INTRODUCCIÓN A LOS CIRCUITOS INTEGRADOS

El primer circuito integrado fue desarrollado por el ingeniero Jack St. Clair Kilby para la compañía Texas Instruments en 1958. Y se fabricó sobre una pastilla de germanio cuadrada (cada lado medía 6 mm) y lo componían un condensador, tres resistencias y un transistor.

Por supuesto fue todo un éxito y hasta día de hoy se continúa con su investigación y su mejora.

CIRCUITO INTEGRADO

Un circuito integrado es una combinación de componentes electrónicos que están miniaturizados y que forman parte de un mismo chip o soporte. También son llamados chips o microchips.

Están elaborados sobre un material semiconductor, sobre el cual se fabrican los circuitos electrónicos a través de la fotolitografía. Estos circuitos, que ocupan unos pocos milímetros, se encuentran protegidos por un encapsulado con conductores metálicos que permiten establecer la conexión entre dicha pastilla de material semiconductor y el circuito impreso.

Gracias al circuito impreso los circuitos eran decenas de veces inferiores.

Circuito integrado memoria EPROM de Zephyris, CC BY-SA 3.0

A día de hoy, encontramos esta tecnología en los microprocesadores de dispositivos tan dispares como ordenadores, teléfonos móviles y también en memorias digitales, etc. Es común en la mayoría de dispositivos electrónicos de hoy en día.

CLASIFICACIÓN DE CIRCUITOS INTEGRADOS

• SEGÚN MATERIAL UTILIZADO:

- Circuitos monolíticos. Fabricados en un único monocristal, de silicio por lo general.

- Circuitos híbridos de capa fina. Fabricados con componentes que exceden a la tecnología monolítica.

- Circuitos híbridos de capa gruesa. Fabricados sin cápsulas, con las resistencias depositadas por serigrafía y cortes con láser.

• SEGÚN EL NÚMERO DE COMPONENTES Y NIVEL DE INTEGRACIÓN:

- SSI (Small Scale Integration). Pequeño nivel de integración: de 10 a 100 transistores.

- MSI (Medium Scale Integration). Nivel de integración medio: de 100 a 1.000 transistores.

- LSI (Large Scale Integration). Nivel de integración grande: de 1.000 a 10.000 transistores.

- VLSI (Very Lage Scale Integration). Nivel de integración muy grande: de 10.000 a 100.000 transistores.

- ULSI (Ultra Large Scale Integratión). Nivel de integración ultra grande: de 100.000 a 1.000.000 transistores.

- GLSI (Giga Large Scale Integration). Nivel de integración giga grande: más de un millón de transistores.

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INTRODUCCIÓN AL TRANSISTOR

El transistor fue inventado en 1951 e inició una auténtica revolución en la electrónica. Este facilitó el diseño de circuitos electrónicos de reducido tamaño y gracias a ellos fue posible la construcción de receptores de radio portátiles (llamados comúnmente "transistores"), televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color, etc. Y su uso es muy habitual como en radios, alarmas, automóviles, teléfonos móviles, ordenadores, etc.

El transistor es un componentes electrónico que regula el flujo de corriente o de tensión actuando como un interruptor o amplificador para señales electrónicas. Y está formado por materiales semiconductores.

SIMBOLOGÍA Y CONFIGURACIÓN DEL TRANSISTOR

El símbolo general del transistor es el siguiente:

Transistor npn de DaRy, CC BY-SA 3.0

Generalmente tienen tres patillas que se llaman: emisor (E), base (B) y colector (C), y es muy importante saber identificarlas a la hora de conectarlo.

Transistor patillas numeradas de Clker-Free-Vector-Images, CCO 1.0

La patilla 1 corresponde al emisor (E).

  La patilla 2 corresponde al colector (C).

La patilla 3 corresponde a la base (B).

ESTADOS DEL TRANSISTOR

• EN CORTE

Cuando un transistor funciona en corte no hay paso de corriente entre el emisor y el colector, el transistor está en reposo y no hace nada. No deja pasar la corriente. En este caso funcionaría como un interruptor cerrado entre emisor y colector.

• EN ACTIVA

Si un  transistor está en activa hay un paso de corriente variable entre el emisor y el colector. 

• EN SATURACIÓN

Cuando un transistor entra en saturación significa que hay un valor en la base(B) lo suficientemente grande para que aproximadamente toda la corriente del emisor(E) fluya al colector(C). Es decir, deja pasar la corriente máxima. En este caso funcionaría como interruptor abierto entre el emisor y el colector.

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LEY DE TENSIONES DE KIRCHHOFF

Gustav Kirchhoff también formuló una segunda ley para la electricidad también llamada "la ley de las mallas" o  "la segunda ley de Kirchhoff".

LEY DE TENSIONES DE KIRCHHOFF O SEGUNDA LEY DE KIRCHHOFF

El enunciado de la segunda ley de Kirchhoff dice que: "la suma de caídas de tensión en un tramo que está entre dos nodos es igual a la suma de caídas de tensión de cualquier otro tramo que se establezca entre dichos nudos" o también entendido como que "en un lazo cerrado, la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión total suministrada", y por tanto "la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico en un lazo es cero".

Para el uso de esta ley tendremos que tener en cuenta la polaridad de los componentes eléctricos. Si la tensión que cae en bornes del componente circula de polo (+) a polo (-): el signo de esa tensión en nuestra ecuación será positiva (+). Mientras que si la tensión que cae sobre el componente circula de polo (-) a polo (+) tendremos que añadir la variable con signo negativo a la ecuación.

Circuito voltajes de Kwinkunks, CC BY-SA 3.0

De modo que según el circuito anterior y teniendo en cuenta las polaridades de los componentes obtendríamos que:

-v4 + v1 + v2 + v3 = 0

O también:

v4 = v1+ v2 + v3

También podremos darnos cuenta de que cualquier otro lazo de circuito entre los mismos nodos, en este caso desde el nodo c al nodo d tendrán la misma caída de tensión. Es decir que v3 será igual a v5 o a cualquier tensión con cualesquiera componentes que esté entre los mismo nodos y cuya corriente vaya en la misma dirección, siempre y cuando estén en lazo cerrado.

Para este circuito:                                                    v3 = v5

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LEY DE CORRIENTES DE KIRCHHOFF

Las leyes de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845 y son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de la corriente y el potencial en cada uno de los nodos de un circuito eléctrico. Aunque en este apartado nos centraremos en la ley de las corrientes.

Entendemos como nodo, cada punto del circuito donde se unen más de un terminal de un componente eléctrico.

LEY DE CORRIENTES DE KIRCHHOFF O PRIMERA LEY DE KIRCHHOFF

La Ley de Corrientes de Kirchhoff dice que: "La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes." y del mismo modo se puede generalizar la primera ley de Kirchhoff diciendo "que la suma de las corrientes entrantes a un nodo son iguales a la suma de las corrientes salientes".

Ley Corrientes Kirchhof de Inductiveload, Dominio Público

De tal forma que en el nodo mostrado, la suma de las corrientes que entran (i1 + i2) es igual a la suma de las corrientes que salen (i3 + i4).
Mediante el planteamiento del conjunto de estas ecuaciones en un circuito eléctrico podremos resolver los valores de corriente y también de tensión (mediante la ley de Ohm) de los circuitos eléctricos.

En la siguiente imagen exponemos un ejemplo práctico:

Circuito eléctrico de 1sfoerster, CC BY-SA 3.0

Y obtendríamos que:

- Para el nodo superior:                  i6 = i1 +i7
- Para el nodo central izquierdo:    i1 + i2 = i3
- Para el nodo central del circuito: i4 +i5 = i2 + i6
- Para el nodo central derecho:      i7 +i8 = i5

- Para el nodo inferior:                   i3 = i4 + i8

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Código de Colores de las Resistencias

Para el cálculo de una resistencia no basta con calcular su valor óhmico, también es necesario conocer la potencia que puede soportar y, por tanto, el calor que es capaz de disipar dicha resistencia, la mayor o menor potencia repercute en su tamaño (a más potencia más grandes son las resistencia).

La unidad de potencia de las resistencias es el vatio (W) o fracciones de vatio: 1/4W, 1/2W, 1W, 1.5W, 5W, etc.

El código de colores en las resistencias es el código más frecuente que presentan las resistencias para clasificar e identificar el valor óhmico y la tolerancia de cada una de ellas.

Las resistencias tienen 4 franjas de color, según la imagen siguiente:

Colores resistencia de Dnu72, Dominio Público 

• Los valores de colores para la 1ª y 2ª banda son:

Negro:      0

Marrón:    1

Rojo:        2

Naranja:   3

Amarillo: 4

Verde:      5

Azul:        6

Violeta:    7

Gris:         8

Blanco:    9

• El valor de la 3ª banda es un multiplicador de las cifras calculadas en las bandas 1 y 2. Y el valor equivalente a cada color será:

Negro:      x1       

Marrón:    x10
Rojo:        x100
Naranja:   x1000
Amarillo: x10000
Verde:      x100000
Azul:        x1000000
Violeta:    x10000000
Gris:         x100000000
Blanco:     x1000000000
Oro:          x 0.1
Plata:        x 0.01

• La 3ª banda representa la Tolerancia de la resistencia en (%). 

La tolerancia indica el rango superior e inferior que podrá alcanzar la resistencia sobre el valor nominal (calculado en las bandas 1, 2 y 3).
Por ejemplo, si tenemos:
R1= 1K 10%, valor podrá oscilar entre 990Ω y 1K10Ω

Y el valor según el código de colores es el siguiente:

Marrón:(+/-) 1%
Rojo:    (+/-) 2%
Verde:  (+/-) 0.5%
Azul:    (+/-) 0.25%
Violeta:(+/-) 0.10%
Gris:     (+/-) 0.05%
Oro:      (+/-) 5%
Plata:    (+/-) 10%

Por lo tanto el valor de la resistencia de arriba sería:
1ª banda: Rojo y 2ª banda: Violeta  > 27
3ª banda (multiplicador):Verde x 100K
4ª banda (tolerancia): (+/-) 10%
Total= 2.7MΩ (+/-)10%

Aprendamos de Condensadores

Vamos a conocer un poco más sobre estos componentes eléctricos, que se encuentran en todos los aparatos electrónicos que nos rodean hoy en día:

CONDENSADORES

Un condensador o capacitor eléctrico es un componente eléctrico que almacena carga eléctrica en forma de diferencia de potencial, para liberarla posteriormente. Siendo la carga eléctrica la cantidad de electricidad o potencial.

• ¿CÓMO ALMACENA CARGA UN CONDENSADOR?

Esquema Condensador de Fluppe37, CC BY-SA 3.0

Un condensador está formado por dos placas o superficies conductoras en forma de láminas separadas por un material dieléctrico (aislante). Cuando conectemos una batería o fuente de tensión, dichas placas se cargarán con la misma cantidad de carga (q), pero con distintos signos (una + y la otra -). Y una vez cargado el condensador tendrá entre sus placas una d.d.p. (diferencia de potencial) y estará preparado para soltar esa carga cuando lo conectemos a un receptor de salida.

- La cantidad de carga que puede almacenar un condensador se denomina Capacidad del condensador, se mide en Faradios y  viene expresada en la siguiente fórmula:

C=q/V

donde:

q: es la carga almacenada en cada una de las placas del condensador y se mide en Culombios.

V: es la diferencia de potencial entre ambas placas y se mide en Voltios.

• CARGA DE UN CONDENSADOR EN CIRCUITO RC

Circuito RC Switch de Peterblockley, Public Domain

Generalmente en el circuito y junto al condensador se le añade una resistencia, también denominada Resistencia de Carga, que nos ayudará a controlar el tiempo de carga según la siguiente expresión:

t= 5*R*C

donde:

t : es el tiempo en segundos de la carga del condensador.

R: es el valor óhmico de la resistencia en serie.

C: es la capacidad de nuestro Condensador.

Una vez que el condensador se ha cargado, se comporta como un circuito abierto y entre sus bornes no circularía corriente.

• DESCARGA DE UN CONDENSADOR

Un condensador no se descarga automáticamente, sino que hay un periodo transitorio. Lo mismo ocurre con su carga, tampoco es instantánea. Ya estudiaremos con más detalle este apartado.

Para información más avanzada sobre la carga y descarga de un condensador, no dejes de visitar este site.

POLÍMETRO O MULTÍMETRO

Una vez que ya tengamos los componentes electrónicos con los que vamos a poder trabajar y experimentar, nos interesa conocer también algunas herramientas que nos podrán ser muy útiles para poder entender y avanzar en ese campo. Aquí os muestro uno de los más importantes:

POLÍMETRO O MULTÍMETRO

Este aparato sirve para medir las magnitudes eléctricas. Nos permite medir directamente el voltaje, la intensidad o corriente y la resistencia eléctrica.

Multímetro de OpenClipart-Vectors, CC0 1.0

Las características básicas que contiene un multímetro son las siguientes:

- Visualizador de cristal líquido.
- Interruptor de encendido y apagado.

- Rueda selectora. La iremos girando para seleccionar el campo de medida: amperios o miliamperios, voltios o milivoltios, ohmios,.. Si se desconoce el orden del valor de la magnitud que vas a medir, seleccionaremos en la rueda para que el multímetro realice la lectura máxima, para evitar que se estropee.

- Hembrilla para conexión de puntas de prueba. Para realizar un medición se colocan las pinzas, con su cable en las hembrillas de conexión.Suele ser el de color rojo el que corresponde al de mayor tensión (V+) y el negro al de menor (V-).
Si queremos medir intensidades en corriente alterna, la roja se inserta en la de la izquierda donde pone "20AMáx" (20 amperios máximo) y para todos los demás casos en el agujero rojo.

¿CÓMO MEDIR?

Daré las instrucciones básicas para medir las distintas magnitudes:

• PARA MEDIR RESISTENCIA ELÉCTRICA: 

Multímetro medida resistencia de Agapetos, Public Domain

- Poner una pinza en el com y la otra en el agujero rojo.
- La Resistencia se mide con el circuito desconectado, sin tensión.
- Poner las pinzas en bornes del circuito abierto que queremos medir.

• PARA MEDIR TENSIONES O VOLTAJE: 

Multímetro medida voltaje de Dmitry G, Public Domain

- La tensión de un circuito se mide en paralelo y en circuito cerrado.

• PARA MEDIR LA INTENSIDAD O CORRIENTE: 

Multímetro medida corriente de Pui108108, CC BY 4.0

- La intensidad de un circuito se mide en serie y en circuito cerrado. Si estuviera en circuito abierto, no circularía corriente y no tendríamos corriente o intensidad que medir.

• Para más información puede visitar esta información de wikipedia.
• Y para poder adquirir uno podéis consultar las siguientes tiendas online: como amazon o en leroy merlin.

LA RESISTENCIA ELÉCTRICA

La Resistencia es un componente que se opone al paso de la corriente eléctrica, entendiendo que la corriente eléctrica como el paso de electrones a través de un circuito receptor. Es decir que la corriente eléctrica es un movimiento de electrones.

Cuanto más se opone un elemento de un circuito a que pase por él la corriente, más resistencia tendrá.

El esfuerzo que tienen que vencer los electrones para moverse por un circuito cerrado se llama Resistencia eléctrica.

Resistencias de Cyp, CC BY-SA 3.0

• ¿CÓMO MEDIR LA RESISTENCIA?

Podemos medir la resistencia utilizando la ley de Ohm, una fórmula fundamental de la electrónica:

V=I*R

donde:

V: es la medida de voltaje o tensión.

I: es la medida de la intensidad o corriente.

R: es el valor de la resistencia eléctrica.

Según esta fórmula y sabiendo el voltaje que cae en una parte del circuito, y la corriente que lo recorre podemos calcular el valor de la resistencia eléctrica.

• TIPOS DE RESISTENCIAS

Existen varios tipos de resistencias en función del material, de la potencia, de carga variable, etc. La elección del tipo de resistencia dependerá de las necesidades y especificaciones que necesitemos en determinado circuito.  

Los tipos de resistencias más utilizados son:

1. Resistencias fijas. Son resistencias cuyo valor óhmico no lo podemos variar según nuestras necesidades. Pueden ser aglomeradas, de película de carbón, de película metálica y bobinadas.
2. Resistencias variables. En estas resistencias podemos variar su valor óhmico ajustando nosotros mismos el valor. Estas resistencias también son denominadas potenciómetros y suelen ser bobinadas o de película.
3. Resistencias dependientes. El valor óhmico de estas resistencias varía en función de otra variable, como de la luz ambiental (LDR), la temperatura (NTC o PTC) o de la tensión (VDR). 

- Para más información no dejéis de visitar este site.

Jugando con la Electrónica

Para aprender sobre algún ámbito técnico no podemos olvidarnos de acercarnos el máximo que nos sea posible a la realidad.  Y que mejor opción que poder adquirir nuestros propios componentes básicos para poner en funcionamiento nosotros mismos, equivocarnos, jugar, aprender...

Tras haber conocido los aspectos básicos teóricos al respecto, ¿Por qué no empezar a trastear un poco con ellos?

Trabajo con circuitos de Ppatel8492, CC BY-SA 4.0

RECOMENDACIONES PERSONALES:

• KIT BÁSICO de componentes

Una de las mejores opciones para principiantes sería alquirir algún kit didáctico del nivel de experiencia que tengamos.

Lo más básico podría ser un set de componentes para novatos. Los hay de varios tipos y de mayor o menor nivel de dificultad. A continuación os voy a recomendar un kit que contiene muchos tipos de componentes básicos y avanzados y puede serviros tanto para iniciaros como para seguir avanzando.

-  El kit que más recomiendaría sería el E2 de "Elegoo". Para más información buscar aquí. Es bastante económico para todo lo que contiene. El único inconveniente a tener en cuenta es que necesitaríamos unas tijeras de no tener "pelacables" en casa.
         Contiene:
         - 1 Módulo de alimentación.
         - 1 Placa de inserción (Protoboard o Breadboard).
         - 1 Circuito integrado 74HC595.
         - 1 Circuito integrado 4N35.
         - 2 Timbres.
         - 10 Interruptores.
         - 21 piezas de cable.
         - 2 Fotoresistores.
         - 1 Termistor
         - 32 Condensadores de varios tipos.
         - 56 leds (tradicional, zener, led).
         - 120 Resistencias: de 10, 100, 220, 330, 1K, 2K, 5.1K, 10K, 100K y de 1M Óhmios.

• COMPONENTES POR SEPARADO

También es una opción muy interesante la de comprar componente a componente, sobre todo si queremos o necesitamos trabajar con elementos muy concretos, ya que generalmente el porte por envío encarecería la compra.

Mi recomendación de compra sería en tiendas como: Cetronic, TodoElectrónica o Diotronic.

DIODO

Vamos a conocer los conceptos básicos y algunos tipos de diodos, componentes esenciales de la electrónica básica y avanzada.

EL DIODO

El diodo tradicional es un componente electrónico que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección (polarización directa). En uno de los extremos tienen una franja gris que nos indica el extremo que tendría que ir al polo (-) para su conducción, o también llamado Cátodo. Siendo el otro extremo denominado Ánodo, el que se conectaría hacia el polo (+) de la bateria o fuente.
Idealmente para que un diodo conduzca se tiene que cumplir que: V+>V-

Cuando se polariza inversamente no pasa la corriente por él. Es decir, cuando el ánodo se conecta al polo (-) y el cátodo al (+), que idealmente sucede cuando la tensión en el cátodo es igual o mayor a la del ánodo: V->=V+ 

Diodo tradicional de Clker-Free-Vector-Images, CC0 1.0

A parte del diodo tradicional también existen otros tipos, como por ejemplo los siguientes:

• Diodo LED:

Este diodo emite luz cuando se polariza directamente. Tienen dos patillas de distinto tamaño y la patilla más larga nos indicará el ánodo. Cuando el ánodo esté conectado al polo (+), habrá polarización directa e idealmente se encenderá el led.

Diodo led de 95C, CC0 1.0

• Diodo ZENER:

Los diodos Zener son diodos que están diseñados para mantener un voltaje constante en sus terminales llamado Voltaje o Tensión Zener, cuando se polarizan inversamente. Es decir, cuando está el cátodo con una tensión (+) y el ánodo con la (-).

Diodo zener de Willtron, CC BY-SA 3.0

En definitiva, estos diodos se utilizan como reguladores de tensión o voltaje para determinadas tensiones y resistencias de carga. Por ejemplo, con un zener podemos conseguir que a un componente (por ejemplo un altavoz) siempre le llegue la misma tensión de forma bastante exacta.

• Para más información sobre el diodo buscar aquí.