Sice-ocr.pdf

A

B

UAN

r-- e IF

Ir

IF/ \ IF

Ir

Ir

~ IF

UCN

UBN

L.....

Figura 2.13. Sistema equilibrado de corrientes en configuración triángulo.

Figura 2.11. Sistema vectorial equilibrado de corrientes y tensiones, en

estrella. E n la Figura 2. 1 1 puede observarse que si se suman vectori almente las corrientes de fase (o de línea), estas se anulan. Si no ocurriera esto, la corriente po r e l hilo neutro no sería cero.

• • 2.2.2. Conexión de sistema trifásico equilibrado en triángulo (D) Par a el caso de la config uración en tri ángulo, se o btiene el sigui ente sistema de tensiones: UAB

El motor eléctrico no posee hilo neutro porque no es necesario. Está constituido por tres bo binados iguales, que forman un sistema equi librado cuyo potencial teórico en su punto neutro es nu lo. Figura 2.14. Motor eléctrico.

Ahora bi en, e l sistema vectorial de tensio nes y corrientes, supo niendo que la impedanc ia inducti va es la corriente retrasada

IF/ \IF

~ IF

Use IF

Figura 2.12. Sistema vectorial.

En base a la Fig ura 2. 13 puede observarse cómo las tens iones de línea y de fase (las que llegan a la carga, en este caso, a cada impedanc ia) son las mismas, pero las corrientes de línea no son las mismas que las de fase (las que llegan a cada impedancia). Co n este razonamiento puede determinarse que: 1 1

u z

=-/.

Figura 2.15. Sistema vectorial equilibrado de corrientes y tensiones, en

triángulo. Si estas corrientes se suman vectori almente dan un resultado nulo, al igual que las tensio nes, pero como cada corriente de línea está formada por la suma de dos de ellas, el ángulo de desfase será 120". Así, el resultado será e l sigui ente:

-ELECTRÓNICA

2. SISTEMAS TRIFASICOS

11 2.3. Sistema trifásico desequilibrado Como se ha indi cado anteri orme nte, un sistema trifásico es equil ibrado cuando las tensio nes de fase y línea, así como sus corrientes, poseen los mismos valores y están desfasadas entre sí 120°. Este simple cambio en el desfase de las tensio nes, corrientes y de los valo res entre ellos, complica de g ran modo el cálcul o de los sistemas eléctricos.

• • 2.3.1. Sistema trifásico desequilibrado en estrella (Y) sinneutro En este caso, el sistema de cargas está compuesto po r tres impedancias de d iferente módul o y ángul o de fase; esto generará desequi librios sobre las tens iones y las corrientes del sistema (Figura 2. 18). 1L1

1L2

Figura 2.16. Corriente de línea en triángulo. 1L3

IL=2 I, cos 30° o

o

UAN

UsN UcN

Teniendo en cuenta que en cada carga cae la tensió n de línea y q ue la carga es atravesada por la corri ente de fase, se obtiene finalme nte: 1 F

=!!.;__~~=!!.;__~ ¡ =, Z

~

\ 3

Z

L

VN

3

o

UL

Figura 2.17. Sistema desequilibrado de corrientes en configuración estrella

Z

sin neutro.

Use

Use :0 1

Figura 2.18. Sistema vectorial desequilibrado de corrientes en configuración estrella sin neutro.

ELECTRICIDADComo las cargas no son iguales, las tensiones de fase y las corrientes de línea (o fase), tendrán valores diferentes y la tensión en el punto neutro no será nu la. Las ecuaciones son las siguientes:

UAN

ufl

1 =1 21

12

=u

1 =

]

F'2

22

u

U eN

____!:]_

23

UBN

Figura 2.20. Sistema desequilibrado de corrientes en configuración estrella con neutro.

• • 2.3.2. Sistema trifásico desequilibrado en estrella (Y) con neutro En este caso, las impedancias de la carga son diferentes. En un sistema en estrell a la tens ión de fase y las corrientes no se anulan; sin embargo, sí se cumple que la tensión teórica en el punto neutro es nula (solo en teoría).

• • 2.3.3. Sistema trifásico desequilibrado en triángulo (0) Un sistema trifásico desequilibrado en tr iángulo presenta tres impedancias de valor diferente dispuestas en conexión triángu lo.

A-----------, lu

IL2 IL3

UAN

B

UBN UCN

IN c --~.,_.__--1

L-------~

VN=Ov

Zsc

12

Figura 2.19. Sistema desequilibrado en configuración estrella con neutro.

Las ecuaciones que rigen este sistema son las siguientes:

uf

1 =1 21

uf

1 =2 Z2

Figura 2.21 . Carga deseqwlibrada en triángulo.

Recuerda que... En la disposición en triángulo (D), las corrientes se dividen en fase y línea. pero las tensiones de línea y de fase son iguales; mientras que en estrella, Y, ocurre lo contrario.

UF

1 =1

23

Y la corriente del neutro será la suma vectorial de las corrientes de línea de cada una de las fases.

Las ecuaciones para este s istema, son las siguientes: U AH

1 =12

ZAB

O-ELECTRÓNICA A

A

B

e

ZA

e

B Zec

A ~~====r-+N~====~

B

En cuanto a las corrientes de línea en disposición triángulo, tanto en los sistemas trifásicos equilibrados como en los desequilibrados, siempre se cumple que su suma vectorial es nula, por lo que se obtiene el sistema vectorial de la Figura 2.22.

e

e

Figura 2.22. Corrientes en un sistema desequilibrado en triángulo. Figura 2.23. Teorema de Kennelly.

• • 2.3.4. Teorema de Kennelly El teorema de Kennelly permite pasar de una configuración en estrella a su equivalente en triángulo, y a la inversa. La demostración se deja aparte para presentar las ecuaciones finales que se obtienen de realizar las impedancias equivalentes entre los puntos de potencial A, B y C.

Para pasar de triángulo D a estrella Y se tiene:

Las ecuaciones para pasar de estrella Y a triángulo D son: Z AB

=

Z AN

Z AN . ZBN

+ ZBN + ---""'----"'C.:.. 2 cN

2.1. Calcula, para un sistema en triángulo equilibrado, las impedancias en estrella equivalente aplicando el teorema de Kenelly.

Solución: Se puede comprobar fácilmente cómo se cumple, para sistemas equilibrados con impedancias iguales para cada fase, que: 2 Ac · 2 Bc Z CN =

zAB

+ Z 8c + z Ac

~

zJ· zd _ _E.__~ - 3 3 . zj

zr = zj + zJ+ zJ -

La impedancia por fase para un sistema en estrella equilibrado Y es un tercio de la impedancia por fase en un sistema equilibrado en triángulo D.

"' 1 1

ELECTRICIDA

111 2.4. Potencia en los sistemas trifásicos Como se ha indicado en la Unidad didáctica anterio r, la potencia es la medida de la energía (entregada o consumida) por unidad de tiempo. Cuando esta potencia (generada o absorbi da) es muy e levada, resulta interesante di vidirla en varias líneas de alimentació n; por tanto, para un siste ma tri fásico la po tenc ia total será di vidida en tres.

Con el mismo procedimiento se llega a la potencia reactiva:

Q7 = 3 · Q1 = .. . = , 3 · V1

IL ·

·

sen cp

Para e l caso de triáng ul o se actúa de la mi sma fo rma pero, en este caso, se cambia la corri ente de fase po r la de línea. Así, se obtiene: IL

PT = 3 · P1 = 3 · VJ· 1 · cos '1' rn = 3 · - - · V1 · cos '1' rn = I

\3 = \ 3 . VI . 11 . cos cp

Q1 = 3 · Q1 = ...

=,

3 · V1 • 11 ·sen cp

Po r tanto, se llega a la misma expresió n.

2.2. Sea una carga trifásica equilibrada a 50 H~:, que absorbe una corriente de 200 A bajo una tensión de 400 V y un ángulo de fase de 73°. Calcula sus potencias activa, reactiva y aparente, tanto totales como por fa-,e. Solución:

P,= \ 3. VL . ¡L. cos cp= 1732.400.200. cos 73°= = 405 11 IV F

JI

J.1 Línea de alta tensión que transporta un sistema trifásico de

potenCias.

Qr = , 3 · 400 · 200 · sen 73° = 132 505,6 VAr

S = \ P2 + Q2 = \ 3 . VI . 11 = 138 560 VA Por fase:

• • 2.4.1. Potencia en un sistema equilibrado La ecuación para la potencia en un siste ma trifásico es muy similar a la de l caso de las líneas mono fásicas. La diferencia, en este caso, es que habrá que calcular tres veces la potencia (una para cada fase):

40 5 11 11' = 13 503 7 11' 3 ' 132505 6 = · =44 1686 VAr

p=

º

3

S=

'

132505 6 · = 46 186 6 VA

3

'

P1 = V1 · 11 · cos cp

Q1 = V1 · 11 · sen cp

Como son tres fases, en e l caso de un sistema equilibrado:

PT= 3. PI

En un sistema desequilibrado, la potencia de una fase no puede tomarse como referenc ia para las demás; por tanto, será necesario calcularla por fase y sumar los resultados para obtener la total de la carga desequilibrada;

QT= 3 . Ql

Desarrollando la expres ió n para el caso de un sistema eq uilibrado en estrella, se obtiene: p T = 3 . PI = 3 .

v, . 1, . cos cp = 3 .

• • 2.4.2. Potencia en un sistema desequilibrado

VI

- . 1, . cos cp =

\3 = \ 3 . VI . 11 . cos cp

v, · /1 · cos cp Q1 = V, · 11 · sen cp P1 =

Pr= P I + p2 + ... + P, QT= Ql + Q2 + ... + Q,

S = , p2 + Q2

LECTRÓNICA

2. SISTEMAS TRIFÁSICOS

• • 2.4.3. Medida de la potencia en los sistemas de corriente alterna El vatímetro y el varímetro se utilizan a la hora de medir potencias (activas, en el caso del primero y reactivas, del segundo) en los circuitos. Ambos poseen dos bobinas: la bobina amperimétrica y la bobina voltimétrica, de fom1a que una mide la tensió n y la otra, la corri ente, realizando un cálculo interno que ofrece como resultado la potencia.

LJ o-------~----~

Carga trifásica

N

Figura 2.27. Sistema equilibrado con neutro.

Carga trifásica Red eléctrica

Receptores eléctricos

Figura 2.28. Sistema desequilibrado con neutro.

Para el sistema desequilibrado sin neutro, la medida de la potencia total será el resultado de sumar la potencia, medida por separado, de las tres fases (Fig ura 2.29).

Figura 2.25. Medida de potencia activa con vatímetro.

Red eléctrica

Carga trifásica

Receptores eléctricos

• Figura 2.29. Sistema desequilibrado sin neutro. Figura 2.26. Medida de potencia reactiva con varímetro.

El problema surge cuando las medidas han de ser realizadas en los sistemas trifásicos, los cuales pueden ser de varias clases:

Como demostración, atendiendo a su sistema de tensiones desequilibradas, se forma un neutro (vector Vnn '). Los cálculos quedarán de la forma sig ui ente :

• Con neutro: sistema equilibrado. • Con neutro: sistema desequilibrado. • Sin neutro: sistema equilibrado. • Sin neutro: s istema desequilibrado. Atendiendo a esto, a continuación se detalla una serie de esquemas que perm iten indi car al lector el procedimiento a seguir para medir potencias en sistemas eléctricos trifás icos. Para e l primer sistema equilibrado con neutro, la medida de la potencia to tal será el resultado de multiplicar por tres la potencia de una de las fases (Figura 2.27).

1 @

1

Para e l sistema desequilibrado con neutro, la medida de la potencia to tal será el resultado de sumar la potencia medida por separado de las tres fases (Fig ura 2.28).

Use Figura 2.30. Sistema vectorial para el desarrollo del sistema de medida desequilibrado sin neutro con tres vatímetros.

Los vatímetros miden una tensión por fase, en e l neutro a11ificial que se crean por la unión de v.,". Vbn' y V,,'. Así: Van =V'+V' Jn nn

ELECTRICIDADSuponiendo que los vatímetros miden la tensión de fase eq uilibrada teórica, sus expresiones quedarían así:

Atendiendo al s istema vectorial del conjunto y a los valores medidos por cada vatímetro. las medidas en ambos son las siguientes: w, = V"' . /" cos (30- q>) = VL . IL . cos (30- q>)

Desarrollando esta expresión se tiene que:

w2 =Vbe ·lb cos (30 + q>) =vi. . ¡l. cos (30 + q>), ...

=cv"" + v,,.). 1" + cvb, + V .¡h + cv,, + V , .) 111

11

, .)

·!,.

Por tanto:

Teniendo en cuenta las expresiones para e l coseno de la suma y de la resta de dos ángulos, y sumando y restando las mismas de la siguiente forma: cos (30 - q>) + cos (30 + q>)

Como la suma de las corrientes, 1, + /b + /e = O, se tiene, finalmente, que:

cos (30- q>)- cos (30 + q>) Llegamos a: P1 =w 1 +w2 r-

=V.·I+V.·I+V.·I M u ~ b m e

Q, = \ 3 . e~~· ,- w2)

Es el sistema de medida aron, que se detalla a continuación, y donde la potencia total será la suma de las medidas ofrecidas por los vatímetros.

Carga trifásica

Figura 2.31 . Sistema aran.

11 2.5. Corrección del factor de potencia La potencia aparente S está formada por dos potencias que cumplen, cada una, una función determinada y diferente de la otra. Estas son la potencia reactiva ±jQ, que puede ser para la creación de campos eléctricos o magnéticos; y la potencia útil P, que sí se aprovecha en trabajo. Cuanto más cercano sea el valor de P respecto a S, mejor funcionará el sistema, con lo cual, el cociente

Si suponemos el caso en que la carga es equjlibrada e inductiva (por ejemplo, un motor trifásico), y el ángulo de desfase,
.!.._ ~ si.!.._ =1 ~ P =S S S

ha de ser lo más cercano posible a 1; el factor de potencia p se define como la relación cos q>=-comprendida entre O y 1:

S

cuanto más cercado esté a 1, mejor funcionará el sistema.

• • 2.5.1. Corrección del factor de potencia en instalación trifásica Vse VBN

Figura 2.32. Sistema vectorial para el desarrollo del sistema de medida aron.

Este factor de potencia es una característica de la instalación y lo ofrece el conjunto de las cargas conectadas al sistema. Se puede mejorar de dos formas: mediante motores que trabajen en vacío para instalaciones de grandes potencias, o mediante baterías de condensadores conectadas en el origen de la instalación. Cuando las instalaciones son de gran potencia, a la hora de reducir el factor, se dividen en partes, ya que, para corregir el valor, los condensadores se dimensionan en base a la potencia de la instalación, lo que implicaría que para potencias muy elevadas, los condensadores deberían ser de va lores muy elevados.

·~

LECTRÓNICA La corrección del factor de potencia sigue este razonamiento: se comienza por anali zar cada una de las cargas que están conectadas al sistema, calculando para cada una de ellas el triángulo de potencias. La batería de condensadores se instala al principio de la instalación eléctrica.

Figura 2.35 Batería de condensadores shunt de bastidor abierto. CARGAn

3F

¿-:;ton Pn

Figura 2 33. Triángulo de potencias de una instalación. Tras ello, aplicando el teorema de Boucherot, se determina el triángulo de potencias g lobal para la instalación:

sr ~ s, + S2 + ... + s, PT=P, +P2+ ... +P, Figura 2. 3&. Batería de condensadores shunt para un compensador del factor de potencia.

FP. = cos

(tan

1

(

; ;

) )

Una vez simplificada la instalación completa, se decide conectar una batería de condensadores al principio de la misma, la cual estará formada por tres condensadores, uno por cada fase.

Aunque los condensadores poseen cierta potencia activa, esta estará próxima a cero, por lo que se supone que el condensador únicamente posee una potencia de -jQ. Imaginemos que el sistema final que se pretende justo en el origen de la instalación, ha de poseer un ángulo q>, lo más pequeño posible. En tal caso, los sistemas inicial y final quedarían de la manera siguiente (Figura 2.37): SF t

-==!t Q

F

CARGAeq. CARGAeq.

3F

3F

~tQT Pr º1

F•~UJ a 2 ].¡, Instalación con condensadores para la corrección del factor de potencia.

Fogura 2 3:" Triángulo de potencias IniCial y final que se pretende para la instalación.

ELECTRICIDAD

-jQc

jQT

PT

Figura 2.38. Comparativa de los triángulos de potencia.

En base a esta comparativa, se comprende el proceso matemático siguiente:

QT- QF= Qc

Q =P ·tan cp Qc = P r ·tan cpr- Pf ·tan cpr = Pr ·(tan cpr- tan cpf) En la ecuación anterior está relacionado e l ángulo de desfase, cp, con la potencia reactiva requerida de los condensadores para mejorar el factor de potencia. Por otro lado, estos condensadores estarán dispuestos en estrella (Y) o en triángulo (0). Supongamos el caso triángulo O, para determinar la capacidad de los condensadores:

Qc = 1 3 . uf . 11

=

1

u/ . uf . 3 . 1t = 3 . ut. . -X · =

3

e= ó

U/ . 2Tif · c.~

3 · u¡ · 2Tif

de potencia es de 0,68. Si se desea mejorar hasta un valor de 0,7, indica el valor de la potencia reactiva necesaria a acoplar al conjunto. Solución: epi = cos 1 0,68 = 47, 15° cp2 = cos 1 0,77 = 39,64°

Qc = P1 ·(tan cp,- tan cpf) = 4000 · ·(tan47,15°-tan 15,57°)=-997,53\k¡r

e

y=

En triángulo:

c.~

3.

e1=

Razonando la expresión, se obtiene: 1

3 . uf

2.4. Una carga de 6 kW, 400 V y factor de potencia 0,7, se conecta a una batería de condensadores de 4400 Var. Indica el valor de la capacidad de los condensadores, en montaje triángulo (0) y estrella (Y).

3 ---=---

3 . uf . IL=

2.3. Sea una red trifásica de 4000 W, 400 V cuyo factor

3 . U/ . 2Tif

z, =3. z.

1

• C: faradios. • P : vatios. • Q: en voltioamperios reactivos.

= Pr· (tan <pr- tan
Qc

Ahora bien, en el caso estrella (Y) se sabe que para un sistema trifásico equilibrado se cumple que:

Qc =

• U: voltios.

1

e

=3.

Donde las unidades utilizadas son:

. 1 3 . JI = 3 . uf . -uf

=

Xe

Qc

3·

u~

3

C

=

Q(

_ P, · (tan cp, - tan cpf)

• u 2 . 2m 1

u 2 • 2m 1

l.

2Tif

=

4400 3 · 4002 • 27r · 50

= 29 2 J.IF '

En estrella: c t = 3. c . = 3. 29,2 = 87,6 11F

=3·U1~- 2..,..r·C ''1 t 1 ·2..,..r·C =Ut2 · 2nrj"·Cr Qe =3·Ut2 ·2..,..r ''1 ·Ct =3·''1 t

U2 ·

De otra forma:

e

= 1

Q( U/· 2Trf

=

4400 87 6 4002 • 2n ·50 = ' J.IF

-ELECTRÓNICA • • 2.5.2. ~orrección del factor de potencia en instalación monofásica

De igual forma que en e l caso trifásico, se llega a lo siguiente:

QT- QF= QC

Q = P · tan

Aunque sea el cálculo más simple que e l trifásico, tal vez la comprensión es más complej a que en el caso anterior, por lo que resulta interesante desarrollar el caso monofásico tras haber manejado las expresiones matemáticas que resulta del caso trifásico.

Qc

= Pr · tan

(/Jr -

PF · tan

qJ

qJF =

P r · (tan

qJr- tan (/)f.)

Por tanto, los cálculos comienzan con: Q c = U,. · 11

.J

Aplicando la ley de Ohm:

~

r

IF

1 Xe - 21if·

a-e

u,

- -

e-

1,

queda la expresión de la potencia reactiva total del sistema como:

CARGA 1F

_ Pr · (tan

qJr - tan qJf)

2Tif· Uf2

Figura 2.39. Compensación del factor de potencia en sistemas monofásicos.

Resulta interesante tener en cuenta que, a la hora de trabajar con condensadores, cuando la te nsión en s us bornes es anu lada, estos sig ue n estando cargados, por lo que es necesario descargarlos antes de proceder a mani pularlos.

El sistema funciona a una corri ente y tensión determinada. Al introduc ir un condensador para corregir e l factor de potencia en paralelo a la carga, la tensión de alimentac ió n queda constante pero la corriente se ampliará por e l efecto de la nueva carga que supone el condensador.

Atendiendo a lo anterior, se requiere instalar una batería de resistencias en paralelo a los condensadores, de forma que cuando estos deban ser desconectados de la red de alimentació n, antes de proceder a su manipulación o la manipulación de la instalación donde se encuentran conectados, han de ser descargados en primer lugar en dichas resistencias.

Por el triángulo de potencias, tal cual ocurría en el caso trifásico, se tiene que (Figu ra 2.40):

jQr

jQr

~

~ ]QF Pr

Figura 2 O. Comparativa de ambos triángulos de potencia.

..

'

PF

jQF

11 Mapa cunee tu al SISTEMAS POLIFÁSICOS

SISTEMAS TRIFÁSICOS

SISTEMAS EQUILIBRADOS

/

SISTEMAS DESEQUILIBRADOS

SISTEMAS TRIFÁSICOS

POTENCIA

/

POTENCIA EN LOS SISTEMAS TRIFÁSICOS

CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA

11 Actividades de comprobación 2.1.

Un sistema polifásico es:

que le precede, y que forman parte del mismo sistema.

a) Un conjunto de señales alternas monofásicas de frecuencias iguales y diferentes valores eficaces, desfasadas entre sí el mismo ángulo respecto de la señal que le precede, y que forman parte del mismo sistema. b) Un conjunto de señales alternas monofásicas de iguales frecuencias y valores eficaces, desfasadas entre sí el mismo ángulo respecto de la señal que le precede, y que forman parte del mismo sistema.

e) Un conjunto de señales alternas monofásicas de iguales frecuencias y valores eficaces, desfasadas entre sí diferentes ángulos respecto de la señal

d) Un conjunto de señales alternas monofásicas de diferentes frecuencias y valores eficaces, desfasadas entre sí el mismo ángulo respecto de la señal que le precede, y que forman parte del mismo sistema.

2.2.

Un sistema trifásico tiene: a) Tres fases.

b) Una fase.

e) Dos fases. d) Es polifásico, puede tener todas las fases que sean necesarias.

2.3. Un sistema trifásico de corrientes es equilibrado si: a) Las tres fuentes que generan la energía poseen iguales características y las señales producidas entre ellas están desfasadas 120°.

b) Las tres fuentes que generan la energía poseen diferentes características.

y sistema equilibrado, y sin neutro y sistema desequilibrado.

gulo.

b) Permite pasar de estrella a su equivalente en triángulo, y a la inversa.

e) Permite pasar de triángulo a su equivalente en estrella. d) Permite determinar la potencia de un sistema, a través de la tensión y de la corriente.

2.5. En la potencia en un sistema trifásico equilibrado:

a) La ecuación es diferente a la de las líneas monofásicas.

b) La ecuación es la misma que en el caso de las líneas monofásicas; basta calcular la de una fase para obtener el total de la trifásica, porque será la misma para las tres.

e) La ecuación es la misma que en el caso de las líneas monofásicas, la diferencia, en este caso, es que habrá que calcular tres veces la potencia (una para cada fase) .

d) Ninguna de las anteriores es correcta. 2.6. Para medir la potencia:

a) Se utilizan el vatímetro y el varímetro para medir potencias (activas el primero y reactivas el segundo) en los circuitos.

b} Se utilizan el vatímetro y el varímetro para medir

a) La medida de la potencia total será el resultado de conectar, sin el neutro, los vatímetros en el sistem a.

b} La medida de la potencia total será el resultado de conectar, con un neutro artificial, los vatímetros en el sistema.

e) Para la medida de potencia se aplica únicamente el sistema aron.

d} La medida de la potencia total será el resultado de sumar la potencia medida por separado de las tres fases.

2.9. El factor de potencia:

a) Es la función coseno de un ángulo cuyo valor está comprendido entre O y 1; por tanto, cuanto más cercano esté de la unidad, mejor será el funcionamiento del sistema.

b} Es la función seno de un ángulo cuyo valor está comprendido entre O y 1; por tanto, cuanto más cercano esté de la unidad, mejor será el funcionamiento del sistema.

e) El factor de potencia es la función coseno de un ángulo cuyo valor está comprendido entre - 1 y 1; por tanto, cuánto más cercano esté de la unidad, mejor será el funcionamiento del sistema.

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta. 2.10. A la hora de corregir el factor de potencia:

a) Cuando las instalaciones son de poca potencia, se

e) Se utiliza el vatímetro para medir potencias aparen-

b) Cuando las instalaciones son de gran potencia, el

d) Todas las respuestas anteriores son correctas. 2.7. Los sistemas trifásicos pueden ser de varias clases:

a) Con neutro y sistema equilibrado, con neutro y sis-

"

2.8. Para el sistema desequilibrado con neutro:

potencias (reactivas el primero y activas el segundo) en los circuitos. tes en los circuitos.

.... u•

tema desequilibrado, y sin neutro y sistema equilibrado.

d) Con neutro y sistema desequilibrado, sin neutro

a) Permite pasar de estrella a su equivalente en trián-

'-

e) Con neutro y sistema equilibrado, con neutro y sis-

tasadas 120° , igual que las señales producidas entre ellas.

2.4. El teorema de Kenelly.

a:

tema equilibrado, y sin neutro y sistema desequilibrado.

e) Las tres fuentes que generan la energía están des-

d) Las tres fuentes que generan la energía poseen diferentes características y las señales producidas entre ellas están desfasadas 240°.

C'

b} Con neutro y sistema equilibrado, sin neutro y sis-

tema desequilibrado, sin neutro y sistema equilibrado, y sin neutro y sistema desequilibrado.

dividen en partes. condensador a instalar ha de ser de gran tamaño.

e) Cuando las instalaciones son de gran potencia, el condensador a instalar ha de ser de gran capacidad.

d) Cuando las instalaciones son de gran potencia, a la hora de corregir el factor se dividen en partes.

11 Actividades de aplicación 2.11 .

Usando el teorema de Kennelly, calcula la impedancia equivalente de un motor trifásico en estrella M. cuyas bobinas siguen la ecuación Z = 2+ j3 O

2.12.

Una instalación trifásica está formada por dos cargas, una de 1 000 W, con factor de potencia de 0,9 y otra de 500 W, con factor de potencia 0,6 situadas en una red de tensiones 230/ 400 V. Calcula la carga equivalente.

2.13.

2.14.

2.15.

2.16.

Calcula la potencia reactiva de la batería de condensadores a aplicar para mejorar el factor de potencia, de 0,68 a 0,85, de una carga de 50 kW. Sea un motor monofásico que consume 15 A con un cos cf> de 0,6, en una red a 230/400 V. Se pretende mejorar el factor de potencia a 0,98. Indica la potencia reactiva requerida por el condensador. Una instalación, posee como valores totales 10 kW de potencia activa trifásica, con un factor de potencia global de 0,6 y tensión 127/230 V. calcular la batería de condensadores a conectar en Y y D, si se desea mejorar su cos cf> hasta un valor ideal, esto es, la unidad. En el caso de un sistema trifásico desequilibrado, ¿pueden aplicarse las siguientes fórmulas? Razona la respuesta. P, = V, · 1, · cos q>

O, = V, · 11 • sen q>

2.17. En el caso de un sistema hexafásico, se dividirá la circunferencia en seis partes (seis vectores) que generarán seis señales alternas desfasadas entre sí, ¿cuántos grados? 2.18.

Las ecuaciones genéricas que rigen un sistema a trifásico son:

a 1 (t) =A 0 ·sen (wt +O) a2 (t) = A o • sen (wt + 120°) a3(t) = A0 • sen (wt + 240°) Determina las expresiones matemáticas para las tensiones V(t) de un sistema trifásico de tensiones eficaces 400 V y 50 Hz. 2.19. Si se indica que un sistema posee por corrientes de línea 20 A y de fase 23 A, ¿de qué estamos hablando?, ¿de triángulo o estrella?

2.20. ¿En qué casos la tensión del neutro real puede ser tomada porO V? a) En triángulo equilibrado. b) En triángulo desequilibrado.

e) En estrella, equilibrado con neutro.

d} En estrella, equilibrado sin neutro. e) En estrella, desequilibrado con neutro. f)

En estrella, desequilibrado sin neutro.

g) En ningún caso.

•

1

2. SISTEMAS TRIFASICOS

A continuación, se detallan una serie de prácticas simples pero que buscan la comprensión de conceptos como corriente, tensión y potencia.

Práct1ca 2.1. Potenc1a activa en circuito paralelo Objetivos

Lo que se pretende es que adquieras destreza en la manipulación del vatímetro.

Procedimiento

Monta el sistema de la Figura 2.41 y anota la medida de potencia requerida.

o ¡

Potencia activa en circuito paralelo.

1

1

Práctica 2.2. Medida de potencia activa en circuito serie Objetivos

Una vez conocida la existencia del vatímetro y realizado un montaje con él, se pretende que sea aplicado en una situación distinta a la primera.

Procedimiento

Montar el sistema de la Figura 2.42 y anota la medida de potencia requerida.

N

PE

o

l.

Medida de potencia activa y tensiones en circwto serie.

Práct1ca 2.3. Método aron Objetivos

Este método se utiliza para medir las potencias activa y reactiva totales consumidas por una carga, equilibrada sin neutro. Las conexiones son las representadas en la Figura 2.43 y la forma de determinar sus valores es la siguiente: pt = wl + w2 ,.Ot = ~ 3 · (w1 + W2)

Procedimiento

Montar el sistema de la Figura 2.43 y anota la medida de potencia requerida.

M 3F '\J L3

~~ ur 1.

----'------.L...--------\

Método aron aplicado a un motor trifásico.

Tomando el anterior motor trifásico de la Figura 2.43, y siguiendo el sistema vectorial de la Figura 2.11 : sistema vectorial equilibrado de corrientes y tensiones en estrella. Se tiene que, el primer vatímetro medirá: W1 =

Vac · la · cos (30 - q>) = VL· IL· cos (30 - q>), ojo: Vac = -Vea

(1 )

La medida del segundo será:

w2 = Vbc · lb · cos (30 + q>) = VL· IL· cos (30 + q>)

(2)

Por otro lado, recordando las relaciones trigonométricas del coseno de la suma o resta de dos ángulos se tiene: cos (30 - q>) = cos 30 · cos q> + sen 30 · sen q>

(3)

cos (30 + q>) = cos 30 · cos q> - sen 30 · sen q>

(4)

Sumando ambas relaciones (3) y (4) se llega a:

/3 · cos q> = , r-3 · cos q>

eos (30 - q>) + cos (30 + q>) = 2 · cos 30 · cos q> = 2 · -

(5)

2 Sumando (1) y (2) a la vez que teniendo en cuenta (5) se obtiene la potencia total: pt = w1 + w2 W1 +

w2 = VL· IL· (cos (30- q>) + cos (30 + q>)) = ... = VL· IL· ,3 · cos q>

Restando (3)- (4) se llega a: cos (30 - q>) - cos (30 + q>) =2 · sen 30 · sen q> =sen q>

(6)

Restando entonces (1) - (2) y teniendo en cuenta (6) se llega a: W1 -

W2 = VL· IL· (cos (30 - q>) - cos (30 + q>)) = ... =

Si a (7) se le multiplica por ,3 se obtiene la potencia reactiva total: Ot =, 3 · (w1 - w2)

o 1

~·

IL· sen q>

(7)

,

,

HSISHMA POllfASICO GfNfRICO Se pretende determinar cuáles son las ecuaciones que rigen un sistema polifásico de n > 2 fases. Este desarrollo es importante, ya que se obtienen las ecuaciones generales para este tipo de sistemas, sin limitarse únicamente al sistema trifásico o monofásico. 360° El desfase entre las señales alternas de un mismo sistema polifásico viene dado por la expresión genérica:

n

Como ejemplos para:

n =3 (trifásico),


360°

=- - =120° 3

360°

n =4 (tetrafásico),

n=6 (hexafásico),

4

360° 6

=60°

y así, sucesivamente. Como hay un vector en el origen y los restantes k·

Au ·sen (wt- -360°) n360°)

B;¡(t) = Au ·sen (wt- 2 · -

n-

Atendiendo a estas, se puede determinar la ecuación genérica:

ap) =Au · sen (wt + (1 - k¡ · -360°) n- para n> 2. Mora bien, en el caso bifásico n =2, las ecuaciones son fijadas debido a que el ángulo de desfase entre ambas señales ha de ser de 900, con lo cual las ecuaciones son las siguientes: a,(t) = Au · sen(wt- O) ~(t) =

t\ · sen(wt-

90°)

Objetivos

ELECTRICIDAD-E

11 3.1. fl transformador yel transporte de energía eléctnca

Para esta función se utilizan los transformadores de potencia. Estos son capaces de mantener la potencia constante (obviando algunas pérdidas en el propio transformador) y variar los valores de tensión y corriente.

El transformador influye directamente en el transporte de la energía eléctrica a través de las redes. Son dos las razones por las cuales este elemento es tan importante y ambas se deri van de la peculiaridad que lo define y que resulta de su funcionamiento : es capaz de transformar a un lado y otro del aparato los valores de tensión y de corriente, manteniendo casi intacta la potencia transferida.

Durante el transporte eléctrico se mantienen valores de tensión muy elevados, valores que hay que reducir a la hora de aproximarse a las zonas de consumo. Supongamos que la distribució n de energía eléctrica trifásica se realiza a 400 kV y el consumo, a 400 V. Esta transformación no se realiza de una so la vez, sino que se realiza por etapas, una de alta te ns ión (AT ) a media tensió n (MT) (tensión intermedia entre ambas); y otra de media tensión a baja tensión (BT) idónea para e l consumo (Fig ura 3. 1).

Imagi nemos e l transformado r como una caja neg ra (este proceso será explicado en detalle más ade lante) en la que, a la vez que aumenta a su salida la tensión de entrada, d isminuye la corriente y se mantiene la potencia constante (a efectos prácticos). Resulta muy interesante que el transformado r disminuya los valores de corri ente para e l transporte al inicio de la línea, por dos causas:

Las redes de distribución, están unidas unas con otras mediante subestaciones tran sformadoras (Figura 3.2), formando diferentes formas geométricas, las cuales pueden decirse que son:

• A menores valores de corr iente, menores serán también los va lores de sección del cableado necesarios para transportar la energía eléctrica.

• Radiales que poseen la alimentación en uno de sus extremos repartiendo la energía de forma radi al.

• Al mi smo tiempo, cuanto menor sea el valor de corriente, menor será la pérdida de potencia por el efecto Joule (P ,..rddas = R,,.,J,.,wr · f,"'"'t"'""d), que se aumentará al final de la línea ha<;ta alcanzar valores aptos para el consumo.

• Malladas, en las que se entrelazan líneas radiales y en círculo hasta formar una malla. Son redes muy complejas, pero aseguran un buen servicio y son flexibles.

• En anillo, que se alimentan por dos de sus extremos.

En todo transformador se disting uen cuatro partes: • Devanado de alta: sometido a la tensión mayor. • Devanado de baja: sometido a la tensión menor. • Devanado secundario: que alimenta a la carga. • Devanado primario: do nde se aplica la tensión primaria para su funcionamiento.

Distribución 45kV

MT /B.T

Consumo M.T.

Consumo BT 230/400 V

Figura ...1 Esquema de distribución de energía eléctrica.

Figura 3.2 Transformador en una subestación transformadora.

O-ELECTRÓNICA

11

3. TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

El circuito magnético está formado por un núcleo de chapas de aleación ferromagnética, que están separadas unas de otras, formando una especie de sándwich, medi ante un elemento aislante. Esta disposición sirve para evitar pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault.

3.2. Símbolos usados en la representación de los transformadores

Los esquemas son un conjunto de instrucciones, órdenes y especificaciones de cómo ha de quedar la instalación final. Un esque ma tiene que describir la instalación de forma clara, concisa y correcta, sin dar lugar a ambigüedades.

Entretanto, los circuitos eléctricos son los que transforman las tensiones y corriente formadas por un arrollamiento (uno por circuito) de hilo de cobre con aislante exterior. Las formas de los núcleos de los transformadores son variadas y se muestran en la Figura 3.4.

La simbología es la forma de representar los elementos en un esquema en base a unas reglas determinadas. En la Figura 3.3 se muestran algunos ejemplos. Transformador monofáSICO

n

Autotransformador

Transformador tnfás1co

U

V

W

~m U

V

W

Figura 3.3. Simbologías usadas para la representación de transformadores.

11 3.3. Constitución del transformador Un transformador está fmmado por tres circuitos: dos eléctricos y uno magnético, que une ambos.

Figura 3.-t. Tipos de núcleos para transformadores.

11 3.4. Principio de funcionamiento del transformador Los transformadores pueden c lasificarse de múltiples maneras, pero, para e l caso que req uiere este apartado. se difere nc iarán dos tipologías: el transformador monofásico y el transformador trifásico, y a su vez, se distinguirán otras variedades como: transformador ideal en vacío y en carga y transformador real en vacío y en carga.

ELECTRICIDAD

3. TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

• • 3.4.1 . Transformador monofásico ideal en vacío El transformador ideal es aquel que no tiene en cuenta las pérdidas eléctricas y magnéticas.

Por otro lado, al haber una segunda bobina al otro lado del núcleo del transformador, el flujo variable producido por el primero, induce otrafem en el segundo:

e,(t) -

d@(t) =- n,- · dt

Como no existen pérdidas, por ser un caso ideal : Funcionamiento en vacío: se conecta el primario a la red y al secundario no se le conecta carga alguna (Figura 3.5). Si se dan las condiciones por las que, mediante un núcleo cerrado de material ferromagnético en el que ha sido arrollado un conductor en forma de bobina con n 1 espiras, formando el circuito 1; lo mismo ocurre en el circuito 2, con n 2 espiras. Al aplicar tensiones senoidales u 1 al primer circuito, se produce una inducción magnética que transmite energía de un circuito a otro generando, en el segundo, una tensión u2• Por ser un ejercicio ideal, se supondrán las siguientes condiciones: • No hay pérdida de flujo magnético en el núcleo. • La resistencia de ambos arrollamientos es nula. • No hay pérdidas por histéresis en el material ferromagnético. Con el fin de no complicar la explicación, se exponen las ecuaciones del funcionamiento sin llegar a desarrollar las mismas más de lo necesario:

Al no haber carga, no existe corriente en el secundario, mientras que en el primario sí se da un valor de corriente magnetizante, invertida en el campo magnético en el núcleo del transformador: i 2 + OA -7 i 1 = i0

Tomando valores eficaces y pérdidas reales, se llega a: El VI ni -=-=-=r

Ez Uz nz , que se conoce como relación de transformación. Es muy interesante la relación voltio por espira, valor importante que indica los voltios «que caen» en cada espira de la máquina. Estos valores se han de respetar ya que si fueran más de los que la máquina soporta, le causaría daños.

=

Ez 112

voltios

= espira

~·---------------------·

JI _ ___._ : _j

}

~~--------

....

·----------------------*

Figura 3.3. Transformador monofásico ideal en vacío.

Un flujo senoidal variable inducirá en el bobinado una fem (fuerza electromotriz) opuesta al propio flujo, que poseerá por valor:

e (1) = -n · d@(l) 1

1

dt

Estafem será compensada por la tensión primaria:

Figura 3.6. Bobinado del transformador.

• • 3.4.2. Transformador monofásico ideal en carga Se conecta el primario a la red y al conectar el secundario una carga circulará por este, una in tensidad/, (Figura 3.7). Esta intensidad creará una fuerza magnetoinotriz (N,-/,) que tiende a modificar el flujo común 0. En realidad, esto no ocurrirá puesto que en el primario aparecerá otra fuerza magnetomotriz (N 1·/1) igual a la del secundario, pero de sentido contrario, equilibrando su efecto. Por tanto, el flujo común se mantendrá constante.

..

CL

..,e:

E ECTRÓNICA

3. TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

• Hay pérdida de flujo magnético en el núcleo.

. ..

~·-·········-··---------~

..

'

• La resistencia de ambos arrollamientos es no nula. • Hay pérdidas por histéresis en el material ferromagnético. • Se origina una pérdida de potencia activa en el primario que, como consecuencia, arroja una diferencia de desfases entre primario y secundario.

Figura :¡,- Transformador monofásico ideal en carga.

Las ecuaciones para el caso de funcionamiento en carga son:

En este caso, lo más interesante son las pérdidas en vacío calculadas con e l esquema de la Figura 3.34 (ver Práctica de taller 3.2). Estas pérdidas representan el desfase en grados de la corriente de vacío, que se produce en el devanado primario a causa de los fenómenos anteriormente citados, respecto a la tensión del primario que ha s ido aplicada. La expresión de este desfase es la siguiente: p cos (/)0 = ()

U1 · 10

En los transformadores, la potencia aparente en ambas partes del mismo son iguales:

E1 • 11 = E2 • 12 De ahí se obtiene la siguiente relación de transformación: / E1 n1 2 -=-=-=r E2 11 n2

• • 3.4.3. Transformador monofásico real en vacío Nos vamos acercando al caso real sin carga; por tanto, al referirnos a un caso concreto, se supondrán las siguientes condiciones, sin tener en cuenta una corriente en el secundario por no alimentar a carga alguna:

La corriente existente será, por tanto, el valor de corriente necesario para generar el flujo magnético en el núcleo del transformador.

• • 3.4.4. Transformador monofásico real en carga Al conectar, en los extremos del secundario, una impedancia Z y teniendo en cuenta que existen ya pérdidas en los devanados y en el núcleo del transformador, se obtienen los siguientes resultados. La tensión a su sal ida no es la misma que lafem que la origina en el devanado secundario, todo ello debido a que hay que contar con las pérd idas en e l cobre de la parte del secundario: 112 :f.

u2 = E2-

e2 /2 ·

22

Antiguamente, las redes de consumo eran de 125 V. Más tarde, se decidió aumentar esta tensión a valores de 220 V, debido al gran aumento de la demanda de energía eléctrica en el interior de las viviendas. Esto hi zo que aparatos que aún servían para su función, quedaran obsoletos. Con el fin de evitar tener que sustituir todos los aparatos por otros nuevos, se decidió intercalar entre la toma de corriente y el aparato transformadores de relación 125/220 V, como el de la Figura 3.8. .''

Figura 3.8. Transformador monofásico 1251220 V.

ELECTRÓNICA que en él la corriente sea justo la nominal primaria. De esta forma, la impedancia en cortocircuito se determina así:

u

Zcc = ~ ~ donde Uccl « U111 / 111

Se tendrá en cuenta que no es lo mismo llevar al transformador a un valor de tensión primaria (denominado de cortocircuito) hasta llegar a su corri ente nominal, que llevar al transformador a un valor de tensión primaria que origine una corriente de cortocircuito, generando así un accidente peligroso.

Rcc

jXcc

3. TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

11 3.7. fl transformador trifásico Cuando se trata de conectar a un transformador a una línea trifásica, se utili zan los transformadores tr ifásicos. Estos trasformadores pueden obtenerse mediante dos formas, tal como indica la Figura 3. 1 l. • Con un único núcleo trifásico. • Con tres transformadores monofásicos idé nticos conectados entre sí, siguiendo la relación de fases.

Tnn¡-

11

~

mm

mn~-

a

b e n

·--------------------- --- -- ------- ---------·

Figura 3.1O. Circuito equivalente simplificado de un transformador. A ----~--------------------------

Entonces, la caída de tensión del transformador se determina mediante la siguiente expresión:

6----~------r-------------------

c---¡~==~r=~~------

Mientras que si la intensidad de consumo no es la nominal, se establece que el índice de carga es:

~

a

donde las pérdidas en el cobre, tanto a plena carga como con otro valor de corriente, quedarían como:

A

=:J

_LI~=t:::=l=~-

b------------~1~~--------------

c---------------r--~------------

Pn tp. c· =Rn · F111

n · -------------------- ----------------------·

Pcu =Rn · F1 Figura 3.11. Núcleos de transformadores trifásicos.

-

Al dividir ambas expresiones se obtiene:

..

"

p

'" pt·u¡u

g

1

R . ¡z ...

1

n-

ni

R .¡

2

=

c-

Hay que tener muy en cuenta que e l borne conectado en el lado de alta a la fase Ll, deberá tomarse como la fase Ll en e l lado de baja, igual que ocurre en las fases L2 y L3.

ELECTRICIDAD

Figura 3.12. Transformador trifásico en el que se pueden observar los arrollamientos para las tres fases.

Figura 3.13. Transformador trifásico con carcasa.

Figura 3.14. Tres transformadores monofásicos unidos para formar un trifásico.

• • 3.7.l. Grupos de conexión

y tensiones de fase. Se realizarán formando los llamados grupos de conexión .

Existen tres conexiones posibles que permitirán una serie de combinaciones que ex plicaremos a continuación. Tanto primario como secundario, se podrán conectar en triángulo, estrella o zig-zag. Estas combinaciones dan lugar a diferentes relaciones de transformación para las tensiones de línea

Estos grupos de conexión se establecen en disposiciones que son múltiplos de 30°, que indican e l desfase vectorial entre las tensiones de primario y secundario. Así, por ejemplo, un grupo 5, significa que las tensiones de secundario están desfasadas 5 · 30° = 150° respecto a las del primario.

u

V

u

w

u

V

V

w

u

w

Figura 3.15. Grupos de conexión en triángulo, estrella y zig-zag.

V

w

ECTRÓNICA Serán detallados una serie de grupos de conexión a modo de ejemplo con el fin de fac ilitar la comprensión de este tema. Grupo Y y 6 (180°)

U

V

Grupo Y y 6 (0°)

W

U

mm ~* U

V

W

Figura Jr. Grupo Yy O

Figura 3 1b. Grupo Y y6

Grupo Y y 6 (180°)

U

Grupo Y y 6 (30°)

V

W

Figura 3 18. Grupo Dd 6

11 3.8. Acoplamiento en paralelo de transformadores. Tipos de acoplamiento ycompatibilidad En el caso de avería o cuando se posea un transformador que esté trabajando a l límite de su capacidad, tenemos dos opciones:

raría la aparición de corrientes entre s us devanados, deri vadas de las diferentes tensiones en primario y secundario. • Estar conectadas las fases a bornes homólogos en cada uno de los transformadores. Esto significa que en e l momento de conectar los transformadores a una red trifásica con tres tensiones diferentes, las tensiones de los bornes secundarios han de estar en fase con las primarias.

Para poder conectar transformadores en paralelo, han de cumplirse una serie de condic iones, tales como:

• Poseer iguales tensiones de cortocircuito. Esto es debido a que el vínculo de la ten sión de cortocircuito, Ucc, está relacionada con el valor de la impedancia de cortocircuito Z"', tal como se ha explicado anteriormente. Esto trae como consecuencia dos situaciones: e n vacío se producirán diferentes caídas de tensión, aparec iendo en tre los tran s formado res corrientes de ci rcu lación. El transformador que posea menor tensión de cortocircuito, quedará más cargado.

• Poseer igual relación de transformación en vacío. Una relación de transformación diferente entre el los gene-

• Que la relación entre las potencias nominales de ambos no sea mayor de 3 a l .

• Sustituirlo por otro de mayor potencia. • Sumar otro de características compatibles en paralelo. Frente a la primera opción, ofrece dos ventajas: en caso de avería se dispone de otro elemento que evita un corte de suministro total y por otra parte, en condiciones de consumo muy pequeño, puede anularse uno.

'"'

Figura J 19. Grupo Yd 1

En los apartados siguientes vamos a explicar cada uno de ellos.

• • 3.9.1. Transformador de potencia Su función es la de transformar los valores de tensión y corri ente para transportar la energía e léctrica por las redes de di stribuc ión e léctrica. Pueden ser de vari os subtipos:

Figura 3.20. Acoplamiento en paralelo de transformadores.

111 3.9. Clasificación de los transformadores En este apartado vamos a hacer una clasificación básica general de los transformadores, basada en la func ión de los mismos. Hasta ahora se ha hablado únicamente de la función más usual de los transformadores, que es la de potencia, pero estos pueden realizar otras, aprovechando la peculiaridad de transformar tensiones y corrientes. Así, los transformadores pueden ser: Monofásicos.

De potenc ia 1

T ransformadores

Figura 3.21. Transformador refrigerado por aceite.

Los transformadores encapsul ados en un baño de refri gerante se sume rge n e n este ba ño totalmente, de forma que ceden e l calor a l ex teri or a través de unas aletas. Este tipo de re fri geración es empleado en grandes potencias. • De refrigeración natural o forzada : mediante serpentines y venti ladores para re fri gerar mejor el nuido. • Elevadores o reductores: según eleven o reduzcan la tensión entre primario y secundario. • De aislamiento: separan unos circuitos de otros.

Trifásicos.

• Monofásicos o trifásicos: según la línea en la que trabajan.

De tensión.

• De intemperie o de interior: en base a si trabaj an en e l exterior o en el interior.

De intensidad.

En las Figuras 3.2 1 a 3.28 se muestran varios ejemplos.

Autotransformador De medida

• Según el refrigerante: puede n ser secos, es dec ir, que no llevan refri gerante. o e ncaps ulados: con resina epox i, de aceite o de siliconas. Esta re frige ración depe nderá de la potenc ia a la que trabaje e l transformador. Así, en los transformadores en seco, la refrigerac ión se reali za aprovechando la c irculación natural de l a ire o se fuerza con e l empleo de ve ntiladores en contacto con su carcasa.

Figur 12. Cuba contenedora de aceite en el transformador refrigerado poracelle.

ECTRÓNICA

Figura 3.

.J

Transformador en seco.

Figura J '"'· Transformador con serpentines de ventilación.

"

Figura 3 r. Caseta de transformación de obra.

Figura 3.1 Transformador con aletas de ventilación.

Figura J.lt Transformador en torre.

ELECTRICIDA • Regulación en alterna: modifican la posición del terminal del secundario respecto del bobinado.

• • 3.9.2. Transformadores de medida de tensión ode intensidad Su función es permitir el uso de aparatos de medida en líneas de tensiones elevadas, donde e l propio aparato no posee una escala adecuada para poder medir. Se basa en que el transformador amplía o reduce los valores de tensión y de corriente en un número entero, de forma que el valor máximo del aparato de medida se adecue al del circuito en el que se pretenden realizar las medidas. Con el fin de faci litar la realización de estas, las relaciones de transformación serán múltiplos de diez.

La desventaja es que no pueden utilizarse como transformadores separadores, por no poseer aislamiento entre primario y secundario.

11 3.1 O. Placa ~e características ~e un transforma~or monofásico

• • 3.9.3. Autotransformadores En este caso los bobinados primario y secundario están unidos físicamente (Figura 3.29). Este tipo de transformadores posee ciertas ventajas:

Una definición de placa de características podría ser, de forma muy superflua, la forma en que el fabricante del transformador indica la información necesaria para la instalación y el uso del mismo. La placa de características debe contener los datos siguientes: • Nombre del fabricante. • Número de serie.

• Ahorro de material, ya que poseen un núcleo menor.

• Año de fabricación.

• Menores pérdidas por efecto Joule (calentamiento). • Menor peso.

• Número de fases.

• Ahorro de costes, ya que es más económico.

• Frecuencia. • Capacidad en kV A. • Voltajes nominales en primario y secundario.

)~

• Nivel básico de aislamiento en kV.

?-'

Ve

,.,.

-

• Aumento promedio de la temperatura en los devanados (0 C).

-

;,::::

-

,.

'~

• Voltaje nominal.

..>

~ ~ ~

-

• Temperatura ambiente promedio diaria (0 C). • Impedancia(%).

~ ~ ~

• Peso aproximado (kg).

..:>

• Diagrama unifilar de conexión. • Identificación del elemento aislante. • Volumen aproximado de aislante.

Figura 3.29 Autotransformador.

PARANINFO Edit. Transformador de intensidad Mod. XX No:

c:::::==:J

Año:c===::J

T" : -30/+50 °C Um : 250 kV

Refngerante :ACEITE MINERAL lns. 1nt · 50011100 kV

~ ~:~~~

lns ext

•

. Masa 750 kg VoL 1001 free. 50 Hz

5001,...11_,~-k.,.,(~.,...)- r - - - . - - - - - , -- - - - , ~N~ ~ ~~---+--~---; ln (A) S(VA) Tipo

Alf/Fs

._g

Figura 3.30. Información que contiene la placa de características de un transformador.

11 Mapa conceptual ENERGÍA ELÉCTRICA Y TRANSFORMADORES

PLACA DE CARACTERÍSTICAS

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO RENDIMIENTO VALORES CAÍDA DE TENSIÓN SIMBOLOGÍA TRANSFORMADORES

ÍNDICE DE CARGA PARTES DEL TRANSFORMADOR TRANSFORMADOR TRIFÁSICO ACOPLAMIENTO EN PARALELO CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES

11 Actividades de comprobación 3.1. ¿Cómo se relacionan el transformador y la energía eléctrica? a) El transformador influye directamente en el transporte de la energía eléctrica a través de las redes eléctricas. b) El transformador no infl uye en el transporte de la energía eléct rica a t ravés de las redes eléctricas.

e) El transformador controla la energía eléctrica a través de las redes eléctricas. 'O

1

d) El transformador genera la energía eléctrica.

3.2. Los transformadores de potencia: a) Al mantener la potencia constante (obviando algunas pérdidas en el propio transformador), son capaces de variar los valores de tensión y corriente. b) Son capaces de variar los valores de tensión y co-

rriente. e) Mantienen la potencia constante. d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

3.3. En todo transformador se distinguen estas partes: a) Devanado de alta, sometido a la tensión mayor; devanado de baja, sometido a la tensión menor; devanado secundario, que alimenta a la carga; y devanado primario, donde se aplica la tensión primaria para su funcionamiento. b) Devanado secundario, que alimenta a la carga; y devanado primario, donde se aplica la tensión primaria para su funcionamiento.

e) Devanado de alta, sometido a la tensión mayor; y

3.7. El transformador trifásico puede obtenerse:

a)

b) Con tres transformadores monofásicos idénticos conectados entre sí, siguiendo la relación de fases.

e) Con un único núcleo trifásico, o con tres transformadores monofásicos idénticos conectados entre sí, siguiendo la relación de fases.

d) Con un único núcleo trifásico además de tres transformadores monofásicos idénticos conectados entre sí, siguiendo la relación de fases.

devanado de baja, sometido a la tensión menor.

d) Devanado de alta, el sometido a la tensión mayor; y devanado primario, donde se aplica la tensión primaria para su funcionamiento.

3.8. Las conexiones pueden ser:

a)

3.4. Si la relación voltio/espira no se respeta, ¿qué ocurre?

a)

Que la máquina se dañaría.

b) La máquina no se dañaría, pero la tensión a la salida sería menor que la esperada en cortocircuito.

e) Que habría que seleccionar una sección mayor de

3.5. En el caso del transformador monofásico en vacío.

a)

La corriente existente será únicamente el valor de corriente necesario para generar el flujo magnético en el núcleo del transformador y alimentar la carga en el secundario del transformador.

b) La corriente existente será únicamente el valor de corriente necesario para generar el flujo magnético en el núcleo del transformador.

e) La corriente existente será únicamente el valor de corriente necesario para generar el flujo magnético en el núcleo del transformador y alimentar la carga en el primario del transformador.

d) No hay corriente, porque no existe carga alguna que requiera de la misma.

3.6. Las pérdidas en el cobre son:

a)

Derivadas del calentamiento de los devanados primario y secundario y dependen de la corriente que atraviese los mismos.

b) Producidas en el núcleo ferromagnético y dependen de la tensión nominal del primario.

e) Causadas por el flujo magnético producido por el paso de tensión a través del conductor.

d) No hay pérdidas en el cobre porque la sección es ínfima.

Tanto primario como secundario se podrán conectar en triángulo, en estrella y en zig-zag.

b) Tanto primario como secundario se podrán conectar en triángulo y en estrella.

e) Tanto primario como secundario se podrán conectaren triángulo y en zig-zag.

d) Las conexiones que existen en un transformador; únicamente serán las de este con la carga.

conductor para el arrollamiento.

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

Con un único núcleo trifásico.

3.9. Para poder conectar transformadores en paralelo, ha de cumplirse:

a)

Que las fases estén conectadas a bornes homólogos en cada uno de los transformadores, que posean tensiones iguales de cortocircuito y que la relación entre las potencias nominales de ambos no sea mayor de 3 a 1.

b) Que posean igual relación de transformación en vacío, que estén conectados las fases a bornes homólogos en cada uno de los transformadores, que posean iguales tensiones de cortocircuito y que la relación entre las potencias nominales de ambos no sea mayor de 3 a 1 .

e) Que posean igual relación de transformación en vacío, que las fases estén conectadas a bornes homólogos en cada uno de los transformadores y que posean tensiones iguales de cortocircuito. d) Que poseen igual relación de transformación en vacío. Estar conectados las fases a bornes homólogos en cada uno de los transformadores. Que la relación entre las potencias nominales de ambos, no sea mayor de 3 a 1.

3.10. ¿Cómo se clasifican los transformadores de potencia? a) De refrigeración natural o forzada; elevador o reductor; de aislamiento; monofásicos o trifásicos; de intemperie o de interior.

,!;

_;;,

.., e

'i5

...

monofásicos o trifásicos. de Intemperie o de interior.

b) Según el refrigerante; de refrigeración natural o

forzada; elevador o reductor; de aislamiento. monofásicos o trifásicos.

d) Según el refrigerante; de refrigeración natural o for-

e) Según el refrigerante; de refrigeración natural o forzada; elevador o reductor; de aislamiento;

zada; elevador o reductor; monofásicos o trifásicos; de Intemperie o de interior.

11 Actividades de aplicación 3.11.

Indica las cuatro partes se distinguen en todo transformador.

3.12.

¿Con qué circuitos está formado un transformador?

3.13. En el caso de transformadores ideales, ¿qué pérdidas se obvian? 3.14. Indica cuál sería la expresión de la caída de tensión que se produce en cada espira de la máquina. en caso de ser más de lo que la máquina soporta.

El trasformador trifásico puede obtenerse de dos formas. ¿Cuáles son? 3 .17. Explica qué es el grupo de conexión en los transformadores trifásicos. 3.18. En el caso de avería o de que se posea un transformador que trabaje al límite de su capacidad, ¿qué puede hacerse?

3.15.

Indica la expresión matemática del índice de carga.

3.19. ¿Qué condiciones han de cumplirse para conectar transformadores en paralelo?

3.16.

Cuando se trata de conectar a un transformador a una línea trifásica, se utilizan los transformadores trifásicos.

3.20 . ¿Qué ventajas e inconvenientes poseen los autotransformadores?

11 Actividades de ampliación 3.21.

Si se poseen varios transformadores que trabajan en paralelo con diferentes tensiones de cortocircuito, será necesario calcular cuál es la carga máxima que hay que conectar al conjunto para no sobrecargar el más débil, que será aquel transformador cuya tensión de cortocircuito sea menor. Por ello, el proceso de cálculo de la carga máxima por conectar en los transformadores en paralelo será: S MAx.ACONECTAR

..-

! S ü

~

~

º1

SN,

SN2

SNn )

U CC1

UCC2

u ccn

= U CCMINIMA . ( - - + - - + ... + - -

Si se poseen tres transformadores de las características siguientes: A: Sn =850 kVA, ucc =5% 8: Sn = 1450 kVA, ucc = 5.3% C: Sn = 2050 kVA, ucc 6% Determinar la potencia máxima a conectar al conjunto para que ninguno quede sobrecargado:

S MÁX.ACONECTAA

=5 . (800 + 1450 + 2050) =3926 26 kVA 5

5 ,3

6

'

1 Se detallan una serie de conexiones básicas en transformadores eléctricos. El objetivo de esta Unidad es mostrar dichas conexiones básicas al alumno, dejando el tema de protecciones aparte (por esto no se muestran en las figuras), para otros módulos que sí tratan dichos elementos. Por tanto, se requerirá conectar los transformadores a cuadros con elementos de protección suficientes y adecuados.

Práct1ca 3.1. Realizar conex1ones en un transformador trifásico Objetivos

El transformador trifásico de la figura posee tres devanados, uno para cada fase, con su secundario y primario. Todos ellos están divididos en dos bornes que permiten seleccionar entre una tensión nominal o la mitad de la misma, tanto en el devanado de alta como en el de baja. Esta práctica pretende que aprendas a conectar una placa de bornes de un transformador trifásico de pruebas.

Procedimiento

Realizar las conexiones básicas que se representan en las Figuras 3.31 a 3.33.

.."'

• •

3. TRANSFORMADORES ELÉCTR ICOS

u

V

cu1

cv1

x1

y1

cu2 x2

c

v2 y2

e:

c u3 x3

cv3 y3

c w3 z3

y

X

C C C

v1 y1 v2 y2 v3 y3

Conexión del devanado de alta en triángulo de un transformador trifásico.

1

cw1 z1

z

3. TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

V

eu1 x1

ev1 y1

e u2 x2

e

v2 y2

e::

e u3 x3

e v3 y3

e w3 z3

z

y

X

e e e F1gura J

ew1 z1

v1 y1 v2 y2 v3 y3

Conexión del devanado de alta en estrella de un transformador trifásico.

e

w1 z1

e:: e

w3

z3

• •

Práctica 3.2. fnsayo de vacío de transformador monofásico Objetivos

Las pérdidas de vacío las ofrece el vatímetro, mientras que el desfase entre corriente de vacío ytensión nominal primaria, se calcula mediante la expresión siguiente: P0 = W

Práctica 3.3. Pérdidas en el hierro de transformador trifásico Las pérdidas de vacío del transformador trifásico, vienen dadas por las expresiones matemáticas siguientes:

Objetivos

w

Po=W,±W2

V, ·A,

Pcv =3 · R·I;

cos cp0 =- -

Determina estas pérdidas y ángulo en vacío. Procedimiento

Realiza las conexiones y mediciones que pide el esquema.

PFe =Po-Pcv

F1gura l Figura l.

Ensayo de vacío en transformador monofásico.

Tras las medidas anteriores, se pasa a determinar la gráfica de funcionamiento aplicando los valores obtenidos en las mediciones anteriores. Para ello se van dando valores a la tensión primaria hasta llegar al 95 % de su valor nominal y se reflejan en una gráfica como la que se muestra a continuación.

o 95 % de u n1

Realiza las conexiones y mediciones que pide el esquema.

Procedimiento

Pérdidas en el hierro de transformador trifásico.

Tras tomar las medidas anteriores, se pasa a determinar la gráfica de funcionamiento aplicando los valores obtenidos en dichas mediciones. Para ello se van dando valores a la tensión primaria hasta llegar al 95 % de su valor nominal, y a continuación se muestran en una gráfica como la siguiente:

~

u1 r =u2

u2

u1

-1

o

1-

lo= A1

j-

95% de u n1

1

1

!' ~

e:

1

.,;;

Figura 1

Gráfica para el ensayo de vacío .

Figura l

1

...............

Po

...1

Po= W1± W2

Gráfica para el ensayo de vacío.

1

Práctica 3.4. fnsayo de cortocircuito en transformador monofásico Objetivos

Realiza el ensayo mediante el cual se determina la impedancia de cortocircuito del transformador, así como la caída de tensión. La tensión de cortocircuito se obtiene cuando aumentando poco a poco la tensión en el primario del transformador, la corriente en este llega a poseer un valor nominal. Muy importante: no utilices la tensión nominal en este ensayo, ya que entonces se produciría un accidente de cortocircuito, ya que en él se toma por referencia la corriente nominal.

Procedimiento

Realiza las conexiones y mediciones que pide el esquema y calcula los valores que se indican en las fórmulas.

Ya determinados los valores más destacables, se pasa a calcular los valores que componen la impedancia en cortocircuito característicos del transformador y la potencia de cortocircuito.

Ree

r 1

Ucc« Un1

b

r 1

jXcc

lec

Un1

A2

Ensayo de cortoCifcuito de un transformador monofásico obtenc1ón de parámetros.

A

Esquema que no debe realizar.

Se aplican las fórmulas siguientes:

Rcc

p

cu

w 12 n

¡2) 2 : R . (ce r

w

e:

• •

3. TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS

Práctica 3.5. Caída de tensión yconservación de la potencia aparente Objetivos

Aplica las ecuaciones siguientes: • La caída de tensión se calcula de acuerdo a la expresión:

C,=

~-

V'2

• El índice de carga se determina con: /1 C= lnl

• La conservación de la potencia aparente se calcula de la manera siguiente:

s,= ~ · '2= s2= v2· '2 y debe cumplirse la igualdad. Procedimiento

Realiza las conexiones y mediciones que pide el esquema y calcula los valores que indican las fórmulas anteriores.

La potencia aparente en un transformador se conserva, pero debido a una serie de pérdidas en su interior, no ocurre lo mismo con las potencias activas. Atendiendo a lo anterior, realiza las medidas de la figura y comprueba que no se cumple dicha igualdad.

r U nl

l Ensayo en carga con vatímetros. Donde debe cumplirse que:

.E

,

CAlCUlO AVANZADO Se recuerda que la relación de transformación nace del resultado de dividir el número de espiras del primario del transformador entre el número de espiras de su secundario, que, en el supuesto de trabajar en vacío, se puede aproximar entre el cociente de la tensión que «cae»al bobinado primario y la tensión que «Cae» en el bobinado secundario. Pero esto solo es válido en transformadores monofásicos, ya que en los trifásicos la relación de transformación depende del cociente entre la tensión primaria de línea y la tensión secundaria de línea. Estas tensiones pueden o no ser las que soporta cada bobinado, puesto que depende del tipo de conexión de dicho transformador en cada parte del transformador (primario y secundario), ya que si este es conectado en estrella o en zig-zag, la tensión de cada bobinado será la de fase (13 veces menor que la tensión de línea), y no la de línea, con la que se calcula la relación de transformación; si se conecta en triángulo, será la tensión de línea la que se aplique en cada bobinado.

Grupo Y y 6 (0°)

Al ser conexión estrella, la tensión de línea será / 3 veces mayor que la de fase. r:: \ 3 . u,, n,

13 . U

12

Las relaciones coinciden. Conexión Yy

Grupo Y y 6 (180°)

W

V

U

U

mm:o: U

Figura l

V

Al ser conexión triángulo, la tensión de línea coincidirá con la tensión de fase.

u,,

Uu n, r- - - - - - - - -

- UL2 -

u f2

-

n2

Las relaciones coinciden.

W

Conexión Od

Grupo Y y 6 (30°)

En la conexión estrella, la tensión de línea será ./3 veces mayor que la de fase, mientras que en la conexión triángulo, la tensión de línea coincidirá con la tensión de fase.

r = Uu UL2

= J3 · u,, = J3 . ..!2_ Uf2

n2

En este caso, las relaciones no coinciden. Figura l

Conexión Yd

.. e

)

Para los demás tipos de conexiones, el proceso de cálculo será el mismo.

-o

J

ELECTRICIDA ./ Rotor mixto.

11 4.1. Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas

./ Síncronos. - Universales.

Existen dos tipos de máquinas: estáticas y dinámicas. Las primeras se refieren a los transformadores que ya hemos estudiado y las segundas, a los generadores y motores en CC y CA. A continuación, se establece una clasificación básica para ofrecer al lector una idea general de las máquinas e léctricas rotativas. En esta Unidad didáctica únicamente se desarrollarán las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna. • Generadores: o

De c.c.

11 4.2. Partes del alternador ydel motor Señalar todas las partes íntegras de motores y alternadores sería más bien un tema para el bobinado del motor; en este caso, nos limitaremos a una breve pero !.uficiente descripción de las partes que integran el motor, ya que una descripción completa es excesivamente amplia y atañería m~\s al bobinado del motor, que queda fuera del objeti vo de esta Unidad didáctica.

- Dinamo. ./ Excitació n independiente . ./ Exc. serie. ./ Exc. paralelo . ./ Exc. compound. - Pila. - Acumulador. - Panel solar. o

De c.a. - Alternadores.

• • 4.2.1. Motor La función del motor es la de transformar la energía eléctrica en mecánica. Posee dos partes generales (Figura 4.2):

• El estator, formado por una carcasa de fundición y un a seri e de chapas magnéticas troquelada¡., y unidas e ntre sí mediante ranu ras. En él se aloj a el bobinado inductor. • El rotor, que es un núcleo de chapas magnéticas. que puede tener varias formas: o

En jaula de ardi lla, con una serie de anil los de aluminio fundidos al núcleo (Figura 4.4) .

o

Bobinado .

./ Mo nofásico . ./ Polifásico. ./ Polos salientes . ./ Polos lisos. • Motores: o

De c.c. - Excitac ión independiente.

El bobinado está aislado del metal que lo contiene (chapas magnéticas troqueladas) mediante un «papel» ais lante.

- Exc. serie. - Exc. parale lo. - Exc. compound. o

De c.a. - Monofásicos . ./ De inducción . ./ Rotor de jaula de ardi lla . ./ Rotor bobinado . ./ Síncronos. - Polifásicos . ./ Rotor en cortocircuito. ./ Rotor devanado.

Figura ~ . 1 . Aislante del bobinado.

- - - - - - - - - - -- -

ECTRÓNICA Condensador de arranque (motores monofásicos)

Amarre

• • 4.2.2. Alternador El alternador consta de dos circuitos e léctri cos y uno magnético. Su función es transform ar la ene rgía mecánica en energía e léctrica. Posee las partes sigui entes: (Figura 4.5):

Bobinado estatórico

• Rotor: es la parte móvi l de la máquina. Está formado por un conjunto de chapas magnéticas donde se aloja e l bobinado inductor, alimentado por corriente conti nua. Hay dos tipos de rotores: de polos salientes y de polos li sos, según sea su aplicación para bajas velocidades de giro, o elevadas, respectivamente.

Figura 4.2. Partes del motor.

• Estator: compuesto por unas chapas unid as entre s í a una carcasa. En las ranuras de las chapas se a loja el circuito inducido.

Los bobinados están atados con unas cuerdas para que no se muevan por la acción de las altas inercias que se producen cuando el rotor g ira.

• Colecto r: es una corona circular montada sob re el eje del que se encuentra aislado y conectado al bobinado del rotor. Posee unos anillos conductores a lojados en el ej e, en los que se frotan las escobi llas. La conex ión eléctrica entre el inducto r y la fuente de se realiza mediante estas escobillas.

ce

• Alimentador: la excitatri-:.: es la dinamo que apotta CC para alimentar al circ uito inductor y sue le girar junto con el propi o ro tor.

Polos --+--+~

{

inductores

Anillos para '*~~r\-.:--1~\- corriente cuntinua de excitación

...-:.ot / h"---=-

Figura 4.3. Amarre del bobinado.

Bobinado estatórico

Figura 4.5. Partes del alternador.

¡:

..,..'· Figura 4.4 Rotor en jaula de ardilla.

Figura 4.6. Colector.

Corriente alterna generada

ELECTRICID • Hay alternadores que emplean otro método de alimentaexterna o la autoexció n, co mo la alimentación en citación, mediante la cual se toma energía eléctrica del pro pio alternador y se rectifica para alimentar al rotor.

ce

11 4.3. Alternador Sabemos que el moto r es una máquina capaz de transformar la energía eléctrica en mecánica. Esto es así, pero esta definición no queda del todo completa porque se ha omitido que el motor es una máquina reversible, es decir, que es capaz de transfo rmar también la energía mecánica en e léctrica medi ante e l movimiento de su eje a causa de energía mecánica, que transforma en energía eléctrica en sus bo rnes. Aunque hemos hablado de l alternador en e l apartado anteri or, en este vamos a ana lizar o tros detalles.

• Se hace girar el ro to r, que está fo rmado po r una bobina dentro de l campo mag nético de l estator, a velocidad ang ular constante. • Esta variac ión de fluj o magnéti co que atrav iesa la bobina produce unafem en esta. La Fig ura 4.7 muestra un par de polos en el rotor, acordes a l movimiento del punto A a lo largo del campo magnéti co. Se producirá una f e m a lterna, como se observa en la figura. El aspa,®, de la fig ura indica que la corri ente entra en el papel, mientras que e l punto, ( • ), informa de j usto lo contrario, que la corriente sale del pape l. No hay que olvidar que se están representando tres dimensio nes en un plano que solo tiene dos dimens iones. Si se do bla el número de pares de polos, se aumenta la frecuencia de la señal:

• • 4.3.1 . Principiode funcionamiento del alternador Para razonar e l funcio namiento del alternado r de la forma más gráfica posible, hemos preparado una seri e de fig uras q ue ac lararán de manera senc illa el funcionamiento del mismo, en base a una serie de criteri os: • Se coloca un electroimán que c rea un campo magnético uniforme en el estator (parte estática de la máquina), do nde se sumergirá el rotor (parte rotati va de la máquina).

e(t)b n V\J

t )o

Figura -'.8. Generador monofásiCO de 2 pares de polos.

e(t)

En base a estas dos fig uras explicati vas, se obtiene la s iguie nte informació n: • Con un par de polos, se produce una frecuenc ia/ • Con dos pares de polos, se genera una frecuencia 2/ • Para n pares de polos, la frecuencia será nf

e(t)r Figura ·L''. Generador monofásico con un par de polos.

La re lació n que se obtiene, entonces, viene dada po r la expresió n s ig ui ente: n ·p

!=6o Para evitar escalo nes en la señal obtenida, se introducen más espiras en el estator, como podemos observar en la Fig ura 4.9.

.. !

;

ü

;

J

Q

----------

-ELECTRÓNICA

e(t)=et (t)+e2(t)+ ... +en(l)

t )>

Figura 4.9. Generador monofásico de un par de polos y n esp~ras.

Si ahora nos referimos al alternador trifásico, el principio de funcionamiento del mismo es igual que el del sistema monofásico, pero se obtienen tres señales eléctricas (Figura 4.1 0). e1 (t)

wt

Figura 4.1O. Generador trifásico de un par de polos y n espiras.

• • 4.3.2. Acoplamiento en paralelo de alternadores síncronos

·".. ..

<

("

.... i'

'o

Las condiciones a cumplir en los acoplamientos de generadores trifásicos síncronos son las siguientes: las fases están dispuestas en el mismo orden, todas ellas tienen la misma frecuencia y la misma tensión y, por tanto, habrá una concordancia entre fases. Pasamos a detallar el concepto de sincronización, con el que demostraremos que las fases están dispuestas en el mismo orden que en los generadores conectados en paralelo.

Para demostrarlo, emplearemos tres lámparas (aunque hay elementos más fiables para tal fin) que son suficientes, para la explicación que se pretende. El procedimiento sería el siguiente: l . Se conectan las tres fases en dos generadores dispuestos en paralelo. 2. A continuación, se intercalan las lámparas, como se indica en la Figura 4. 1 l . 3. A partir de aquí comienza el funcionamiento en vacío de ambos alternadores.

ELECTRICIDA 4. Las lámparas se van cambiando de posición hasta que llegue e l momento en que las lámparas se enciendan y se apaguen de forma simultánea.

• • 4.4.2. Características de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente alterna A lo largo de este apartado se indicarán ciertos parámetros interesantes para comprender e l funcionamiento de los motores de corriente alterna.

• • • Deslizamiento

Figura 4.11 . Sincronización de dos generadores trifásicos con lámparas.

11 4.4. Motor asíncrono trifásico Las tres palabras que forman el título de l epígrafe ofrecen cada una, por sí misma, la siguiente información: • Se trata de un m otor porque tra nsforma la ene rgía e léctrica en mecánica. • El motor es asíncrono porque puede gi rar a cua lquier velocidad. • Y es trifásico, ya que hace referencia al siste ma de tensiones mediante el cual se alimenta.

• • 4.4.1 . Campo magnético giratorio Puede observarse cómo el campo magnético va girando en el sentido de las agujas del reloj , según evoluciona la señal eléctrica trifásica. El rotor seguirá girando en el sentido en que lo haga e l campo magnético giratorio (Fi gura 4.12). El cambio de sentido se consigue variando dos de las tres fases. Esto se realiza en los motores trifásicos con el fin de variar el giro de su eje. Esto significa que se produce un campo magnético que gira a la velocidad de sincronismo, cuya ex presión es la siguiente:

11 = 60 ·! '

p

donde p es el número de pares de polos y fes la frecuencia de la red de alimentación. La velocidad de giro dependerá de las características de la máquina y de la frecuencia de la red de ali mentación.

El par de giro hace que el rotor siga el movimiento del campo magnético giratorio creado por las corrientes de entrada, en su recorrido a lo largo de las bobinas. Dicho de otro modo, e l rotor persigue al campo magnético giratorio, pero nunca llega a alcanzarlo, ya que si esto ocurriera, el rotor se pararía. El campo magnético giratorio rota a la velocidad de sincronismo n,, mientras que e l rotor girará un poco más lento, a la velocidad del rotor 11.- Se denomina, entonces, deslizamiento, a la diferencia en porcentaje entre la velocidad de sincroni smo y la velocidad de l rotor. n -n

s=-·-'-'; n > n 11 ' ' 1

• • • Índice de servicio El factor de servicio de un motor de CA es un valor que, al multiplicarlo por la potencia del motor, indica la carga permisible máxima de potencia, que bajo unas condiciones determinadas de servicio, puede darse en un momento dado. p Prrnstbl~ . . máxmta . mom~ntán~a

=1

.. . p Nomtnol d~l motar

Mn·tnn

• • • Rendimiento de motorestrifásicosde inducción El rendimien to representa, de manera práctica, la cantidad de energía de entrada que se transforma, en un sistema, en energía de salida o útil. El rendimiento, entonces, indica e l momento en que una parte de la potencia ori ginaria de entrada al sistema (en este caso, del motor) se ha convertido en potenc ia útil y otra parte se ha desperdiciado en pérdidas. En un motor eléctrico, las pérdidas podrían enumerarse en las siguientes: Pérdidas en el hierro. Estas se obtienen en su funcionamiento en vacío, a tensión nominal y se restan de la potenc ia consumida; en este caso, hay que restar las perdidas en el cobre para estas condiciones y las pérdidas mecánicas generadas.

ELECTRÓNICA e1(t)

e1(!)

wt

e1 (! )

e 1(!)

wt

11

Figura 4.12. Demostración del campo magnético giratorio en sentido horario.

ELECTRICIDA Pérdidas en el cobre. Son d os y se producen al paso por el cobre de los devanados estatórico y rotó rico de la corriente. Son pérd idas debidas al efecto Joul e : p =R · f1 ('//

Pérdidas mecánicas. Corresponden a la po tencia que se pierde por causas mecáni cas, tales como el rozamiento. Rendimiento. Es la pro po rció n entre la po tencia que e l motor absorbe para reali zar un trabaj o, y la potencia que ofrece en e l mo mento de ejecutarlo.

TJ =

p uu/

~1hwrhu/o de la red

Figura 4.1.J. Placa de conexiones de un motor trifasico.

Para ser conscientes de la importancia que posee e l rendi miento en los motores, en un motor e léctrico el rendimiento no suele ser inferi or al 80 %, mientras que en los moto res de combustión interna, este no sue le pasar del 50 %.

• • 4.4.3. Conexionado de máquinas La placa de bornes es la parte visible de l caóti co s istema interio r de un motor. Es el lugar donde se realizan las conexiones. Recordemos que un mo tor es un conjunto de grupos de bobi nas unidas entre sí por fases; estas uni ones, a su vez, dan lugar a agrupac iones de bo binas por fase con dos extremos en la parte estatórica (ver Figura 4.14.). Existen vari os mode los de placas de bornes, según e l tipo de motor; así en un motor de rotor cortocirc uitado, únicamente sald rán al exterior los bornes referentes a los extremos de las bobinas estatóricas del mismo (ver Figura 4. 14), mientras q ue en un mo tor de ro tor bo binado, cuyo roto r no está cortocircuitado interio rmente (porque interesa q ue esto no sea así), los bo rnes se situ arán en los extremos de los bobinados estatóricos y rotó ricos (ve r Figura 4. 15).

Figura 4 1 t Conexiones mtenores de la placa de bornes de un motor trifásico en cortocircuito. Rotor bobinado

Entonces la placa de bornes de un motor trifásico de inducció n d ispo ne de un bobinado estatórico formado po r tres grupos de bobinas desfasadas 120° e léctri cos e ntre sí. Los ex tremos de estas bobinas se llevan a un a placa de bornes, con el fin de que las mismas puedan ser conectadas convenientemente. Los termin ales de las bobinas de la mis ma fase no se conectan enfrentados en la placa de bornes. Esto es debi do a que la d isposició n para la conexió n es más simple de recordar que en caso de que estuvieran en fre ntado~. En la Figura 4. 13 se observa fácilmente cómo es esta conexión entre bo binas. Por otro lado, la conexión del motor a la red puede reali zarse en tri áng ulo o estre lla, según las cond iciones de funcionamiento que se tenga n.

..

'!!

F1gura 4 15. Conexiones mtenores de la placa de bornes para un motor trifásico con rotor bobinado.

1

-ELECTRÓNICA Si se observa la Figura 4.15, puede advertirse que en los motores de rotor bobinado existen tres bornes más: K, L, M, que son los extremos no cortocircuitados de su rotor. Como aclaración inicial de por qué no están cortocircuitadas (explicación que más adelante será detallada), los motores de rotor bobinado surgieron de la necesidad de intercalar resistencias rotóricas en serie, para el arranque, al bobinado rotórico; con ello, una parte de sus terminales rotóricos ha de quedar libre para la conexión de las resistencias.

Alojamiento de la caja de bornes

Las conexiones de la placa de bomas para cada configuración del motor trifásico, son las siguientes:

Conexión en tnángulo

Figura 4.16. Ca¡a donde se ato¡an los bornes de conex16n.

Conex1on en tnangulo

Conexl6n en estrella

Conex1ón en estrella

Fi¡;ura 4. 1~ Placa de bornes para un motor trifásico de rotor en cortocircuito, en estrella y en triángulo.

Las placas que sirven de conexiones e n la caja de bornes del motor, son de latón.

F1gura 4.18. Placa de bornes para un motor tnfás1co de rotor en cortocircuito, en estrella y en triángulo, en cambio de giro.

ELECTRICIDAD a la nominal en este punto. Es la señal en la que, si al motor se le exige un par mayor, se parará.

M".

Par nominal, al que le corresponde su velocidad nominal y en el cual el motor ha de trabajar. Véase cómo coincide con el punto de corte del par resistente M , de la carga y el par del motor.

M0•

Es la marcha en vacío (sin carga). En este punto el par, únicamente, ha de vencer la propia resistencia que ejerce la máquina. Esta velocidad en vacío será un poco inferior a la velocidad de sincroni smo. M

Mmáx.

Mr ~-------------

Mo

z

X

y

Figuta ~ 19. Placa de bornes en la conexión Steinmetz para conectar un motor trifásico en una red monofásica.

El cable de protección irá conectado directamente a la carcasa por su cara interi or. Hay que tener en cuenta que la pintura del motor adquiere una función aislan te además de estética y de protección ambiental y, por tanto, se hace necesario poner el punto de enganche en el interior para que exista continuidad entre el cable de protección y l a carcasa. Por otro lado, un mal estado de dicha pintura indica un posible maltrato hacia la máquina.

• • 4.4.4. Curvas características Una gráfica es una representación de datos mediante un dibujo. Este procedimiento permite, de forma clara y práctica, anali zar los valores y la relación entre ellos, con el fin de facilitar el trabajo.

• • • Curva del par-velocidad En estas curvas se incluyen una serie de parámetros: M3•

Mmáx'

~---------------------r------~--~n n Mmáx

no

Figura ~.20. Curva par-velocidad motor trifásico.

• • • Curva de intensidad-velocidad En el instante inicial, con el rotor parado y con la tensión en bornes en ese instante, puede considerarse un motor como un transformador con el secundario (en este caso, el rotor) en cot1ocircuito. La ecuación del sistema sería:

V= R · 1 + E 1 de donde se deduce que, como en el momento del arranque E 1 es un valor aproximadamente nulo, casi todo el valor de la tensión en bornes ha de consumirse en el bobinado. Así mi smo, como la resistencia interna de este devanado es muy pequeña (ya que se pretende reducir las pérdidas en el cobre), implica que la corriente sea. entonces, muy elevada. Una vez comenzado el movimiento, la fem E 1, irá aumentando su valor y, como consecuenci a, la corriente disminuirá considerablemente.

Es el momento de arranque donde puede observarse que es mayor que el par resistente M, Sirve para vencer la fuerza que ejerce la carga que debe mover.

• • • Curva del rendimiento-potencia activa

Es el par máximo que alcanza el motor. Puede observarse que el motor reduce su carga respecto

Un motor es un gran grupo de bobinas que trabajan a la vez. Esto significa una impedancia inductiva enorme, con

-~

Ji

.., e:

O-ELECTRÓNICA lo cual mucha de la potencia que este motor absorbe, si no se transforma en trabajo útil, se utilizará para alimentar los campos magnéticos de las bobinas. Entonces, la corriente se representa mediante la suma vectorial de dos corri entes parciales, una reactiva, para alimentar los campos magnéticos y otra activa, para realizar e l trabajo úti 1: 1mocor = l a
La corriente reactiva que absorbe el motor asíncrono es casi constante durante todo su funcionamiento y de valor muy aproximado al de la corriente que el motor absorbe en vacío. Por tanto, con e l motor trabajando en vacío, sin ofrecer potencia útil (trabajo en su eje), la parte real activa de la corriente que absorbe el motor es casi nula, por lo que casi toda su corriente será debida a su parte reactiva para generar los campos magnéticos.

• • • Curva del factor de potencia-potencia activa Si el motor trabaja en vacío, casi toda la potencia que consume será reactiva, y a medida que se añada carga a su eje, la potencia activa comenzará a au mentar variando por tanto su factor de potencia.

• • 4.4.5. Tipos de motores trifásicos Las características más destacadas de los motores trifásicos varían según los tipos constructivos de los mismos, la configuración del rotor influye enormemente en las características. El presente apartado se limita a enumerar los tipos de rotor y las ventajas que ofrecen.

4. MOTORES ELÉCTRICOS

• • • Motores con rotor en doble jaula de ardilla Su rotor posee dos jaulas de ardilla, una de menor y otra de mayor radio, concéntricas. No están formadas por los mismos elementos constructivos, sino que poseen diferentes impedancias, una constituida por latón y otra por cobre, de forma que, e n el momento del arranque, la corriente rotórica circulará por la jaula de mayor resistencia (la externa), ofreciendo un buen par de arranque. Una vez arrancado, la corriente rotórica circulan) por la jaula de baja resistencia para favorecer su funcionamiento.

• • • Motor de rotor bobinado En este caso, e l rotor dispone de un bobinado conectado en estrella (Y). Este bobinado es similar al bobinado estatórico y posee el mismo número de polos. El bobinado puede conectarse en el interior en estrella, o sus extremos pueden extraerse para ser conectados desde fuera. Esto ofrece la ventaja de poder intercalar resistencias rotóricas para el arranque. Este tipo de rotor produce un mejor funcionamiento, aunque tiene el inconveniente de ser caro en la fabricación y en el mantenimiento.

Rotor bobmado

Jaula de ardclla

u

V

W

u

V

W

K

L

M

• • • Motores de rotor de jaula de ardilla simple Es el método más común de diseñar un motor, ya que se obtiene un motor resistente y económico.

Figura 4.22. Simbología de motores en jaula de ardilla y de rotor bobinado.

• • 4.4.6. formas de arranque de motores trifásicos

;:;

1

Figura 4.21. Esquema de una jaula de ardilla.

Aunque los sistemas de arranque de los motores actuales se realizan por contactos simples o mediante pequeños autómatas, durante mucho tiempo incluían una serie de montajes bastante creativos, que serán estudiados a lo largo del presente apartado.

ELECTRICID En los próximos esque mas se han obviado protecciones tales como diferenciales, magnetotérmicos, re lés térmicos o disyuntores, ya que e l objeti vo de este módulo no es realizar dichos montajes, sino comprender estos esquemas.

INr.f--v- -------2

CONT.

4

2

6

4

6

• • • Contactores yrelés El pri ncipio de funcionamiento del relé y de l contactor es el siguiente: se insta la una bobina electromagnética que, al aplicarle una diferencia de potenc ial, desplaza una pieza móvil que se encuentra conectada a unos contactos eléctricos. En el relé se aprecian dos circuitos: e l de mando, que es controlado por pequeños valores de tensión y corriente y cuyo accionamiento se realiza por un mecanismo exterior; y el de fuerza, gobernado por e l anterior y que maneja grandes valores de tensión y corriente respecto al primero.

f•gura 4.24. Formas de arranque directo de un motor trifásico mediante interruptor tripolar o contactar.

• • • Arranque en estrella-triángulo Como ya se ha explicado, el motor puede ser conectado en estrella o triángulo. En la conex ión en estrella, la tensión que llega a bornes del motor es inferior a la que llegaría si la config uración fuera en triángulo. Cuando se conecta el motor en estrella y después de un pequeño lapso de tiempo y, al adquirir cierta velocidad se conecta a una tensión nominal para obtener la velocidad nominal.

CONT.

2

u

4

V

w

6

3

p~

D

Figura 4.23. Contactar. Z

X

y

• • • Arranque directo de un motor trifásico En el momento del arranque, la corriente es muy e levada. Esta corriente puede produc ir problemas por acti vación de las protecciones; por tanto, este tipo de arranque queda supeditado a motores que cumplen las especificaciones indicadas en el REBT/ITC- BT-47. En otros casos, será necesario recurrir a distintas configuraciones o elementos tales como autómatas, arrancadores estáticos o variadores de frecuencia.

y)ij: Figura 4.15. Arranque Y-D de un motor trifásico.

5

---- ---. 2

4

6

-ELECTRÓNICA • • • Arranque con autotransforma~or En este tipo de motor se intercala un autotransformador en serie entre la red de alimentación y e l motor. Así se consigue disminuir la tensión que llega a los bornes del motor. Esta se aumenta progresivamente hasta llegar a la tensión nominal de alimentación; por tanto permite un arranque suave.

CON T. 2

4

6

R CON T.

2

4

6

Figura .J.27. Arranque de un motor trifásico con resistencias en serie. M

U1

V1

W1

Figura ~. 26. Arranque de un motor trifásico con autotransformador. Rrotórica

• • • Arranque con resistencias en serie con el motor En este tipo de motor se intercala un potenciómetro en serie entre la red de alimentación y el motor. Así se consigue disminuir la tensión que llega a los bornes del motor. Esta aumenta progresivamente hasta llegar a la tensión nominal de alimentación; por tanto permite también un arranque suave (Figura 4.27).

Figura ~. 28. Curva par-velocidad motor trifásico al variar la resistencia rotórica.

CON T.

2

U

4

V

6

W

• • • Arranque con resistencias rotóricas en motores trifásicos ~e rotor bobina~o El aumento de la resistencia rotórica generará una desviación en la curva par-velocidad; en este caso, como puede observarse en la Figura 4.28, una gran resistencia rotórica implica un par de arranque mayor, con el que se llegaría antes al par máximo. Al contrario, la velocidad nominal a plena carga disminuiría.

R

K

L

M

Figura 4.29. Conexión de las resistencias rotóricas para el arranque.

ELECTRICIDAD • • • Arranque mediante arrancador estático El arrancador estático es un e lemento fác il de insta lar; esto no quiere decir que no se tengan en cuenta un montaje adecuado y las condic iones favo rables de l lugar en donde se instale e l aparato. Una vez montado, será necesario reali zar los aj ustes oportunos. La forma de trabaj ar del arrancador estático es la siguiente: primero, se controla la intensidad en el arranque para que esta no produzca problemas. Así, se permiten arranques suaves. A continuación, el motor comienza a func ionar. En esta fase se determina la rampa de aceleración necesaria. El trabajo linaliza con frenadas muy suaves. El control de l aparato se realizará mediante ordenador o con un autómata. Las aplicaciones son relacionadas con el arranque y el control de velocidad de los motores trifásicos de rotor en cortocircuito. Algunas de ellas son: bombas hidráulicas, movi mientos de cargas, escaleras mecánicas, telesillas, cintas transportadoras, etc. Como restricción, diremos que el arrancador estático está li mitado al tiempo de reposo entre arranques consecuti vos; por tanto, no serán usados en caso de motores que requieran arranques muy frecuentes en el tiempo.

Veloc1dad rap1da

• • 4.4.7. Regulación de la velocidad de motores trifásicos La regulación de la velocidad en los motores puede realizarse de las siguientes formas: • Por variación de l número de polos. • Por variación de la frecuencia de a limentación. • Por la modificación de la tensión estatórica. • Por la modificación de la resiste ncia rotórica.

• • • Variación del número de polos. el motor de dos velocidades Oahlander Estos motores están especialmente diseñados para ofrecer vari as velocidades de giro. Aunque los usuales son de dos velocidades, también pueden encontrarse en el mercado otros con más velocidades. Su particularidad radica en su devanado estatórico. Cada una de las bobinas está dividida en partes iguales, que pueden ser conectadas en serie o en para le lo, de forma que se obtiene un número doble de polos en una de las conliguraciones e n relación a la otra, reduciendo la velocidad de sincronismo a la mitad.

Veloc1dad lenta

L1

L1

L2

L2

L3

L3

Ua

Ua

":;; Wa

Vb

Va

Wa

Vb

Va

!i ~

Figura 4 30. Conexión para motor Dah/ander.

u

O-ELECTRÓNICA De acuerdo con la expresión anteriormente citada:

n·p

lacionaba la velocidad con el número de pares de polos del motor y la frecuencia de la alimentación:

!=-¡;o

n·p

a frecuencia de alimentación constante, si se reduce el número de pares de polos a la mitad, la velocidad también queda reducida a la mitad. Las configuraciones son en triángulo, para velocidades lentas y en estrella, para velocidades rápidas.

• • • Variador de frecuencia El variador de frecuencia es un controlador de velocidad de un motor trifásico, aunque puede utilizarse también en monofásicos. Su uso común radica en motores trifásicos de inducción mediante la variación de la frecuencia de alimentación . Esto significa que, basándose en la ecuación inicial que re-

Red de alimentación

!=-¡;o si se modifica la frecuencia de la señal de entrada, se produc irá una variación de la velocidad de rotación del motor.

• • • Variación de la tensión estatórica Este método consiste en la utilización de trisistores conectados en antiparalelo. Permite seleccionar e l ángulo de disparo del elemento para regular, con ello, la tensión que llega a l estator del motor (Figura 4.31 ).

• • • Variación de la tensión rotó rica Se varía la tensión rotórica mediante e lementos semiconductores denominados tristores, interponiéndolos entre la red de alimentación y los bornes del rotor del motor.

Motor L1

L2

L3

Figura 4.32. Regulación de tensión rotórica mediante tiristores.

- 4.5. Motor monofásico Este tipo de motor posee un funcionamiento distinto al motor trifásico. Aquí no existe campo magnético giratorio.

• • 4.5.1. Arranque de un motor monofásico

..

o

Figura .¡.31 . Regulación de tensión estatórica con trisistores en antiparalelo.

Cuando un motor trifásico arranca, su rotor es arrastrado por el campo magnético generado en su interior, pero, en el caso del monofásico, el rotor no es transportado por campo magnético alguno, puesto que este campo es pulsante.

ELECTRICIDAD-e Para el arranque de este tipo de motores, existen tres soluciones posibles: l . Con tensión e n bornes del motor. El motor tiene un momento de arranque: M. = O. Mediante un simple giro del rotor, el motor seguirá girando por sí mismo, no debe reali zarse, es peligroso.

2. Con un devanado auxiliar. Para este devanado se dejan algunas ranuras en el estator con e l fin de colocar en ellas e l bobinado. Así, se crea una composición de flujos y se consigue que el momento de arranque ya sea no nulo. Una vez que el motor haya alcanzado una velocidad suficiente para mantener su funcionamiento Mediante un interruptor centrífugo, se desconecta el bobinado auxiliar. 3. Con el mismo bobinado de arranque se introduce un condensador en serie. Este condensador introduce un par de arranque mayor, por lo que se produce un rendimiento hasta tres veces mayor que el que produciría el bobinado de aiTanque por sí solo. Condensador de arranque

Figura 4.34. Placa de bornes en la conexión para motor monofásico con condensador de arranque.

11 4.6. Motores especiales Existe una serie de motores especiales para aplicaciones o condic iones concretas, que serán descritos a lo largo de este apartado.

• • 4.6.1. Motor universal Aunque su constitución sea, en esencia, la de un motor en configuración serie de ce, su fu ncionamiento sue le ser con corriente alterna, aunque también funciona en continua. Figura 4.:n. Posición del condensador de arranque.

Es un tipo de motor muy utilizado en máquinas-herramientas portátiles y en pequeños electrodomésticos.

• • 4.5.2. Conexiones de la placa de bornes de un motor monofásico Recordemos que el motor trifásico arranca por sí solo debido a que en él se genera un campo magnético giratorio que arrastra al rotor para generar un par de giro. Esto no ocurre en los motores monofásicos: en ellos lo que se busca es real izar el arranque mediante un bobinado auxiliar que se encuentra a 90° del principal, el condensador permite una mayor potencia. Las conexiones de la placa de bornes de un motor monofásico son las que muestra la Figura 4.34.

Fase

+ Bobina inductora

2

Figura 4.35. Esquema de un motor universal.

Neutro

·~

_, ¡

O-ELECTRÓNICA Entre muchas aplicaciones de los motores paso a paso, una de las más básicas es la de actuación como servosistemas para e lementos mecánicos que requieren una posición concreta, por ejemplo, en modelismo o robótica.

Figura 4.36. Detalle del inductor de un motor universal.

• • 4.6.2. Motor paso apaso

Figura 4.37. Motor paso a paso.

Este motor es capaz de realizar desplazamientos concretos, avanzando una serie de grados fijos, específicos de cada motor, que dependen de su señal de control. Es capaz de alcanzar ciertas posiciones de forma repetitiva y muy concreta. Los tipos de motores paso a paso más generales son los siguientes: • Motores de imán permanente: en los que la posición se obtiene por magnetización. Las posiciones del rotor dependerán de su construcción. El número de polos determina el ángulo de giro del rotor en cada paso. • Motor de reluctancia variable: el rotor es multipolar y rota cuando sus dientes son atraídos por los dientes del estator en el momento en el que estos tienen energía suficiente. • Motor híbrido: es una mezcla de los dos tipos anteriOI·es.

Figura 4.38. Servosistema para modelismo.

Las muñecas de algunos robots industriales que requieren gran precisión en determinadas maniobras para controlar mejor la posición de la pinza robótica a la hora de realizarlas, están formadas por motores paso a paso que permiten un ajuste fino en la posición de esta.

Figura 4.39. Brazo robótica para uso industrial.

-

Mapa conceptual ------------------------------------------------------------------------J CLASIFICACIÓN

PARTES MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS El ALTERNADOR

MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO

EL MOTOR

MOTOR MONOFÁSICO

MOTORES ESPECIALES

4.1.

Actividades de comprobación El rotor:

e) Las fases están dispuestas en el mismo orden, con

la misma frecuencia, la misma tensión y con concordancia entre fases.

a) Es la parte móvil de la máquina, formado por un conjunto de chapas magnéticas donde se aloja el bobinado inductor alimentado por corriente continua. b) Está compuesto por una serie de chapas unidas entre sí y a una carcasa. En las ranuras de las chapas se aloja el circuito inducido. e) Es la parte móvil de la máquina. Está compuesto

por una serie de chapas unidas entre sí y a una carcasa. En las ranuras de las chapas se aloja el circuita inducido. d} Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

4.2. Las condiciones a cumplir en los acoplamientos de generadores trifásicos síncronos, son las siguientes:

a) Las fases están dispuestas en el mismo orden, con la misma tensión y con concordancia entre fases. b) Las fases están dispuestas en el mismo orden, con la misma frecuencia y con concordancia entre fases.

d) Todos tienen la misma frecuencia, la misma ten-

sión y concordancia entre fases. 4.3.

Si se produce un campo magnético que gira a la velocidad de sincronismo, cuya expresión es la siguiente:

n

•

60 . f =-, donde: p

a) p es el número de pares de polos y f, la frecuencia de la señal. b) p es el número de polos y f , la frecuencia de la señal. e) p es el número de pares de polos y f, la frecuencia

de giro del rotor. d) p es el número de polos y f , la frecuencia de giro

del rotor.

.;

..

~-

., ~

~ J.

•

4. MOTORES ELÉCTRICOS

4.4.

Las pérdidas en un motor son las siguientes:

4.8.

a) Pérdidas en el hierro y pérdidas mecánicas.

a) Son los motores más comunes porque son resistentes y económicos.

b) Pérdidas en el hierro, pérdidas en el cobre y pérdidas mecánicas.

e)

4.5.

En cuanto a los motores en doble jaula de ardilla, cabe decir que:

b) En el momento de arranque ofrecen un buen par.

Pérdidas en el hierro y pérdidas en el cobre.

d) Pérdidas en el hierro, pérdidas en el cobre, pérdidas mecánicas y pérdidas en el rendimiento.

e)

En la placa de bornes:

d) Ese rotor no existe; solo existe el rotor en jaula de

a) Los terminales de las bobinas de la misma fase no se conectan enfrentados.

ardilla.

4.9.

El arranque directo de motores: a) Queda supeditado a motores que cumplan las especificaciones indicadas en el REBT/ITC-BT-47.

b) Los terminales de las bobinas de la misma fase se conectan enfrentados.

b) Se puede realizar sin ningún problema.

e) Los terminales de las bobinas de la misma fase no están conectados en la placa de bornes.

e)

d) Se incluyen las características más destacables del motor, anotadas por el fabricante. trifásico, ¿qué indican?

4.10. El motor universal:

b) Que el motor permite dos conexiones en el estator.

e)

a) Es capaz de realizar desplazamientos concretos, avanzando en cada uno una serie de grados fijos, dependiendo de su señal de control. Es un motor capaz de alcanzar posiciones de forma repetitiva y muy concreta.

Que el motor no es de rotor en jaula de ardilla o cortocircuito, sino que es de rotor bobinado.

d) Es un bobinado auxiliar para dar más par de arranque al motor y, una vez realizado el arranque, regresar al bobinado principal del rotor.

4.7.

b) Tiene un rotor multipolar y rota cuando sus dientes son atraídos por los dientes del estator en el momento en que estos están energizados.

En un motor trifásico de tensiones nominales 400/230V, las tensiones de red 400/230V han de aplicarse:

e)

a) 400 V en configuración Y y 230 V en configuración D.

b) Es indiferente, simplemente los 400 V sirven para alcanzar mayor par y mayor velocidad de giro.

e)

Debe ser realizado siempre que se establezca una protección auxiliar en paralelo a la protección que ha de poseer el motor.

d) Se realiza mediante un condensador de arranque conectado al bobinado auxiliar del motor.

4.6. Las bornes K, L y M en la placa de bornes de un motor a) Que el motor es Dahlander y posee dos velocidades.

Ofrecen la ventaja de intercalar al mismo, resistencias rotóricas para el arranque.

230 V en configuración Y y 400 V en configuración D.

Obtiene la posición por magnetización, y las posiciones del rotor dependerán de la construcción del motor. El número de polos determina el ángulo de giro del rotor en cada paso.

d) Tiene una constitución muy similar a la de un motor en configuración serie de ce. pero funciona con corriente alterna, aunque también puede hacerlo en corriente continua.

d) La configuración Y permite ambas tensiones para funcionar a sus características nominales, mientras quela configuración D únicamente permite 230 V.

11 Actividades ds aplicación 4.11.

¿Qué diferencias existen entre un motor y un alternador?

4.17.

4.12. ¿Qué expresión relaciona el número de pares de polos y la frecuencia de la red de alimentación, con la velocidad del rotor?

~

4.13.

¿Qué significa la palabra asíncrono?

4.14.

¿Qué es mayor, la velocidad de sincronismo o la velocidad del rotor?

:; a;

4.15.

<>

4.16. ¿Qué pérdidas del motor se deben a la tensión nominal,

Q

¿Qué es el índice de servicio en un motor? cuáles a la corriente y cuáles a ninguna de las dos?

¿Por qué causa los terminales de las bobinas de la misma fase no se conectan enfrentados en la placa de bornes?

4.18. Si los cables de alimentación del motor van conectados a la placa de bornes del mismo, ¿dónde se conecta el cable de protección?

4.19.

¿Qué ocurre en el instante inicial, con el rotor parado de un motor y con tensión nominal en bornes?

4.20. ¿Qué formas de regulación de velocidad de motores trifásicos existen?

4. MOTORES ELÉCTRICOS

•

Se detalla una serie de conexiones básicas en la placa de bornes de motores eléctricos. El objetivo de esta Unidad es mostrar dichas conexiones al alumno, dejando el tema de protecciones aparte (por ello no se muestran en las figuras), para otros módulos que sí tratan dichos elementos. Por tanto, se requerirá conectar los motores a cuadros con elementos de protección suficientes y adecuados.

Práctica 4.l. Conexiones básicas en un motor trifásico Objetivos

Se realizarán las conexiones más usuales en orden según su complejidad.

Procedimiento

Realiza las conexiones y conecta tensión de red el motor en cada una de las configuraciones, teniendo en cuenta que el bobinado del motor está diseñado para su tensión nominal menor. En la placa de características se establecen dos tensiones, por ejemplo, 400/230 V, pues la tensión mayor será la tensión en montaje estrella Vr = 400 V, y la tensión menor es la tensión en montaje triángulo V0 = 230 V.

z

y

X

L1

L2

L3

L1

L2

L3

u

X=Y=Z

o U=Z

W=Y

w

~

~

.¡

Conexión motor trifásico en Y y D.

Práctica 4.2. Cambio de giro para un motor trifásico Objetivos

Se realizarán las conexiones más usuales en orden, según su complejidad, para el cambio de giro en un motor trifásico.

Procedimiento

Para este montaje, permuta dos de las fases cualesquiera que alimentan al motor.

z

y

X L2

L1

L3

L2

L1

L3

u

U=Z

f, ur.1 4

W =Y

Conexión para cambio de giro en motor trifásico en Yy D.

V

w

4. MOTORES ELÉCTRICOS

Práctica 4.3. Conexión de motor trifásico en red monofásica Objetivos

Es una conexión útil en instalaciones en las cuales sea necesario conectar un motor trifásico de pequeña potencia y en los que no sea posible realizar una instalación trifásica. Se consigue que el condensador retrase sensiblemente la señal de una de las fases para generar una tercera. Este método ha de ser usado únicamente en potencias del motor, como máximo, de 2 CV. Los rendimientos y par, tanto en el arranque como los nominales, son menores de los que se obtendrían si el motor estuviera convenientemente conectado a una red trifásica. Si se desea realizar el cambio de giro del rotor del motor, bastará con variar la posición del condensador a otra cualquiera de las fases.

Procedimiento

Ten en cuenta que al conexionar el motor en una red monofásica, ha de hacerse en triángulo, para que cada bobinado esté alimentado por la tensión de fase para la que fue diseñado. Para líneas monofásicas, el valor de la capacidad del condensador respecto a la potencia ha de ser, aproximadamente, de 70~F/1 kW, y la tensión del mismo será 1,25 veces la tensión nominal de la línea de alimentación.

z L

F ud4

Conexión de motor trifásico en red monofásica.

y

X

N

u

V

z

X

y

w

•

•

4. MOTORES ELÉCTRICOS

Práctica 4.4. freno de motor trifásico mediante corriente continua Objetivos

Para conseguir frenar un motor trifásico, es útil el uso de la corriente continua en el mismo.

Procedimiento

Ten la precaución de que en corriente continua, la parte inductiva de la impedancia del motor se anula, quedando únicamente una pequeña parte resistiva. Por esta razón, la tensión alterna a aplicar al motor durante su funcionamiento continuado, no deberá ser tomada como referencia, para la tensión continua que haya que aplicar en forma de impulsos para frenar el motor, sino que deberá ser de un valor mucho menor. Esta tensión puede calcularse mediante esta relación:

Práctica 4.5. Conexiones básicas en un motor Dahlander Objetivos

Realiza las conexiones más usuales en orden según su complejidad. Antes de aparecer sistemas de regulación de velocidad de motores, se aplicaban motores Dahlander capaces de variar su número de pares de polos a la mitad, modificando con ello la velocidad de rotación.

Procedimiento

Realiza las conexiones de acuerdo a las figuras.

Veloc1dad ráp1da L1

L2

L3 Ua

Vce = 0,8 · In· Rdevanado' donde, en el cálculo de la resistencia del devanado, tendrás en cuenta que la tensión continua únicamente se aplicará a dos de los devanados y que estos se colocarán en estrella.

Va

Velocidad lenta L1 L2

L3 Ua

w F1 ,ura 4

Freno con CC de un motor trifásico .

.....

r

~

"r u

-r

'@

4

Conexión de motor Dahlander en Y y D.

4. MOTORES ELÉCTRICOS

•

Práctica 4.6. Conexiones básicas en un motor monofásico Realiza las conexiones más usuales en orden, según su complejidad; una será la conexión usual, mientras que la otra será el cambio de giro del motor, mediante la variación de la alimentación en la serie formada por el bobinado auxiliar y el condensador. El valor de la capacidad del condensador en IJF, viene dado por la expresión matemática siguiente:

Objetivos

C=_3:._ ,18_·P_·_10_6 V· cos

Realiza las conexiones de acuerdo a las figuras.

Sent1do de g1ro 1

U1

L

•

-

AUX.

L

d4

PPAL.

U2

•

U1 N

L

•

e

-

AUX.

• JfJffJHJfJf V1

F

Sentido de g1ro 2

V2

•

N

N

•

V1

PPAL.

U2

•

N

e

JfJffJHJfJf V2

•

L

Conexiones para motor monofásico en ambos sentidos.

o

~

....~ ., '-

e ¡¡ .>

-ou

Cl

ELECTRICIDAD

11 5.1. Introducción alos instrumentos yaparatos de medida Un instrumento de medida es un aparato que nos permite conocer el valor de una detenninada magnitud física mediante un proceso denominado medición.

Para evitar el error en los e lementos de medición de aguja, es necesario tener en cuenta los pasos que se describen a continuació n: • Error de cero: se produce cuando la aguja del elemento no está en el O exactamente en ausencia de excitación. Este error se ubsana mediante el dial existente debajo de la aguja. Se manipulará hasta hacer coincidir esta con el cero antes de comenzar la medición.

Las características principales de cualquier aparato de medida son: escala, precisión, exactitud, sensibilidad y error. La escala de medición determina el rango de valores. Así pues, será necesario e legi r una escala adecuada a la medición, siendo recomendable comenzar por la más alta para ir rebajándola hasta llegar a aquella que ofrezca la mejor infonnación a quién realiza la medición. Pongamos por ejemplo a un aparato de medición de aguja, si este posee una serie de divisiones por escala de 2 unidades de medida por división, y mide 5 divisiones, la resultante será 5 X 2 = 1O unidades de medida. Figura .5.2. Error de cero.

60

•. ,,., , , , , 180 ''''·'''t¡;,........,/

100

• ErTor de paralaje: se produce cuando la persona que opera e l elemento de medida no está situada exactamente en la vertical del cuadro donde se indican las medidas. y se obtiene una apreciación errónea de las mismas. Esto se corrige mediante e l espejo que existe tras la aguja, de modo que si el operador ve el reflejo de la aguja en el espejo es porque no está exactamente en la vertical.

Figura .5.1. Amperios por división.

Un dispositivo será más preciso cuando la diferencia de medidas ofrecidas por el mismo aparato midiendo la misma magnitud en iguales condiciones, sea menor. Después tenemos la diferencia entre e l valor indicado por el elemento de medición y e l valor real, a esto se le denomina exactitud del elemento de medición. La sensibilidad es la capacidad que posee e l aparato de responder frente a las pequeñas variaciones de la magnitud que se está midiendo. Puede definirse como el valor más pequeño que es capaz de medir el equipo. El error es una variable muy importante a la hora de realizar medidas, ya que todo elemento de medición posee una tasa de error que introducirá un cierto rango de incertidumbre acerca del valor exacto de la medida. Cuando decimos que un determinado aparato posee una tasadecrrorde ±a %, quiere decir que la medida real M se encontrará, siendo m la medida ofrecida por e l elemento dentro del intervalo: (m - a % de m) S M S (m +a % de m).

Figura 5 3. Error de paralaje.

11 5.2. Aparatos de medida En el campo de las instalaciones electrotécnicas existe una gran cantidad de magnitudes, rangos de valores y distintas

O-ELECTRÓNICA tipologías; por tanto, se emplearán un buen número de aparatos de medida distintos. Es muy importante e legir el adecuado en función del tipo de instalación, ya que, por ejemplo, los aparatos que miden valores medios de una señal, no podrán ser utilizados en corriente alterna, debido a que el valor medio de las señales es siempre nulo. En ese caso resulta necesario el uso de equipos que ofrezcan el valor eficaz.

• • 5.2.1 . Voltímetro El voltímetro es un instrumento de medida capaz de mostrar el valor de la diferencia de potencial existente entre dos puntos de un circuito eléctrico. Los primeros voltímetros electromecánicos estaban basados en el galvanómetro, un transductor electromecánico con origen en el siglo XIX capaz de reflejar los cambios en la corriente e léctrica mediante el movimiento de una aguja. El voltímetro deberá ser conectado siempre en paralelo a los bornes del e lemento a medir su tensión, nunca en serie. Debido a la gran impedancia de entrada del voltímetro, se considera que a efectos prácticos no circulará corriente a través de él , no alterando, por tanto, el valor de la medida. Si la medición se realiza en corriente continua, será necesario tener en cuenta la polaridad de la medición, respetando la colocación de la pinza roja en el terminal positivo y la pinza negra en el negativo. De no hacerlo así, el valor obtenido coincidirá en valor absoluto con el valor real, pero mostrará el signo contrario.

Figura 5.5. Medida de tensión de una toma de corriente.

5.1. Amplía el factor de escala mediante elemento conectado en serie a tensión monofáo;ica de red 230 V. Procedimiento:

Intercala una resistencia variable con su máximo valor resistivo en serie con el voltímetro, y ve disminuyendo su valor hasta que la tensión del voltímetro sea 23 Y. En ese momento, determina el valor de la resistencia. Este valor de resistencia será el que permita realizar mediciones con el voltímetro ampliando su rango 10 veces.

u

Us

u,

•

..

o

Figura 5.6. Ampliar factor de escala mediante elemento en serie. Figura 5.4. Medida de tensión entre fa ses

ELECTRICIDAD-

5.2. Amplía el factor de escala mediante transformador monofásico de tensiones en red eléctrica 230 v.

Procedimiento: Intercala un transformador de relación de tensiones primario-secundario de valor 10. En tal caso, al medir la tensión del secundario del transfonnador obtendrás una medida de 23 V, ampliando su rango de mediciones en 10.

~~:

!u

IV

u

V

Figura 5.7. Medida de tensión mediante transformador de tensión.

-~

~

Figura 5.8. Medida de tensión mediante transformador de tensión.

e

'

ELECTRÓNICA

5. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS OE MEDIDA

• • 5.2.2. Amperímetro El amperímetro es un instrumento de medida que permite obtener el valor de la intensidad de la corriente eléctrica que circula por cualquier elemento del circuito eléctrico.

5.4. Amplia el factor de escala mediante transformador monofásico de corrientes en red eléctrica 230 V. Procedimiento: Intercala un transformador de relación de tensiones primario-secundario de valor 1O y mide la corriente en el secundario del mismo; con esto se conseguirá ampliar su medida máxima 10 veces.

Figura 5.9. Amperímetro.

Figura 5.11 . Medida de corriente mediante transformador de intensidad.

Su resistencia interna es casi nula; por tanto, este elemento ha de ser conectado en serie con la carga ya que su caída de tensión es casi nula y no ofrece vruiaciones en el sistema. Al igual que con el voltímetro, resulta interesante tener en cuenta polaridades a la hora de realizar mediciones en corriente continua, conectando la pinza roja en el positivo y la pinza negra en el negativo.

Cuando no es posible cortar el cable de alimentación para colocar el elemento de medición, se utiliza la pinza amperimétrica. Con ella se puede medir la corriente de un conductor sin necesidad de seccionarlo. Se deberá tener cuidado y medir nada más que un único cable ya que si se «abrazan» más conductores que el que se pretende, la medida que arrojará no será la correcta.

5.3. Ampliar factor de escala mediante un elemento en paralelo (shunt) con el amperímetro. Procedimiento: Por este fin, la corriente que no atraviese el amperímetro irá por la resistencia Rs en paralelo con él, con esto se conseguirá ampliar la escala del aparato medidor. En este caso, el valor resistivo inicial deberá ser el mínimo posible e ir ampliándolo poco a poco.

Figura 5.12. Medición de corriente con pinza amperimétrica.

u

• • 5.2.3. Óhmetro Figura 5.10. Ampliar factor de escala de amperímetro mediante shunt.

Un óhmetro es un instrumento de medida diseñado para obtener e l valor de la resistencia e léctrica de un elemento o circuito eléctrico.

ELECTRICIDAD Para realizar mediciones con él, en primer lugar será necesario aislar el elemento a medir para evitar posibles realimentaciones y comenzar midiendo ajustando «el cero» del aparato de medición. Su principio de funcionamiento se basa en la aplicación de una pequeña diferencia de potencial de valor conocido para simultáneamente medir mediante un galvanómetro la corriente eléctrica, relacionada con la resistencia mediante la ley de Ohm.

Lt o------1

L J o--------------1

Carga trifásica

N

Figura 5.15. Sistema equilibrado con neutro.

• • 5.2.4. Vatímetro yvarímetro Son dos elementos utilizados en las mediciones de potencia. El vatímetro mide la potencia activa y el varímetro la potencia reactiva, mientras que la potencia aparente ha de ser medida con voltímetro y amperímetro multiplicando los resultados de ambos.

Carga trifásica

Figura 5.16. Sistema desequilibrado con neutro.

Red

eléctrica

Receptores eléctricos

Lt o-->-i

Carga trifásica Figura 5.13. Medida de potencia activa con va tímetro.

• Figura 5.17. Sistema desequilibrado sin neutro. Red

eléctrica

Receptores eléctricos

Lt o-->-i

Carga trifásica Figura 5.14. Medida de potencia reactiva con varímetro.

En el momento de aplicar en medidas estos elementos en sistemas trifásicos, se deberá tener en cuenta los diferentes tipos existentes y sus específicas características para actuar de una u otra manera.

Figura 5.18. Sistema aron.

Los sistemas a los que se hace referencia son los siguientes: • Con neutro, sistema equilibrado. • Con neutro, sistema desequilibrado. • Sin neutro, sistema equilibrado. • Sin neutro, sistema desequilibrado. Para cada uno de ellos se detallan los esquemas en la realización de medidas explicados en la Unidad 2.

S.S. Mide la potencia, tensiones y comentes en circuito pamlelo siguiendo el esquema de la figura. Procedim iento:

Realiza el esquema, conectar los elementos de medición y anota las medidas obtenidas. (continúa)

ECTRÓNICA • • 5.2.5. Polímetro

(continuación)

PE

L1 N

11 1N l·ffi··········

F1 25A

El polímetro o multímetro es un elemento de medida portátil que permite realizar diversos tipos de medidas en un único aparato, lo que lo hace especialmente práctico a la hora de realizar los trabajos.

r··

2

N

Figura 5.20. Polímetro. N

Figura 3.21 Medida de tensión con polímetro a la salida de un PIA en corriente alterna.

E1 V1

E3

~11r

.) 19 Multifilar: potencia, tensiones y corrientes en circuito

paralelo.

F1gura 5.22. Medida de tensión con polímetro en una batería de coche en corriente continua.

5. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS OE MEDIDA

ELECTRICIDAD

• • 5.2.6. Medidor de polaridad obusca polos El medidor de polaridad, más conocido como buscapolos, es un elemento que permite comprobar si existe diferencia de potencial entre dos puntos. Si existe tensión, el aparato lo mostrará mediante una señal luminosa, acústica o mostrando en pantalla el valor de tensión preestablecido por el aparato. Si no muestra ninguna señal, o marca cero, indicará que la diferencia de potencial entre los puntos es nula.

l'o 1

•

Q

•

Figura 5.25. Medición de continuidad mediante polímetro.

• • 5.2.8. Analizadorde redes Figura 5.23. Busca polos.

Un analizador de redes es un instrumento de medida capaz de ofrecer diferentes medidas y comprobaciones en las mismas para determinar el estado de las instalaciones y redes eléctricas. Es especialmente útil para el análisis de parámetros relacionados con los armónicos y permite la monitorización, almacenamiento de mediciones, representaciones gráficas y numerosas funciones de interés para e l instalador.

Figura 5.24. Medición mediante busca polos.

• • 5.2.7. Medidor de continuidad Mediante un medidor de continuidad es posible comprobar si dos puntos están unidos mediante un elemento conductor. Esto es muy útil a la hora de comprobar si dos zonas están comunicadas, o para comprobar si un elemento conductor está cortado en algún punto de su longitud, así como para detectar contactos accidentales entre conductores activos y masas. Se puede observar en la Figura 5.25, en la que se uti liza un multímetro que tiene integrada la función de medidor de continuidad. Si hay continuidad el aparato marca O y emitirá un pitido; en caso contrario, no realizará señal alguna.

Figura 5.2b. Analizador de redes.

O-ELECTRÓNICA Los beneficios que ofrece son numerosos, tales como: • Optimi zación de las instalaciones según e l consumo de energía. • Perturbaciones y ruidos. • Controla y gestiona las instalaciones. • Calidad en lo!. suministros. • Curvas de demanda. • Comprueba las saturaciones en la red.

• • 5.2.9. Medidor de tierras

Figura 5.28. Medidor de tierras.

La resistencia del punto de puesta a tierra ha de estar comprendido en unos valo res determinados por el Reglamen to Electrotécnico para Baja Tensión. Esta resistencia estará definida por la ITC-BT que trate el tipo de instalac ión en cuestión.

El procedimiento más habitual de medida es el mostrado en la Figura 5.27. Para ello, se utili zan entre 3 y 4 sondas que se c lavan alineadas y separadas aproximadamente 1O metros en e l terreno en el que se quiera realizar la medición.

Para comprobar esta resistencia se emplea el instrumento denominado telurómetro (Figura 5.28). el cual ofrece información sobre la resistencia del terreno para determinar si la zona es óptima a la hora de establecer ahí un punto de tierra.

• • 5.2.1 O. localizador de canalizaciones Es un aparato de medida que permite comprobar si dentro de un muro o tabique separador. existe una canalización e léctrica o de cualquier suministro de la instalación. Basa su funcionamiento en la perturbació n en el campo magnético que provocan los metales conductores, así como la vari ación de las corrientes e léctricas (Figura 5.29).

ON/OFF

A.C

METAL

A.C METAL

8

SENSITIVITY

Telurómetro Medidor de tierra .~

Carga batana -

o

MODEL TYPE

=v =

·Ohm

Figura 5.2"" Medida de resistencia de resistencia de tierra.

Figura 5.29. Localizador de canalizaciones.

ELECTRICI DAD • • 5.2.11. Medida de la frecuencia

• • 5.2.13. Medida de la rigidez dieléctrica

La medida de la frecuencia se realiza mediante un frecuencímetro que permite determinar la frecuencia de los sistemas (Figura 5.30).

La rigidez dieléctrica es la tensión entre dos extremos de un aislante capaz de perforar este materiaL

~~ :~----t========l~------~---------

~

Figura 5.30. Conexión del frecuencímetro.

• • 5.2.12. Medida de la resistencia de aislamiento La resistencia de aislamiento es la resistencia e léctrica existente entre dos partes activas de una instalación y aisladas entre sí. Para la medida de esta resistencia se utili za el aparato conocido habitualmente como Megger, por ser una de las marcas comerciales más extendidas, capaces de medir valores muy elevados de resistencia eléctrica. Este elemento de medición aplica tensiones continuas muy elevadas, mediante las cuaJes determina la resistencia de l aislamiento. Tabla !

La medida ha de ser llevada a cabo con todos los receptores desconectados, los interruptores cerrados y debe realizarse: • Entre todos y cada uno de los conductores incluido el neutro, respecto a tierra. • Y entre conductores.

11 5.3. Normativa de seguridad en la realización de medidas En el momento de realizar medidas eléctricas, las normas de seguridad no son las mismas que durante la realización de trabajos en las instalaciones, debido a que las medidas en muchas ocasiones han de ser ejecutadas con la instalación en funcionamiento, es decir, «en carga», lo que complica en gran manera establecer y mantener una serie de pautas de seguridad. En la Tabla 5.1 se repasan los di stintos riesgos existentes junto con las acciones a emprender para evitar accidentes por causa de los mismos.

Riesgo eléctrico.

Sobrecargas y cortocircuitos.

Superan los valores permitidos de corriente para los elementos de la instalación eléctrica. Cortocircuitos, que se producen cuando existe un contacto entre dos puntos de la instalación a diferente potencial. Sobrecargas que se originan por un exceso en la demanda de corriente por causa de los receptores conectados.

Con fusibles e interruptores magnetotérmicos capaces de desconectar la corriente cuando esta excede de un valor permitido.

La electrocución se produce cuando la corriente eléctrica pasa a través del cuerpo humano.

Según su intensidad, puede producir desde ligeros hormigueos hasta fibrilaciones ventriculares, paro respiratorio, asfixia, quemaduras, problemas cardiovasculares y como consecuencia de lo anterior, también pueden producirse otros daños tales como caídas a distinto nivel, golpes, etc.

Mediante diferenciales que protegen a seres vivos frente a contactos directos e indirectos.

Contactos directos.

Contactos directos cuando el contacto con la línea se produce con partes activas de materiales y equipos eléctricos.

Aislamiento de las partes activas. Interposición de barreras o envolventes. Protección mediante obstáculos. Separación por distancia. Dispositivos de corriente diferencial-residual.

Contactos indirectos.

Contactos indirectos, cuando este se produce con partes bajo tensión debido a un fallo de aislamiento.

Puesta a tierra de las masas. Fusibles y magnetotérmicos. Interruptores diferenciales.

.. e

AD-ELECTRÓNICA - ---------------------------

- 5.4. Cali~ración de los equipos de medida El calibrado es el procedimiento de comparación entre lo que indica un instrumento y lo que realmente debería medir de acuerdo con un patrón de mayor exactitud. Los equipos de medida debido al uso, así como al envejecimiento de algunos materiales, pueden perder progresivamente las prestaciones de exactitud y sensibi lidad que tenían al salir de fábrica. Esto hace necesario compararlos periódicamente con el patrón de la magnitud con e l que están diseñados. Hay que verificar que no existen desviaciones y subsanar estas anomalías en caso de producirse. Estos patrones se c lasifican jerárquicamente en un proceso para determinar la trazabilidad, que permite conocer en base a qué modelo se ha calibrado un determinado instrumento y e l error que se puede esperar: • Pat rón primario: es e l de mayor grado de exactitud, directamente basado en la de finic ión de la magnitud en e l Sistema Internacional. • Patrón secundario: se obtie ne calibrándolo respecto del patrón primario. • Patrón de referenc ia: es e l que se emplea dentro de un ámbito concreto (una industria, por ejemplo) para comprobar la exactitud de los distintos aparatos. • Patrón de transfere nc ia: es e l que sirve para confrontar entre diferentes sistemas de medida que no pueden transportarse para realizar la comparación entre e llos di rectamente. • Patrón de trabajo: es e l que se usa de forma habitual para calibrar patrones e instrumentos de medida en un entorno de trabajo más reducido. Los equipos de medida se calibrarán habitualmente comparándolos con el patrón de trabajo, que a su vez, habrá sido comparado con un patrón de referencia o secundario, siguiendo una cadena de comparaciones sucesivas que permite garanti zar el grado de exactitud, o el margen de incertidumbre, respecto del Sistema Internacional. Los defectos más habituales que tendrá un aparato de medida y que deben detectarse y corregirse e n el proceso de calibración son:

..

p

• Error de cero: todas las medidas realizadas están desplazadas un mis mo valor con res pecto a la recta característica. • Error de multiplicación: e l error en el valor de las medidas aumenta o dism inuye progresivamente confo rme aumenta la magnitud observada. • Error de angulari dad: las lecturas son correctas en e l mínimo y máximo de la escala, pero presentan errores en el resto de valores.

Cada fabricante establecerá un intervalo de cali braciones, siendo el peri odo recomendado para la mayoría de los equipos de medida de un año. El proceso de calibración sue le constar de los siguientes pasos: • Comprobación de l estado general del eq ui po y de sus funciones básicas. • Ajuste de cero. • Ajuste de multiplicación. • Ajuste de angularidad. Cada uno de estos pasos se repeti rá varias veces hasta que el resultado final para todos estos parámetros cumpla con los valores de aceptación. El laboratorio encargado de la evaluación emitirá un certificado de calibración, en el que hara constar la marca, modelo y número de serie del equi po, así como el procedimiento de calibración utilizado y e l periodo de validez de esta. La nom1a ISO 900 1:2000 establece que las empresas que te ngan implantado e l Sistema de Gestión de Calidad deben establecer un plan de calibración para sus eq uipos y mantener un registro del estado de cada uno de e llos.

11 5.5.1nformes de medida Una parte esencial de cua lquier trabajo de instalación e lectrotécnica es la documentación. Es muy importante que todas las acciones queden correctamente acredi tadas, y esto tiene especial relevancia en e l caso de las medidas realizadas sobre la instalación. Para ello, en numerosas ocasiones será necesario emitir un informe o certificado de medic ión que deberá contener al menos los siguientes datos: • Lugar, fecha y hora de la medición. • Técnico que realiza la medida. • Aparatos utilizados, indicando marca, modelo y fec ha de última calibración. • Magnitudes medidas, así como el valor. • Descripción del procedi miento de medida empleado. • Observaciones y conclusiones, si procede. • Normati va de aplicación, si procede. En algunos tipos de medidas, como por ejemplo, la de resistencias de tierra en exteriores, puede ser necesario también hacer constar otras circunstancias, como las condiciones meteorológicas y del terreno (un terreno húmedo presentará menor resistencia que uno seco) o la temperatura ambiente. Este informe deberá estar firmado por un técnico competente que certificará la veracidad de los valores de las medidas, siendo responsable de e llos ante posibles reclamaciones.

1

5. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS DE MEDIDA

PRECISIÓN EXACTITUD CARACTERÍSTICAS SENSIBILIDAD PARALAJE ERROR

{

VOLTÍMETRO AMPERÍMETRO ÓHMETRO

~

e w

::::!: w e Cl) o ~

a w

VATÍMETRO Y VARÍMETRO DETECTOR DE POLARIDAD

APARATOS DE MEDIDA

MEDIDOR DE CONTINUIDAD

>

ANALIZADOR DE REDES

Cl)

~

zw

TELURÓMETRO

::::!:

:::l

ce

1--

LOCALIZADOR DE CANALIZACIONES

CI)

z

FRECUENCÍMETRO MEDIDOR DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

SEGURIDAD EN LAS MEDIDAS ELÉCTRICAS

CALIBRACIÓN DE EQUIPOS INFORMES DE MEDIDA

-[

RIESGOS MEDIDAS PREVENTIVAS PATRONES DE REFERENCIA ERRORES

DE CERO

• •

•

5. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS DE MEDIDA

11 Actividades de comprobación b) El medidor de polaridad indica la cantidad exacta de tensión entre dos puntos, mientras que el buscapelos es un elemento que permite comprobar si existe tensión entre dos puntos.

5.1 . La escala: a) Determina el rango de valores entre los que el aparato mostrará la medida. b) Es el valor mayor de medida que el aparato puede ofrecer.

e) Ambos elementos diferentes, buscapolos y medidor de polaridad, miden tensión y polaridad.

e) Es el valor menor de medida que el aparato puede ofrecer. d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

d) El medidor de polaridad tiene por función primordial, comprobar la continuidad en conexiones. 5.6.

5.2. La sensibilidad: a) Es una variable muy importante a la hora de realizar medidas, ya que todo elemento de medición posee una tasa de error que introducirá un cierto rango de incertidumbre.

a) Error de cero. b) Error de paralaje. e) Error de angularidad.

b) No es un valor que pueda ser asignado a un aparato de medida. e) Es la capacidad que posee el aparato de responder frente a las pequeñas variaciones de la magnitud que se está midiendo. Puede definirse como el valor más pequeño que es capaz de medir el equipo.

d) Error relativo. 5.7. El patrón de calibración que está comparado directamente con la magnitud del Sistema Internacional es el patrón: a) Secundario. b) De referencia.

d) Es la diferencia entre el valor indicado por el elemento de medición y el valor real. 5.3.

En los aparatos electrónicos de medida, los errores a tener en cuenta son los siguientes: a) Error de cero, error de porcentaje (m ± a % de m) y error de paralaje.

e) Primario. d) Ninguno de los anteriores. 5.8.

La interposición de barreras o envolventes es una medida de protección frente a: a) Contactos indirectos.

b) Error de cero y error de paralaje.

b) Contactos directos.

e) Error de cero, error de conexionado y error de paralaje.

d) Robos.

d) Ninguno de los anteriores. 5.4. ¿Cuándo es necesario utilizar la pinza amperimétrica en lugar del amperímetro? a) Cuando es posible cortar el cable de alimentación para colocar el elemento de medición. b) Cuando no es posible cortar el cable de alimentación para colocar el elemento de medición. e) Es indiferente, ambos miden amperaje.

5.5.

El error que provoca que las medidas sean correctas en los extremos de la escala pero erróneas en el resto de valores se denomina:

e) Derivaciones a tierra.

5.9. El documento en el que el técnico competente certifica la validez de las medidas realizadas así como su valor, recibe el nombre de: a) Certificado de calibración . b) Memoria técnica. e) Informe de medida. d) Procedimiento de medida. 5.10. La resistencia interna de un amperímetro es:

d) Todas las respuestas anteriores son correctas.

a) Infinita.

El medidor de polaridad.

b) Casi nula.

a) El medidor de polaridad es un elemento que permite comprobar si existe tensión entre dos puntos.

e) 1 00 ohmios. d) 75 ohmios.

5. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS DE MEDIDA

•

11 Actividades de aplicación -------------------------------~

5.11.

¿Con qué aparato se mide la t ensión? ¿Cómo deben colocarse sus terminales?

5.12. ¿Cómo debe colocarse un amperímetro cuando se pretende medir la intensidad de la corriente eléctrica que circula una carga? ¿Qué alternat ivas existen? 5.13. En un aparato de aguja, cuando se va a comenzar a medir y la aguja no está incluida en el origen del aparato de medida, ¿qué está ocurriendo?, ¿cómo se soluciona? 5.14.

¿Para qué sirve el espejo que existe en algunos inst rumentos de medida analógicos detrás de la aguja?

5.15.

En un aparato de medida analógico de aguja, si los voltios por división son 3 y la aguja marca 5 ranuras, ¿cuál será el valor numérico de la medida que est á siendo tomada?

5.16.

¿Cuántos vatímetros son necesarios para realizar medidas en un sistema trifásico desequilibrado sin neutro? ¿Cómo deben colocarse?

5.17. ¿En qué consiste el error de angularidad? ¿En qué se diferencia del error de multiplicación? 5.18.

¿Qué diferencia existe entre un patrón secundario y uno de referencia? ¿Cuál tendrá menos incertidumbre?

5.19. Consulta en la ITC-BT-03 del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión la relación de equipos de medida que deben poseer las empresas autorizadas de las categorías básica y especialista. 5.20.

Redacta un informe de medidas del nivel de carga de una red trifásica.

5.21 .

Determina qué riesgos estarán presentes durante la realización de las medidas indicadas a continuación y propón los equipos de protección individual y colectiva que deberán usarse en cada caso: • Medidas de diferencia de potencial entre dos conductores. • Medida de la resistencia de puesta a tierra de la instalación. • Medida de continuidad de un conductor.

5.22.

Imagina que varios compañeros habéis decidido formar una empresa instaladora autorizada en la categoría de especialista. Buscando información en internet, obtén un presupuesto del coste de los equipos de medida necesarios, así como de sus calibraciones en los 5 primeros años de funcionamiento de la empresa.

""

1

Práctica 5.1. Medidas de resistencia de aislamiento Objetivos

Conocer y comprender el montaje de las formas de medición para resistencia de aislamiento.

Procedimiento

En el momento de realizar la medida de resistencia de aislamiento de cada conductor respecto de tierra, será necesario desarrollar antes estas operaciones: • Desconectar toda la instalación de la red. • Desconectar todos los receptores. • Cerrar todos los interruptores. • Conectar los bornes positivo y negativo, tal como se indica en la figura.

----------~------------

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·····························-······.. ··-··. . ...... 1

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1

1

:

Medida de resistenCia de aislamiento entre instalación y tierra con Megger.

Medtda de resistencia de aislamiento entre los conductores de la instalación y tierra.

----------~-------------

L1

Práctica 5.2. Medida de la resistividad del terreno mediante un telurómetro

I··EB············ ··········· Objetivos

Comprender el montaje y el proceso para realizar la medida de la resistividad del terreno.

Procedimiento

Mediante el telurómetro, maniobra el dial del mismo hasta que el galvanómetro marque O; en este caso, se calcula la resistividad de acuerdo a la fórmula siguiente: p = 27t · a · R Donde el valor de R es el que marca el telurómetro.

1

¡ .........

1 F125A

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F240A 30mA

2

N

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N

N

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a

¡

Medida de resistencia de aislamiento entre los conductores de la instalación.

a

a

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~

Medida de la resistividad del terreno.

ELECTRICIDAD

111 6.1. Introducción ala electrónica digital La Electrónica es la disciplina técnica que estudia los sistemas cuyo funcionamiento está basado en la conducción y control del flujo de los electrones. Esta rama de la Física y de la Ingeniería comenzó sus primeros pasos a principios del siglo xx, con el uso del diodo de vacío por parte de Fleming en 1904. Solo dos años más tarde, Lee de Forest, considerado uno de los padres de la electrónica, desarrolló el triodo, precursor de los amplificadores. Pero, sin duda, la revolución de la electrónica vino de la mano de Bardeen y Brattain, físicos de los famosos Laboratorios Bell, y su descubrimiento del transistor en 1948. La Electrónica, y más aún desde entonces, se divide en dos ramas principales: • Electrónica analógica: encargada principalmente del tratamiento de señales analógicas. • Electrónica digital: basada en el manejo y tratamiento de un nuevo tipo de señales, las señales digitales.

• • B.l.l.la señalanalógica Una señal analógica es aquella que puede tomar cualquier valor instantáneo en cada fracción de tiempo considerado. Se suele decir, pues, que puede tomar infinitos valores distintos en infinitos instantes de tiempo diferentes.

• • 6.1.2. la señal digital Una señal digital es aquella que solamente puede tomar determinados valores en precisos instantes de tiempo. La señal digital más sencilla, que es la que emplearemos en esta Unidad didáctica, es una señal binaria que solamente podrá tomar dos estados. Estos estados suelen implementarse como dos niveles distintos de tensión: alto y bajo que, a su vez, solemos identificar como 1 y O, respectivamente. Las señales digitales pueden procesarse de una manera sencilla y fiable mediante el uso de sistemas electrónicos digitales. Por este motivo, en numerosas ocasiones necesitaremos convertir una señal analógica (el sonido captado por un micrófono, por ejemplo) en una señal digital para poder procesarla. El proceso de conversión de una señal analógica en digital consta de tres pasos fundamentales: • Muestreo: consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de la señal. El número de muestras tomadas por segundo recibe el nombre de frecuencia de muestreo. Cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, más fiel será la señal digital formada a partir de la señal analógica original. Como contrapartida, necesitará más capacidad de almacenamiento, de procesado y de transmisión. • C uantificación: consiste en asignar a cada muestra un valor de ampli tud discreto en función de la amplitud original. Cuanto mayor sea el número de intervalos de cuantificación, más fiel será la señal digital respecto a la original, pero será necesario utilizar un mayor número de bits por muestra. • Codificación: radica en traducir los valores cuantificados a código binario, o a otros códigos digitales.

Figura 6.1. Señal analógica procedente de un micrófono.

La mayoría de los fenómenos físicos a nuestro alrededor se presentan como magnitudes analógicas: variaciones de temperatura, el sonido, etc.

.. ., !!

Figura 6.2. Muestreo ycuantificación de una señal analógica para convertirla en digital.

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Q

=LECTRÓNICA El proceso inverso se realiza mediante conversores digitales a analógicos (DAC) que se basan en una red de resistencias variables en función de los datos digitales de entrada. Entre las ventajas del uso de señales digitales podemos destacar las siguientes:

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

4 789 = 4000 + 700 + 80 + 9 = =4 · 1000+7. 100+8. 10+9 · 1 Si expresamos la descomposición anterior como la suma de potencias de la base, es decir, potencias de lO:

• Facilidad de diseño de los circuitos. • Posibilidad de detecció n y corrección de errores. • Uti lizació n de sistemas prog ramables para distintas funciones.

Expresado matemáticamente, esto implica que podemos descomponer cualquier número dec imal N del tipo d11 • •• dl/2did0 como:

• La señal digital puede copiarse numerosas veces sin pérdidas ni deterioro.

= dn . lO" + d/1 i . w n-i + . . . + dJ . 103 + + d 2 • 102 +di· 10i + d0 · 10°

11 6.2. Sistemas de numeración A lo largo de la historia de la Humanidad, el hombre ha e mpleado diversas técnicas y sistemas para representar los números, algo imprescindible para poder expresar, ordenar y comparar cantidades. Un sistema de numeración es el conjunto de reglas y símbo los que permiten reflejar e interpretar todos los números válidos. Aunque algunas culturas han utilizado sistemas de numeración no posicionales, en la actualidad se utilizan prácticamente en exclusiva los sistemas de numeración posicionales, es decir, aquellos en los que un mismo dígito puede representar un valor distinto, en función de la posición que ocupe. Por ejemplo, el dígito 3 tiene un valor distinto en el número 3 546 que en e l 132 o que en el 9 873. Esta diferencia se debe a la descomposición del número en una suma de potencias de una base. A continuación, se detallarán algunos de los s istemas de numeración más utilizados en nuestro sector, obtenidos mediante el uso de distintas bases.

• • 6.2.1. Sistema decimal El sistema decimal tiene su origen histórico, según algunos antropólogos, en el hecho de que el hombre di spone de diez dedos entre sus dos manos, facilitando así algunas operaciones.

... "'r

Es el sistema de numeración que utili zamos en nuestro día a día. Se caracteriza por di sponer de diez digitos o símbolos diferentes: O, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y O. Se trata de un sistema posic ional, por lo que el valor que representa cada uno de ellos dependerá de la posición que ocupa en el número. Así, por ejemplo, podemos descomponer e l número dec imal 4 789 como:

A modo de resumen:

unidades

~

10°

unidades de millar

~

103

decenas

~

101

decenas de millar

~

104

centenas

~

10 2

centenas de millar

~

105

• • 6.2.2. Sistemabinario El sistema binario utiliza únicamente dos dígitos o símbolos: el cero y el uno. Se trata, por tanto, de un s istema con base 2. Una de sus principales ventajas y motivos de su uso es la facilidad que presentan sus operaciones para el uso de circuitos electrónicos digitales. Al igual que el sistema decimal es un sistema posicional , por lo que e l valor de cada una de sus cifras vendrá dado por la expresión matemática:

N 2 =d,d,_i .. .d3d 2did0 = d n . 2" + d ~1 . 2/1- i + ... + d l . 23 + + d2 . 22 + di . 2i + do . 20 donde d puede tomar solamente los valores O y l . Expresado de otra forma:

Valor decimal

16

8

4

2

Número binario Potencias de 2 Conversión de binario a decimal: la conversión de un número binario a un número decimal se realiza automáticamente utili zando la expresión anterior.

ELECTRICIDA

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

6.1. Convierte los números decimales 1234, 39 y 5 12 a binario. Realiza el procedimiento inverso para los números binarios 101010, 11 1000 y 110011.

• • 6.2.3. Sistema octal El s istema octal es también de tipo posicional y está formado por un total de ocho dígitos o símbolos: O, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7.

=

Nx d,d.

1 •• •d 3d 2dA>

=d• . 8" + d, 1 . 8" 1+ ... + d, . 8' + + d2. 8z +di . 81 +do . 8o donde d puede tomar únicamente valores enteros de O a 7. Figura &.3. Dígitos binarios.

Conversión de decimal a binario: una de las técnicas más empleadas para convertir un número decimal en binario consiste en dividir sucesivamente por 2 hasta que el cociente sea cero.

La principal utilidad de este sistema reside en la facilidad para convertir números entre el sistema octal y binario, y viceversa, ya que esta se realiza de forma casi automática. Conversión de octal a binario: para expresar en el sistema binario un número octal, se sustituye cada una de los dígitos octales por su equivalente binario expresado con 3 bits.

El número binario se obtendrá tomando los restos de todas las divis iones, colocándolos en orden inverso. 6.2. Convierte el número octal 7.652.413 a binario. Solución: 6.1. Convierte el número decimal 2 O13 a binario. Solución:

Aplicando el método descrito anteriormente 7 111

Aplicando el método descrito anteriormente

6 11 o

52 101 01 o

4 100

1 001

3 011

Por tanto, podemos decir que 7.652.413x = 111110101010100001011 2

2013/2

1006

1 006/2

503

503/2

251

251/2

125

15212

62

1

62/2

31

o

31/2

15

15/2

7

7/2

3

o

3/2 1/2

o

Portanto, podemos decir que 2013 10 = 111110 111 01 2

6.3. Convierte el número binario 1O1Oll 1 11O1O1O11 a octal. Solución: Aplicando el método descrito anteriormente 001 1

01 o 2

111 7

110 6

101 5

011 3

Por tanto, podemos decir que 10101 11110101011 2 = 127653M

O-ELECTRÓNICA

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

Conversión de binario a octal: en este caso, es necesario separar el número binario en g rupos de tres bits, come nzando siempre por la derecha. A continuación, se sustituye cada grupo de 3 bits po r el dígito octal que le corresponde.

se sustituye cada grupo de 4 bits por el dígito octal que le corresponde.

6.4. Convierte el número hexadecimal A4D3F a binario y a decimal.

Recuerda que...

Solución:

o 1 2 3 4

5

6 7

000 001 010 011 100 101 11 o 111

Aplicando el método descrito anteriormente

A

4

D

3

F

101 o

0100

1101

0011

1111

Por tanto, A4D3F16 = 10100100110100llllll 2 Como se puede observar, este número hexadecimal se puede expresar con 5 cifras, mie ntras que en binario necesita 20 bits. Para obtener el número decimal, utilizamos la expresión matemática: A4D3F16 = 10 · 164 + 4 · 16 3 + 13 · 16 2 + 3 · 16 1+

+ 15 . 16° =675135 10

• • 6.2.4. Sistema hexadecimal Los sistemas estudiados ahora únicamente utilizaban números como símbolos. Sin e mbargo, no sucede lo mismo con el sistema hexadecimal. Este sistema utili za un total de 16 símbolos o dígitos, lo que hace necesario e l uso de algunas letras. Así, los símbo los permitidos son: O, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B , C , D, E y F. La letra A eq ui vale al valo r decimal 1O y así, corre lativamente, hasta llegar a la le tra F, que re presenta el va lor 15.

6.5. Convierte el número binario 101011 1110101011 a hexadecimal. Solución: Aplicando el método descrito anteriormente

Matemáticamente se expresa como:

N 16 = d,d,_1 •• •d 3d2d 1d0 = d, . 16" + d, 1 . 16" 1+ ... + d3 . 163 + +d2 · 16 2 +d 1 ·16 1+d0 · 16° Al igual que sucede con e l código octal, uno de los principales motivos para su uso es la facilidad para convertir números binarios e n hexadecimales, y viceversa. Además, permite expresar de una forma más corta números binarios con muchas cifras. Por este motivo, a veces se de nominan al sistema octal y al sistema hexadecimal, sistemas bina-

..

e

1010

1111

101 o

1011

A

F

A

B

Luego 1010111110101011 2 = AFAB 16

Recuerda que ...

o

rios abreviados.

2

Conversión de hexadecimal a binario: para expresar en el sistema binario un número octal, se sustituye cada uno de los símbolos hexadeci males por su equi valente binario expresado con 4 bits .

3

0000 0001 0010 0011

B

1000 1001 1010 1011

4

0100

e

1100

5

0101 011o 0111

D

1101 1110 1111

Conversión de binario a hexadecimal: e n este caso, es necesario separar el número binario en grupos de c uatro bits, comenzando siempre por la derecha. A continuación,

6 7

8 9

A

E F

ELECTRICIDAD

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

• • 6.2.5. Código BCD El código BCD (Binary Coded Decimal o decimal codificado en binario) no es exactamente un sistema de numeración, sino una forma de codificar los números decimales empleando dígitos binarios. La principal diferencia frente al binario radica en que BCD es un método para codificar cifras, no números completos. Así, cada c ifra decimal se codifica con un grupo de 4 bits (nibble). Conversión de decimal a BCD: para codificar en BCD un número decimal se sustituye cada una de sus cifras por su valor binario, expresado con 4 bits.

6.6. Codifica el número decimal 23 579 en BCD.

Figura 6.4. Cifra cero representada en un display LEO de 7segmentos.

Solución: Aplicando el método descrito anteriormente 2

3

001 o 0011

5

7

9

01 01

0111

1001

Así, 23579 10 =00100011010101111001 8co Conversión de BCD a decimal: en este caso se reali za el proceso inverso, es decir, se separa el número BCD en grupos de 4 bits (cuartetos o nibbles) empezando por la derecha y se sustituye por su valor decimal.

Recuerda que ...

o

0001

2 3 4

5 6

7 6.7. ConvierteelnúmeroBCD 1000011110010001 adecimal.

0000

8 9

0010 0011 0100 0101 011 o 0111 1000 1001

Solución: Aplicando el método descrito anteriormente

1000

0111

1001

8

7

9

0001

6.2. Busca información en internet acerca de los códigos Aiken y Exceso 3.

Luego 1000011 11001 000 1seo = 8 791 10 Como se puede observar, e l uso de código BCD supone un desaprovechamiento de los bits respecto al sistema hexadecimal, ya que no se utilizan 6 de las 16 combinaciones posibles mediante el uso de 4 bits. Sin e mbargo, uno de los motivos de su uso radica en la facilidad que ofrece para la representació n gráfica de las cifras decimales mediante displays, principalmente de 7 segmentos.

• • 6.2.6. Código Gray El código Gray, también conocido como código binario reflejado, es un sistema de codificación por el que dos valores correlati vos solamente difieren en un bit. Uno de sus principales usos es en el algoritmo de los mapas de Karnaugh, que estudiaremos más adelante.

·~

-"'

ELECTRÓNICA

000 001 011 010

00 01

110 111 101 100

11 10

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

• Complemento: para cada ele mento a ex iste o tro deno minado compleme nto, que se representa como 7i tal que: a + a= l

y

a·a = O

Así mismo, contiene los siguientes axiomas: • Propiedad conmutati va: a + b=b + a

a·b=b·a

• Propiedad asociativa: a+ b + e= a + (b + e)= (a + b) + e a · b ·e= a· (b ·e)= (a · b) ·e

• Propiedad distributi va: a + (b · e)= (a + b) · (a+ e)

Recuerda que ... Código Gray de 4 bits ()()()()

0001

0011 0010 OliO 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011

1001 1000

a· (b + e)= a· b + a· e • Eleme nto complementari o para la s uma: a + 7i = 1, para cualquier valo r de a. • Elemento complementario para e l producto: a · 7i = O, para cualquier valo r de a. Los teoremas fundame nta les del álgebra de Boole son: • Ley de absorció n para la suma: a + 1 = l . • Ley de absorción para el producto: a · O = O. • Ley de identidad para la suma: a + O =a. • Ley de identidad para e l producto: a · 1 = a. • Ley de idempotencia de la suma: a + a = a. • Ley de idempotencia del producto: a · a • Ley de involución :

=a.

a= a.

• Leyes de De Morgan: a+ b=a·b

,

a·b = a +b

11 6.3. Algebra de Boole Uno de los mo ti vos para utili zar el siste ma binario en e lectrónica es que permite la utili zación de l álgebra de Boole para el diseño y definició n del funcio namiento de los c ircuitos electró nicos digita les. Esta estructura matemática recibe su no mbre del matemático británico George Boole ( 18 15- 1864), que la desarrolló con el o bjeti vo de utilizar las herramientas y técnicas del álgebra e n el campo de la lógica proposicional.

a · b o:ta· b a + bo:t 7i + b

11 6.4. Puertas lógicas

• Suma lógica: similar a la suma algebraica. Se representa con e l sig no +.

El ele mento básico de la e lectrónica digital es la puerta lógica, esto es, un dispositivo e lectró nico elaborado a partir de transistores, que implementa una funció n del álgebra de Boole.

• Producto lógico: similar al producto a lgebra ico. Se representa con e l signo ·.

En su o ri gen se implementaron en re lés o en interruptores electromagnéticos, y como consecuencia de la inven-

El álgebra de Boole define tres o perac iones:

·~

6.3. Comprueba, con un ejemplo numérico, cómo:

ELECTRICIDA ción del transistor en 1947, han conseguido reducir su tamaño y consumo eléctrico. Esta función lógica, además de en forma de función, podemos expresarla también como una tabla de verdad, que consiste en una representación de todas las combinaciones posibles de entrada, junto con el resultado que mostrará a su salida. Las puertas lógicas, habitualmente, tendrán dos, tres o cuatro entradas, a excepción del inversor, y una salida. Tanto las entradas como las salidas se activarán con dos niveles distintos de tensión: un ni vel bajo, representado por Oo L y un nive l alto, representado por 1 o H.

A

B

Figura 6.7. Símbolo IEEE (izquierda) e lEC (derecha) de la puerta ANO.

En esta puerta, la salida será 1, solamente en el caso e n el que las dos entradas permanezcan también a l. Por tanto, su tabla de verdad será la que se muestra en la Figura 6.8.

o

o

o

• • 6.4.1. Puerta OR

o

o o

o

La puerta OR («O») realiza la función de suma lógica de sus entradas:

f=a+b

A

A

B

B

Figura 6.8. Tabla de verdad y representación con tecnología eléctrica de la puerta ANO.

Como se observa en la Figura 6.8, esta puerta se puede simular con tecnología eléctrica como dos interruptores colocados en serie.

Figura 6.5. Símbolo IEEE (izquierda) e lEC (derecha) de la puerta OR.

• • 6.4.3. Puerta NOT

En esta puerta la salida será 1, siempre que, al menos, en una de sus entradas también tengamos un 1, tal como indica la ley de absorción de la suma. Esto lo podemos comprobar en la tabla de verdad de la Figura 6.6.

La puerta NOT («no») tiene una sola entrada y reali za la función de inversión o complementario:

F

o o

o

A

o

o

A

Figura 6.9. Símbolo IEEE (izquierda) e lEC (derecha) de la puerta NO T. A+B

Figura 6.6. Tabla de verdad y representación con tecnología eléctrica de la puerta OR.

Como se observa en la Figura 6.6, esta puerta se puede simular con tecnología eléctrica y con dos interruptores colocados en paralelo.

• • 6.4.2. Puerta ANO La puerta ANO («Y») realiza la función de producto lógico de sus entradas:

J=a · b

En esta puerta, la salida será siempre el complementario de la entrada, de ahí que su tabla de verdad sea la que se muestra en la Figura 6.1 O.

~

t±±d Figura 6.1 O. Tabla de verdad y representación con tecnología eléctrica de la puerta NO T.

En tecnología eléctrica equivale a un contacto normalmente cerrado.

u

LECTRÓNICA

6.8. Escribe la tabla de verdad para la puerta OR de 3 entradas.

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

Como se observa en la Fi gura 6.1 2, esta puerta se puede simul ar con tecnología e léctrica, como si fueran dos contactos normalmente cerrados y colocados en para lelo. Esto es una aplicació n de las leyes de De Morgan, ya que:

a · b=o + b

Solución: La puerta OR de 3 entradas respo nderá a la función lógica: f=a + b + c Por tanto, su tabla de verdad será la siguiente:

o o o o

o

o o

Parte de la importancia de la puerta NAN D radica en que es posible implementar cualquier función combinacional usando exclusivamente puertas de este tipo.

o

o

6.4. ¿Cómo implementarías una puerta NOT si solamente dispusieras de puertas NANO?

1

o o o o

Como era de esperar. solamente existirá un caso en el que la salida permanecerá a cero, que es cuando no esté activa ninguna de las entradas.

• • 6.4.5. Puerta NOR La puerta NOR («no O») equ ivale a la conex ió n en serie de una puerta OR y un a puerta NOT. Su func ión lógica se puede expresar como:

f= a + b

• • 6.4.4. Puerta NANO

A

La puerta NAND («no y») equi vale a la conexión en serie de una puerta AND y una puerta NOT. Su func ió n lógica se puede expresar como:

J=

a· b

A

B

Figura 6.13. Símbolo IEEE (izquierda) e lEC (derecha) de la puerta NOR.

En esta puerta la salida será 1, solamente en el caso en que las dos entradas permanezcan a O. Po r tanto, su tabla de verdad será la que se muestra en la Figura 6. 14 .

B

Figura 6.11 . Símbolo IEEE (izquierda) e lEC (derecha) de la puerta NANO.

En esta puerta la salida será Osolamente en el caso en e l que las dos entradas permanezcan a l. Po r lo tanto, su tabla de verdad será la que se muestra en la Figura 6.12.

o

o o

o o o

o

o Figura 6.14. Tabla de verdad y representación con tecnología eléctrica de la puerta NOR.

o

o

o o Figura 6.12. Tabla de verdad y representación con tecnología eléctrica de la puerta NANO.

Co mo se observa en la Figura 6. 14, esta puerta se puede simular con tecnología eléctrica en fo rma de dos contactos normalmente cerrados, colocados en serie, tal como se desprende de las leyes de De Morgan, ya que:

a +b =a·b

ELECTRICIDAD • • 6.4.6. Puerta XOR La puerta XOR («O exclusivo»), también se conoce como OR exclusiva o EXOR. Su función lógica se puede expre-

En esta puerta, la salida será 1 cuando sus entradas sean iguales. Esta característica hace muy útil el uso de esta puerta como comparador. Por tanto, su tabla de verdad será la que se muestra en la Figura 6. 18.

sar como:

J=atBb

o A

o

o

B

o

o

o

Figura 6.15. Símbolo IEEE (izquierda) e lEC (derecha) de la puerta XOR.

En esta puerta la salida será 1 cuando una, y solo una, de sus entradas valga l . En el caso de que ambas entradas estén a 1, su salida permanecerá a cero. Por tanto, su tabla de verdad será la que se muestra en la Figura 6.16.

o o

o

Figura 6.18. Tabla de verdad y representación con tecnología eléctrica de la puerta XNOR.

Como se observa en la Figura 6. 18, esta puerta se puede simular con tecnología eléctrica descomponiendo la función como:

o

f=atBb=a·b+ a. b

o

Figura 6.16. Tabla de verdad y representación con tecnología eléctrica de la

11 B.5. Simplificación de funciones lógicas

puerta XOR.

Como se observa en la Figura 6.16, esta puerta se puede simular con tecnología eléctrica descomponiendo la función como:

J=atBb=a· b +a ·b

6.5. Implementa una puerta XOR uti lizando dos conmuta-

dores eléctricos.

A la hora de implementar y montar un circuito electrónico es conveniente utilizar el menor número pos ible de puertas lógicas. Esto obedece, principalmente, a factores de coste, pero también de espacio y de consumo de energía, el cual, además, llevará asociado un calentamiento no deseado del circuito.

Para conseguir estos objetivos, es necesario s implificar la función lógica a implementar tanto como sea posible. Esta si m pi i ficación la real izaremos principalmente por dos métodos: técnicas algebraicas y mapas de Karnaugh.

• • 6.4.7. Puerta XNOR La puerta XNOR («no o exclusivo») equivale al montaje en serie de una puerta XOR y una puerta NOT, luego, su función lógica será:

!= a$b

6.9. Simplifica la función f =a · e + pleando técnicas algebraicas.

e· b + e · a em-

Solución: En primer lugar, sacaremos a como factor común:

A

f=a·(C+ e)+ e · b B

Figura 6.17. Símbolo IEEE (izquierda) e lEC (derecha) de la puerta XNOR.

Como sabemos, e+

e = 1, luego: f=a+e·b

O-ELECTRÓNICA • • 6.5.1. Simplificación por técnicas algebraicas Esta técnica de simplificación consiste en aplicar los distintos axiomas, teoremas y propiedades del álgebra de Boole. Se trata, pues, de un método bastante más engorroso y di fícil de automatizar.

• • 6.5.2. Simplificación por técnicas algebraicas

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

El método de Karnaugh es un método gráfico de simplificación de funciones. Presenta ventajas importantes frente a las técnicas de simplificación algebraica, ya que puede implementarse como un algoritmo que puede resolverse utilizando un ordenador, además de ser fácil de aplicar manualme nte. Aunque puede realizarse tanto atendiendo a los maxterms como a los minterms, es más habitual aplicarlo a los 1 de la tabla de verdad, obteniendo así el resultado en minterms. Para su aplicación debe seguirse e l siguiente procedimiento:

En primer lugar, definiremos la forma canónica de u na función, que es aquella en la que todas las variables de la función aparecen en todos los términos de la misma.

• Preparar una tabla como las mos tradas e n la Fig ura 6. 19, en función del número de variables.

La forma canónica puede expresarse bien en forma de minterms o de maxterms: • Maxtenns: la función se expresa como suma de productos, y cada término representa a un 1 lógico de la salida. • Minterms: la función se expresa como producto de sumas, y cada término representa a un O lógico de la salida.

00

6.10. Obtén la función en forma canónica, tanto en minterms como en maxterms, correspondiente a la siguiente tabla de verdad.

01

Solución:

10

o o o o

o o

o

Figura &.19. Mapa de Karnaugh para 2 (arriba izquierda), 3 (arriba derecha) y 4 (abajo) variables.

o

1

o 1

o o

o

• Trasladar los « 1» de la tabla de verd ad al mapa de Kamaugh.

o o

1

o

1

o Para ex presar la función en minterms nos fijaremos exclusivamente en las filas en las que f = 1 e invertiremos (complemento) las variables que estén a O, para que el valor de cada término sea l . De este modo:

-

!=a· b ·e + a ·b ·

-

e +a ·b ·c+a·b·c

En el caso de los maxterms, procederemos de forma similar con los O, complementando las variables que se encuentren a 1 y expresando el resultado como producto de sumas: -

11

-

J=(a+b+c)·(ll+ b + c) · (a +b+c)·(a + b +e)

• Buscar agrupaciones de « 1» conti guos en forma de potencia d e 2, es decir, 1, 2, 4, 8, etc. Cada « 1» de la tabla debe estar incluido en, al menos, un grupo, aunque pued e estar incluido en varios de e llos. Es muy importante tener c la ra la premisa de que los g rupos deben ser lo más grandes posible y, además, deben formarse el menor número posible de grupos. • Para cada g rupo. observaremos el va lor de las variables de entrada. Diferenciaremos en tre las variables c uyo valor pe rmacene constante para todos los « 1» del grupo y aquella~ que toman valores diferente~ dentro de l g rupo, ya que podremos descartar las segundas y expresar e l g rupo como un minterm formado. únicamente, por las primeras. • La funció n simplificada será la suma de todos los términos o btenidos en el apartado anterior.

ELECTRICIDAD-E Recuerda que ... 6.11. Simplifica la función representada por la tabla de verdad siguiente, mediante un mapa de Karnaugh

o o o o o o o 1 1 o o 1 o o o o 1 1 1 ························································ o 1 o o 1 o 1 o 1 o o 1 1 o 1 o 1 1 1 o ........................................................ 1 o o o o 1 o o 1 1 o 1 o o o 1 1 1 ........................................................ 1 o o o o 1 o o o o Solución: En primer lugar, trasladaremos todos los 1 de la tabla de verdad al mapa de Karnaugh:

~

00

00 01

01

1 11 1

11 6.6. Circuitos combinacionales Como hemos visto hasta ahora, es posible implementar cualquier función solamente mediante e l uso de funciones lógicas. Sin embargo, esto no es o perativo en la práctica y se hace necesario disponer de bloques prediseñados que rea licen funciones más complejas. Un ejemplo de este tipo de dispositivos son los sistemas combinacionales, que estudiaremos a continuació n. Un sistema combinacional es aque l en e l que sus salidas solamente dependen del valo r que esté presente en sus entradas en ese instante, independientemente de cuál fuera el estado anterior. Se trata, pues, de un sistema sin m emor ia. 11

10

1 1

1

1

!:::

11 10

11

1

1 1

Gracias a la utili zación del código Gray, podemos realizar grupos entre la primera y última fi la, así como entre la primera y la última columna de la tabla, ya que son adyacentes, al diferir solamente en un bit. Como se puede observar, hemos formado dos grupos de 2 unos y 1 grupo de 4 unos. Procederemos, en primer lugar, con el grupo de 4 unos. En él, podemos ver que las variables a y e permanecen constantes para todo el grupo, por lo que las descartaremos y expresaremos ~ término en función de las otras dos, quedando como: b · d. Haremos lo mismo con el grupo verde. Yernos que la única variable que toma distintos valores para ca<:!_a 1 es d, por lo que expresaremos el término como: a . b . e. Y, por último, para el grupo rojg, descartaremos a, con lo que el término quedará como: b . e . d. Así, la fu nción simplificada es:

J=

-

b .d

-

+a . b . e+

-

b .

En el método de Karnaugh se utiliza el código Gray. Observa la primera fila y columna de cada mapa.

e .d

Si el 1 de la esquina superi or izqu ierda del mapa lo hubiéramos integrado en otro grupo, obtendríamos una representac ión distinta de la función, pero igualmente válida.

Para realizar algunas funciones será necesario que los circuitos combinacionales dispongan, además de las entradas y salidas vistas hasta ahora, de ciertas entradas y salidas de control. Las entradas de control permiten, por ejemplo, resetear el dispositi vo, habi litarlo o deshabilitarlo, cambiar su función, etc. Ade más, tanto entradas como salidas podrán ser activas a ni vel alto ( « 1», H) o a nivel bajo ( « Ü» , L). En el símbolo del dispositivo se distinguen porque las que son acti vas a ni vel bajo tendrán dibujado un círculo en su terminal.

• • 6.6.1 . Codificadores Un codificador es un c ircuito con m entradas y n salidas (m> n ) de modo que, cuando se acti va una de las entradas, aparece a la salida e l código binari o correspo ndiente a la entrada q ue se ha activado. Se distinguen dos tipos de codificadores: • Codificador es sin prior idad: si se activan sim ultáneamente dos o más entradas, la salida será una combinac ió n de ambos códi gos y, por tanto, errónea. Este tipo de codificado res solo debe emplearse e n aplicac io nes en las que sea imposible q ue dos e ntradas se acti ven simultáneamente. Codificador con p r ioridad: res ue lven el pro blema anterior, ya que, en caso de acti varse dos o más entradas simultáneamente, e l código mostrado a su salida será el correspo ndiente a la mayor de las entradas activas.

.!:

O-ELECTRÓNICA

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

Los codificadores más habituales son los de ocho entradas a tres salidas, como e l mostrado en la Figura 6.20, y los de diez entradas a cuatro salidas, que reciben e l no mbre de codificadores BCD.

Figura 6.21 . Símbolo y tabla de verdad de un decodificador 3 a 8.

6.12. Implementa la función: _ !=a . b . e +a. b . e +a. b. e mediante el decodificador 3 a 8 de la Figura 6.2 1. Figura 6.20. Símbolo y tabla de verdad de un codificador con prioridad, con entradas ysalidas activas a nivel bajo.

Solución:

• • 6.6.2. Decodificadores

Observando los minterms, y teniendo en cuenta que las enu·ada de mayor peso es la C, comprobamos que el primer minterm activará la salida Y7, el segundo la Y6 y el último, la Y4. Por tanto, el esquema será el siguiente:

Un decodificador es un circuito con m entradas y n salidas (m < n) que reali za la función in versa al codificador. Es

decir, cuando se introduce un código binario a su entrada, se activa la salida correspondiente al ordinal de dicho código. Una aplicación muy interesante de los decodificadores es que permiten implementar cualquier función expresada en forma canónica. Para ello, se conectarán las variables a las entradas y se distinguirán dos casos:

.!;

..

r

w

e:

• Si las salidas del decodificador son activas a nivel bajo, se seleccionarán las salidas correspondientes a cada uno de los minterms, que se conectarán a una puerta NAND . • Si las salidas del decodificador son activas a nivel alto, se seleccionarán las salidas correspond ientes a cada uno de los minterms, que se sumarán mediante una puerta OR.

a b

e

A B

e

YO Y1

Y2 Y3 Y4 YS

VI Y7 '\.G

• • 6.6.3. Multiplexores Un multiplexor es un circuito que dispone de m entradas de datos, n entradas de control y una sola salida. Su principio de funcionamiento consiste en la selección, a través de las entradas de control, de la entrada que será transferida a su salida.

ELECTRICIDAD-l De fonna simi lar a lo que sucedía con el decodificador, es posible implementar cualquier función en fonna canónica mediante el uso de un solo multiplexor. En este caso, además, no se requerirá ninguna puerta lógica adicional. Para ello, se conectará cada una de las entradas a nivel alto (Ve) o nivel bajo (tierra) en función del valor del mini término.

• • B.B.4. Demultiplexores Un demultiplexor es un circuito combinacional de una entrada y m salidas, que realiza la función inversa del multiplexor. Es decir, permite transferir el dato introducido a la entrada a la salida que indiquen las entradas de control. En la práctica, esta función se realiza mediante decodificadores/demultiplexores, que son circuitos integrados con capacidad para realizar estas dos funciones.

YO Y1 Y2 Y3

Y4

Figura 6.22. Símbolo y tabla de verdad de un multiplexor de 8 entradas y 1 salida tipo 74LS151.

6.13. Implementa la función/=

-

a · b · e +a·

b ·

e +a·

01

ve

'\.G2A '\.028

Y8 Y7

Figura 6.23. Símbolo de un decodificador/demultiplexor.

-

b ·e+ a· b ·

Solución:

Observando los minterms, y teniendo en cuenta que la entrada de control de mayor peso es la C, comprobamos que el primer minterm transferirá la entrada 07, el segundo, la 06, el tercero, la 02 y el último, la 04. Por tanto, esas serán las entradas que se deberán colocar al nivel de tensión alto (V ) y el resto, a nivel bajo (tierra): ce

e mediante el multiplexor de la Figura 6.22.

vcc DO 01

D2

y '\.W

D3

D4

os

D6 07

A 8

e

'\.G

·~

..

~-

_,

~ ;

~

O-ELECTRÓNICA

6.6. Busca en intemet la hoja de características (datasheet) del decodificador/demu ltiplexor 74LS 138, interpreta la función de sus entradas y salidas y realiza la tabla de verdad cotTespondiente.

comparar números más grandes, pueden conectarse varios comparadores en cascada gracias a las entradas de realimentación que poseen.

A3 83 A2

AO A1 A2

82

• • 6.6.5. Comparadores Un compara dor es un circuito combinacional capaz de indicar a su salida si los datos presentes en sus entradas son iguales bit a bit y, en caso contrario, indicar cuál de los dos datos es mayor. El circuito comparador más s imple que podemos utilizar, como vimos anteriormente, es la puerta XNOR, ya que su salida solamente valdrá 1, en caso de que ambas entradas tengan el mismo valor. Se trata, pues, de un comparador de J bit, aunque no indica cuál de las entradas es mayor. Para añadir esa función, podemos recurrir al circuito de la Figura 6.25.

A1 81 NJ

80

AGTB AEQB

ALTB

Figura 6.25. Comparador de 4 bits 7485.

En el comparador de la figura anterior podemos ver las siguientes entradas :

A

B

A>B

• A3, A2, Al , AO: bits que componen el número A.

A=B

• B3, B2, B 1, BO: bits que componen e l número B.

A
• AGTB, AEQB ,ALTB : e ntradas de rea limentación, que deben conectarse a las salidas OAGTB, OAEQB y OALTB , respectivamente, del comparador anterior.

Figura 6.24. Comparador de 1 bit.

Y las sigui entes salidas:

Sin embargo, en la práctica resulta mucho más interesante el disponer de circuitos comparadores de números de mayor tamaño, motivo por el cual ex isten dispositivos para comparar cantidades de 2 y de 4 bits. Si es necesario

• OAGTB : se acti va s i A> B. • OAEQB: se activa s i A= B. • OALTB : se activa.

'

1 j

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

INTRODUCCIÓN

-[

•

SEÑAL ANALÓGICA SEÑAL DIGITAL DECIMAL BINARIO

SISTEMAS DE NUMERACIÓN

OCTAL

(/)

w _,

HEXADECIMAL

ct

z

o

CÓDIGOS

u

ct

z

Ci5 ::2:

o

u

(/)

o

!:::

=>

u

~

ÁLGEBRA DE BOOLE

u

-[

_,

OPERACIONES PROPIEDADES

~

~

BCD

t

Gray

............

Suma lógica Producto lógico Complemento

a

OR

u

ANO

25 ct

z

-o

NOT

~

t-

u w _, w

PUERTAS LÓGICAS

SIMPLIFICACIÓN DE FUNCIONES LÓGICAS

tr-[

TIPOS

XOR

SÍMBOLOS

NANO

TABLAS DE VERDAD

NOR

TÉCNICAS ALGEBRAICAS

XNOR

MAPAS DE KARNAUGH CODIFICADOR DECODIFICADOR

CIRCUITOS COMBINACIONALES

MULTIPLEXOR

' . Implementación de funciones /

"S

J

DEMULTIPLEXOR COMPARADORES

Oí

•

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

11 Actividades de comprobación 6.1. Los procesos necesarios para convertir una señal ana-

6.7.

lógica en digital son: a) Conversión, digitalización y almacenamiento.

a) Reflejado.

b) Muestreo, cuantificación y codificación.

b) Cíclico.

e) Muestreo, escalonado y digitalización.

e) Binario.

d) Todas las respuestas son correctas.

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta. 6.2.

La variación de las distintas magnitudes presentes en la naturaleza suele ser una señal:

b) Siempre analógica.

b) Con un multiplexor.

e) La mayoría son analógicas, excepto algunas como la temperatura.

e) Con un demultiplexor.

a) ANO y XOR.

d) Con un codificador.

6.9.

¿Cómo se llama el código empleado para designar las filas y las columnas de un mapa de Karnaugh? a) BCD.

b) Aiken. e) Karnaugh.

b) NANO, XOR, OR.

d} Gray.

e) XNOR, NOR y NANO.

6.10. ¿A qué número decimal corresponde el binario

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

6.4. ¿A qué número decimal corresponde el hexadecimal A34F?

1101100101? a) 868.

b) 869.

a) 42568.

e) 945.

b) 4634.

d) 43

e) 41807.

6.11. ¿Cuál de los siguientes no es un código BCD válido?

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

6.5. ¿Qué circuito combinacional permite seleccionar en qué salida se mostrará el dato presente a su entrada?

a) 1000.

b) 0101 . e) 1001.

a) El decodificador.

d) 1100.

b) El multiplexor.

6 .12. ¿Con qué dos circuitos combinacionales podemos implementar fácilmente funciones en forma canónica?

e) El demultiplexor. d) El codificador.

a) Con un codificador y un multiplexor.

¿Qué teorema fundamental del Álgebra de Boole establece que a + a = a?

b) Con un decodificador y un demultiplexor.

a) Ley de identidad para la suma.

e) Con un codificador y un demultiplexor.

b) Ley de absorción para la suma.

d) Con un decodificador y un multiplexor.

e) Ley de idempotencia de la suma. d) La expresión del enunciado solo es válida si a

o

función que un decodificador? a) No es posible hacer eso.

6.3. ¿Qué puerta/s lógica/s mostrará/n un 1 a su salida si una de sus entradas está a O y la otra a 1?

.~

6 .8. ¿Con qué circuito integrado puede realizarse la misma

a) Siempre digital.

d) La mayoría son digitales, excepto algunas como el movimiento de las mareas.

6.6.

¿Cuál de las siguientes es una característica del código Gray?

= 1.

11 Actividades de a licación 6.13.

Expresa los siguientes números decimales en binario: a) 1432. b) 12.

e) 56789. 6.14.

Expresa los siguientes números binarios en hexadecimal y octal:

6.19. Teniendo en cuenta la respuesta de la actividad 6.16, indica cuáles crees que son las principales ventajas y los inconvenientes del uso del BCD.

= b · (a · b) + e utilizando únicamente técnicas algebraicas.

6.20. Simplifica la función f

a) 10100011010100101 . b) 10101010111000111

¿Es posible que el número 101100100001001 O esté codificado en BCD? En caso afirmativo, indica a qué número decimal representa. En caso negativo, justifica tu respuesta.

Simplifica la función f =a· b ·e· d +a · b · e · d +a · b · e · +a · E · e · d +a · E · e · +a · E · e · d utilizando mapa de Karnaugh. Representa el esquema del circuito formado por puertas lógicas que implementa la función simplificada.

6.16. ¿Qué ventajas aporta el uso del sistema de numera-

6.22. Implementa la función f =a . b . e +a . b . e +a . E . e +

6.15.

6.21 .

6.18.

¿Cuántos bits se necesitarán para representar los siguientes números decimales en binario natural y en BCD? a) 3. b) 96

e) 255. d) 1023.

a

a · E · e · empleando:

ción hexadecimal frente a trabajar exclusivamente con binario?

6.17. Aplicando lo estudiado para los distintos sistemas de numeración, ¿es posible utilizar uno en el que la base sea 3? ¿Cuántos números distintos podríamos codificar con 3 dígitos? ¿Cómo representaríamos el número decimal 9 en él?

a

a) Un decodificador 3 a 8. b) Un multiplexor de 8 a 1 . 6 .23.

Implementa la función f = (a + b) . e + únicamente tecnología eléctrica.

a . E utilizando

6.24. Busca información en internet acerca de los siguientes circuitos integrados: 74LSOO, 74LS85 y 74HC147. Estudia la función de sus entradas y salidas de control.

6.25. Explica en qué se diferencia un demultiplexor de un decodificador.

6.26. Diseña un comparador de dos números de 8 bits realizado a partir de comparadores de 4 bits como el estudiado en esta Unidad didáctica.

o

•

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

Práct1ca 6l. ontaje ycomprobacion de un decodificador BCO a7segmentos Objetivos

Comprueba el funcionamiento de un sistema combinacional sencillo mediante el uso de un decodificador BCD a 7 segmentos.

Procedimiento

1. Prepararemos el siguiente material: • Fuente de alimentación de 5 V. • Placa de prototipos (proto-board). • Microswitch (interruptor DIP). • Circuito integrado 74LS47 o similar (BCD a 7 segmentos). • Display de 7 segmentos de ánodo común. • 4 resistencias de 470 O. • 2 resistencias de 220 O. La función de las resistencias es limitar la corriente de entrada al circuito integrado y al display, en caso de no disponer de esos valores puedes utilizar otros ligeramente superiores. Busca en internet la hoja de características (datasheeO del circuito 74LS47 para verificar la función de cada uno de sus pines. Debes comprobar también si el display que estás utilizando es de ánodo o cátodo común, así como a qué segmento corresponde cada uno de sus pines.

. . . . . . ..

. . . . . . .. . .

.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .... .. .. .. .... .~~:::;~~~~~~~ .. . . ... . . ... .

.... ........... ...... . ~

"'

.. . . ..

. ... . ...... F ..... . .. . . . . . .. . T

. .. . . . . . . . . . . . . . . . . ;-;-;-;

Montaje de decodificador BC0 -7 segmentos, realizado con Fritzing

2. Realiza el montaje de la figura 6.26, teniendo en cuenta que el cableado entre el circuito 74LS47 y el display puede ser distinto en función del modelo que utilices. 3. Cambia los distintos contactos del microswitch y verifica que el número mostrado en el display es el que corresponde al código binario introducido.

6. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DIGITAL. CIRCUITOS COMBINACIONALES

•

Práctica 6.2. Diseño ysimulación de un codificador binario

Captura de pantalla de la aplicación logic.ly.

Objetivos

Comprueba el funcionamiento de un sistema combinacional sencillo, implementando para ello un codificador binario de 8 entradas y 3 salidas. Utiliza herramientas informáticas de diseño y simulación de circuitos electrónicos digitales.

Procedimiento

1. Como veremos en la Unidad didáctica 9, existen numerosas herramientas informáticas en el mercado orientadas al diseño y simulación de circuitos electrónicos. En esta práctica no utilizaremos herramientas profesionales, sino una muy sencilla orientada a aplicaciones educativas: logic.ly, desarrollada por Joshua Tynjala. Aunque existe una versión completa de pago, podemos usar gratuitamente la versión online (no permite guardar ni imprimir) en la web http://www.logic.ly o descargar una versión gratuita de prueba de 30 días completamente funcional. 2. Utilizando puertas lógicas, diseñaremos un codificador binario con 8 entradas y 3 salidas. Para poder observar su funcionamiento, colocaremos un pulsador en cada una de las entradas y una lámpara en cada una de las salidas. Para colocar un elemento basta con arrastrarlo desde la barra izquierda hasta el área de diseño; para conectarlos entre sí, deberás pinchar y arrastrar entre los terminales que desees unir.

11 11 D

D Montaje de codificador en la herramienta logic.ly, desarrollada por }osh Tynjala.

3. Realiza el montaje de la figura anterior, empleando etiquetas (/abe~ para identificar los elementos. 4. Acciona los distintos pulsadores y comprueba el correcto funcionamiento del circuito.

l

•• •

:• Circuitos electrónicos : digitales secuenciales ••

Contenidos

•• •• •

•• •• •• •• •• •• ••

Objetivos Los circuitos combinacionales no consiguen cubrir todas las funciones que necesitamos de la electrónica. Como complemento a ellos, aparecen los sistemas secuenciales, capaces de realizar funciones tan importantes como contar el tiempo, almacenar información, generar señales de reloj, y un largo etcétera. A partir del elemento secuencial más sencillo, el biestable, abordaremos algunos dispositivos más complejos que aportan funciones muy importantes a los circuitos electrónicos.

.. . . .

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

ELECTRICIDAD

11 7.l. Sistemas secuenciales

11 7.2. Biestables

En la Un idad didáctica 6 estudiamos que los sist emas combinacionales son aquellos en los que sus salidas dependen única y exclusi vamente del estado de sus entradas en ese instante de tiempo. Son, por tanto, si stemas que no poseen memoria acerca de su estado anterior ni pueden utilizarse para almacenar información.

Un biestable es un circuito secuencial capaz de permanecer de manera estable, por tiempo indefinido, en uno de sus dos estados permitidos, si no varían las condiciones de entrada. Tambi én recibe el nombre de báscula,flip-flop o latch.

Sin embargo, existen determinadas aplicaciones en las que resulta necesario que el circuito responda de una forma u otra, en función de su estado previo, o en las que se haga necesario el almacenamiento temporal de información para facilitar su procesado. En estos casos se opta por el uso de sistemas secuenciales. Este tipo de sistemas presenta una realimentación de sus salidas, lo que le permite tenerlas en cuenta y actuar en función del estado previo.

• Biestables asíncronos: únicamente disponen de entradas de contro l, y cambiarán el estado de su salida en el mismo instante en el que se den las condiciones necesarias para ello, en función de sus entradas. Esto puede provocar que l a sa lida cambie, aunque las entradas no sean aú n estables, provocando errores e incertidumbre sobre la fiabilidad de los datos.

Tal como se observa en la Figura 7.1 , un sistema secuencial puede modelarse como un circuito combinacional al que se le ha añadido realimentación en sus salidas. Sistema secuencial

Entrada S1stema combmacional

1 Salida

Los biestables se clasifican en dos categorías:

• Biestables síncronos: además de las entradas de control presentes en los biestabl es asíncronos, di sponen de una entrada de reloj , que será la encargada de gobernar y decidir el momento en el que las salidas deben cambiar. D e este modo, se soluciona el problema de incertidumbre descrito en l os bies tables asíncronos. Como veremos más adelante, los biestables síncronos podrán disponer, a su vez, de entradas asíncronas para reali zar determinadas funci ones, y cuya activación prevalecerá sobre la de las entradas síncronas.

Realimentación

• • 7.2.1. Biestable AS asíncrono Fi~ura ~

1 Representación de un sistema secuencial.

El sistema secuencial más sencillo es el biestable, denominado así por disponer de dos estados estables posibles. El biestable servirá como elemento básico para la construcción de sistemas más complejos como son el registro de desplazamiento y los contadores. Para estudiar y comprobar el funcionamiento de los sistemas secuenciales resulta prácticamente imprescindible el uso del cronograma. Un cronograma es la representación en función del tiempo del valor de la<; entradas y salidas de un sistema.

El biestable RS asíncrono es uno de los tipos más simples de básculas. Recibe su nombre de las iniciales de las palabras inglesas reset y set, que explicaremos a continuación. Como podemos observar en la Figura 7 .3, el biestable dispone de dos entradas: • R (reset ): la activación de esta entrada fijará automáti camente la salida Q a cero, independientemen te de cuál sea el estado anterior. • S (set): la activación de esta entrada fijará la salida Q a uno, independientemente cuál sea el estado anterior.

......, Reloj

2

3

4

5

6

7

8

S

Q

o

A

X

R

B

e f•¡;urd i.2 Ejemplo de cronograma.

L

o

X

o

Estado prohibido

] "'1

!?

1

Figura

.1.

Símbolo y tabla de verdad del biestable RS asíncrono.

~

O-ELECTRÓNICA En e l caso de q ue no se active ning una de las e ntradas, el biestable seguirá mantenie ndo a su salida el valor anterior (Q,). Sin e mbargo, s i se acti van las dos entradas R y S a la vez, el biestable entrará en un estado indeterminado, en e l que no será posible predecir e l valo r de su salida; por tanto, este biestable no podrá ser e mpleado en aplicaciones en las que sea posible que se acti ven ambas entradas a la vez, ya que su pondría un estado prohibido. Del mismo modo, d ispone dos salidas, Q y Q. La segunda mostrará siempre e l valo r complementario (o in verso) de la primera. Este biestable también puede imple mentarse mediante el uso de puertas lógicas: S

Q

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

7.1. Obtén el cronograma de la salida Q de un biestable RS asíncrono, si sus entradas son las siguientes:

r--·n·-- ¡-u ·-· o·---n··r¡ 1

S

1

1

1

1

•

1

1

'

•

1

1

¡¡

Figura 7.5. Cronograma de las entradas de un biestable RS asíncrono.

Solución: Supondremos que el estado inicial del biestable es Q = O. A partir de ahí, solo hay que tener en cuenta que la activación de R provocará que el valor de la salida sea O, mientras que S hará que sea l . Existen varios periodos de tiempo en los que ambas señales están acti vas simultáneamente, dando lugar a una indeterminación, que se representa rayando o sombreando el área correspondiente en la Figura 7.6.

R

Figura 7.4. Biestable RS asíncrono implementado con puertas NOR.

7.1. Implementa un biestable RS síncrono a partir de puertas NANO.

. ..

....

Figura 7.6. Cronograma de entradas y salida de un biestable RS

asíncrono.

• • 7.2.2. Biestable RS síncrono Si al biestab le RS as íncrono descrito en el Apartado 7 .2. l le añadi mos una entrada de si ncroni smo o re loj , o btenemos un biestable síncrono. La señal de re loj suele tener fo rma de tren de pulsos cuadrangul ares, similar a la mostrada en la Figura 7.7. Nivel alto

Flanco de subida

ffi

En la señal de re loj se d iferencian las siguientes partes: • Nivel alto: comprende todo e l periodo de tiempo en el cua l la señal de reloj permanece a la tens ió n considerada como nivel alto ( 1). • Flanco de subida: consiste en e l instante en el que se realiza la transició n entre el ni vel bajo y el alto. En los circuitos reales presentará un a pendiente más suav izada. • Nivel bajo: es el periodo de tiempo en e l que la señal de reloj permanece al ni vel bajo de tensión (0 ).

_jLJ LJ

• Flanco de bajada: es el instante e n e l que se produce la transic ió n desde el ni vel a lto hac ia el baj o. e:

Flanco de bajada

Nivel bajo

Figura 7.7. Señal de sincronismo o de reloj.

En func ión de q ué parte de la señal de re loj sea la encargada de gobern ar el sincroni smo, tend re mos distintos tipos de biestables síncronos (Figura 7 .8).

ELECTRICIDAD

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

Solución:

(a)

(e)

(b )

(d)

Figura 7.8. Biestables RS síncronos por nivel alto (a), nivel bajo (b), flanco de subida(c) y blanco de bajada (d).

En este caso, solamente deberemos tener en cuenta el estado de las entradas en el preciso instante en el que se produce la transición entre el nivel alto y el nivel bajo. Del mismo modo que sucedía en la Actividad resuelta 7. 1, debemos tener especial cuidado con el estado prohibido del biestable RS.

• Biestables síncronos activos por nivel: e l dispositivo cambiará su salida de acuerdo a los cambios en las variables de entrada que se produzcan durante todo el periodo de tie mpo en e l que la señal de reloj permanezca en ese nivel. De este modo existirán, tanto biestables síncronos activos por ni vel alto como por nivel bajo. La salida puede variar varias veces dentro de un mismo ciclo de reloj. En la Figura 7.9 podemos observar la implementación de un biestable RS síncrono activo por nivel a lto mediante puertas lógicas. Figura 7.11. Cronograma de las entradas y salidas de un biestable RS

S

síncrono.

• • 7.2.3. Biestable JK asíncrono Figura 7.9. Biestable RS síncrono activado por nivel, implementado con puertas lógicas.

• Biestables síncronos activos por flanco: las salidas solamente respo nderán al valor de la entrada en el momento e n que se produzca el flanco correspondiente (subida o bajada), po r lo que solamente podrá producirse un cambio en la señal de reloj por cada periodo.

7.2. Obtén la señal de salida para un biestable RS síncrono activo por flanco de bajada, si las señales presentes en sus entradas son las que muestra la Figura 7.10.

n·rrrro·nTo·rn·n--nru·o·· r·· ·r·n··r···· n ·T·----·n··--·- n··-· '

'

CLK

1 1

R

1

s

• 1

1

1 1

1

1 •

1

1 1

1

1 t 11

1

1

1 1

1

t

1

1

• 1 11

•

1

El biestable JK permite reso lver e l problema de la indeterminación de la salida existente en los biestables RS cuando ambas entradas se encuentran activas simultáneamente.

J

Q

K

Figura 7.12. Símbolo y tabla de verdad del biestable RS asíncrono.

En este caso, la función de las entradas es la siguiente:

• J: hace la función ser, es decir, su acti vación provoca que el valor de salida sea Q = l .

11 • 1

• K: hace la función reset, fijando a cero el valor de la salida.

11

r··o---1-11 ¡ ----tD¡----n1t ¡ i! '

Figura 7 10. Cronograma de las entradas de un biestable RS síncrono.

Al igual que sucedía con el biestable RS, cuando ambas entradas están desactivadas, e l biestable mantendrá en su salida el valor del estado anterior. Sin embargo, si J y K se acti van simul táneamente, el biestable intercambi ará el valor de sus salidas Q yQ. Es decir, la sal ida será el inverso de la existente en el instante anterior.

.;

ELECTRÓNICA El biestable J K se puede implementar a partir de un biestable RS, añadiendo dos puertas ANO que impidan la activació n si multánea de las en tradas R y S.

Q

J

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

• • 7.2.4. Biestable JK síncrono El biestable JK también puede actuar como una báscula síncro na, si le añadimos una entrada de reloj. Ig ual que sucedía con el biestable RS, tendremos cuatro tipos de biestables JK, en función del caso de acti vación (Figura 7. 16).

K

(b)

(a)

Figura 7.13. Implementación de un biestable )K asíncrono a partir de un RS.

7.2. Justifica por qué en el circuito representado en la Figura 7. 13 no pueden activarse simultáneamente R y S.

(d)

(e)

Figura 7.16. Biestables )K síncronos por flanco de subida (a), flanco de bajada (b), nivel alto (e) y nivel bajo (d).

7.4. Obtén el cronograma de la salida de un biestable JK síncrono si las señales de entrada son las que se muestran en la Figura 7.17, para los siguientes casos: a) b) e) d)

Biestable asícrono. Síncrono activo por flanco de bajada. Síncrono activo por flanco de subida. Síncrono activo por nivel alto.

7.3. Obtén el cronograma de la salida de un biestable JK asíncrono 1.i las señales de entrada son las que se muestran en la Figura 7. 14.

Fi..ura -:

~

Cronograma de las señales de entrada de un biestable)K.

Solución:

F·: '' - :4 Cronograma de las señales de entrada de un biestable )K asmcrono.

Solución: Aplicando lo estudiado anteriormente deberás obtener un cronograma como el que muestra la Figura 7. 1S.

o · ··o·¡· · · · ·ro · ·o . ····r·. . ·o ·r···. . . .. 1

J , ....

1

1

1

1

•

•

1

•

1

1

1

1

1

•

'

•

•

•

1

1

1

1

1

1

o o

Fi~ura

•

(b) Q

1

(e) Q

o

•

1

rr 1

1TI

•

•

1T0

1

"1

1TTT1

-i o__.;......;_..;_.;....;'; _ ';

I~TTT 1

1

(d) Q

••••

["""TI o

1

15. Cronograma de las señales de entrada y salida de un biestable )K asfncrono. 7

(a) Q

1

r·o· ·. ·o·. .·. - ro·. . .l r·· ... o. . . .. 1

Q

•

r···n · · · ¡·· · ·n ·r· ·. nr. .... . . . n . .·n · •

K

•

K

•

•

•

•

r--o -¡-¡

1

1

r~-n-o·to·t~l 1 •

1 1

1 • •

1 1 1 1 ••

• 1 1

1 1

• 1

1 1 •

1 1 •

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

•• ••

•

••

1

1

•

Figura ~ .18. Solución para los distintos casos de actiVaCión: (a) asíncrono, (b) flanco de bajada, (e) flanco de subida y {d) mvel alto.

ELECTRICIDA

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

• • 7.2.5. Biestable síncrono T El biestable T (togg l e) conmuta el estado de su salida cada vez que se produce un flanco de reloj, siempre y cuando esté activa, de forma simultánea, la señal de entrada T.

Este tipo de biestable resulta de gran utilidad para la construcción de registros de desplazamiento, como veremos más adelante, e inc luso, para alg unas aplicaciones de procesamiento digi tal de señal. Puede construirse también a partir de un biestable RS síncrono. D

T

S

Q

R

(:i

CLK -----+------------~ CLK

CLK Figura 7.22. Implementación de un biestable O a partir de un RS. Figura 7.19. Símbolo y tabla de verdad del biestable T.

Esta característi ca lo hace especialmente útil para la fabricación de contadores asíncronos. Puede fabricarse a partir de un biestable JK, uniendo sus dos entradas en una sola. T

J CLK

Q

r--

CLK

• • 7.2.7. fntradas asíncronas de los biestables síncronos Los biestables síncronos pueden disponer también de ciertas entradas asíncronas para reali zar alg unas funciones de control sobre el dispositivo. Estas funciones suelen ser: • Preset: pone la salida del biesta ble a 1, independiente-

mente de la seña l de reloj. • Reset: pone la salida a O, independientemente de la se-

R

c:i

P-

ñal de reloj. Estas funciones resultan interesantes, sobre todo, para eliminar la incertidumbre sobre el estado inicial del biestable.

Figura 7.20. Implementación del biestable síncrono Tmediante un biestable j K.

Las entradas asíncronas siempre tienen prioridad sobre las síncronas y podrán activarse tanto a nivel a lto como a nivel bajo, dependiendo del biestable utili zado.

• • 7.2.6. Biestable D El biestable D (de/ay) posee solamente una entrada de datos y una entrada de sincronismo, de manera similar al biestable T.

±

o 1

Figura 7.23. Entradas asíncronas activas a nivel alto (izquierda) y nivel bajo (derecha).

Figura 7.21 . Símbolo y tabla de verdad del biestable D.

Su modo de funcionamiento es muy sencillo, ya que el biestable mostrará a su salida la señal presente a su entrada en e l instante en el que se produce e l flanco de subida y la mantendrá durante todo e l c iclo de reloj.

11 7.3. Contadores Un contador es un circuito secuencial con capacidad de contar los impulsos o flancos que se producen en una de sus e ntradas.

"

ECTRÓN ICA CNTR8

DO IN

01

QA QB QC

02 03 04

ENABLE RESET CLK

QO

05

CLR

06

07 (a)

(b)

Figura '.14. Símbolos de contadores: (a) síncrono de 8 bits y (b) asíncrono BCD.

Pueden fabricarse a partir de biestables y puertas lógicas. Los contadores pueden dividirse en: • Contadores asíncronos (serie): son aquellos que no están gobernados por una señal de reloj , sino que, e n ellos, los pulsos se propagan de bi estable e n biestable. Esto provoca que sean contadores más le ntos, al necesitar un mayor tiempo de propagación. Como contrapartida, su fabricación es más económica, al e mplear menos componentes. vcc

b

J

SET J

Q

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SET

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Q

J

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Q K RESET

P-

r---

Q

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Q K RESET

1

CLR

l

b

SET

a K RESET

..___

p-

1

1 00

1

1

01

02

Figura 7.25. Contador asíncrono de 3 bits realizado con biestables /K.

• Contadores síncronos (par alelo): en este tipo de contadores, la señal de reloj se aplica simultáneamente a todos los biestables. De este modo, se consigue que todos cambien de estado a la vez. -vcc -

Á

Á

SET

SET

......___ J Q CLK - K Q oRESET

J

Á SET

1

Q

CLK ......___ K Q oRESET

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J '-----

l

Q

CLK Q ~ K RESET

-

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)

SET

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~

J

'--

CLK K Q~ RESET

Q

CL K

RESET

00 u

01

Figura 7.26. Contador síncrono de 4 bits realizado con biestables JK

02

03

ELECTRICIDAD

7. CIRCUITOS ELECTRÚNICOS DIGITALES SECUENCIALES

Recuerda que ... Los contadores BCD se distinguen fáci lmente de los binarios, entre otras cosas, porque sus salidas se denominan QA, QB, QC y QD, en lugar de QO, Ql , Q2 y Q3.

Según el tipo de cuenta que puedan desarrollar, se di viden en: • Contadores ascendentes: solamente permiten el contaje crecie nte, y vue lve n a cero al acabar la cuenta. Suelen dispo ner de una salida de acarreo, que permite la conexió n e n cascada de varios contado res para que se puedan realizar los conteos de cantidades mayores. • Contadores descendentes: reali zan un contaje decreciente, desde el valo r máx imo de cuenta pe rmitido por el contador (9 en contado res BCD de 4 bits y 2"- 1 para contadores binari os den bits) hasta llegar a cero.

• LOAD: al activarse realiza la carga en e l contador de los datos presentes en sus entradas, transfiriéndolos a su salida. • CTEN: es la e ntrada de habi litac ió n de l contador. La cuenta prog resará mientras esta entrada perm anezca acti va, deteniéndose si deja de estarlo. • U/D: en contado res con una úni ca entrada de re loj, permite seleccionar e l sentido de la cuenta. U (up) corresponde al sentido ascende nte y D (down), a l descendente. • CLR (clear ): permite realizar un a limpieza de los datos de l contado r, devolviéndo lo a su estado ini cial y poniendo las salidas a cero. • UP: e n contadores de reloj independientes, corresponde a la entrada de pulsos para la cuenta ascendente. En ocasiones, también se le denomina C K UP o CLK UP. • DOW N: también presente en contado res de reloj independie ntes, es la entrada de pul sos para un a cuenta descende nte. Tambi én puede aparecer etiquetada como C K DOWN o CLK DOWN.

• C ontadores reversibles: permiten la o perac ió n, tanto en sentido ascendente como en semido decrecie nte. Dentro de los contadores reversibles podemos distinguir entre:

Otras entradas y sal idas de conu·ol penn iten e luso de varios contadores en cascada para alcanzar cuentas más elevadas:

o

C ontadores reversibles de reloj único: solamente disponen de una entrada de re loj o cuenta. Se debe seleccio nar el sentido ascendente o descendente de esta mediante un a e ntrada de control adiciona l.

o

Contadores reversibles de reloj independiente: el contado r dispondrá de dos entradas de reloj o cuenta, una para sentido creciente y o tra para sentido decreciente.

• MAX/MI N: indi ca que e l contado r ha alcanzado la cuenta máx ima o mínima. Permanecerá acti va durante todo el estado en el que las salidas sean 111 1 en una c ue nta asce ndente o 0000, e n cuentas descendentes. En a lgunos contadores como el de reloj independiente mostrado e n la F igura 7.27, esta salida se descampo-

A

QA QB

B

e

o

•

88

A

QA

e

88 SS

B

o

[OAl)

ROO"

MAXIMIN

CLK

eLR

QB

UP DOWN

7.3. Completa el cronograma de las salidas de un contador 74LS 19 1 como el mostrado en la parte izquierda de la Figura 7 .28, si las entradas son las que se muestran en dicha figura. 1

CLK

Algunas de las entradas y salidas de control más habituales en los contadores son:

1 1

1 1 1.

1 1

1 1

1. 1

1 1 1'

1 1

1 1

1. 1 1

1' 1 1

1 1. 1. 1

1 1

1 1

1 1

1 1

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1

1

1

1

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1

1

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1

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QA

QB

Una función interesante de algun os contadores es la posibilidad de carga de datos. Para e llo están do tados de tantas entradas como salidas de datos y de un a entrada de control que permite seleccionar e l modo de operación. Así, por ejemplo, es posible in troducir un valor de cuenta inic ial.

1. '1 1 •• '

••

Figura 7.2:"'. Contadores BCD reversibles con carga de datos: reloj único (izquierda) y reloj independiente (derecha).

1 1

••

1

1

1

'

1

'

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¡

1.

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1

1

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1 1 1

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1 1 '1

1

1

1

1

1

1 1 1 1 1 1 1 ( 1 1 1 1

1 1 '

Figura i.28. Cronograma de las señales de un reloj.

'

• 1

1 1 •

O-ELECTRÓNICA

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

ne en dos: CO para el máximo en sentido ascendente y BO para el máximo en sentido descendente.

• RCO (ripple clock outpuf): permanecerá activa en la seg unda mitad del ciclo de reloj en el que se haya alcanzado la cuenta máxim a (ascenden te) o mínima (descendente).

7.5. Justifica el uso de un contador ascendente bi nario como divisor de frecuencia de la señal del reloj.

11 7.4. Registros de desplazamiento

Solución:

Un registro de desplazamiento (shift-register) es un circuito secuencial formado, generalmente, por biestables conectados en cascada, gobernados de manera síncro na por una única señal de re loj. Esto provoca que los datos situados a la entrada vayan propagándose de biestable a biestable en cada ciclo de reloj .

Si dibujamos el cronograma de un contador síncrono ascendente sencillo, mostrando cómo evolucionan sus salidas en función de la señal de reloj, podemos observar que tiene el siguiente aspecto: •

1

1

1

1

1.

1

1

1

1

1

1

1

1.

1

1

1

1'

1

1

1.

1

1'

1.

1.'

1'

1.

1

••••

1

1

1

••

1

1.

1

••

1.

1

••

1.

1

••

1

1

1

1.

1

••

1

1

1

1

••

1

1

1

1

1

1

••

1

1

1

Si atendemos a cómo se produce el flujo de datos, podemos clas ificar los registros de desplazamiento como: • Entrada serie-salida serie: solamente se puede acceder desde e l exterior a la e ntrada del primer biestable y a la salida del último. Principalmente se utili zan como líneas de retardo para s incronizar datos.

01

02

1

1.

1

1

1

1

•••

1

1

1

1

1

1

••

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

••

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1 '. •••

1 1

1 1

• Entr ad a paralelo-salida serie: dispone de acceso a las entradas de todos los biestables, pero solo está conectada con el exterior la salida del último. Su func ión principal es convertir salidas de datos en parale lo a conex iones en seri e para la comunicación de eq uipos.

Figura 7 29. Salidas de un contador.

En este cronograma se aprecia claramente cómo la señal de salida QO tiene la mitad de frecuencia (y doble periodo) que la señal de reloj. Del mismo modo, Q 1, Q2 y Q3 tienen frecuencia de un cuarto, un octavo y un dieciseisavo de la señal de reloj, respectivamente.

• En trada ser ie-salida paralelo: aunque todas las salidas de los biestables son accesibles desde el exterior. solame nte dispone de una en trada. Realiza la función inversa al caso anterior.

Esta propiedad resulta út il para circuitos y sistemas en los que se necesita el uso de señales de reloj de distinta frecuencia en alguno de sus componentes.

00

D

o

• En trad a paralelo-salida paralelo: tanto las entradas como las salidas son accesibles. Suele utilizarse para cálculos aritméticos.

02

01

03

Á

Á

Á

Á

SET

SET

SET

SET

....--- ~CLJ(

Q Q

RESET

o

~ ....--- ~CLK

o

Q Q ~

,---- ~CLK

RESET

RST CLK

Fi)\ura 7 10. Registro de desplazamiento de 4 bits implementado mediante biestables D.

o

Q Q

RESET

p-

.--- ~CLK

Q

-

Q

p-

RESET

ELECTRICIDAD

1 Figura 7.31. Registros de desplazamiento: 74HC194 universal (izquierda), 74HC164 serie-paralelo (centro) y 74HC165 paralelo-serie (derecha).

Según la dirección en la que se desplazan los datos, se distinguen entre: 7.6. Realiza el cronograma de las salidas de un registro de desplazamiento de 4 bits, con entrada serie y salida paralelo, sabiendo que el sincronismo se realiza en los flancos ascendentes y que la señal de entrada de datos y el reloj siguen el cronograma mostrado a en la Figura 7.32. •

1

1 1

1 1

1. 1'

1 1

•• 1 1

1 1

1 1

1' 1 1

1' 1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1' 1 1

1 1

IN

• Registros unidireccionales: los datos avanzan solamente en una dirección. • Registros bidireccionales: mediante el uso de señales de control ad icionales, es posible seleccionar la dirección de desplazamiento de los datos. Esta clasificación hace que uno de los registros de desplazamiento más utilizados sea el llamado registro de desplazamiento universal, ya que puede funcionar en cualquiera de los cuatro modos de entrada y salida de datos y, además, es bidireccional.

Figura i .32. Señal de reloj y entrada al registro de desplazamiento.

Solución: Sabemos que, en un registro de desplazamiento, el dato de entrada se irá propagando de biestable a biestable en cada flanco de subida del reloj. Por tanto, el cronograma será el mostrado en la Figura 7.33. 1

1 1 .'

1 1

1. 1 1

1 1

1 1 1.

1 1

1 1

1 1

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1 1

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1 1

1 1

1 1

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1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

7.4. ¿Sería posible realizar un registro de desplazamiento de entrada serie y salida paralelo a partir de un multiplexor? ¿Qué componentes adicionales necesitaríamos?

1 1

11 7.5. familias lógicas Una familia lógica está formada por el conjunto de circuitos integrados que se fabrican utilizando la misma tecnología. A lo largo de la historia de la electrónica se han desarrollado numerosas familias lógicas, siendo las más utilizadas en la actualidad las familias TTL y CMOS. Figura 7.33. Solución.

En este cronograma puedes observar cómo la señal de entrada se va retrasando progresivamente al recorrer el registro.

• • 7.5.1. familia Tll La fami lia lógica TTL (transistor-lo-transistor /ogic) está compuesta internamente por transistores bipolares (BJT),

..

n

ELECTRÓNICA diodos y resistencias y presenta las siguientes características fundamentales: • Tensión de alimentación: entre 4,75 V y 5,25 V. • Tensión de nivel bajo: entre O V y 0,8 V. • Tensión de nivel alto: entre 2,75 V y Vcc. • Consumo de potencia por puerta: entre 1 mW y 20 mW. • Velocidad: entre 1,7 ns y 33 ns.

• TTL Schottky (S): utiliza transistores Schottky, lo que reduce el retardo de propagación a 3 ns y la disipación de potencia a 20 mW. Esta subfamilia es dos veces más rápida que la serie H, con un consumo de potencia similar, por lo que se suele utilizar en lugar de esta. • TTL Schottky de bajo consumo (LS): es una de las seri es con menor consumo de potencia (2 mW), con un retardo de propagación de 9 ns. • TTL Schottky avanzada (AS): es la serie más rápida, con un retardo de propagación medio de 1,7 ns y un consumo de 8 mW. Además, sus salidas pueden soportar más cargas (jan out) que las otras familias. • TTL Schottky avanzada de bajo consumo (ALS): con una tecnología similar a la anterior, consigue reducir el consumo hasta 1 mW a costa de tener un retardo algo mayor (4 ns). Los circuitos integrados de la familia TTL se identifican por un código como el que se muestra en la Tabla 7.1.

Identificación de circuito integrado.

Tabla Figura 7.34. Circuito integrado sobre una oblea de silicio.

SN

Y=¡;-:-¡;

74

LS

00

N

• El primer campo identi fica al fabricante que podrá ser, por ej emplo, Texas Instruments (SN), Toshiba (TB o TA), Fairchild (MA), Motorola (MC), cte. • El segundo campo identifica el uso que tendrá el circuito, que puede ser:

GND o-----------~------~

o

Figura i 35 Puerta NANO realizada con tecnología TTL. o

La familia TTL se clasifica, a su vez, en las sigu ientes subfamilias: • TIL estándar: no tiene letra de identificación. Presenta un consumo de potencia por puerta medio de 1O m W y un retardo de propagación de 9 ns. • TTL de bajo consumo (L): reduce el consumo hasta 1 mW por puerta, a costa de aumentar el retardo de propagación hasta 33 ns. .:

..

o

...

• TTL de alta velocidad ( H ): mediante el uso de una configuración Darlington en los transistores, consigue reducir el retardo de propagación hasta situarlo en una media de 6 ns, con un consumo de potencia medio de 23mW.

Uso comercial (74): rango de temperatura de temperatura de funcionamiento entre O y 70 °C.

oc

Uso militar (54): rango de temperaturas entre -55 oc y 125 °C.

• El tercer campo identifica la familia lógica, de acuerdo a las abreviaturas vistas anteriormente. • El cuarto indica la función del circuito, siendo algunos de los códigos los que se muestran en la Tabla

7.2. • El último campo indica el tipo de encapsu lado. Los más habituales son los siguientes: o

N: dual-in-fine: circuito integrado con dos fi las de pines paralelas.

o

D: stnface-mount del'ice: encapsulado para tecnología de montaje superficial.

ELECTRICIDADTabla

Códigos de circuitos integrados digitales.

• • 7.5.2. familia CMOS La familia CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) se utili za para implementar, en las puertas lógicas, los transistores de efecto de campo (field effect transistor, FET) de tipo NMOS y PMOS.

00

4 puertas NANO de 2 entradas

02

4 puertas NOR de 2 entradas

04

6 inversores NOT

08

4 puertas ANO de 2 entradas

10

3 puertas NANO de 3 entradas

• Tensión de alimentación: 5Y (excepto serie 4000 y series de bajo voltaje).

11

3 puertas ANO de 2 entradas

• Tensión de nivel alto : entre 3,5 V y 5 Y.

20

2 puertas NANO de 4 entradas

• Tensión de nivel bajo: entre O V y 1 Y.

42

Decodificador BCD a decimal

• Consumo de potencia: menor de 1 mW.

47

Decodificador BCD a 7 segmentos

70

Biestable JK activo por flanco.

74

2 biestables D.

86

4 puertas XOR de 2 entradas

148

Codificador 3 a 8 con prioridad

Sus características fu ndamentales son:

• Retardo medio: entre 3 y 50 ns. Se divide, a su vez, en varias subfamilias : • Serie 4 000: tiene un a velocidad baja (retardo de 50 ns) y un consumo típico de potencia de 0,3 mW. • HC (compatible de alta velocidad): la alimentación se rea liza entre 2 y 6 V, con reta rdos medios de 8 ns y l mW de disipación por puerta. • HCT (alta velocidad compatible con ITL): la alimentación se reali za a 5 V y presenta unas características similares en consumo y retardo a la HC.

Fan-in: número de entradas que puede manejar una puerta lóg ica. Fan-out: capacidad de carga. Es una medida del número de puertas lógicas a las que una salida es capaz de suministrar corriente suficiente para su func ionamiento. VIL: valo r máx imo de tens ión de entrada que se interpretará como nivel bajo. En ITL suele ser de 0,8 Y.

V 1H: Valor mÍnimO de tenSiÓn de entrada que Se interpretará como un 1 a la entrada (nivel alto). En TTL sue le ser 2 Y.

• AC (serie avanzada): la alimentación se realiza entre 3 y 5,5 V, con la mitad de consumo y potencia que la serie HC. • ACT (seri e avanzada com patib le con TTL): con una tensión de alimentación de 5 V • AHC: serie avanzada de alta velocidad. • AHCT: seri e avanzada de alta velocidad, compatible con ITL. • Series de bajo vo ltaje: LV, L VC y AL YC.

V0 L: tensión máxima que presentará una puerta lógica a su salida para representar e l nivel bajo. En TTL será menor de 0,4 V.

V 0 H: tensión mínima ex istente a la salida para nivel alto. En ITL será mayor de 2,4 V.

7.5. Busca en internet y consulta las hojas de características (datasheet) de los circuitos integrados 74LSOO, 74AHCTOO y 74ALYCOO. Encuentra las ventajas e inconvenientes de cada uno de ellos.

e

"=!

•

1

7. CIRCUITOS ELECTRONICOS DIGITALES SECUENCIALES

SISTEMAS SECUENCIALES

-[

DEFINICIÓN CRONOGRAMAS SÍNCRONOS/ ASÍNCRONOS

AS

-

Estado prohibido

JK TIPOS en w

T

BIESTABLES

o

...J

<:(

z

o u

<:(

z

ENTRADAS SÍNCRONAS

~ ~

RESET

SEGÚN SINCRONISMO

~ ~

Síncronos

SET

a5 ~

o

u en

o15 u a: u

CONTADORES SENTIDO DE LA CUENTA

_j

~

a

i.5 u <:(

Asíncronos

1

Ascendente Descendentes Reversibles

z

-o a: 1-

u w

...J

ENTRADA SERIE

Salida serie ~ ~ Salida paralelo

ENTRADA PARALELO

Salida serie ~ ~ Salida paralelo

DIRECCIÓN DE DATOS

~ ~

w

REGISTROS DE DESPLAZAMIENTO

Unidireccional Bidireccional

REGISTRO DE DESPLAZAMIENTO UNIVERSAL

e;

/i

..

~

...

FAMILIAS LÓGICAS

{

TIL

CMOS

-E ~ ~

Características Subfamilias Identificación Características Subfamilias

{

Reloj único Reloj independiente

11 Actividades de comprobación 7.1 . Un sistema secuencial es aquel en el que:

b) Margen dinámico. e) Impedancia de salida.

a) Los datos de entrada tienen que seguir una secuencia fija. b) Las salidas son solamente producto de las entradas.

d) Fan-out.

7.7. ¿Qué código corresponde a un decodificador BCD a 7 segundos?

e) Existe una realimentación de las salidas.

a) 32.

d) No está construido con puertas lógicas.

b) 47.

7.2. ¿Cuál de los siguientes casos es un estado prohibido? a) R = O, S = O en un biestable RS (entradas activas por nivel alto). b) J = O, K = O en un biestable JK (entradas activas por nivel alto).

e) 16.

d) 74. 7.8. ¿Qué ventaja aportan los biestables JK frente a los RS? a) Que son más modernos y rápidos. b) Que no tienen estado prohibido.

e) R = 1, S = 1 en un biestable JK (entradas activas por nivel alto). d) J = 1, K = 1 en un biestable RS (entradas activas por nivel alto). 7.3. En un biestable síncrono, las entradas asíncronas: a) Nunca tienen prioridad frente a las síncronas. b) Solo tienen prioridad si no está activa la señal de reloj . e) Siempre tienen prioridad frente a las síncronas. d) Solamente tiene prioridad la señal CLEAR, nunca SET.

7.4. Según la dirección de desplazamiento de los datos, los registros se clasifican en: a) Ascendentes y descendentes. b) Unidireccionales y bidireccionales.

7.5.

e) Que consumen menos energía. d) No hay ninguna diferencia significativa entre ellos. 7.9.

¿Qué puerta lógica contiene un circuito etiquetado como 74LSOO? a) 6 inversores NOT. b) 1 contador asíncrono de 8 bits. e) 4 puertas ANO. d) 4 puertas OR.

7.10. La familia lógica que utiliza transistores Darlington es: a) CMOSAHC. b) TILS. e) CMOS Serie 4 000. d) TIL H. 7.11. Un registro de desplazamiento universal es:

e) Reloj único y reloj independiente.

a) Bidireccional.

d) Síncronos y asíncronos.

b) Entrada serie/salida paralelo.

¿Qué biestable se utiliza más habitualmente para líneas de retardo?

e) Entrada paralelo/salida serie.

a) Biestable T. b) Biestable D. e) Biestable JK. d) No es posible utilizar biestables. 7.6. La capacidad de carga de una puerta lógica en uncircuito integrado se conoce como: a) Fan-in.

d) Todas las respuestas anteriores son correctas. 7.12. ¿Qué circuito emplearías para obtener una señal de reloj con la mitad de frecuencia de la disponible en el sistema? a) Un divisor de frecuencia. b) Un registro de desplazamiento serie/paralelo. e) Un biestable D. d) Un contador.

..'

íu

'=i

•

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

- Actividades de aplicación 7.13. ¿Qué ventajas presentan los biestables síncronos frente a los asíncronos? 7.14. Clasifica los distintos tipos de registro en función del flujo de entrada y de salida de datos. 7.15. ¿Qué salida de un contador descendente podrías utilizar para hacer sonar una bocina al llegar a O? 7.16. Completa el siguiente cronograma de un contador binario con entradas de reloj independientes: •

1

••

1. 1

1

••

1

1

1.

1

1

1

1

1

1

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1

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1

1

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1

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1

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1. 1

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DOWN

..

:::::!::::::

~

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1

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02

i: 1

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1

1

1

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1

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1

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1 1 1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1 1 1

1

1

1

1 1 1 1 1.

1 1 1

1 1 1 1 1. •• 1

1 1

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1 1

1 1

1 1

1 t

1 1

1 1

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1 1

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1

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1

1

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1

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1

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1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1

1

1

1

1

•••

1

1

1

1

1

1 1

1 1

1 1

•• 1 1

1. '1

1

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1

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••••••••

•

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1

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1

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1 1

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1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

•

1

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1

1

1

1

1 1

.., .., ••..,.., .., .., •• v •.,.., .. , ••,.•..,••, ••,.., •• v••r..r .., ..,.•.,••, ••, ••, ••.., .., ••, ••, ••y ...,

03

Figura i

•

Cronograma.

'1

1'' 1

7.18. Representa el esquema de un circuito que permita realizar la cuenta de hasta 255 impulsos de entrada, a partir de contadores asíncronos de 4 bits. 7.19. ¿Qué tipo de contadores emplearías para fabricar un reloj de baloncesto? Decribe todas las características que deberían cumplir. Justifica tu respuesta. 7.20. Indica una aplicación en la que utilizarías cada uno de los distintos tipos de registros de desplazamiento estudiados en esta Unidad. 7.21 . Implementa un circuito de desplazamiento de 4 bits a partir de biestables D. 7.22. ¿Qué ventajas tiene la familia CMOS frente a la TIL?

•

1' 1 1

1 1

•

1

•

'

7.17. ¿Cuál es la cuenta máxima que puede alcanzar un contador binario de 8 bits? Implementa uno a partir de contadores de 4 bits.

7.23. Busca información en internet acerca de los siguientes circuitos integrados: 74LS190 y 74LS91. Estudia la función de sus entradas y salidas de control. 7.24 . Si dispones de un generador de funciones que ofrece una señal cuadrada de 50 Hz, diseña el circuito que permita obtener una señal del mismo tipo, pero de frecuencia 6,25 Hz. 7.25. ¿En qué se diferencia la subfamilia 54 de la 74?

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

• •

Práctica 7.l. Contador de Oa9 Objetivos

Comprueba el funcionamiento de un sistema secuencial sencillo mediante el uso de un contador.

Procedimiento

1. Prepara el siguiente material: • Fuente de alimentación de 5 V. • Generador de funciones. • Placa de prototipos (proto-board¡. • • • •

Circuito integrado 74LS90 (contador). Circuito integrado 74LS47 o similar (BCD a 7 segmentos). Display de 7 segmentos de ánodo común. 7 resistencias de 550 O.

La función de las resistencias es limitar la corriente de entrada al circuito integrado y al display. En caso de no disponer de esos valores, puedes utilizar otros ligeramente superiores. 2. Busca en internet la hoja de características (datasheeO del circuito 74LS90 para verificar la función de cada uno de sus pines VCC

A B CDEFG

ENTRADA

2 3

6

7

A

~

B

QB QC QO

R01 R02

12

7

9

1 2

8 11

6

A

...QA

B

Q8

e o

QC QO

CE "-LT

Rl1 R82 74LS90

"-RBI

"-811R80 74LS47

QF QG

5600 5600 5600

Contador con visualización en display.

3. Conecta a su entrada el generador de funciones, empleando una señal cuadrada de frecuencia igual o inferior a 1 Hz, que varíe entre Oy 5 V de amplitud. 4. Comprueba cómo cambia el número visualizado en el display siguiendo la frecuencia de la señal de reloj. Auméntala y redúcela muy ligeramente y comprueba las diferencias.

..¿ ' '9" "' .;

•

1

7. CIRCU ITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

Práctica 7.2. Pulsador antirmbote Objetivos

Conocer los problemas ocasionados por los transitorios en los pulsadores de los circuitos electrónicos. Montar y comprender el funcionamiento un circuito antirrebotes para circuitos digitales.

Procedimiento

1. En el montaje de la práctica anterior, desconecta el generador de funciones y coloca a la entrada del circuito anterior un pulsador, de forma similar a cómo se colocó el microswitch en la práctica de la Unidad didáctica anterior, a través del cual generarás los pulsos que deben hacer subir la cuenta visualizada en el display. 2. Como habrás podido comprobar, cada pulsación varía la cuenta mostrada en el display más de una vez. Esto se debe a los «rebotes» que se generan en la señal. Para evitarlos, utiliza el montaje siguiente y verifica su funcionamiento.

vcc

101<0

1N4148

151<0

+ 1¡¡F

Pulsador antirrebote.

3. Analizando el circuito, razona por qué, en este caso, no existen los rebotes del caso anterior.

7. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DIGITALES SECUENCIALES

•

Práctica 7.3. Oiseño ysimulación de un registro de desplazamiento Objetivos

Comprobar el funcionamiento de un sistema secuencial sencillo, implementando para ello un registro de desplazamiento. Utilizar herramientas informáticas de diseño y simulación de circuitos electrónicos digitales.

Procedimiento

1. Al igual que en la práctica 6.2, utilizaremos la herramienta logic.ly desarrollada por Joshua Tynjala, pero en este caso implementaremos un circuito secuencial. 2. Utilizando biestables D, realizaremos el diseño de un registro de desplazamiento de 4 bits. Este registro será síncrono, por lo que deberemos de usar también el bloque funcional que representa un reloj.

F

Montaje de registro de desplazamiento en la herramienta logic.ly, desarrollada por )osh Tynjala.

3. Realiza el montaje de la figura anterior, empleando etiquetas (!abe~ para identificar los elementos. Tanto la señal de entrada como las de reset y preset las implementaremos con pulsadores para poder modificar su valor fácilmente. 4. Acciona los distintos interruptores y comprueba el correcto funcionamiento del circuito.

; Figura .,.

Captura de pantalla de la aplicación logic./y.

·ª·:;" o"

8. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

11 8.1. flectrónica analógica La electrónica analógica es la parte de la e lectrónica que se encarga de l procesado de señales analógicas que, como vimos anteriormente, son aquellas que puede n tomar va lores infinitos distintos de forma continua en e l tiempo. Aunque en numerosas funciones está siendo des bancada por la electrónica di gital, tiene numerosas aplicaciones en la amplificación, rectificado, estabilización y filtrado de señales, así como en la construcción de osciladores y fuentes de alimentación. La electrónica analógica utiliza principalmente los siguientes tipos de componentes (Figura 8. 1): • Componentes pasivos: son aquellos que disipan o almacenan energía eléctrica. No produce n ningún tipo de amplificación en el circuito. • Resistencia o resistor. • Condensador. • Bobina o inductor (Figura 8.2).

ELECTRICIDAD• Componentes activos: permite n obte ne r un a a mplificación, exc itación o control de las magnitudes eléctri cas. Generalmente se obtienen a partir de semiconductores: • Diodo. • Transistor (Figura 8.3). • Amplificador operac ional. • DIAC. • Tiristor. • Triac. • Componentes optoelectrónicos: son aquellos que tiene n la capacidad de transformar la e nergía e léctrica en energía lumínica, o viceversa. • Fotorresistor. • Fotodiodo. • Fototransistor. • Diodo emisor de luz (LEO). • Diodo emisor de luz por emisión estimulada de radiación (láser). • Optoacoplador. • Componentes e lectromecán icos.

Figura 8.1. Componentes electrónicos.

Figura 8.3. Transistor de potencia.

11 8.2. Resistencias Recordemos que la resistencia eléctrica es la oposición que ofrece un cierto elemento o material al paso de la corriente eléctrica a través de él. Dependerá del material del que esté construido e l e lemento y de su geometría. Se mide en ohmios (11) y está re lacionada con la tensión y la intensidad de la corriente e léctrica a través de la ley de Ohm:

¿ ~ ,

R = }!_

J :0

~'

.., e:

1

1

4

ELECTRÓNICA Algunas resistencias disponen, además, de una tercera banda para el valor, que se interpreta del mismo modo que la primera y segunda. En este ti po de resistenc ias el multiplicador ocupará el cuarto lugar.

Un resistor, conocido también como resistencia, es un elemento pasivo que disipa energía eléctrica en forma de calor, de acuerdo con la ley de Joule. En circuitos eléctricos se utiliza, generalmente, para reducir la intensidad de la corriente o para fij ar e l valor de la tensión.

La potencia que es capaz de disipar una resistencia sin dañarse viene dada por el tamaño de esta en longitud y grosor.

Las resistencias más utilizadas están construidas a partir de carbón o de otros materiales resistivos.

Recuerda que... La resistencia de un conductor viene dada por la expresión:

R=p· -

donde:

16

2

L

S

13

p: resistividad (íl · m). L: longitud (m). S: sección (m 2).

{l ll&f

0,5

10

0,25

6,4

0,125

3,5

Ql l é

• • 8.2.1 . Identificación de las resistencias

Figura 8.5. Potencia nominal de las resistencias.

Para identificar las resistencias se emplea un código de colores basado en el uso de franjas transversales de distintos tonos. Cada una de estas franjas debe su valor al color y a su posición.

La tolera ncia de una resistencia nos indica la precisión que podemos esperar de l valor de la resistencia. Es decir, establece los valores máx imos y mínimos que podrá tener esa unidad en concreto.

Negro Marrón

Blanco

o"'

o

o

1

1

= 1o 102 = 100 103 = kO 104 = 10 kO 105 = 100 kO 106 = MO 107 = 10 MO 108 = 100 MO 109 = 1 GO 10

2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

8

8

9

9

1

±1% ±2%

±0,5 %

± 0,1 %

Oro

±5%

Plata

± 10 %

Sin banda

±20%

FiguraBA. Código de colores para resistencias de carbón.

1 ,O 1,2 1,5 1,8 2,2 2,7

3,3 3,9 4 ,7 5 ,6 6 ,8 8,2

1 ,O 1 '1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0

2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3

4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

ELECTRICIDAD Las resistencias de montaje superficial (SMD) se identifican mediante un código numérico impreso sobre ellas del siguiente modo: • 1• cifra: primera cifra del valor de la resistencia. • 2" cifra: segunda cifra del valor de la resistencia. • 3" cifra: multiplicador (10 elevado al valor de la cifra). De este modo, por ejemplo, una resistencia SMD eti quetada como 100 tiene un valor de 1O n y otra etiquetada como 205, de 2 MO. Figura 8.8. Sello postal homenaje al código de colores.

Figura 8.9. Resistencia variable para aplicaciones de potencia.

• • 8.2.2. Resistencias variables Figura 8.6. Resistores SMD.

Los resistores que hemos visto hasta ahora mantienen constante su valor de resistencia en el caso ideal y se denominan

resistencias fijas. 8.1. Identifica las siguientes resistencias y determina los valores máximos y mínimos que podrán tener.

Suelen fabricarse con una base de carbón (ya sea en aglomerado o película). Las resistencias de precisión se fabrican con una película metálica y las de potencia se suelen desarrollar con un bobinado de hilo resistivo.

'

.§ j

¡¡;

..,'

"1.

e: j

Figura 8.7. Resistores.

:¡;

Figura 8.1 O. Potenciómetros de carbón.

1

J

ELECTRÓNICA Sin embargo, en algunas aplicaciones resu lta adecuado el uso de dispositivos que permitan variar su resistencia desde el exterior. Pensemos, por ejemplo, en el control de volumen de una radio. Estas resistencias variables reciben el nombre de potenciómetros o reóstatos. Suelen construirse a partir de una película resistiva colocada en forma circular. A diferencia de las resistencias fijas, disponen de 3 terminales, uno a cada uno de los extremos y un tercero que actúa como cursor, que se desplaza sobre la película para obtener, así, los distintos valores de resistencia.

Estas resistencias no se comportan de manera lineal en todo el rango posible de temperaturas, por lo que será necesario consultar su curva característica para seleccionar la resistencia más adecuada.

8.2. Comprueba experimentalmente la variación de temperatura de una resistencia PTC y NTC utilizando un óhmetro y una fuente segura de calor.

• • 8.2.4. Resistencias dependientes de la luz (lOA) Una resistencia dependiente de la luz (light dependent resistor, LDR) o fotorresistencia es un tipo de resistor que tiene la capacidad de hacer variar la resistencia óhmica entre sus terminales en fu nción de la intensidad lumínica que incide sobre ella. Figura 8.11 . Resistencia NTC.

En concreto, la resistencia ofrecida decrece conforme aumenta la intensidad luminosa desde unos 100 MO, en completa oscuridad, hasta 100 O, bajo iluminación máxima. Esto se debe al efecto fotoeléctrico, ya que la energía aportada por el fotón incidente permite que los electrones salten la banda de conducción. Sus aplicaciones van desde la detección crepuscular para el control de iluminación exterior hasta aplicaciones de control industrial o, incluso, la medición de luminosidad para sensores de cámaras digitales.

• • 8.2.5. Resistencias dependientes del voltaje (VDR) Figura 8.12. Resistencia LDR.

• • 8.2.3. Resistencias dependientes de la temperatura

Una resistencia dependiente del voltaje (VDR) o varistor es un dispositivo semiconductor con capacidad para variar la resistencia entre sus terminales en función de la diferencia de potencial existente entre ellos.

Este tipo de resistores presentan una resistencia variable en función de la temperatura que exista a su alrededor. Se construyen a partir de óxidos semiconductores y se clasifican en dos tipos: • Resistencias con coeficiente de temperatura positivo (PTC): el valor de la resistencia aumenta al subir la temperatura. • Resistencias con coeficiente de temperatura negativo (NTC): presentan menor resistencia cuando dis minuye la temperatura.

Figura 8.13. Varistores.

ELECTRICIDA Suele utili zarse para proteger a los circuitos ante cambios importantes de tensión, regulando la intensidad de corriente. De este modo, se evita la aparición de chispas y los calentamientos excesivos.

• • 8.2.6. Magnetorresistores (MOA)

Además de la capacidad, a la hora de e legir un determinado condensador hay que tener en cuenta las siguientes especificaciones: • Tensión nominal de funcionamiento (VJ es la tensión máxima a la que puede trabajar un condensador de manera permanente sin resultar dañado o deteriorado.

Los magnetorresistores son dispositivos con la capacidad de variar la resistencia óhmica entres sus terminales en función del campo magnético externo que se les aplique en ese momento.

• Te nsión de perforación del di eléctrico (V): es la diP ferenci a de potencial máxima que puede soportar el condensador sin que se genere un arco e léctrico entre ambas armaduras, que produciría una perforción de l die léctrico y destruiría el condensador.

Esto los hace especialmente útiles como cabezales de lectura de soportes de almacenamiento magnético de datos o como detectores de proximidad de objetos e n procesos industriales.

• Coefic iente de te mperatura (TJ es la variación que experimenta la capacidad de un condensador en función de los cambios de temperatura.

• • 8.3.1. Tipos de condensadores En el mercado existen numerosos tipos de condensadores, dependiendo de su modo de fabricación y funcionamiento. De este modo, pueden adaptarse a las distintas aplicaciones. • Condensadores electrolíticos (Figura 8.15): suelen estar formados por una lámina de plomo y otra de aluminio, enrolladas, junto a una capa de papel absorbente impregnado en un electrólito (ácido bórico, borato de sodio, c loruro de amonio, etc.). En este tipo de condensadores es muy importante respetar la polaridad del condensador, la cual suele estar indicada en su cubierta y que depende de la longitud de sus patillas (el cátodo es más corto). Esto limita sus aplicaciones. Figura 8.14. Magnetorresistencia en el cabezal de lectura de un disco duro.

11 8.3. Condensadorss Un condensador es un componente electrónico pasivo que tiene la propiedad de almacenar y, después, entregar pequeñas cantidades de carga eléctrica. Habitualmente está constituido por dos láminas de material conductor entre las cuales se coloca un dieléctrico.

• Condensadores de poliéster: se construyen depositando a luminio sobre láminas finas de poliéster o mylar. Son condensadores de tamaño reducido. • Condensad ores de poliestireno (Figura 8.16): similares al tipo an terior. Una de sus características más interesantes es que presentan un coeficiente de temperatura negativo.

La cantidad de carga almacenada por un condensador, expresada en culombios, viene dada por la expresión :

Q=C· V, donde Ces la capacidad del condensador, expresada en faradios (F) y V, la diferencia de potencial aplicada entre sus terminales, expresada en voltios (Y). Como el faradio es una unidad muy grande, en electrónica se utilizan sus submúltiplos, especialmente el picofaradio (pF), el nanofaradio (nF), el microfaradio (J..IF) y el mili faradio (mF).

.... .. "!

·~

Figura 8.15. Condensadores electrolíticos.

ELECTRÓNICA que permiten la regulación de s u capacidad. Suelen construirse a partir de unas láminas metálicas semicirculares situadas sobre un soporte giratorio. Este soporte aumenta o disminuye la superficie superpuesta de las láminas, variando en el mismo sentido la capacidad.

Figura 8.1 6. Condensadores de plástico.

• Condensadores de mica: son condensadores con muy buen comportamiento a frecuencias altas, que aprovechan las características físicas de la mica para obtener finas láminas de dieléctricos. Sin embargo, el coste es mayor que el originado con otras tecnologías. • Condensadores cerámicos (Figura 8.17): se utilizan distintos compuestos cerámicos como dieléctricos. Generalmente presentan capacidades y tensiones nominales bajas.

Figura 8.18. Detalle de un condensador variable.

Además, existen condensadores en los que el dieléctrico es el aire o papel. Otros, como los de electrodo de tantalio están cayendo en desuso.

• • 8.3.2. Comportamiento del condensador ante la corriente eléctrica Un condensador ideal se comporta como un circuito abierto ante la corriente continua en régimen permanente. Sin embargo, hasta que se alcanza dicho régimen permanente, el comportamiento es distinto.

Figura 8.17. Condensador cerámico.

r

Recuerda que...

l

La capacidad equivalente de una asociación de dos condensadores es:

Serie:

.:

Al conectar un condensador en un circuito, este comienza a almacenar carga eléctrica entre sus placas. Una vez que ha alcanzado su capacidad de carga máxima, deja de circular corriente eléctrica y el condensador se comporta como un circuito abierto. El tiempo que tarda en alcanzarse este estado se denomina tiempo de carga. Del mismo modo, al retirar la fuente de voltaje, el condensador entregará la carga almacenada, durante un periodo de tiempo denominado tiempo de descarga. Ante el paso de la corriente alterna, el condensador ofrece una reactancia capacitiva definida por la expresión:

Paralelo:

X =-le

jOJC

donde • Condensadores variables: del mismo modo que existen resistores variables, disponemos de dispositivos

w=2·n:·f C: capacidad del condensador, expresada en faradios.

8. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Por el condensador circulará una corriente eléctrica, adelantada 90° (rr./2 radianes) respecto a la tensión aplicada.

ELECTRICIDAD donde

w=2·n·f L: inductancia de la bobina expresada en henrios.

- 8.4.1nductoms obobinas Un inductor o bobina es un elemento pasivo que tiene la propiedad de almacenar energía eléctrica en forma de campo magnético gracias al efecto de la autoinducción. Esta capacidad de almacenamiento se mide en henrios (H). Generalmente, se construye mediante un arrollamiento de hilo conductor al aire o sobre un núcleo ferromagnético.

Por la bobina circulará una corriente eléctrica, retrasada 90° (rr/2 radianes) respecto a la tensión aplicada.

- 8.5. [1 diodo El d iodo es un dispositivo semiconductor dotado de dos terminales y que solamente permite el paso de la corriente eléctrica en un sentido. Los diodos más uti lizados son los diodos de unión P-N. Estos diodos se fabrican empleando las propiedades de los semiconductores en función del tipo de dopado con el que se fabriq uen. Así, estarán compuestos por la unión de un cristal de tipo P (exceso de carga positiva) con un cristal tipo N (exceso de cargas negativas):

Figura 8.20. Representación de la unión PN

Esta diferencia de cargas en la unión genera una barrera de potencial, que se opone al paso de la corriente. Si el diodo se polariza en directa, tal y como aparece en la Figura 8.21 a. será posible vencer esta barrera potencial y el diodo comenzará a permitir el paso de la corriente eléctrica, una vez que la tensión aplicada supere un mínimo, denominado tensión de polarización (VF). El valor de esta tensión dependerá del tipo de semiconductor empleado para la fabricación del diodo; puede variar entre los 0,2 V del germanio y los 0,6 V del silicio.

Figura 8.19. Inductores formando parte de circuitos electrónicos.

En cierto modo, su funcionamiento ante el paso de la corriente es inverso al del condensador, ya que se comporta prácticamente como un cortocircuito para la corriente continua, una vez que se alcanza el régimen permanente. Solo ofrece la resistencia debida al hi lo con el que está construido, y puede llegar a modelarse como un circuito abierto para frecuencias elevadas. Así mismo, ofrece una reactancia inductiva al paso de la corriente definida por la expresión: X~.=JWL

Sin embargo, si se polariza el diodo tal y como aparece en la Figura 8.22.a, es decir, en inversa, la tensión aplicada refuerza más aún la barrera de potencial, no permitiendo el paso de la corriente hasta que se alcanza una determinada tensión de ruptura (Vz) debida al efecto avalancha y que provoca la destrucción del diodo.

• • 8.5.1. Recta de carga de un diodo La recta de carga de un diodo es una herramienta gráfica que nos permite conocer su punto de pola r ización, es decir, la diferencia de potencial existente entre sus terminales y la intensidad de la corriente eléctrica que lo recorre. Para trazar la recta de carga, se parte de la curva de polarización en directa del diodo empleado y se calcula el punto

O-ELECTRÓNICA IF(mA) 1

80

r

60 40

20

o (a)

___.____ 0,2

(b)

0,4

0,6

0,8

VF (V)

Figura 8.21. (a) Diodo polarizado en directa (b) Curva de polarización directa de un diodo PN.

20 - 100 ,

--

-50

SiliCIO

Germanio (a)

(b)

Figura 8.22 (a) Diodo polarizado en inversa (b) Curva de polarización inversa de un diodo PN.

de corte de la recta de carga con los ejes. La pe nd iente de esta recta dependerá de l valo r de la resistenc ia empleada.

Para e llo, resolveremos esta expresión para dos casos particulares: • Si V"= O, entonces:

RS

V R

1 =F

1

• Si Vr = V, ento nces: lf

=o

Con esto, o btenemos los puntos de corte de la recta con los ejes. Su inte rsecció n con la curva de polarizació n del di odo determinará e l punto de trabajo o de polari zación.

Figura 8.23 Circuito de polarización para obtener la recta de carga.

Si analizamos e l circuito anterio r, aplicando la ley de Ohm obtenemos que:

..

o

1 =

'

Recta do carga

V-V f

V

R

' do nde V es la tensión de la fuente y VF (tensió n de po larización) e / 1 (intensidad de corriente de po larización), los parámetros q ue deseamos o btener.

Figura 8.14. Recta de carga de un diodo.

ELECTRICIDAD-E

8.3. A partir de la curva de polarización de un diodo, traza la línea de carga para el caso en el que la tensión de la fuente sea de 5 V y la resistencia de carga 470 ohmios. Como hemos visto hasta ahora, la curva de polarización de un diodo tiende a asemejarse bastante a un circuito abierto para tensiones cuyo valor está por debajo de la tensión de polarización o tensión umbral y a un cortocircuito, para tensiones superiores. Esto hace que, en la mayoría de los caso,s podamos modelar al diodo de manera sencilla sin que e l error sea significativo.

o----IIJJ.~I--o

• Diodo de efecto túnel : tiene una zona de funcionamiento en la que presenta una resistencia negativa debido al efecto túnel; de este modo, se permite la amplificación de señales. • Diodo regulador de corriente: tiene un funcionamiento análogo al diodo Zener pero, en este caso, la magnitud que se mantiene constante es la intensidad de la corriente eléctrica. • Diodo Gunn: similar al diodo de efecto túnel, presenta una zona con resistenc ia negativa. • Diodo emisor de luz (LEO): en este tipo de diodos, los portadores (electrones o huecos) que atraviesan la unión PN generan un fotón. Gracias a este efecto producen una iluminación de alta eficiencia energética.

o..-----~o~~¡~---o

O.? V

0~~~~ ~

o...._--o

(a)

o----o

(b)

Figura 8.25. Modelo simplificado de un diodo polarizado en directa (a) y en inversa (b).

Figura 8.27. Diodos LEO.

• • 8.5.2. Otros tipos de diodo Además del diodo de unión P-N estudiado hasta ahora, existen otros tipos de diodos con múltiples aplicaciones prácticas. • Diodo Zener (Figura 8.26): es un diodo diseñado específicamente para trabajar en la zona de ruptura. Esto lo hace prácticamente fundamental en los reguladores de tensión. Al contrario que el diodo de unión P-N, se polariza e n inversa, manteniendo una tensión constante entre sus terminales. Si se polariza en directa, su funcionamiento es similar al del diodo P-N .

• Diodo PIN: está formado por la unión de un cristal de semiconductor sin dopar (intrínseco) situado entre los cristales P y N. Se utiliza principalmente como fotodiodo. • Diodo láser: parte de la base de funcionamiento del diodo LEO, pero haciendo uso además de una cavidad resonante que provoca una gran amplificación. • Diodo térmico: bajo este nombre se conocen tanto los diodos empleados para controlar que la temperatura de funcionamiento está dentro de los márgenes adecuados, como los diodos empleados para generar calor (efecto termoeléctrico) o refrigeración. Este último es el caso, por ejemplo, de los diodos Peltier.

·~

,"

e:

ii'

Figura 8.28. Fotodiodo PIN.

o

J

O-ELECTRÓN ICA • Diodo Schottky: este diodo se construye mediante la unión entre un metal y un semiconductor. Tiene una tensión de ruptura mucho menor que los diodos PN. Se usan principalmente en circuitos de alta velocidad y fuentes conmutadas.

11 8.6. fl transistor El nombre de transistor proviene de la contracción de transfer-resistor o resistencia de transferencia. Su descubrimiento otorgó el Premio Nobel de Física a sus inventores, Bardeen, Brattain y Shockley. Es un dispositivo semiconductor de tres terminales, que puede realizar las funciones de amplificación, conmutación, oscilación o rectificación, lo que hace que se encuentre presente en prácticamente todos los dispositivos electrónicos desarrollados en la actualidad. Existen varios tipos de transistores, en función de la tecnología en la que se base su funcionamiento. Los más importantes son el transistor bipolar de unión (BJT) y e l transistor de efecto de campo (FET).

Una regla mnemotécnica sencilla para distinguir los transistores PNP de los NPN es comprobar si en su símbolo, la flecha del emisor penetra o no penetra en la base.

El transistor basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector mediante variaciones de la corriente de base. Analizaremos a continuación el transistor PNP. Si observamos la Figura 8.30, podemos comprobar que la situación es similar a la de dos diodos PN enfrentados. Teniendo en cuenta que el transistor es un nudo de tres terminales, la suma neta de las corrientes entrantes y salientes debe ser cero. De esta forma obtenemos una de las ecuaciones fundamentales del transistor.

-

VBC

-

-~

• • 8.6.1. fl transistor bipolar -'--

El transistor de unión bipolar (bipolar junction transistor, BJT) está formado por dos uniones P-N, lo que permite controlar el paso de corriente entre sus terminales. Como se observa en la figura anterior, cada uno de los terminales del transistor bipolar recibe un nombre distinto.

v

ls

~

VEB

-

Figura 8.30. Transistor PNP.

IE+IB+I( =0 Además, podemos definir los siguientes parámetros:

Colector

Base

Colector

• Ganancia de corriente (/3): es la relación entre la intensidad de corriente de colector y la intensidad de corriente de base. También se denota también como hFE'

{3 =.i_ 18 • Parámetro alfa (a): es la relación entre la corriente de colector y la de em isor.

Base

1

a= ~

Emisor

...e:

(a)

Figura 8..l9 Transistor bipolar PNP (a) y NPN (b).

IF

Emisor (b)

Ambos parámetros se relacionan entre sí mediante las siguientes expresiones:

{3= -

a

l-a

{3 a=-{3 +l

8. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

ELECTRICIDADVce

8.1. Calcula los parámetros a y f3 de un transistor PNP, sabie ndo que la corriente de colector es de 5 mA para una corriente de base de 0,025 m A. Solución: Aplicando las expresiones vistas a nteriorme nte:

f3 = !.i:_ = 18

a= _

5 mA 0,025 mA

Vout

200

/3_ = 200 =O 995

f3 + 1

201

,

De lo que, ade más, pode mos deducir que la corrie nte de e misor será de 5,025 mA .

Vin

El transistor bipolar tie ne tres zonas de funcionamiento: • C orte: e n es ta zona no c irc ula co rrie nte a través del transistor. Esto sucede c ua ndo 16 = O o inc luso, c ua ndo tie ne signo negati vo. Para ope rar e n zona de corte se de be e liminar la dife re nc ia d e pote nc ial entre base y e misor, VIl E = O. • Activa: es aquella e n la que c irc ul a corri e nte po rtodos los te rm inales de l trans isto r. Se consigue pola ri zando e n directa la unió n base-emi sor y e n in versa, la colector-base: V111:.

=0,7 v

le = f3 . ltJ • Saturación: es aquell a e n la que a mbas uni ones se e nc ue ntra n pola ri zadas e n directa. Esto hace q ue la s ituac ión venga d ada por las siguie ntes ex presio nes.

VBE =VB t.\al VCL =VCE cu 5

Para estudia r e l funcio na mie nto de l transistor bipolar, a nalizaremos una de las config urac iones más e mpleadas e n los circuitos, la configuració n de emisor común. Si a plica mos las leyes de Kirc hho ff, compro ba mos que la recta de carga vendrá dada por la ex presión: Vce

Figura 8.31. Transistor NPN en configuración de emisor común.

Recuerda que... 1• Ley de KirchhofT: la suma de las corrientes que entran a un nudo es igual a la suma de las corrie ntes que sale n. 2" Ley de KirchhofT: la suma algebraica de las caídas de tensión en una malla es igual a cero.

S uperponie ndo esta recta sobre las curvas características del transistor, que re lac io na n la corrie nte del colector con la te nsión de l colecto r-emiso r para vari as inte nsidades de corrie nte d e base co nsta ntes, que podemos o bte ne r de sus especificaciones técnicas, obte ndre mos g ráficame nte el punto de trabajo Q.

Recta de carga estát1ca

=1e · Re + Vce

Para trazarla, estudiaremos los dos puntos de corte con los ejes: • C uando l e = O la te nsió n e ntre e l colecto r y el e mi sor es ig ual a la tensión de a lime ntació n, luego: V Cé'

= v ec

.!:

• C ua ndo la dife re nc ia d e po tenc ia l e ntre colector y emisor es nul a, VcL =O y, por ta nto, v cc lc=-Rc

Figura 8.32. Determinación gráfica del punto de trabajo.

-ELECTRÓNICA Si aplicamos las leyes de Kirchhoff a la malla de la base, tenemos que: Vcc = V1w +/t.· R~:.

mente debido al efecto avalancha, que puede llegar a destruir el transistor.

VB/:.= 0,7 V

• Región de corte: en ella, e l transistor se comporta como un interruptor abierto. Esto sucede cuando IVGsl > IVPI, donde V es la tensión de puerta que consigue cerrar el canal. En esta situación / 0 =O.

Además, como vimos anteriormente, en un transistor en zona activa se cumple que

• Región óhmica: en esta zona, el transistor se comporta como una resistencia variable por tensión.

lc= f3·11:.

• Región de saturación: aquí, el transistor se comporta como un interruptor cerrado. Esto sucede cuando VGs = O. Bajo estas circunstancias, la corriente del drenador se mantiene constante en un valor característico de cada transistor. Este valor se denomina /oss·

Sabemos que la unión base-emisor se comporta como un diodo polarizado en directa, por lo que podemos aproximar

Por tanto:

• Región activa: está situada entre las regiones de saturación y de ruptura. Bajo estas circunstancias, los parámetros del transistor vienen dados por la siguiente expresión. 8.4. Calcula 1e- 18 y V0 para un transistor polariLado en configuración de emisor común, sabiendo que Vcc = 12 V, Re = 220 0., R8 = 68 kO. y la ganancia de corriente ({3) del transistor es de 200.

• • 8.6.2. fl transistor HT

10 (mA)

Los transistores de efecto campo (field e.ffect transistor, FET) son un tipo de dispositivos que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un «canal» en un material semiconductor. En cierto modo, podríamos decir que se comportan como resistencias controladas por tensión. Los transistores de efecto de campo más utilizados son los JFET (junction jield-effect transistor), MOSFET (metal-oxide semiconductor FED y MISFET (metal-insu/ator semiconductor FED . Drenador

Puerta

:/

Figura 8.34. Reg1ones de funcionamiento de un transistor )FET.

Drenador

Los transistores MOSFET son similares a los JFET que acabamos de estudiar. La principal diferencia es que en ellos la puerta (G) está aislada del canal. Gracias a esto, la corriente de puerta es prácticamente nula, presentando una altísima impedancia de entrada.

Puerta

Surt1dor (a)

Frontera entre la reg1ón óhmica y la región act1va

Surt1dor (b)

J

J

Drenador

Drenador

Figura 8. B Transistores JFET de canal N (a) y canal P (b). Al igual que los transi stores bipolares, disponen de tres terminales, denominados puerta (gate), drenador (drain) y surtidor o fuente (source). !

Los JFET disponen de cinco zonas de funcionamiento: • Región de ruptura: si la tensión entre drenador (V05) es muy alta, la corriente de drenador aumenta rápida-

Puerta J PuertaJ 9 Surtidor (a)

Sustrato

1)>

1

Surt1dor

(b)

Figura 8.31. Transistores MOSFET de enriquecimiento de canal Pde 3 (a) y 4 terminales (b).

ELECTRICI DA

8. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Por este motivo, los MOSFET son prácticamente los transistores más utilizados para amplificación de señales débiles, ya que, además de la alta impedancia de entrada, poseen una reactancia capacitiva muy baja.

V¡

Podemos distinguir entre dos tipos de MOSFET: • MOSFET de enriquecimiento: se basan en la creación de un canal entre el drenador y e l surtidor mediante la aplicación de una tensión en la compuerta. Esto produce un incremento de la conductividad eléctrica, debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal. • MOSFET de empobrecimiento: tienen un canal conductor en su estado de reposo que desparece mediante la aplicación de la tensión eléctrica en la puerta, disminuyendo la cantidad de portadores de carga y la conductividad.

Onda rectificada (media onda) (a)

(b)

Figura 8.3i. Señal de entrada (a) y de salida (b) de un rectificador de media onda.

La tensión media de salida, también llamada tensión de corriente continua, vendrá dada por la siguiente expresión: V

=

Vnuu . -07 -' 1t

metl

11 8.7. Rectificadores

donde 0,7 V es la caída de tensión en el diodo aplicando el modelo simplificado visto anteriormente.

Un rectificador es el circuito electrónico que permite convertir una señal de corriente alterna a corriente continua. Resulta de utilidad, por ejemplo, en una fuente de alimentación para dispositivos electrónicos, ya que debe convertir la señal alterna de 230 V de la red eléctrica en una señal continua de una tensión más adecuada. El elemento fundamental de los tipos de rectificadores que estudiaremos a continuación es el diodo.

8.2. Calcula la tensión de corriente continua a la salida de un rectificador de media onda, sabiendo que está alimentado por una tensión alterna de 110 V de valor eficaz. Solución: El valor máximo de la tensión será

• • 8.7.1. Rectificador de media onda El rectificador de media onda, como su propio nombre indica, elimina un semiperiodo de la señal de entrada. Se realiza utilizando solamente un diodo. Tal como se puede deducir fáci lmente del esquema, cuando la tensión de entrada tiene un valor positivo, el diodo estará polarizado en directa, permitiendo el paso de la corriente.

V, á.( = Vt1 V ml'fl

l 2 = 155,56 V

= L55,56 V- 0,7 V = 1C

49 ,30 V

Es importante tener en cuenta de que el diodo debe ser capaz de soportar la tensión máxima del semiperiodo negativo, si entra en zona de ruptura.

• • 8.7 .2. Rectificador de onda completa RL

Figura 8.36. Esquema del rectificador de media onda.

Sin embargo, para valores negativos de la tensión de entrada, este se comportará como un circuito abierto.

La técnica más habitual para conseguir una rectificación de onda completa consiste en la utilización de un puente de diodos. En este rectificador, durante el semiciclo positivo están polarizados en directa los diodos 02 y 03. Por el contrario, durante el semiciclo negativo estarán polarizados en directa los diodos 04 y O l. Esto hace que la carga reciba siempre una señal de la misma polaridad.

ELECTRÓNICA Con esta técnica, la tensión de rizado de la salida pasará a ser:

Vin

V

ri:odo

RL

Figura 8.38. Rectificador de onda completa por puente de diodos.

=_!__ JC

Donde fes la frecuencia del rizado en Hz y C, la capacidad del condensador en F. Es importante tener en cuenta que en el caso de un rectificador de onda completa, la frecuencia del rizado será el doble de la de la señal de entrada. Tal como se observa en la expresión anterior, cuanto mayor sea la capacidad del condensador menor será el rizado resultante. Tras el fi ltrado la tensión de corriente continua será:

V

Onda rectificada (onda completa) (a)

(b)

Figura 8.39. Señal de entrada (a) y de salida (b) de un rectificador de onda completa.

ce

=V

V.

_

nzado

2

mtU

En los casos en los que es necesario reducir aún más la tensión de rizado, se puede recurrir a filtros LC, denominados así porque están formados por bobinas y condensadores, que consiguen mejorar notablemente la señal de salida. Sin embargo, en la actualidad resultan más precisos y eficaces Jos estabilizadores y reguladores de tensión integrados, que estudiaremos en las fuentes de alimentación en la Unidad d idáctica siguiente.

En este caso, la tensión de continua vendrá dada por: v mtb-

1,4

8.5. Calcula la tensión de corriente continua a la salida de un rectificador de onda completa, sabiendo que está alimentado por una tensión alterna de 230 V de valor eficaz.

• • 8.7 .3. filtrado En los rectificadores que hemos visto hasta ahora, si bien la señal de salida tiene un valor medio distinto de cero, presenta fuertes oscilaciones en su amplitud y dista mucho de tener el aspecto de una señal de corriente continua. Para reducir este efecto, denominado rizado, la solución más sencilla consiste en utilizar un condensador en paralelo con la salida del rectificador.

11 8.8. Circuitos amplificadores basados en transistores Un amplificador es un elemento que tiene la capacidad de aumentar la amplitud de la señal presente a su entrada. Esta relación entre la entrada y la salida se denomina ganancia y puede distinguirse entre: • Ganancia de tensión: relación entre el nivel de tensión de la señal de entrada (V) y la de la salida (VJ V

A =o

,.

V

l

• Ganancia de corriente: si el parámetro de estudio es la intensidad de corriente eléctrica, su ganancia se define como:

A

1 1

=o l

1

• Ganancia de potencia: es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida.

..

"' Figura 8.40. Filtrado con condensador para reducir el rizado.

V.¡ 0 A = -0- =A ·A " V.¡ ,. 1

1

1

ELECTRICIDAD

B. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Vce

• • 8.8.1 . Amplificador de emisor común El amplificador de emisor común es uno de los ampli ficadores más utili zados para aplicaciones de pequeña señal. Se construye a partir de un transistor bipolar en configuración de emisor comú n, al que se le añade un condensador de acoplamiento (C1), para evitar el paso de la compone nte de corriente continua que tenga la fuente de entrada, y un condensador de paso (CE), para que la resistencia de emisor quede cortocircuitada para la señal de corriente altern a.

Re

v.

vcc

Re

Rl V out

~

...+_ ___ _-1 (a)

(b)

Figura 8.42. Modelo equivalente para corriente continua (a) y corriente alterna (b). CE

+

Como V8 E= 0,7 V (para transistores de silicio), podemos obtener directamente la tensión de emisor. VE= VB- 0,7 V

Y, por tanto, la corriente de emisor será:

Figura 8.41 . Amplificador de pequeña señal de emisor común.

De l razonamiento anterior se deduce que en este ampli ficador existirán dos mode los equivale ntes, uno para corriente alterna y otro para corriente continua. El mode lo de corriente continua se obtiene sustituyendo los condensadores por circuitos abiertos y cortocircuitando las fuentes de corrie nte alterna. Para el modelo de corriente alterna se procede de forma inversa, cortocircuitando las fuentes de corriente continua y considerando los condensadores como circuitos abiertos. En primer lugar, analizaremos el mode lo de corriente continua. La corriente que recorre R, será la misma que recorre R2 (suponiendo 18 = 0): V 1= ce luego VB = 1 . R2 R 1 +R2 '

VE fE= - , RE

con lo que ya podemos resolver la malla: Vc =Vcc- 1c · Rc

Con esto obte ne mos el punto de trabajo de l transistor. Es importante tener en cuenta que la señal alterna que se pretende amplificar no puede tener una ampl itud tal, que haga salir al transistor de la zona acti va, ya que, en ese caso, la señal de salida aparecería recortada. Para obtener la ganancia de tensión en a lterna debe analizarse el circuito equi valente para corri ente alterna. Este modelo puede simpli ficarse aú n más mode lando el transistor por la resistencia del diodo base-e misor y el colector por una fuente de corriente. Así, pode mos deducir que vbc r =-

'

1.

'

'

-ELECTRÓNICA donde r es la rel>istencia en alterna de l emisor, vbe es la señal al~erna de entrada e ie es la intensidad de corriente alterna que circul a por e l emisor. Una buena aprox imac ión matemática de la expresión anterior viene dada por la expresión

8. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

• • 8.8.3. Amplificador de base común En este tipo de amplificador, como su propio nombre indica, la base actúa como elemento común entre entrada y salida.

25 mY

r=---

'

donde 1E es la intensidad de corriente de continua que circula por e l emisor que hemos calculado anteriormente. Esto nos permite obtener fáci lmente la ganancia aproximada en alterna del amplificador, una vez que hemos determinado su punto de trabajo, aplicando la expresión:

Rz

v R A=__.!!.._=:-'· , v; r,

• • 8.8.2. Amplificador de colector común El amplificador d e colector común también se conoce como seguidor d e em isor, ya que tiene una ganancia muy cercana a J. Resulta especialmente útil como adaptador de impedancias.

Figura 8. t. Amplificador de base comun.

Su ganancia es similar a la de la configuración de emisor común, pero con un mejor compo rtamiento frente a las frecuencias altas. A ..

vcc

T

R =re r

• • 8.8.4. Par Oarlington Para conseguir una gran ganancia de corriente pueden acoplarse directamente entre sí dos transistores en configuración de emisor común, dando lugar al denominado par Darlington.

Rl Colector

Base

Emisor

Fi¡:ura 8.

Amplificador de colector común.

En este amplificador, la ganancia de tensión bien dada por la expresió n

Figura a..n Transistor Darlington.

la

En este caso, la f3 del transistor será igual al producto de f3 de cad a uno de los transistores. A, = fJ1 . fJ2

•

8. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

11 Actividades de comprobación 8.1 . Un transistor es un dispositivo: a) Optoelectrónico. b) Pasivo.

8.7. ¿Cuál será el valor de la capacidad equivalente a dos condensadores de 100 11F colocados en serie? ¿Y en paralelo? a) 50 11F en serie y 200 11F en paralelo.

e) Activo.

b) 200 11F en serie y 50 ¡..LF en paralelo.

d) Electromecánico. 8.2. Una resistencia con tres bandas rojas y una dorada tiene un valor de: a) 220 O y tolerancia 5 %.

e) 200 11F en serie y 1 00 ¡..LF en paralelo. d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta. 8.8.

¿Cómo se llama la relación entre la corriente de base y colector en un transistor bipolar?

b) 220 O y tolerancia 1O %

a) Alfa.

e) 2,2 kO y tolerancia 5 %.

b) Beta.

d) 2,2 kO y tolerancia 5 %.

e)

8.3. ¿Cuál será el valor de la resistencia equivalente de dos resistencias de 100 O en serie? ¿Y en paralelo? a) 50 O en serie y 200 O en paralelo.

hFE"

d) Las respuestas b y e son correctas. 8.9. ¿Qué se consigue mediante el uso de un par Darlington?

b) 200 O en serie y 50 O en paralelo.

a) Más estabilidad.

e) 200 O en serie y 100 O en paralelo.

b) Más ganancia.

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

e) Menos consumo.

8.4. ¿En qué tipo de condensadores es importante respetar la polaridad? a) En todos. b) En los electrolíticos. e) En los cerámicos. d) En ninguno. 8.5. Un inductor o bobina tiende a comportarse en altas frecuencias como: a) Un cortocircuito. b) Un circuito abierto. e) Un condensador. d) Un amplificador. 8.6. Un condensador tiende a comportarse en altas frecuencias como:

d) Menos ganancia.

8.10. ¿Qué ventaja aporta la configuración en base común frente a la de emisor común? a) Más ganancia. b) Mejor comportamiento en alta frecuencia. e) Mejor comportamiento en baja frecuencia. d) Menor precio. 8.11. ¿Qué configuración suele utilizarse para adaptar impedancias? a) Colector común. b) Emisor común. e) Base común. d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta. 8.12. ¿Qué nombre reciben las oscilaciones que aparecen en la señal de salida de un rectificador?

a) Un cortocircuito.

a) Transitorios.

b) Un circuito abierto.

b) Conmutaciones.

e) Un inductor.

e) Rizado.

d) Un amplificador.

d) Ninguna de las respuestas anteriores es correcta.

11 Actividades de am liación 8.13. ¿Qué colores deben mostrar las siguientes resistencias? a) 2,2 kO, con tolerancia deiS%. b) 47 MO, con tolerancia del 1O %.

8.19. Para el amplificador de emisor común de la Figura 8.41 , determina los siguientes parámetros, sabiendo que: R, = 15 kO, R 2 = 4,7 kO, Re= 1 kO y RE= 560 O y {3= 100. a) Tensión de continua en base, emisor y colector.

e) 330 O, con tolerancia del 5 %

b) Ganancia de tensión.

8.14. ¿Qué ventajas crees que aporta el uso de resistencias SMD? 8.15. Calcula la capacidad que debe tener un condensador utilizado como filtro en un rectificador para que la tensión de rizado sea de 2 V, para una entrada de 230 V eficaces de alterna, con una frecuencia de 50 Hz. 8.16. Utilizando un multímetro, verifica el funcionamiento de una resistencia LDA. Obtén experimentalmente su valor máximo y mínimo. 8.17. ¿Cómo deberá situarse el cursor de un potenciómetro de 1O kO empleado como divisor de tensión para que la tensión a su salida sea de 4,7 V cuando se le aplican 12 V de continua a su entrada? 8.18. Tras realizar varias medidas en un transistor, comprobamos que su corriente de colector es de 9 mA cuando su corriente de base es de 0,05 mA. ¿Cuánto valdrán sus parámetros a y {3?

e) Tensión de salida para una señal alterna de 5mV de pico de entrada. 8.20. ¿Cuál será la ganancia de un par Darlington formado por dos transistores como los de la Actividad de ampliación 8.19? Dibuja el símbolo correspondiente. 8.21 . ¿Qué ventajas presenta el amplificador de base común frente al de emisor común? 8.22. Calcula R 8 y Re para que el transistor de la Figura 8.31 (configuración de emisor común) esté situado en el punto de trabajo dado por: 18 = 1O IJA, 1e = 1 m A y VCE

= 7 V.

8.23. Busca información en internet acerca de los circuitos amplificadores basados en transistores MOSFET. 8.24.

Busca información en internet acerca de las curvas de potencia máxima de los transistores BJT.

o

•

B. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA ANALÓGICA

Práctica 8.1. Rectificador de onda completa Objetivos

Verificar el funcionamiento de un rectificador de onda completa basado en puente de diodos mediante su montaje en laboratorio.

Procedimiento

1. Prepara el siguiente material: • Generador de funciones. • Placa de prototipos (proto-boar~. • 4 diodos rectificadores. • Osciloscopio. • Resistencias. • Condensador. 2. Realiza el montaje de acuerdo con el siguiente esquema:

Vin

RL

Rectificador de onda completa.

3. Conecta a su entrada el generador de funciones empleando, por ejemplo, una señal sinusoidal de amplitud 5V y frecuencia 100 Hz. 4. A la salida deberás conectar el osciloscopio correctamente, de forma que esté configurado para la visualización. 5. Observa la forma de la señal de salida y compárala con la señal de entrada (puedes observarlas simultáneamente haciendo uso de los dos canales del osciloscopio). 6. Diseña un filtro por condensador de forma que la tensión de rizado sea del 1O%. Realiza el montaje y comprueba el resultado.

Práctica 8.2. Amplificador de pequeña señal Objetivos

Verifica el funcionamiento de un amplificador de pequeña señal realizado mediante un transistor bipolar en configuración de emisor común.

Procedimiento

1. Prepara el siguiente material: • Transistor BJT 2N2222A. • Condensadores electrolíticos: C, =1O~F. C2 =1 ~F y c.=47 ~F • Resistencias de O5 W: R1 = 2,2 kO, R2 = 12 kO , R. = 220 O, Re= 1kO y RL= 100 kO 2. Realiza el montaje de acuerdo con el siguiente esquema:

vcc

Re

C2

R1

V out +

C1 V in

RL

•

CE

F r

Amplificador de emisor común.

3. Tras realizar el montaje, alimenta con una tensión de continua Vce= 1OV. 4. Verifica el punto de trabajo del transistor y visualiza la señal de salida para distintas amplitudes de entrada.

Contenidos

ELECTRICIDAD-

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

bajo. En este caso, es importante ajustar el valor de ganancia de l primer amplificador a un ni vel bajo, para evitar que se sature el segundo amplificador.

R2

11 9.2. ~u entes de alimentación

1I

La mayoría de los aparatos electró nicos que utili zamos en nuestra vida diari a requieren una tensión de alimentación normalmente baja (5 V, 12 V, 48 V, etc.) en corrie nte continua. Para poder obtener estas tensiones a partir de la ofrecida por la red interior de las vi vie ndas, se utilizan las fuentes de alimentación.

Figura 9.11. Filtro paso·bajo.

La frecuencia de corte de l filtro se define por e l valo r de los componentes de la red RC :

1

.(= 2nRC Y la ampli ficación se obte ndrá mediante la relación entre R 1 y R 2, como vimos anteriormente.

Las princ ipales especificaciones de una fuente de alimentació n serán las siguientes: • Resistencia interna: la fuente de alimentación posee también una resistencia interna, que debe ser lo más reducida posible, ya q ue cuanto mayor sea esta, mayor será la caída de tensión que experimente la salida de la fuente conforn1e aumente la intensidad de corriente suministrada.

• • • filtro paso alto

• Tensión de rizado: es una medida de la componente de corriente al tema residual existente a la salida de la fuente. Suele ser muy reducida, del orden de varios mili voltios.

Si e n la config uración anterior intercambiamos la posición del condensador y de la resistencia que componen la red RC, o btendremos un filtro paso alto. Este tipo de filtros solamente dej arán pasar las frecuenc ias superio res a la frecuencia de corte lf.J

• Regulación de carga: indica e l g rado de variació n q ue puede presentar la te nsió n de salida de la fue nte en función de la de manda de corrie nte de la carga. Suele ex presarse en porcentaje(%) Regu ]ación de carga

R2

=V

nonunal

- Vcarga mJ XIma . 100 vnommal

Vout

• Regulación de línea: la tensió n de e ntrada de una fuente de alimentac ión tampoco se mantiene estable a lo largo del tiempo, s ino q ue existen pequeñas variac iones y fluctuacio nes debidas a di versos fenómenos. Es deseable que la fuente de alimentación sea lo más inmune pos ible a estas variacio nes. Regulación de línea=

V'alu.Ja máx - V-.altda min

.

1QQ

v noomnal

Figura 9.12. Filtro paso-alto.

En función de la tecnología empleada y de la estrategia de diseño existirán diversos tipos de fuentes de alimentación, las cuales introducire mos a lo largo de este apartado.

La frecuencia de corte y la ganancia se regulan de igual modo que en el ejemplo anterior.

• • • filtro paso-banda Si necesitamos un filtro que solamente deje pasar una banda detenninada de frecuencias, disponiendo de una frecuencia de corte inferior y o tra superio r, podemos construirlo mediante un fi ltro paso alto conectado a la salida de un filtro paso

Figura 9.13. Fuente de alimentación de un PC de sobremesa.

O-ELECTRÓNICA

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

nancia diferencial y la gananc ia en modo común. Cuanto mayor sea este parámetro, mejor será la cal idad del amplificador. Se expresa en decibelios (dB):

+Vce

A .

CMRR =20 · log _d,_t A

V1

(..'() 111

• • 9.1.1. Características del amplificador operacional

V2

A la hora de estudiar las características de un amp lificador operacional debemos distinguir entre el modelo ideal y el amplificador operacional real. Las características del AO ideal son las siguientes: • Ganancia de tensión infinita.

Figura 9.3. Amplificador operacional en configuración de comparador.

En esta situación, la señal de salida será:

• Impedancia de salida cero. +V,.,.•

• Impedancia de entrada infinita • Sin limitación de ancho de banda. • Ganancia en modo común igual a cero. Sin embargo, en el AO real esto no es así. Sus características son: • Ganancia en lazo abierto (A 0): es la ganancia máxima que puede obtener el AO sin emplear realimentación. El valor típico es de 200000. • Impedancia de entrada (Z;): tiene un valor alto, y depende de la frecuencia. El valor habitual es de cientos de Mfl. • Impedancia de salida (20 ) : tiene un valor bajo, en torno a los 100 n. • Ancho de banda (BW): depende de la ganancia de tensión empleada, pero suele ser menor de 1 mHz. • Rechazo en modo común (CMMR): depende del modelo concreto de amplificador, siendo uno de los valores más habituales 90 dB.

• • 9.1 .2. AO sin realimentación Cuando el amplificador runciona sin realimentación, es decir, en lazo abierto, se limita a amplificar la diferencia existente entre las señales de entrada. Ya que su ganancia en esta situación es del orden de 200000, prácticamente cualquier señal de entrada, por mínima que sea, provocará la saturación del amplificador. Cuando el amplificador entra en saturación, entregará a su salida la tensión de alimentación +Vcc o -Vcc' en función del signo de la señal diferencial de entrada. Esta propiedad lo hace especialmente interesante para utilizarlo como comparador.

V= o

{

O'

-V

( ·(·'

v2 si VI= v2 si VI< v2 si VI>

El caso central, es decir, V0 =O, es prácticamente imposible de conseguir en un AO real.

• • 9.1.3. AO con realimentación negativa La mayor parte de las aplicaciones prácticas del amplificador operacional se consiguen configurando este con realimentación negativa, es decir, introd uciendo de nuevo a la entrada parte de la señal de salida. Bajo esta circunstancia, podemos utilizar la hi pótesis de cortocircuito virtual (CCV) que consiste en: V= V + 1+

=1 =o

Es decir, a efectos de análisis podemos considerar que existe un cortocircuito virtual entre ambos terminales de entrada y que no entra corriente eléctrica al AO. Es importante resaltar que este cortocircuito es virtual, y no real.

• • • Seguidor de tensión Si aplicamos la técnica del cortocircuito virtual, comprobamos que V, = V,, por lo que su ganancia es l . La utilidad de esta configuración impedancia de entrada que presenta racional, lo que permite utilizar este impedancias o para aislar la carga de

se debe a la altísima el ampl ificador opemontaje para adaptar la fuente.

ELECTRICIDAD-E

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

La manera más sencilla de realizar esta conexión es colocando un regulador basado en d iodo Zener a la salida del rectificador.

La resistencia debe elegirse de forma que el diodo trabaje siempre en su zona Zener. La tensión de salida se determina por la d iferencia entre la tensión de entrada y la tensión colector-emisor del transistor.

• • 9.2.4. Reguladores integrados Figura 9.18. Rectificador con salida estabilizada en paralelo.

A pesar de su simplicidad, tiene el inconveniente de requerir diodos Zener que sean capaces de soportar intensidades de corrientes elevadas, además de presentar una impedancia de salida considerable.

• • 9.2.3. fuentes estabilizadas en serie En este caso, el elemento regulador se coloca en serie, por lo que debe ser un elemento capaz de ajustar el valor de su resistencia para estabilizar la salida en el nivel de tensión deseado. Para ello, se utilizan un elemento de referencia (diodo Zener) y un elemento de control capaz de variar su resistencia en función de la tensión (transistor).

Entrada

--{)t-

1',.,.L

1--

Salida

Una de las opciones disponibles para la regulación de la tensión de salida de las fuentes de alimentación es el uso de regula dores integrados. Estos reguladores consisten en dispositivos semiconductores de tres terminales: uno para la señal de entrada, otro para la señal de salida estabilizada y, por último, un terminal común que suele conectarse a la masa del circuito. Algunos de los reguladores integrados más empleados corresponden a la serie 78XX. Las dos últimas cifras del modelo indican la tensión nominal de salida estabilizada que ofrecen. Así, el regu lador de la Figura 9.20 proporcionará una salida estable de 5 V. La señal de entrada del estabilizador debe ser, como mínimo, 2 V superior a la señal de salida deseada y como máximo, podrá osci lar entre 25 V, para los modelos con tensión de salida más baja y 38 V, para el modelo 7824. Soportan una corriente máxima de salida de entre l y 1,5 A. Todos estos parámetros pueden consultarse en la hoja de características del reg ulador.

Rs

L..A.tv

La serie 79XX es similar a la 78XX, con la salvedad de que está diseñada para manejar tensiones negativas.

~~

- ._

9.3. Busca en internet la hoja de características del regulador LM7833 y comprueba sus especificaciones.

Figura 9.19. Fuente estabilizada con regulación en serie.

Entrada

LM7805

>---~1------9-----i UNE VOLTAGE

Salida

VREG

t - --o-- - - --o

COMMON

+ C1

C2

C3 .!: jó

Figura 9.20. Rectificador con salida estabilizada mediante regulador integrado de la serie 78XX.

VN

• • • Amplificadorderivador

RN

RF

Aunque este circuito no se utiliza en la práctica por problemas de estabilidad, resulta interesante su estudio como parte de las posibilidades del amplificador operacional. En este caso, se coloca un condensador entre la entrada de señal y el terminal inversor. R

1

Vin o~--~~---n~---

Figura 9.7. Amplificador sumador.

La señal de salida vendrá dada por la expresión:

1

Vo

1

Figura 9.9. Amplificador derivador.

9.2. Obtén la expresión de la señal de salida en función de sus entradas para el amplificador sumador inversor, analizando el circuito y aplicando el cortocircuito virtual.

La señal de salida será la deri vada en función del tiempo de la señal de entrada: dV V = - RC ---'" 111 dt

• • • Amplificador integrador En este modelo, que tampoco se utiliza habitualmente, la realimentación se realiza mediante un condensador.

• • • Amplificador diferencial orestador En esta configuración, la señal de salida será proporcional a la diferencia entre ambas entradas. R3

Vo

1

1

Figura 9.1 O. Amplificador integrador.

La señal de salida será la integral de la señal de entrada:

f'

1 V= - -RC Vdt+ VIIIICWI .. u o lll

Figura 9.8. Amplificador diferencial o restador.

La expresión de la señal de salida será: _ ( (R3 + R 1) • R4 Vo (R+R)·R 4 2 1

)

R3·) V ·V2 - ( 1 R1

• • • filtro paso ~ajo El amplificador operacional pennite realizar también funciones de filtrado de la señal. En este caso, se trata de un filtro que pennitirá el paso de todas las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte (fJ Una de las opciones para implementar este sistema consiste en utilizar un amplificador inversor al que se le colocará una red RC en su tenninal de entrada.

ELECTRICIDAD

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

• La ganancia proporcionada entre e l amplificador y la red de realimentación debe ser igual o mayor que la unidad. Además, es conveniente que los circuitos osciladores tengan una impedancia de entrada lo más alta posible.

• • • Oscilador en puente de Wien El oscilador en puente de Wien está formado por dos redes de realimentación, una en serie y otra en paralelo, ambas con valores idénticos. R2

• • 9.3.1. Osciladores RC

Vout

Los osciladores RC utili zan un amplificador en configuración inversora, que se consigue mediante transistores discretos o con un amplificador operacional, al que se le añade una red de rea limentación formada por condensadores y resistencias.

e

R

• • • Oscilador por desplazamiento de fase El objetivo de este dispositivo es conseguir desfasar la señal de salida 180° para que, a l realimentarla, pueda cumplir la primera condición de oscilación expuesta anteriormente. Para ello, habitualmente se emplean tres células RC, que se diseñan de manera que cada una de ellas sea responsable de un desfase de 60°.

Figura 9.23. Oscilador en puente de Wien.

En este oscilador, la frecuencia viene dada por la expresió n 1

f=2nRC

• • 9.3.2. Osciladores lC

R2

Vout

Los osci ladores vistos anteriormente tienen buenas prestaciones para frecuencias relativamente bajas, pero para frecuencias altas resulta más interesante el uso de otros osciladores, conocidos como osciladores sintonizados o LC.

vcc

o

Figura 9.22. Oscilador por desplazamiento de fase.

l1 R3

En este oscilador la frecuencia de osci lación viene dada por la expresión:

Vout

/=---2nRC

{2N

donde N es el número de células RC. Recordemos que la ganancia del amplificador es Rl

R2 A= ,. - R-'

já

1

que deberá ajustarse para compensar la atenuac ión de las células RC, de forma que la ganancia total del circuito sea igual o ligeramente superior a la unidad.

C2

.. r

Figura 9.24. Oscilador Colpitts.

-ELECTRÓNICA un rango de valores reducido y que pueden estar basados, entre otros dispositivos, en el diodo Zener.

]

Tal como vimos en la Unidad didáctica 8, el diodo Zener es un tipo de diodo diseñado especialmente para trabajar polarizado en inversa en la zona considerada como de ruptura para otros diodos. Cuando se polariza en di recta, se comporta como cualquier otro diodo PN, es decir, comienza a conducir a partir de 0,6 V o 0,7 V, dependiendo de l material con el que esté construido. Sin embargo, si se polariza en inversa, mantiene entre sus bornes una diferencia de potencial constante y muy estable, denominada tensión Zener, siempre la tensión de polarización sea mayor que esta.

Figura 9.14. Fuente de alimentación regulable de laboratorio.

La corriente máxima que puede soportar e l diodo Zener trabajando en inversa vendrá dada por el valor máximo de potencia especificado en su hoja de características y estará limitado por la potencia disipada en forma de calor.

9.2. Determina la intensidad de la corriente eléctrica que circulará por este circuito, sabiendo que el diodo empleado es el modelo 1N4625 que, según su hoja de características, tiene una tensión Zener de 5, 1 Y.

Figura 9.15. Cargador de teléfono móvil.

RS

• • 9.2.1. fl diodo Zener

1000

Una de las características que esperamos de una fuente de alimentación es que el valor de la tensión que suministra se mantenga estable durante todo el tiempo de funcionamiento. De no ser así, el dispositivo electrónico podría trabajar anormalmente, dejar de funcionar por falta de alimentación o incluso, destruirse por sobrecalentamiento. Para ello, se utilizan circuitos reguladores de tens ión que tratan de garantizar que la tensión se mantenga dentro de

t

J¡

1

~

l¡¡ e: ~

..

F

Vz (Tensión Zener) 6,8 V 8V ~

_

Polarización directa

mA

2

3

vz

Polarización inversa

30

1

10 1

o

Figura 9.1i . Circuito sencillo con diodo Zener.

Solución:

50

,1

-....L.- V1 9V

1 10

1 ~:

VI. V/ 9 V- 5, l V 1 = - - = - - - - = 3 9 mA R1 100 í1

2V3 _

50

Figura 9.1 b. Símbolo y curva característica 1-V del diodo Zener.

Como hemos visto, el diodo Zener, al estar polarizado en inversa, mantendrá entre sus terminales una diferencia de potencial constante de 5,1 Y. Por tanto, la intensidad que recorre la malla se define como:

vF

• • 9.2.2. fuentes estabilizadas en paralelo El elemento estabilizador debe colocarse entre e l circuito rectificador y la carga, de modo que la tensión suministrada a la carga sea estable y tenga valor adecuado.

ELECTRICIDAD-

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

to como multivibrador biestable como monoestable, además de permitir otras aplicaciones como temporizadores.

• Umbral : perte nece a un comparador interno y puede utilizarse para poner la salida a ni vel bajo.

Es un circuito integrado que consta de 8 pines. Uno de e llos se conecta a la tensión de alimentación (+Ve) y el otro, a masa. El resto de terminales realiza las siguientes funciones:

• Descarga: se utili za para vaciar la car ga del conde nsador externo utili zado por e l circui to 555 para su func ionamiento (normalmente, de 1O nF).

• Disparo: sirve para marcar el inicio del tiempo de retardo , si e l 555 es confi gurado como monoestable. Esto se realiza reduciendo la tensión a menos de 1/3 de la tensión de a limentación durante un pulso mu y corto. • Salida: cuando la salida se encuentra a ni vel alto, estará a un voltaje in fe ri or, e n 1,7 V, al de alime ntación.

• Reset: si en esta patilla se aplica una tensión inferior a 0,7 V, la salida de l 555 pasará al ni vel bajo. • Control de voltaje: cuando e l tempori zador se utili za en el modo de controlador de voltaje, en esta patilla el voltaje puede variar casi desde Vce de - 1 V, hasta casi O V (la di ferencia es de, aprox imadamente, 2 V). Así, es posible modifi car los tie mpos e n los que la salida está en a lto o en baj o, independiente de l diseño (establecido por los resistores y conde nsadores conectados externamente al 555). El voltaje aplicado a la patill a de control puede variar entre un 45 y un 90 % de Vcc e n la configuración monoestable. Cuando se utili za la configuración astable, el voltaj e puede variar desde 1,7 voltios hasta alcanzar el valor de Vcc· Si se modifica e l voltaj e en esta patilla en la configuración astable, causará que la frecuencia original de l astable sea modulada en frecuenc ia (FM). Si esta patill a no se utili za, se recomienda añadir un condensador de 0,0 1 ¡lF para evitar las interferencias.

vcc

vcc RST

A continuación estudiaremos el circuito 555 en config uración astable. Este circuito proporciona una seña l cuadrada, cuyo semiperiodo vendrá determinado por el tie mpo de carga y de descarga del condensador, situado en la patill a de disparo (TRI). t 1 = 0,693 · (R 1 + R2 )

r2 =0,693. R2

•

·e

e

En esta configuración, la frecuencia de oscilación vendrá dada por la expresión:

11 9.4. Aplicaciones de la potencia Los c ircuitos vistos hasta ahora estaban orientados al manejo de corrie ntes relati vamente reducidas. Sin embargo, existen multitud de aplicaciones en las que es necesario el uso de dispositivos que sean capaces de trabaj ar bajo intensidades y tensiones e levadas, en corriente alterna o en corri ente continua. A continuación, estudiaremos algunos de estos dispositi vos, que pueden sustitu ir a los componentes electromecánicos en aplicaciones de potencia.

• • 9.4.1. Tiristor Un tiristor es un dispositivo electrónico que consta de tres terminales y que está construido con semiconductores, aprovechando el fenómeno de la realimentación interna. Terminal principal 1

Ánodo

Ánodo

Cátodo

Cátodo

Terminal principal 2

(b)

(e)

OUT

R1

018 R2

THR !55 TRI CON

ONO

(a)

Figura 9.26. Circuito integrado 555 en configuración astab/e.

Figura 9.27. Símbolos de tiristores: (a) SCR, (b) diae y (e) triac.

D ELECTRÓNICA • • 9.2.5. fuentes De alimentación conmutaDas Las fuentes de alimentación estudiadas hasta ahora reciben el nombre de fuentes lineales; sin embargo, el avance en las técnicas de integración de dispositivos electrónicos ha permitido el desarrollo de otro tipo de fuentes, las fuentes de alimentación conmutadas, en la que los transistores, en lugar de trabajar en la zona activa, conmutan rápidamente entre corte y saturación.

Continua Rectificador y filtro de salida

,---L-------.,

~~ e@ @ Controlador

Figura 9.21 . Diagrama de bloques de una fuente de alimentación conmutada. El funcionamiento básico de este tipo de fuentes consiste en: • Rectificado y filtrado: se encarga de rectificar y filtrar la señal de alterna (normalmente, de 230 V y 50 Hz) y se obtiene una señal con rizado. • Circuito de conmutación: mediante rápidas conmutaciones del transistor de potencia (entre 20 y 50 kHz) al ritmo marcado por el circuito controlador, se convierte la señal entregada por el bloque anterior en una señal de forma casi triangular, que se regula y se separa de la red mediante el uso de un transformador. • Rectificación y filtrado de salida: la señal triangular anterior pasa por un proceso de rectificación y filtrado, que proporciona una señal continua y muy estable de la tensión deseada. • Control: el bloque de control monitoriza la salida para comprobar que la tens ión obtenida es la deseada y modifica la frecuencia de conmutación, si fuera necesario. Las principales ventajas del uso de fuentes conmutadas frente a fuentes lineales son:

"

e

• Menor peso y volumen: al trabajar a alta frecuencia, las fuentes conmutadas pueden utilizar un transformador más pequeño y ligero que el de las fuentes lineales. Esta frecuencia debe ser de 50 Hz para el mercado europeo y 60 Hz para el americano. • Versatilidad: las fuentes conmutadas consiguen un rango de tensiones de salida mucho más amplio que las fuentes lineales, lo que permite utilizarlas en gran cantidad de aplicaciones. Como contrapartida, también existen a lgunos inconvenientes:

Inversor de alta frecuencia

Rectificador y filtro de entrada

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

• Mayor eficiencia: mientras que las fuentes lineales tienen un rendimiento de, aproximadamente, el 50 %, debido a la gran cantidad de energía que transforman en calor, las fuentes lineales consiguen valores en tomo al 80%.

• Interferencias electromagnéticas: las rápidas conmutaciones realizadas por las fuentes conmutadas dan lugar a una componente de alta frecuencia que puede interfetir con otros dispositivos electrónicos. Para evitarlo, se deben utilizar blindajes y filtros EMT. En las fuentes lineales no suele producirse este fenómeno. • Ruido e léctrico: las fuentes conmutadas pueden introducir cierto nivel de ruido eléctrico en la línea de la que obtienen la alimentación. Esto puede interferir en otros equipos cercanos alimentados desde la misma línea. • Mayor complejidad: como hemos visto, las fuentes conmutadas necesitan una gran cantidad de elementos electrónicos, así como unas exigencias en el diseño y fabri cación muy distintas de la simplicidad de algunas fuentes lineales constituidas, solamente, por un transformador, un transistor de potencia, un condensador y un regulador de tensión.

11 9.3. Generadores de señal yosciladores Un oscilador es un dispositivo que tiene la capacidad de producir perturbaciones periódicas en su salida, generando así una señal alterna a partir de una corriente continua de entrada. Esto se consigue mediante el uso de circuitos resonantes formados, principalmente, por condensadores y bobinas, que aprovechan la capacidad de almacenamjento de energía en forma de campo eléctrico o magnético que poseen. Para que la señal obtenida tenga una amplitud estable y no decajga conforme pasa el tiempo, se utili zan osciladores realimentados. Un oscilador realimentado consta, básicamente, de un amplificador inversor al que se le aplica una rea limentación positiva a través de un circuito oscilante o red de realimentación. Para que exista este fenómeno, deben cumplirse las condiciones de oscilación: • La señal de realimentación debe estar en fase con la entrada del amplificador.

ELECTRICIDAD-E

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

Triac en conducción

llra'\ CIIJ

Este tipo de herramientas, conocidas como EDA (Electronic Design Automation), utilizan métodos numéricos de resolución de problemas, que permiten conocer y analizar el comportamiento de un circuito en infinidad de situaciones, disminuyendo el tiempo necesario para el diseño y para la realización de pruebas para conseguir primer prototipo. Algunos ejemplos profesionales son los siguientes:

• NI Mult isim : es una suite de diseño y simulación de

Figura 9.30. Funcionamiento del triac en una aplicación de control de potencia.

• • 9.4.5. Transistor de unión de juntura (UJT) El transistor de unión de junt ura (UJ T), también denominado transistor uniu nión , es un dispositivo semiconductor de tres terminales (base 1, base 2 y emisor) que, a diferencia de los anteriores, está formado solo por dos capas. Dispone de una zona inestable de resistencia negativa, lo que lo hace ideal para generar pulsos en forma de dientes de sierra, que pueden emplearse para disparar otros tiristores.

circuitos electrónicos, anteriormente conocida como Electronic Workbench. Actualmente, es propiedad de National Instruments. Incluye Ultiboard, un software específico para el diseño de placas de circuito impreso (PCB). • Cadence OrCAD PSPICE: este paquete consiste en una fusión de dos herramientas aparecidas a mediados de los años 1980: OrCAD, orientada principalmente a l diseño de placas de circuito impreso; y PSPICE, software de análisis de circuitos analógicos, digitales y mixtos, inventado por investigadores de la Universidad de Berkeley. • Advanced Design System: esta herramienta de Agilent está orientada especialmente a aplicaciones de alta frecuencia (telefonía móvil, comunicación vía satélite, etc.). • Micro-Cap: es una aplicación de la compañía Spectrum Software. Ofrece la posibilidad de diseño y simulación de distintos tipos de circuitos electrónicos. Por supuesto, existen numerosas alternativas de software libre, entre las que podemos destacar: gEDA (principalmente orientada a PCB), Oregano, KiCAD, kTechLab, Magic, etc.

Ep

le

Figura 9.31. Curva 1-V del transistor uniunión (UJT).

111 9.5. Aplicaciones informáticas P. ara la simulación ~e circuitos electrónicos A lo largo de esta Unidad didáctica hemos estudiado circuitos sencillos, compuestos por pocos elementos y que permiten un análisis manua l de su funcionamiento.

A medida que aumenta la complejidad del circuito, este tipo de análisis resulta inviable, siendo necesario el uso de técnicas de simulación y análisis de circuitos por ordenador.

También merecen una mención algunas herramientas online que permiten simular circuitos sencillos desde cualquier dispositivo dotado de un navegador web. Entre ellas podemos destacar. • CircuitLab: http://www.circuitlab.com. Permite similar circuitos analógicos y digitales, así como circuitos mixtos. Además, favorece el trabajo colaborativo ya que se pueden compartir los diseños directamente a través de su URL. • Logic.ly: http://www.logic.ly. Es un simulador decircuitos electrónicos digitales. Dispone, tanto de una versión para instalar en el ordenador como de otra onLine. Aunque algunas funciones solamente están disponibles en la versión de pago, existe una versión gratuita de prueba de 30 días. Presenta una interfaz muy intuitiva y la posibilidad de observar el cambio de las distintas variables en tiempo real.

ELECTRÓNICA

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

Uno de los ejemplos más ilustrativos de los osciladores LC es el oscilador Colpitts, especialmente útil para frecuencias muy altas como, por ejemplo, la banda de VHF.

condensadores, para conseguir que este efecto se realice indefinidamente. Cada cristal de cuarzo tendrá una frecuencia de oscilación distinta, determinada por s us características físicas (principalmente, tamaño y espesor) y que estará marcada en e l exterior del encapsulado.

La frecuencia de oscil ación viene dada por la expresión

J=-----

2n~

• • 9.3.4. Multivibradores

Otro tipo de oscilador LC es el oscilador Hartley, que se difere ncia del anterior en que el circuito resonante está formado por dos bobinas en serie y un condensador en paraJelo. Se uti liza para frecuencias medias ya que, conforme aumenta la frecuencia se reduce el tamaño de las bobinas necesarias, complicando su fabricación.

Los osciladores que hemos visto hasta ahora están especialmente concebidos para generar ondas senoidales. A diferencia de estos, los multivibradores son circuitos osci ladores que generan ondas con forma cuadrada o de tren de impulsos a partir de la corriente continua de alimentación. Se distinguen principalmente en tres tipos: • Multivibrador astable: no tiene ningún estado estable, por lo que produce una oscilación constante.

9.4. Busca en internet más información acerca de los osciladores LC y dibuja el esquema del oscilador Hartley.

• Multivibrador monoestable: tiene un estado estable, lo que provoca que su oscilación no sea permanente. Tras recibir un estímulo externo, se activa, pero pasado un tiempo, vuelve a su estado de reposo.

• • 9.3.3. Osciladores de cristal Los osciladores de cristal basan su principio de funcio namiento en el efecto piezoeléctrico. Esta propiedad de los cristales de algunos minerales, como el cuarzo, consiste en la capacidad del cristal para deformar su estructura (cúbica, en el caso de l cuarzo) cuando se le aplica a este una diferencia de potencial y, del mismo modo, entregar esa misma diferencia de potencial cuando recupera su forma. Esta propiedad los hace especialmente útiles para la construcción de osci ladores, ya que solamente es necesario acoplarles una red resonante, generalmente formada por

• Multivibrador biestable: como indica su nombre, posee dos estados estables. Cada vez que se le aplica un estímulo externo, salta de uno a otro de los estados, permaneciendo, en e l nuevo estado, en reposo hasta que se produzca un nuevo estímulo. Este tipo de circuitos corresponde a los biestables estudiados en la Unidad didáctica 7.

• • 9.3.5. ti circuito integrado 555 El circuito integrado 555 es una opción de bajo coste para construir gran cantidad de osciladores. Puede funcionar, tan-

(a)

'"'

Figura 9.25. Simbo/o del cristal de cuarzo (a) y circuito conteniendo un cristal (b).

{b)

'

g, CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

1 '

MODELOS

~

•

El AO ideal El AO real Inversor

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

No inversor Sumador Seguidor REALIMENTACIÓN Diferencial Integrador Derivador Filtros

(1)

o S::? (.!'

-o ...J

DIODO ZENER

z<(

ESTABILIZACIÓN

<(

(1)

o

u

z

FUENTES DE ALIMENTACIÓN

~

Serie Paralelo

REGULADORES INTEGRADOS

-o

RC

a:

1-

FUENTES CONMUTADAS

u w ...J w

LC

Tipos

Cristal

(1)

~ 5

u

a:

u

CONDICIONE_S DE OSCILACION

OSCILADORES

TIRISTOR SCR APLICACIONES DE POTENCIA

Multivibradores

t

Circuito 555 Astable Monoestable Biestable

DIAC TRIAC UJT

APLICACIONES INFORMÁTICAS

i

SOFTWARE COMERCIAL ..:

SOFTWARE LIBRE

_¡¡

APLICACIONES ONLINE

.;:;

~

O-ELECTRÓNICA Está constituido por tres uniones entre materiales P y N, por lo que se suele modelar como dos transistores realimentados.

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

que la señal de entrada tenga una tensión inferior a la de ruptura, momento en el cual pasará a comportarse como un circuito abierto hasta que se produzca el nuevo impulso.

Hay numerosos dispositivos que se agrupan en la categoría de los tiristores, que estudiaremos a continuación.

V 1

. . .. 1

1

•

·······-~·-··---·

• • 9.4.2. Rectificador controlado de silicio (SCR) El rectificador controlado de silicio (SCR) es un tiristor formado por 4 capas de silicio (NPNP o PNPN) que dispone de tres terminales (ánodo, cátodo y puerta). La puerta es el terminal encargado de gobernar el paso de corriente entre ánodo y cátodo. El SCR no conducirá hasta que se aplique tensión en la puerta y, en cualquier caso, solamente permitirá la conducción de corriente en una dirección. De la Figura 9.28 se deduce que es necesaria una tensión elevada de puerta para que el SCR entre en conducción y que, además, es necesario que circule por él una corriente mínima, denominada de mantenimiento, para que el dispositivo se mantenga en esa zona y no pase a un estado de corte.

Señal base

v1

Impulsos de disparo v0

Señal de entrada

VE=V0

+v1

Señal de salida

Vs

Figura 9.29. Funcionamiento del DIAC.

• • 9.4.4. Triac Ruptura por avalancha

Figura 9.28. Curva característica 1-V del SCR.

• • 9.4.3. Oiac El diac se diferencia del SCR, principalmente, en que permite el paso de corriente en ambos sentidos. Además, dispone solo de dos terminales, en lugar de los tres del caso anterior. En su interior incluye dos diodos de cuatro capas conectados en paralelo y en sentido contrario, tal como se puede deducir de su símbolo (Figura 9.27.b). .S

"'e:

Al no disponer de un terminal de puerta, el diac conducirá cuando la tensión supere la tensión de conducción de la unión del diodo de cuatro capas. Esto se consigue aplicando unos impulsos superpuestos a la señal de entrada. Cada uno de estos impulsos activará la conducción del diac hasta

Un triac, al igual que el diac, está formado por dos diodos de cuatro capas en paralelo y sentido inverso pero, además, dispone de un terminal de puerta común a los dos diodos. Esto hace que su funcionamiento sea similar al de un SCR, pero con la diferencia de que tiene capacidad para conducir en ambos sentidos. Una de sus principales aplicaciones es la de funcionar como interruptor estático, ofreciendo más velocidad y menos envejecimiento que un relé electromecánico. En aplicaciones de baja potencia puede utilizarse como regulador de iluminación o en los controladores de velocidad para motores. En la Figura 9.30 se aprecia cómo la aplicación de un impulso de tensión en la puerta provoca que el triac entre en zona de conducción, saliendo de ella en el momento en e l que la señal de entrada cae por debajo de la tensión de conducción de la unión P-N. Llegado a este punto, se comportará como un circuito abierto hasta que vuelva a aplicarse la tensión necesaria en la puerta.

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

•

11 Actividades de aplicación 9.13. Dibuja el esquema del amplificador operacional en configuración de restador y, usando técnicas de análisis de circuitos y aplicando la hipótesis de cortocircuito virtual. Obtén la expresión de su señal de salida en función de la señal de entrada. 9.14. Diseña un filtro paso banda que permita únicamente el paso de las frecuencias comprendidas entre 100 y 4 000 Hz. Para ello deberás usar amplificadores operacionales y componentes con valores normalizados. 9.15. ¿De qué opciones disponemos para construir una fuente de alimentación de 5 V a partir de una batería de9 V? 9.16. ¿Qué diferencias existen entre multivibradores astabies, monoestables y biestables? ¿Cuál utilizarías para generar una señal de reloj para un circuito de electrónica digital? 9.17. ¿Qué sucederá en una fuente de alimentación estabilizada mediante un diodo Zener con Vz= 5V, si la salida del rectificador cae a 4 V?

9.18. ¿Entre qué valores estará comprendida la tensión de salida de una fuente de alimentación de 15 V nominales, si sabemos que su regulación de línea es del 5 %? 9.19. ¿Qué ventajas presentan las fuentes de alimentación conmutadas frente a las lineales? 9.20. ¿Qué diferencias existen entre un diodo SCR y un triac? 9.21 . Razona por qué se utilizan diacs para la regulación de fuentes de iluminación.

9.22. Calcula la frecuencia de un oscilador astable fabricado con un circuito integrado 555, sabiendo que: C = 1 O IJF, R 1 = 1 kO y R2 = 5,5 kO. 9.23. Busca información en internet acerca de los programas de simulación de circuitos con licencia de software libre y prueba alguno de ellos. 9.24. Simula el circuito de la Figura 9.18, para distintos valores de tensión Zener y distintas capacidades del condensador en el simulador Circuitlab (www.circuitlab.com).

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o

O-ELECTRÓNICA r~ 1 R

e- ·. _

JI 1 ,

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Figura 9.32. Circuito de ejemplo (oscilador aestable) del editor Circuit Lab de NerdKids, LLC.

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Figura 9 33. Circuito de ejemplo (contador con acarreo) del editor logic.ly desarrollado por }osh Tynjala.

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9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

Práctica 9.Z. Oscilador astah\e Objetivos

Verifica el funcionamiento de un oscilador astable basado en el circuito integrado 555.

Procedimiento

1. Prepara el siguiente material:

• Placa de prototipos (proto-boar~. • Circuito integrado 55. • Condensador de 1OnF para el terminal de control. • Condensadores de 10 nF y 47¡.¡F. • Resistencias de 1 kO y 2,2 kO. • Osciloscopio. 2. Realiza el montaje de acuerdo con el siguiente esquema: vcc

R1

Osciladorastab/e.

3. Realiza el mismo montaje para dos valores de componentes distintos: • C= 47 ¡.¡F y R, = R2 = 1 kO. • C= 10nF, R,= 2,2 k0y~ = 1 kO. 4. Calcula la frecuencia y el tiempo de nivel alto y de nivel bajo que debería tener cada uno de los montajes. 5. Verifica, con ayuda del osciloscopio, la frecuencia de la señal de salida, así como el tiempo que esta se encuentra a nivel alto (t1) y a nivel bajo (~). para calcular el ciclo de trabajo (duty cycle) en cada uno de los casos.

•

•

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÚGICOS

11 Actividades de comprobación 9.1. ¿Qué característica pertenece al modelo ideal de amplificador operacional?

a) b) e) d)

Ganancia infinita en modo común. Impedancia de entrada infinita. Ganancia de tensión cero en modo diferencial. Todas las respuestas anteriores son correctas.

9.2. ¿Cuándo se puede considerar que existe cortocircuito virtual (CCV) en un amplificador operacional?

a) Si existe realimentación negativa y no está en saturación.

b) Si existe realimentación, sea del tipo que sea. e) Si la tensión de alimentación Vce es de 12 V. d) Solamente si existe realimentación positiva. 9.3. ¿Qué tipo de filtro necesitará de dos amplificadores operacionales para su implementación?

a) b) e) d)

Filtro paso bajo. Filtro paso alto.

9.7. El oscilador por desplazamiento de fase es del tipo:

a) RC. b) LC. e) Integrado. d) Biestable. 9.8. Un multivibrador que salta de un estado estable a otro cada vez que se le aplica un estímulo externo recibe el nombre de:

a) Astable. b) Monoestable. e) Biestable.

d) Estable. 9.9. ¿Cuál de estos dispositivos de potencia tiene tres terminales?

a) SCR.

Filtro paso banda.

b) UJT.

Todas las respuestas anteriores son correctas.

e) Triac.

9.4. ¿Cómo debe polarizarse un diodo Zener para que trabaje como estabilizador?

a) En directa, con una tensión mayor que la tensión Zener.

b) En inversa, con una tensión mayor que la tensión Zener.

e) En directa, con una tensión menor que la tensión Zener.

d) En inversa, con una tensión menor que la tensión Zener.

9.5. ¿Dónde se conecta el terminal común de un regulador integrado?

a) A la masa del circuito. b) A la entrada.

e) A la salida. d) Es indiferente. 9.6. ¿En qué zonas trabajan los transistores de una fuente de alimentación conmutada? a) Saturación y activa.

d) Todas las respuestas anteriores son correctas. 9.10. ¿Cómo se llama el terminal que gobierna el paso de corriente en un SCR?

a) Ánodo. b) Puerta. e) Cátodo. d) Drenador. 9.11 . ¿De qué valor es el condensador que debe colocarse en el terminal de control del circuito integrado 555 para la mayoría de aplicaciones?

a) 1 IJF. b) 1o ¡.JF.

e) 1 nF. d) 10 nF. 9.12. ¿A qué corresponden las siglas EDA?

a) Un tipo de diodo.

..,;

b) Corte y activa.

b) Un tipo de fuente.

-

e) Saturación y corte. d) Es indiferente.

e) Un software.

¡; ,!!

º

d) Un tipo de tiristor.

' •

9. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS ANALÓGICOS

Práctica 9.1. Amplificador de pequeña señal Objetivos

Verifica el funcionamiento de un amplificador de pequeña señal realizado a partir de un amplificador operacional integrado LM741 .

Procedimiento

1. Prepara el siguiente material: • Generador de funciones. • Placa de prototipos (proto-board¡. • Amplificador operacional LM741 . • Osciloscopio. • Resistencias. • Condensador. 2. Realiza el montaje de acuerdo con el siguiente esquema: Vin Vo

1 ti

ur.1 q

1

Amplificador operacional en configuración de amplificador inversor.

3. La tensión de alimentación será de +1OV para el terminal +Vce y -1 OV para el terminal - Vce. A la entrada introduciremos una señal sinusoidal con una amplitud Vw y una frecuencia de 1 kHz. 4. A la salida deberás conectar el osciloscopio, correctamente configurado para la visualización. 5. Observa la amplitud de la señal de salida para los distintos valores de resistencias: • R,= 10kOyR2 = 10kO. • R, = 10 kO y R2 = 22 kO. • R1 = 22 kO y R2 = 1OkO. 6. Observa la forma de la señal de salida y compárala con la señal de entrada (puedes observarlas simultáneamente haciendo uso de los dos canales del osciloscopio). Comprueba la diferencia de fase entre ambas

• Sistemas ycircuitos eléctricos Este libro desarrolla los contenidos del módulo profesional de Sistemas y Circuitos Eléctricos, del Ciclo Formativo de grado superior con el que se obtiene el título de Técnico superior en Sistemas Electrotécnicos y Automatizados (Real Decreto 1127/2010, de 10 de septiembre), perteneciente a la familia profesional de Electricidad y Electrónica. Proporciona la base teórica y práctica para la comprensión de los parámetros, los principios de funcionamiento y las características de los equipos electrónicos y las máquinas de corriente alterna, utilizadas en las instalaciones electrotécnicas. Así, el libro comienza con una introducción a los conceptos básicos necesarios para, a continuación, abordar los sistemas trifásicos y las distintas máquinas eléctricas, dedicando sendas Unidades a transformadores y motores. El estudio de la electrónica se ha dividido en sus vertientes digital y analógica, desarrolladas, cada una, en dos Unidades Didácticas en las que se parte de una introducción sobre los distintos componentes electrónicos y se concluye con el análisis y el montaje de circuitos más complejos. En las 9 Unidades Didácticas del texto, se desglosan los contenidos, que se muestran de manera descriptiva y práctica para facilitar su seguimiento tanto por alumnos con conocimientos previos como por aquellos que se acercan por primera vez a este campo. Además, se incluyen abundantes ilustraciones y fotografías para complementar las explicaciones y afianzar el aprendizaje, así como numerosas cuestiones resueltas y actividades orientadas a la aplicación y la ampliación de lo aprendido. Todas las Unidades Didácticas se cierran con prácticas profesionales en las que el alumno deberá aplicar los conocimientos y las competencias adquiridas. En definitiva, este libro representa una importante ayuda tanto para profesores como para alumnos del módulo profesional de Sistemas y Circuitos Eléctricos, así como para el lector que desee iniciarse en los campos de la electricidad y la electrónica. Los autores, actualmente profesores de Formación Profesional de Ciclos Formativos de la familia de Electricidad y Electrónica, cuentan con una extensa experiencia profesional tanto en este ámbito como en el sector privado de las instalaciones electrotécnicas y de comunicaciones. Gregorio Morales es ingeniero técnico de telecomunicación por la Universidad de Málaga. Por su parte, Javier García es ingeniero técnico industrial e ingeniero industrial por la Universidad de Castilla-La Mancha. Además, ambos son autores de varios libros de esta colección sobre electricidad y electrónica.

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ISBN : 978-84-9732-263-8

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