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TEMA 6: ROBÓTICA – ELECTRÓNICA ANALÓGICA

1.- Conceptos de electricidad:

La electricidad o corriente eléctrica es el movimiento de electrones a través de un conductor, desde un átomo cargado negativamente (le sobran electrones) hasta otro cargado positivamente (le faltan electrones). Sin embargo, en el diseño de circuitos eléctricos y electrónicos se utiliza como sentido de la corriente eléctrica, el movimiento de electrones desde el polo positivo al negativo.

La corriente solo circula cuando el camino está cerrado (los electrones salen del polo positivo y regresan al negativo)

Cuando en su recorrido la corriente no atraviesa ningún receptor, se produce un cortocircuito

Tensión o voltaje: “U” La tensión la crea el generador y es la fuerza que “empuja” los electrones y se mide en Voltios (V). La tensión es la misma cuando los receptores se colocan en paralelo y se divide cuando los elementos se colocan en serie

Intensidad: “I” Es la cantidad de electrones que circulan por el circuito y se mide en Amperios (A). La intensidad que atraviesa cada receptor es la misma cuando los receptores se colocan en serie y se divide cuando los receptores se colocan en paralelo

Los receptores se conectan siempre entre sí en paralelo, excepto cuando queremos proteger un receptor de una tensión superior a la que aguanta (se coloca una resistencia en serie para dividir la tensión),

Resistencia: “R” En cualquier circuito y para cualquier receptor, los electrones encuentran una oposición o resistencia a su movimiento. Se mide en Ohmios (Ω). Esta resistencia depende del material y del tamaño del receptor o componente eléctrico.

RESISTENCIA TOTAL VOLTAJE INTENSIDAD

Circuito en serie RT = R1 + R2 + R3 + …. Se divide Es el mismo

Circuito en paralelo 𝟏

𝐑𝐭=

𝟏

𝐑𝟏+

𝟏

𝐑𝟐+

𝟏

𝐑𝟑+ ⋯ Es el mismo Se divide

Ley de Ohm

Es una ecuación que relaciona el voltaje, la resistencia y la intensidad que circula por un circuito

U = I . R

I

Tensión U

6 V

0 V

U

U1

U2

U3

I

U

I1 I2 I3

I

U

Circuito serie Circuito paralelo

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2.- Símbolos eléctricos

Generadores Acumuladores Elementos de protección

Pila Bateria Condensador Resistencia Potenciómetro Diodo

Elementos de control y maniobra Amplificador

Interruptor Pulsador NA Pulsador NC Conmutador Relé Transistor

Receptores Sensores

Motor Bombilla Zumbador Diodo Led LDR Termistores Sensor de IR

3.- Electrónica. Definición

La electrónica es la parte de la electricidad que estudia el paso de corriente eléctrica a través de componentes llamados semiconductores. Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los semiconductores más utilizados son el silicio y el germanio.

La electrónica se divide en dos grupos: electrónica analógica y electrónica digital. En la electrónica analógica los valores de tensión e intensidad pueden tomar muchos valores, de forma que los sensores y receptores pueden comportarse de diferentes maneras (diferentes velocidades de un motor, sensor que detecta diferentes temperaturas, …). En la electrónica digital la información está codificada en forma binaria (0 y 1) y sólo hay dos valores de tensión: HIGH (5V, 1 binario, ON, pasa corriente) y LOW (0V, 0 binario, OFF, no pasa corriente).

La electrónica se emplea fundamentalmente para controlar y automatizar aparatos, máquinas o circuitos y para procesar información.

Vamos a estudiar los componentes electrónicos de los circuitos.

4.- Resistencia:

Son pequeños componentes que se colocan en los circuitos para limitar o regular la cantidad de corriente que circula por ellos, así como para proteger algunos componentes por los que no debe circular una intensidad de corriente elevada.

Tipos de resistencias: las resistencias pueden clasificarse según su comportamiento en:

Fijas

Variables: Potenciómetro LDR Termistor

M

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Resistencias fijas:

Físicamente las resistencias son pequeños cilindros con unas bandas de colores impresas que se emplean para identificar su valor en ohmios. Se utilizan como elementos de protección en los circuitos, se colocan en serie con el elemento a protege para dividir el voltaje. Se fabrican con materiales malos conductores como el grafito y carbón, y se recubren de plástico.

Ejemplo:

La resistencia se coloca para proteger a la bombilla y que sólo absorba 3,5 V

La unidad de medida de las resistencias es el ohmio (Ω). A veces resulta pequeña y se emplean múltiplos:

1 KΩ = 1 K = 1.000 Ω 1 MΩ = 1 M = 1.000.000 Ω

Normalmente las letras sustituyen a los decimales: 4700 Ω = 4K7 12.000 Ω = 2.200 Ω = 1.200.000 = 3.000 Ω = 7.900.000 Ω=

Código de colores

Mediante la tabla siguiente podemos obtener el valor teórico de una resistencia.

Color 1ª Cifra 2ª Cifra Nº de ceros

Negro 0 0 -

Marrón 1 1 0

Rojo 2 2 00

Naranja 3 3 000

Amarillo 4 4 0.000

Verde 5 5 00.000

Azul 6 6

000.000

Violeta 7 7 0.000.000

Gris 8 8 00.000.000

Blanco 9 9 000.000.000

Color Tolerancia

Oro 5%

Plata 10%

Sin color 20%

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Tolerancia:

Es el margen de error entre el valor teórico y el valor real de una resistencia, que nos asegura el fabricante. Es un dato que nos dice que tanto (en porcentaje) puede variar el valor de la resistencia (hacia arriba o hacia abajo) de su valor teórico indicado en el código de colores

Ejemplo: Si una resistencia tiene las siguientes bandas de colores:

rojo amarillo naranja oro 2 4 000 +/- 5 %

La resistencia tiene un valor teórico de 24.000 Ω = 24 K El valor máximo de esta resistencia puede ser: 24.000 + 5% = 25.200 Ω = 25K2 El valor mínimo de esta resistencia puede ser: 24.000 - 5% = 22.800 Ω = 22K8 La resistencia puede tener cualquier valor entre el máximo y mínimo calculados

Resistencias variables:

Potenciómetro:

Es una resistencia variable que se acciona manualmente mediante un cursor.

Se utiliza para regular la cantidad de corriente de un circuito, ajustando el cursor entre el 0 y el valor máximo de potenciómetro.

Físicamente lleva tres patillas: una patilla común y dos patillas fijas con valor 0 y valor máximo de la resistencia. Se debe conectar la patilla común y una de las patillas fijas. Si realizamos la conexión utilizando las dos patillas fijas, la resistencia funciona como una resistencia fija con el valor máximo.

LDR (sensor de luz)

Un LDR es una resistencia Se utiliza como sensor de luz que activa un determinado proceso en ausencia o presencia de luz.

Cuanta más intensidad de luz incide en la superficie de la LDR menor será su resistencia y cuanta menos luz incide mayor será la resistencia.

Se comporta como un interruptor que funciona con luz. Si recibe luz deja pasar la corriente y en la oscuridad impide que pase. Se le llama, también, fotorresistor o fotorresistencia. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (en algunos casos puede descender a tan bajo como 50 ohmios) y muy alto cuando está a oscuras (puede ser de varios megaohmios).

LDR viene de la expresión inglesa Light Dependent Resistor.

- Con luz:

- Sin luz:

Circuito regulador de luz

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Inconveniente: Por una LDR circula poca corriente, que luego puede ser insuficiente para activar un receptor (motor, bombilla,…) por lo que es necesario después acoplar un transistor para amplificar o aumentar la intensidad de salida.

Termistor (sensor de temperatura)

Un termistor es una resistencia variable con la temperatura. Se utiliza como sensor de temperatura que activa un determinado proceso con aumento o disminución de temperatura

Hay dos tipos de termistores:

1. Termistor NTC (Coeficiente de temperatura negativo), son resistencias variables cuyo valor disminuye a medida que aumenta la temperatura. Su conductividad aumenta con la temperatura.

2. Termistor PTC (Coeficiente de temperatura positivo), son resistencias variables cuyo valor aumenta a medida que la temperatura aumenta.

Aplicaciones: alarmas contra incendios, control de temperatura de hornos, calefacción, agua caliente

- Con temperatura alta:

- Con temperatura baja:

Inconveniente: Por un termistor circula poca corriente, que luego puede ser insuficiente para activar un receptor (motor, bombilla, zumbador,…) por lo que es necesario después acoplar un transistor para amplificar la intensidad de salida.

.

5.- Diodo:

Son componentes electrónicos que permiten la circulación de corriente en un solo sentido.

Llevan dos terminales: el ánodo o borne positivo y el cátodo o borne negativo. La corriente sólo circula cuando el ánodo está conectado al polo positivo de la fuente de energía y el cátodo al polo negativo. Cuando está conectado de esta forma se dice que está polarizado de forma directa, la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un cortocircuito. Cuando la corriente no circula está polarizado de forma inversa. Se comporta como un circuito abierto.

Los diodos se utilizan para distintas funciones: protección de cortocircuitos o sobreintensidades en componentes electrónicos (relés, colector del transistor), rectificador de corriente (son capaces de convertir la corriente alterna en corriente continua), Diodo polarizado directamente

PTC NTC

Ánodo Cátodo

- +

Diodo polarizado directamente

PTC

Diodo polarizado inversamente

+ tº - tº

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Diodos LED : Light Emitting Diode

Son diodos que convierten en luz toda la energía eléctrica que les llega, sin calentarse.

Se utilizan como indicadores visuales del funcionamiento de un circuito. Como cualquier diodo están polarizados, sólo iluminan cuando están conectados correctamente.

Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además, en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo.

Cuando se polariza inversamente no se enciende y además no deja circular la corriente.

Los LED funcionan con tensiones de 2 V e intensidades comprendidas entre 5mA - 100mA.

Cuando en un circuito se conectan a más de 2 V, es necesario conectar una resistencia en serie para protegerlos.

Ejemplo: Calcula la resistencia que hay que colocar para proteger al Diodo LED (intensidad de corriente de 50 mA).

6.- Relé:

Consta de un electroimán o bobina (imán activado por corriente eléctrica) y uno o varios conmutadores activados por el imán.

Cuando una corriente circula por la bobina se produce un campo magnético y el conmutador o conmutadores cambian de posición. Cuando la corriente deja de pasar por la bobina, desaparece el campo magnético y los conmutadores vuelven a su posición inicial.

El relé es un dispositivo que, al recibir una señal eléctrica, acciona varios circuitos a través de conmutadores.

6V

Ánodo Cátodo

- +

12 V

NA

conmutador

bobina NC

C

Chaflán

Ánodo Cátodo

2V

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Ejemplo:

El relé se puede encender y apagar de maneras diferentes: interruptor, pulsador, LDR, termistor, etc.

Con pulsador:

El problema es que solo funciona mientras se pulsa. Para solucionar esto y que el circuito funcione se usa el autobloqueo o enclavamiento (uno de los conmutadores internos del relé se utiliza para bloquear y que siempre esté conectado el relé).

- Sin pulsar P:

- Al pulsar P:

- Al dejar de pulsar P:

Para poder desbloquear el circuito hay que usar otro pulsador, que será normalmente cerrado (pulsador de paro o final de carrera)

- Sin pulsar P1 ni P2:

- Al pulsar P1:

- Al dejar de pulsar P1:

- Al tocar P2:

K K K

K

12V

0V

M1

M2

P K

K

+

-

K

P1 K

K

+

P2

K

P

K

+

-

K

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Ejemplo:

- Sin pulsar P1:

- Al pulsar P1:

- Al dejar de pulsar P1:

- Al tocar FC:

Ventajas del relé: - Es un superconmutador múltiple, lo que permite controlar muchos circuitos electrónicos de forma

independiente. - Permite el autobloqueo de pulsadores - Permite separar el circuito de control (interruptores, pulsadores, etc) del circuito de potencia

(motores, lámparas, zumbadores, etc). Esto es posible porque cada contacto o conmutador es un circuito independiente.

Circuito de cambio de giro del motor:

Para conseguir el cambio de giro del motor necesitamos utilizar dos conmutadores del relé.

Cambio de giro con dos relés: relé 1C + relé 2C

- Sin pulsar P:

- Al pulsar P:

- Al tocar FC:

¿Cuál es el inconveniente de este circuito?

Circuito de potencia

K K

B2 B1

P1 K

K

+

FC

M1 M2

0V

220V

K K

K M

12V

24V

K1

K1

0V

K1

P K

K

5V

FC

M

Circuito de control

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Cambio de giro con dos relés 2C:

- Sin pulsar:

- Al pulsar P11:

- Al tocar FC1:

- Al pulsar P2:

- Al tocar FC2:

Ejs: ascensores, grúas, etc.

Los pulsadores pueden sustituirse por LDR, termistores,..

7.- Transistor:

Es un componente semiconductor que amplifica la corriente eléctrica (intensidad).

Se utilizan cuando la intensidad no es suficiente para poder activar un motor, encender una bombilla, etc.

Siempre que utilicemos un sensor (LDR, termistor sensor de IR,…) que funcionan con poca intensidad y poco voltaje, debemos luego amplificar la intensidad con un transistor.

Ejemplo: sistema que avisa que un depósito de agua está lleno. Utilizamos unas sondas metálicas

separadas entre sí. Cuando llegue el agua a la altura de las sondas, estas se comportan como un interruptor cerrado.

24V

K2

K2 P2

K2

K1

0V

K1

P1

K1

5V

FC1

M FC2

B C

E

El agua es conductora, pero tiene una resistencia tan alta que la intensidad de corriente es insuficiente para encender la bombilla. Se necesita un dispositivo

que amplifique esta corriente

La pequeña corriente que llega a la base del transistor es amplificada y la corriente que circula entre el colector y el emisor aumenta, y la bombilla luce

BD

135

Base Emisor

Colector

C

E

B

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Funcionamiento del transistor:

El transistor está gobernado por la corriente que recibe por la base. Cuando una corriente pequeña circula por la base, el transistor se activa permitiendo que una corriente más grande circule entre el colector y el emisor.

La base del transistor debe protegerse con una resistencia, por que si le llega mucha corriente el transistor se quema.

La ganancia es el factor por el que se multiplica la corriente de la base cuando se amplifica en un transistor, y se representa por β.

La ganancia puede variar desde 50 a 500.

Polarización del transistor PNP:

En los transistores la base y el colector se conecta hacia la tensión + y el emisor hacia la tensión -. La base debe estar a una tensión que supere los 0,7 V para conducir.

El transistor puede estar en tres zonas de polarización: corte, activa y saturación.

Zona de corte: la tensión base-emisor no llega a 0,7 V, el transistor no conduce y se comporta como un interruptor abierto.

Zona activa: una corriente débil (≥ 0,7 V) llega a la base y activa el transistor, permitiendo que una corriente más grande circule entre el colector y el emisor.

Zona de saturación: cuando la intensidad que circula por la base del transistor es muy elevada, entonces el transistor funciona en saturación, es decir, se comporta como un interruptor cerrado, dejando pasar toda la corriente posible entre colector y emisor

Conexión en par Darlington:

Cuando un solo transistor no es suficiente para amplificar la señal, se colocan dos transistores de forma que se alimenta la base de un segundo transistor con la corriente amplificada del primero. La ganancia obtenida es la multiplicación de ambas ganancias:

βtotal = β1 x β2 Este esquema electrónico es más sensible que el detector de agua anterior, ya que la bombilla se enciende cuando se coloca un papel húmedo o mojado entre las sondas.

Ejemplo: Detector de oscuridad (encendido automático de luces al anochecer)

Enumera los componentes del circuito:

¿Para qué se utiliza la resistencia de 1KΩ?

1KΩ

9V

0V

10K

BD 135

2,2 K zumbador

12 V

0 V

BC108

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Explica el funcionamiento del circuito (coloca el potenciómetro en 200 Ω)

¿Para qué se utiliza el potenciómetro?

8.- Sensor IR:

Está formado por un emisor de luz infrarroja (diodo led) y un receptor (fototransistor). El transistor se actica cuando recibe la luz infrarroja que emite el diodo, si no recibe luz IR el transistor estaría en corte.

Son sensores de corto alcance.

Funcionamiento: la luz emitida por el diodo led es reflejada por la superficie y detectada por el fototransistor, que se activa y permite que pase corriente

Se debe colocar cerca de la superficie a detectar. Cuando la luz emitida incide en una línea o pared negra, esta luz es prácticamente absorbida por la línea y el detector (fototransistor) permanece en corte. Cuando existe una superficie de color claro, entonces es cuando el receptor detecta el rayo que se refleja y el fototransistor conduce, entra en zona activa.

Ejemplo: Seguidor de línea negra

- Con suelo claro, la luz infrarroja del emisor se refleja y llega al receptor, manteniendo los transistores en saturación y el relé activado. Gira el motor 1

- Con línea negra, el receptor no recibe la luz infrarroja reflejada en el suelo; los transistores pasan a corte y el relé no se activa. Gira el motor 2

- El coche se mueve haciendo zig-zag

Estado LDR T (BD135)

Luz

Oscuridad

A C

E C

1 2

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9.- Condensador:

Un condensador es un dispositivo electrónico que almacena energía eléctrica cuando se conecta a corriente continua y después puede actuar como una pequeña batería.

Está formado por dos placas metálicas separadas una cierta distancia por un aislante llamado dieléctrico. Un dieléctrico o aislante es un material que cuando se carga, evita el paso de la corriente.

Funcionamiento del condensador:

Cuando se aplica corriente continua a un condensador, se produce una corriente eléctrica entre placas muy rápida al principio y el condensador se carga. Una vez que el condensador adquiere la carga máxima, la corriente cesa en el circuito. Al retirar la tensión la energía eléctrica queda almacenada. Si luego unimos sus dos terminales a un receptor, el condensador se descarga haciendo funcionar el receptor durante un instante.

Se llama capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar.

En el Sistema internacional la capacidad se mide en Faradios (F), La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad con submúltiplos como el

miliFaradio (mF=10-3 Faradios) microFaradio (uF =10-6 Faradios ) nanoFaradio (nF= 10-9 Faradios) picoFaradio (pF= 10-12 Faradios)

Características de los condensadores:

Las principales características eléctricas de un condensador son su capacidad y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de aguantar sin dañarse). Nunca debe conectarse a un voltaje superior al que puede aguantar pues puede explotar

Tipos de condensadores:

No polarizados: sus patillas no tienen polaridad y pueden conectarse indistintamente. Son condensadores de baja capacidad.

Polarizados: sus terminales tienen polaridad y hay que conectarlos correctamente de forma directa. Nunca conectarlo al revés pues puede dañarse y explotar.

Son condensadores de alta capacidad

Aplicaciones:

Se utilizan para circuitos temporizadores y circuitos retardadores. Ejemplos:

Cerrar una puerta por la que tenemos que salir. Retardo en la actuación de un mecanismo. Activar durante un cierto tiempo un componente eléctrico. Apagado de la luz interior de un coche, unos segundos después de cerrar una puerta.

100μF 1K 100

Carga Descarga

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Al colocar condensadores en paralelo, se aumenta la capacidad.

Encendido de una bombilla durante un tiempo:

Al accionar el pulsador, se caga el condensador (en un instante) y se enciende la bombilla. Al soltar el pulsador la base del transistor recibe corriente del condensador y el led se mantiene encendido el tiempo que dure la carga del condensador.

MONTAJES DE CIRCUITOS EN PLACAS BOARD

Una placa “board” es una placa de pruebas donde montar circuitos para comprobar su funcionamiento.

.La placa board está formada por una serie de huecos donde se insertan los componentes electrónicos y los cables.

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EJERCICIOS DE ELECTRÓNICA ANALÓGICA

1.- a) Rellena la siguiente tabla indicando el código de colores o el valor de la resistencia:

VALOR CODIGO DE COLORES

5200 Ω.

64000 K

21 Ω.

8 Ω.

47K3

9M2

gris-negro-naranja

Verde-negro-rojo

Rojo-marron-marron

Negro-azul-negro

Naranja-marron-azul

Negro-marrón-morado

b) ¿Qué significa la tolerancia plata en una resistencia de 220 Ω?

c) Calcula el valor teórico, valor máximo y mínimo de una resistencia negro-rojo-naranja-oro. 2.- a) Dibuja un circuito para regular la velocidad de giro de un motor.

b) Dibuja un circuito controlado por un relé que al accionar un interruptor cambie el sentido de giro de un motor. Deben encenderse un led rojo y otro verde alternativamente con cada sentido de giro del motor

3.- a) Indica qué receptores funcionan en el siguiente circuito

4.- Calcula el valor y colores de la resistencia que hay que colocar en

el circuito para que el motor funcione correctamente. 5.- Dibuja un circuito eléctrico que tenga una pila, un interruptor y un relé para hacer funcionar un motor,

una bombilla verde y una bombilla roja; diséñalo de manera que mientras el motor funcione, la bombilla verde esté encendida, y cuando no funcione luzca sólo la bombilla roja. NOTA: el motor funciona a 9 V, y la bombilla funciona a 2 V. Indica la tensión o voltaje qué deberá tener la pila. Calcula el valor y colores de las resistencias que deberemos colocar para proteger a los receptores

24 V

6 V M

50 mA

R

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6.- a) Pon el nombre de los componentes del circuito

b) Explica el funcionamiento del siguiente circuito con temperatura alta y baja

c) ¿Para qué se utiliza el diodo? d) ¿Para qué se utiliza la

resistencia de 2K2?. E indica su código de colores

e) ¿Para qué se utiliza el potenciómetro?

f) Calcula el valor de la resistencia para proteger al LED si sus datos de funcionamiento son 2,5 V y 100 mA

7.- a) Pon el nombre de los componentes del circuito

b) Al inicio la máquina está pulsando P2. Explica que ocurre en el circuito.

c) Explica el funcionamiento del circuito al pulsar P1

d) ¿Qué ocurre cuando soltamos P1?

e) ¿Para qué se utiliza la resistencia de 1K?. E indica su código de colores

f) ¿Para qué se utiliza el diodo?

IN40

07

2K2

220V 9V

0V

K

K

10K

BD 135

NTC