Fundamentos de Electrónica: Leyes, Componentes Clave y Circuitos Integrados

Ley de Ohm

La Ley de Ohm establece las relaciones entre tensión (V), corriente (I) y resistencia (R):

• R = V / I
• V = I * R
• I = V / R

Potencia Eléctrica

La potencia (P) en un circuito se calcula como:

• P = V * I

Circuitos en Serie

En un circuito en serie:

• La corriente (I) es la misma en todos los componentes.
• La tensión total (V) es la suma de las tensiones individuales: V = V1 + V2 + ...
• La resistencia total (R) es la suma de las resistencias individuales: R = R1 + R2 + ...
• La capacitancia total (Ct) se calcula como la inversa de la suma de las inversas de las capacitancias individuales: 1/Ct = 1/C1 + 1/C2 + ...

Circuitos en Paralelo

En un circuito en paralelo:

• La corriente total (I) es la suma de las corrientes individuales: I = I1 + I2 + ...
• La tensión (V) es la misma en todos los componentes.
• La resistencia total (R) para resistencias idénticas es la resistencia de una dividida por el número de resistencias: R = R_unidad / Nº resistencias. (Nota: La fórmula general es 1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + ...).

Condensadores

Un condensador es un componente que almacena energía en un campo eléctrico. Su capacidad (C) se mide en Faradios (F).

• La capacidad se calcula como: C = Q / V, donde Q es la carga en Culombios y V es la tensión. (Nota: La fórmula Q=C*V es la correcta para carga).
• Los valores en microFaradios (μF) se convierten a Faradios multiplicando por 10^-6.

Carga y Descarga de Condensadores (Circuito RC)

En un circuito con resistencia (R) y condensador (C), el tiempo de carga y descarga está determinado por la constante de tiempo (τ):

• τ = R * C (R en Ohmios, C en Faradios).

El condensador se carga o descarga significativamente en aproximadamente 5 constantes de tiempo (5τ). En 1τ, alcanza aproximadamente el 63.2% de su carga o descarga total.

Si hay una fuente de tensión (pila), el condensador se carga; si no, se descarga.

Ejercicio de Carga y Descarga (Método Aproximado por τ)

Este método describe cómo calcular la tensión en el condensador en cada constante de tiempo (τ) durante la carga o descarga.

Carga

La tensión en el condensador (Vc) aumenta con el tiempo. En cada τ, la tensión aumenta en un 63.2% de la tensión restante hasta la tensión final (tensión de la pila).

1. τ1: Vc ≈ 63.2% de V_pila.
2. τ2: Vc ≈ Vc(τ1) + 63.2% de (V_pila - Vc(τ1)).
3. τ3: Vc ≈ Vc(τ2) + 63.2% de (V_pila - Vc(τ2)).
4. τ4: Vc ≈ Vc(τ3) + 63.2% de (V_pila - Vc(τ3)).
5. τ5: Vc ≈ V_pila (considerado completamente cargado).

Descarga

La tensión en el condensador (Vc) disminuye con el tiempo. En cada τ, la tensión disminuye en un 63.2% de la tensión actual.

1. τ1: Vc ≈ V_inicial - 63.2% de V_inicial.
2. τ2: Vc ≈ Vc(τ1) - 63.2% de Vc(τ1).
3. τ3: Vc ≈ Vc(τ2) - 63.2% de Vc(τ2).
4. τ4: Vc ≈ Vc(τ3) - 63.2% de Vc(τ4).
5. τ5: Vc ≈ 0V (considerado completamente descargado).

Diodo LED

Un diodo LED (Light Emitting Diode) es un semiconductor que emite luz cuando una corriente pasa a través de él en la dirección correcta.

• El Cátodo es el terminal negativo (identificado a menudo con una marca o siendo la patilla más corta).
• El Ánodo es el terminal positivo (la otra patilla).

Cálculo de Resistencia en Serie con un LED

Para limitar la corriente a través de un LED y protegerlo, se suele colocar una resistencia en serie.

Ejemplo de Cálculo

Datos:

• Tensión de alimentación (V_fuente): 9V
• Intensidad deseada a través del LED (I_led): 0.02A
• Tensión de funcionamiento del LED (V_led): 2V

Cálculos:

La tensión que debe caer en la resistencia (V_resistencia) es la diferencia entre la tensión de la fuente y la tensión del LED:

• V_resistencia = V_fuente - V_led
• V_resistencia = 9V - 2V = 7V

Aplicando la Ley de Ohm (R = V / I) a la resistencia:

• R = V_resistencia / I_led
• R = 7V / 0.02A = 350 Ohmios

Se necesitaría una resistencia de aproximadamente 350 Ohmios (se usaría un valor estándar cercano).

Código de Colores de Resistencias

Las resistencias suelen tener bandas de color que indican su valor de resistencia y tolerancia.

• La primera banda: Primera cifra significativa.
• La segunda banda: Segunda cifra significativa.
• La tercera banda: Multiplicador (potencia de 10, indica el número de ceros a añadir).
• La cuarta banda: Tolerancia (el porcentaje de variación posible del valor nominal, indicado con ±).

Transistores Bipolares (BJT)

Un transistor bipolar es un semiconductor utilizado como interruptor o amplificador.

• Hay dos tipos principales: NPN y PNP.
• Los terminales son: Emisor (identificado a menudo con una flecha en el símbolo), Colector (el otro terminal principal) y Base (el terminal de control).

Funcionamiento Básico (Modo Conmutación)

El estado del transistor (si conduce o no entre Colector y Emisor) se controla mediante la tensión o corriente en la Base.

Control por Sensores (NTC, LDR, etc.)

Consideremos un circuito donde la Base del transistor es controlada por un sensor (como una NTC o LDR) y una resistencia, afectando la tensión Base-Emisor (Vbe).

Caso 1: Vbe > 0.7V (Transistor en Saturación o Activa)

Esto ocurre cuando la resistencia en la Base es baja, permitiendo una alta intensidad de Base. Típicamente, esto sucede cuando el sensor (NTC con calor, LDR con luz, etc.) tiene baja resistencia y está configurado adecuadamente (ej. sensor en serie con la Base y una resistencia fija a Vcc).

• La intensidad de Base es alta.
• El voltaje Base-Emisor (Vbe) es mayor de aproximadamente 0.7V (para transistores de silicio).
• El transistor está en modo saturación (o activa, dependiendo del diseño).
• La intensidad de Colector es alta (permite el paso de corriente).
• Si hay un relé o una luz conectados al Colector, estarán activados y la luz funcionará.

Caso 2: Vbe < 0.7V (Transistor al Corte)

Esto ocurre cuando la resistencia en la Base es alta, resultando en una baja o nula intensidad de Base. Típicamente, esto sucede cuando el sensor (NTC sin calor, LDR sin luz, etc.) tiene alta resistencia y/o está configurado de otra manera (ej. sensor a GND y resistencia fija a Vcc, con la Base conectada entre ellos).

• La intensidad de Base es baja o nula.
• El voltaje Base-Emisor (Vbe) es menor de aproximadamente 0.7V.
• El transistor está al corte.
• La intensidad de Colector es cero o muy baja (no permite el paso de corriente).
• Si hay un relé o una luz conectados al Colector, estarán desactivados y la luz no lucirá.

(Nota: La descripción original sobre la posición del sensor "encima" o "debajo" de una resistencia variable es una forma simplificada de describir cómo la configuración del divisor de tensión afecta la Vbe. La explicación se ha generalizado a Vbe > 0.7V vs Vbe < 0.7V).

Circuito Integrado 555 (Timer)

El CI 555 es un temporizador muy versátil, utilizado en modos astable (oscilador) o monoestable (pulso único), entre otros. Su tensión de alimentación típica está entre 4.5V y 16V y puede generar temporizaciones desde microsegundos hasta horas.

Descripción de Patillas (Pines)

1. GND (Tierra): Conexión al polo negativo de la alimentación.
2. TRIGGER (Disparo): Entrada de disparo. Si su tensión cae por debajo de 1/3 de Vcc, inicia el ciclo (en modo monoestable) o cambia de estado (en modo astable).
3. OUTPUT (Salida): Salida del temporizador. Puede estar a nivel alto (cercano a Vcc) o bajo (cercano a GND).
4. RESET: Entrada de reset. Si se conecta a GND, el temporizador se inhibe (salida baja). Si se conecta a Vcc (o se deja sin conectar si no se usa), funciona normalmente.
5. CONTROL VOLTAGE (Voltaje de Control): Permite modificar los umbrales de comparación internos. A menudo se conecta un pequeño condensador a GND para filtrar ruido.
6. THRESHOLD (Umbral): Entrada de umbral. Si su tensión supera los 2/3 de Vcc, finaliza el ciclo (en modo monoestable) o cambia de estado (en modo astable). Se suele conectar al condensador de temporización.
7. DISCHARGE (Descarga): Terminal de descarga. Se usa para descargar el condensador de temporización.
8. VCC (Alimentación): Conexión al polo positivo de la alimentación.

(Nota: La descripción original sobre la patilla 2 uniéndose a 1 o 8 es incorrecta; la patilla 2 activa el comparador interno que controla el flip-flop del 555).

Circuito Integrado 741 (Amplificador Operacional)

El CI 741 es un amplificador operacional (Op-Amp), un componente fundamental en electrónica analógica para amplificación, filtrado, comparación, etc.

Descripción de Patillas (Pines Comunes)

1. (Offset Null)
2. INPUT (-) (Entrada Inversora): Entrada donde una señal positiva produce una salida negativa (o viceversa).
3. INPUT (+) (Entrada No Inversora): Entrada donde una señal positiva produce una salida positiva.
4. V- (Alimentación Negativa): Conexión al polo negativo de la fuente de alimentación (o GND en fuente simple).
5. (Offset Null)
6. OUTPUT (Salida): Salida del amplificador operacional.
7. V+ (Alimentación Positiva): Conexión al polo positivo de la fuente de alimentación.
8. (No Conectado)

Funcionamiento como Comparador

Cuando se usa sin realimentación negativa, el Op-Amp actúa como un comparador, llevando su salida a uno de los límites de alimentación (V+ o V-) dependiendo de la diferencia entre las entradas.

• Si V_input(+) > V_input(-) (la tensión en la patilla 3 es mayor que en la patilla 2), la salida (patilla 6) tiende hacia V+ (patilla 7).
• Si V_input(+) < V_input(-) (la tensión en la patilla 3 es menor que en la patilla 2), la salida (patilla 6) tiende hacia V- (patilla 4).

(Nota: La descripción original sobre las patillas 6 y 4 o 6 y 7 uniéndose es incorrecta; la patilla 6 es la salida que toma un valor cercano a la tensión de la patilla 4 o 7, no se "unen" físicamente).