier valor sobre un rango continuo de
valores, donde su valor exacto si es significativo. Muchas variables físicas son de naturaleza analógica y
pueden tomar cualquier valor dentro de un rango continuo de éstas. Ejemplos de variables de este tipo
incluyen temperatura, presión, intensidad luminosa, señales de audio, posición, velocidad rotacional y
velocidad de flujo. Los sistemas digitales llevan a cabo todas las operaciones matemáticas internas,
mediante el uso de circuitería y operaciones digitales. Cualquier información del mundo exterior que se
quiera introducir a un sistema digital, primero debe ponerse en forma digital. A continuación se ilustra el
diagrama a Bloques de los convertidores analógicos-digitales (ADC) y digital/analógico (DAC) que
utilizan para conectar la computadora con el mundo analógico.
Transductor: Es un dispositivo que convierte una variable física en una eléctrica. Algunos transductores
de uso común son las terminales, las fotoceldas, los fotodiodos, los medidores de flujo, los transductores
de presión y los tacómetros. La salida eléctrica de un transductor es una corriente o un voltaje analógico
proporcional a la variable física que se está vigilando.
Convertidos Analógico-Digital-Analógico (ADC): La salida analógica (eléctrica) del transductor en la
entrada al ADC. El ADC convierte asta entrada en una salida digital. Esta última consiste de varios bits
que representan el valor de la entrada analógica.
Sistemas digitales (Computadora): La representación digital de la variable del proceso se transmite
desde ADC hacia la computadora, que lo almacena y procesa de acuerdo con las instrucciones del
programa de ejecución.
Convertidor Digital-Analógico (DAC): La salida digital de la computadora se conecta a un DAC, que la
convierte a un voltaje o corriente proporcional a la información de bits que tiene a su entrada.
Actuador: Es un circuito ó dispositivo que sirve como actuador para el control de la variable física, regida
por la señal analógica que proviene del DAC. Ejemplo: Máquinas robotizadas, automotrices, etc.
95
1.2.- Tipos: Analógico/Digital y Digital/Analógico.
Convertidor Digital-Analógico: la conversión digital-analógica (D/A) es el proceso de tomar a un valor
representando en código digital (como binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que
sea proporcional al valor digital. Como ejemplo, a continuación se ilustra el diagrama a bloques, su tabla
de valores y sus formas de onda de salida de un contador de 4 bits, para convertir de digital a analógica,
su señal en código digital. En general:
Donde:
Salida analógica= K * entrada digital
K= factor proporcionalidad y tiene un valor constante, puede estar en unidades de voltaje o corriente.
Ejemplo 1.
Un convertidor D/A de 5 bits tiene una corriente de salida. Para una entrada digital de 10100, se produce
una corriente de salida de 10 mAmp. ¿Cual será el valor de la corriente de salida para una entrada digital
de 11101?
Sabemos que: 101002=2010
10100=k*20=10mAmp
K=10/20mAmp=0.5 mAmp.
11101=29
Ahora Isalida=(0.5 mAmp)*(29)=14.5 mAmp.
96
Ejemplo 2.
¿Cuál es el máximo valor de voltaje
voltaje producido por un ADC de ocho bits que genera un voltaje de 1v
cuando la entrada digital es 00110010?
001100102=5010
25=32 +24=24 +21=2 =50
1.0v=k*50
K=1.0v/50=20mV
El máximo valor es 11111111=25510
Vsalida (max)=20mV /255
Vsalida = 5.10 V
Circuito eléctrico de un convertidor Digital-Analógico
En la actualidad existen varios métodos y circuitos para producir la operación de Digital-Analógico. Por lo
que no es tan importante conocer los diversos
diversos esquemas de circuitos,
circuitos, ya que los convertidores D/A
están disponibles como CI o bien como paquetes encapsulados que no requieren ningún conocimiento
de circuitos. En su lugar, es importante conocer las características significativas de realización
realización de los
convertidores D/A, en términos generales, de manera que se puedan utilizar en forma inteligente. A
continuación se muestra como ejemplo el circuito básico de un tipo de convertidor D/A de 4 bits
utilizando un amplificador operacional en configuración de sumador con resistencias con factores de
ponderación binaria.
El operador operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma de los factores de
ponderación de estos valores de entrada. Un amplificador operacional sumador multiplica cada voltaje de
entrada por la proporción de la resistencia de retroalimentación Rs de la entrada correspondiente. Por
ejemplo: la entrada D tiene una
una R =1 KΩ, de manera que el amplificador operacional
operacional pasa el voltaje
voltaje de D
sin atenuación. La entrada C tiene una R= 2KΩ, de manera q ue será atenuada en ½ . La entrada B tiene
una R=4KΩ, de manera que será atenuada en ¼. La entrada A tiene una R=8KΩ, de manera que será
atenuada, en 1/8.
Vsal= - (VD +1/2 VC +1/4 VB +1/8 VA)
La salida del amplificador sumador es un voltaje analógico que representa una suma de los factores de
ponderación de las
las entradas digitales.
97
2.- Lenguajes HDL.
2.1.- Dispositivos Lógicos Programables (PLD).
2.1.1.- Tipos, características y fabricantes.
El significado de las siglas es Programable Logic Dispositive (dispositivo lógico programable) o
sea es un dispositivo que se puede programar para que funcione como un circuito de lógica binaria
según un diseño, lo que quiere decir que ya no tenemos que construir nuestros diseños de la lógica
combinacional o secuencial que vimos anteriormente sino que los podemos programar en estos
dispositivos y como cualquier programa, se puede rehacer, mejorar o aún mejor, hoy podemos
programar que funcione como un circuito y mañana como otro, pero, ¿que otras opciones nos dan los
desarrollos electrónicos? Veamos las siguientes las líneas.
El resultado es la reducción de espacio físico dentro de la aplicación; es decir, hablar de PLD´s es
hablar de dispositivos fabricados y revisados que se pueden personalizar desde el exterior
mediante diversas
diversas técnicas de programación
98
99
100
101
102
103
104
Los bloques lógicos (celdas generadoras de funciones) permiten la implementación de cualquier función
booleana representada en forma de suma de productos. Estos elementos tienen como parte pr incipal de su
configuración los LUT (Look Up Table: tabla de búsqueda), los cuales permiten almacenar la lógica
requerida, ya que cuentan con una pequeña memoria interna, por lo general de 16 bits.
105
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2.1.2.- Pasos para el diseño con PLD´s
Programando PLD´s
El soporte básico para programar PLD´s se encuentra formado por: un computador personal, un
grabador de dispositivos programables y el software de aplicación que soporta las diferentes familias de
circuitos integrados PLD (fig. 1.13).
Para circuitos CPLD y FPLD es posible programar los dispositivos en sus tarjetas de aplicación, pues
proporcionan puerto especial de comunicación y programación.
En general para el diseño e implementación en PLD´s se siguen los siguientes pasos:
1.- Determinación del sistema a implementar por medio de: tablas de verdad, ecuaciones booleanas,
diagramas de estado, etc.
2.- Programar la lógica en algún compilador o un lenguaje HDL
3.- Compilar, simular y depurar el circuito.
4.- Ya que no haya errores se programa el PLD usando un puerto del computador y la base
programadora o la interfaz de programación.
En la actualidad hay una diversidad de programas CAD (programas de diseño asistido por computadora)
los cuales van desde lenguajes tipo ensamblador, con sus compiladores y simuladores (muy útiles para
PAL y GAL) hasta los modernos HDL que sirven para programar todos los tipos de PLD para la fábrica o
firma que soportan.
¿Qué son los lenguajes tipo ensamblador?; son aquellos en cuyos comandos se deja ver la lógica
booleana inherente o sea se perciben las compuertas que formarán el circuito hardware dentro del PLD,
un ejemplo de lenguaje de este tipo es el siguiente:
107
Por otro lado están los lenguajes de descripción en hardware, HDL (Hardware Description Lenguage),
llamados así porque permiten abordar un problema a nivel funcional (relacionando sólo entradas con
salidas). Estos lenguajes no son un invento nuevo, si no que datan de los años cincuenta, desde
entonces se fueron desarrollando en el ámbito industrial y académico, hasta que en los ochenta
surgieron lenguajes como: Verilog, ABEL 5.0, AHDL y el VHDL, este último desarrollado por el
Departamento de Defensa de E.U.A. dentro del programa Very High Speed Integrated Circuit (VHSIC) y
que posteriormente se volvió un estándar mundial por medio del IEEE (Institute of Electrical and
Electronic Engineers) y que ahora es el más usado en todo el mundo.
En la siguiente tabla podemos ver las principales compañías fabricantes de PLD´s y los softwares que
soportan a estos circuitos, muchas veces desarrollados por los propios fabricantes de PLD´s y que en su
mayoría están basados en VHDL o soportan VHDL.
108
2.2.- Programación de circuitos combinacionales con HDL
2.2.1.- Por captura esquemática, por tabla de verdad, por ecuaciones booleanas y
por descripción de comportamiento.
(Tema de investigación)
2.3.- Programación de circuitos secuenciales con HDL
2.3.1.- Por captura esquemática, por tabla de verdad, por ecuaciones booleanas y
por descripción de comportamiento.
(Tema de investigación)
109
ANEXOS
MANUAL DE PRÁCTICAS
Materia: Principios Eléctricos y Aplicaciones Digitales.
Objetivo general del manual: El alumno aprenderá a conocer el funcionamiento eléctrico y electrónico
de los dispositivos internos que conforman un sistema de cómputo.
Unidad No. 1: Circuitos Eléctricos:
Práctica No. 1:
Medición de resistencias y la corriente Alterna/Directa por medio de un multímetro digital
Objetivo:
Aprender a usar un multímetro digital y el protoboard midiendo 10 resistencias de diferente valor y la
corriente directa/Alterna.
Introducción:
Existen elementos pasivos en los circuitos básicos en las computadoras llamadas resistencias. Estas
están diseñadas por medio de carbón de silicio, y que sirven para limitar el paso de la corriente eléctrica,
y con esto evitar el daño a otros elementos electrónicos. Para conocer el valor de cada resistencia, cada
una tiene 4 bandas alrededor del cuerpo. Estas bandas son de color y se toma como banda más
significativa la banda más próxima al extremo de la resistencia. La banda siguiente es la segunda más
significativa, la tercera banda el multiplicador y la 4 (última banda) la tolerancia. Para poder verificar su
correcto funcionamiento, en la actualidad se usan equipos de medición electrónicos digitales portátiles
llamados multímetros, los cuales ayudan a verificar no solamente los valores de las resistencias, sino
también para la medición del correcto funcionamiento de otros elementos electrónicos como son: diodos,
transistores, capacitores, bobinas, etc. El multímetro a su vez puede ser capaz de medir voltajes (CA/CD)
y corriente en circuitos de CD. Para poder implementar la simulación de los diferentes configuraciones de
los circuitos diseñados en papel, se usa una tablilla conformada de huecos en forma de columnas y filas,
que servirán para introducir las patitas de los elementos electrónicos, para así constatar que lo diseñado
en papel se compruebe en la vida real.
Material y equipo necesario:
10 resistencias de diferente valor óhmico (de preferencia de 0 a 1 kOhm) a ½ W de potencia.
1 Multímetro digital portátil que tenga para medir corriente directa y transistores.
1 Protoboard de aprox. 20 x 30 cm de dimensión de preferencia.
Metodología:
Procedimiento para el uso del multímetro usando resistencias:
El multímetro tiene dos cables uno rojo y uno negro, el rojo se conecta en la parte derecha donde está
señalado como polo positivo, y el negro en la parte de en medio donde esta señalado como polo negativo
o tierra. En la parte central del multímetro hay un selector que se moverá en sentido a las manecillas del
reloj, hasta posicionarlo en la sección de Ohms cuidando quedar en un número superior subsecuente al
valor a medir. Por ejemplo si se quiere medir 980 Ohms, posicionarlo en 1 kOhms = 1000 Ohms.
110
Introducir ambos extremos de la resistencia en dos orificios diferentes en el protoboard, después pegar
cada uno de los extremos procurando no pegar con las manos las patitas de las resistencias, ya que se
podría afectar el valor ohmico medido, ya que el cuerpo humano por naturaleza tiene una resistencia
interna.
Para poder medir la CD, seleccionar en el multímetro para medir voltaje de CD y pegar la punta de color
rojo al polo positivo de la fuente de alimentación, y la punta de color negro al polo negativo.. Para medir
la CA es muy importante que antes se seleccione en el multímetro para medir voltaje de CA, ya que de
otra forma hay riesgo de dañar el equipo de medición. Una vez seleccionado para medir voltaje de CA,
se mete con mucho cuidado y de manera indistinta cada punta en el contacto de la enegía comercial a
medir, ya que la CA no tiene polaridad.
Sugerencias didácticas:
En caso de no encontrar las resistencias con los valores de potencia pedidas, se podrán utilizar de ¼ W
o 1 W. En el caso del multímetro se podría utilizar cualquier marca e inclusive uno usado o de gancho.
Reporte de los resultados:
Presentar los resultados obtenidos llenando la siguiente tabla:
Valor
comercial
Código de
colores
Potencia
comercial
Tolerancia
comercial
Valor medido
en laboratorio
Dentro de
Tolerancia
Sección de preguntas:
1.- Las resistencias que no se encuentran dentro de su valor de tolerancia están dañadas ?
2.- Se pueden utilizar en los circuitos que se van a realizar durante este curso ?
3.- De que crees que dependa que estén dentro o fuera de tolerancia?
4.- Cual es la diferencia entre las resistencias de ½ Watt, ¼ Watt y 1 Watt.
5.- Todas las resistencias no tienen polaridad y de que depende su tamaño ?
Bibliografía preliminar:
Se recomienda consultar en Internet en cualquier página que hable de resistencias para verificar el
código de colores, para saber el valor esperado a medir. Otra alternativa es apoyarse en los apuntes de
clase o en cualquier libro de electrónica en la sección de resistencias, por ejemplo: Electrónica Básica,
Editorial Prentice Hall, autor: Bernand Grobb.
111
Práctica No. 2:
Diseño de un circuito eléctrico con resistencias para probar la ley de Ohm
Objetivo:
Comprobar en la vida real que los cálculos de corrientes y voltajes en un circuito opcional en papel y
utilizando 10 resistencias de diferente valor (5 en serie y 5 en paralelo), se lleve a cabo al implementarlo
y simularlo en el protoboard, para con esto comprobar la ley de Ohm.
Introducción:
Existen 2 maneras de interconectar una resistencia o un componente electrónico en un circuito: en
paralelo (cuando se conectan a través de una fuente de voltaje) y en serie (cuando se conectan en orden
sucesivo). Donde cada trayectoria por donde circula la corriente se conoce como malla o rama.
Generalmente en los circuitos algunos componentes (en este caso resistencias) se conectan en serie
para que por ellas circule la misma corriente, mientras que otros se conectan en paralelo para que
tengan el mismo voltaje. Los circuitos serie-paralelo se utilizan cuando es necesario proporcionar
diferentes cantidades de corriente y voltaje y se tiene una sola fuente de alimentación aplicada. Para
analizar este tipo de circuitos se requiere realizar por separado hasta obtener un circuito equivalente
simplificado. Todo basado en la ley de Ohm:
I = V/R (Efecto = Causa/Oposición)
Para circuitos en serie o en paralelo, se utilizan fórmulas para cada caso especial donde se podrá
consultar en la bibliografía recomendada o en los apuntes de clase. Tomar en cuenta que los voltajes se
miden en paralelo y las corrientes en serie.
Material y equipo necesario:
10
1
1
1
1
1
resistencias de diferente valor óhmico (de preferencia de 0 a 1 kOhm) a ½ W de potencia.
Multímetro digital portátil que tenga para medir corriente directa y voltaje directo.
Protoboard de aprox. 20 x 30 cm de dimensión.
Una fuente de poder o un eliminador de voltaje entre 5 a 12 Vcd.
Juego de cables telefonicos.
Lápiz y papel para realizar los cálculos del diseño.
Metodología:
Procedimiento para el diseño del circuito eléctrico:
Determinar el tipo de fuente de poder a utilizar y por medio del multímetro digital, verificar el voltaje real
de salida de la misma para así considerarlo en los cálculos. Definir la configuración serie-paralelo en
mínimo 2 mallas o ramas del circuito a diseñar, tomando en consideración que 5 resistencias deberán
estar en serie y 5 en paralelo. De tal forma que todos los equipos deberán tener configuraciones
diferentes y con valores de resistencias diferentes. De la tabla de resultados obtenida en la práctica No.
1, considerar los valores reales (columna de valores medidos en laboratorio), para realizar todos los
cálculos necesarios hasta obtener un circuito equivalente. Antes se tendrá que calcular el voltaje y la
corriente para cada una de las resistencias. Una vez obtenido en papel todos los voltajes y corrientes, el
alumno implementará en la tablilla de interconexiones conocida como protoboard, tratando de evitar los
mínimos puentes posibles con los cables telefónicos, para tener los menores falsos posibles. Ya
implementado el circuito físicamente se tendrá que alimentar con la fuente de poder seleccionada
cuidando cerrar el circuito. Ya alimentado el circuito, el alumno verificará por medio del multímetro ya sea
en voltímetro o amperímetro los valores antes obtenidos, donde podrá constatar si todos los cálculos que
112