UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURAFACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIAL

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

PROYECTO DE INVESTIGACION

“DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL SEMIAUTOMATICO DE

DISTRIBUCION DE CORRIENTE ELECTRICA, AGUA Y SEGURIDAD PARA

VIVIENDAS MEDIANTE UN SISTEMA ELECTRONICO-DIGITAL

PROGRAMABLE”

PRESENTADO POR:

MOGOLLON BACA FRANCK KEVINSILVA SERNAQUE ARNOLD STIVED

CASTILLA – PIURA

2014

I. INTRODUCCIÓN

El desarrollo industrial y tecnológico ha traído consigo el mayor uso de recursos naturales y consigo la mayor generación de residuos. Estos residuos al no ser tratados adecuadamente afectan el ambiente; es por ello que se hace necesario la gestión de estos residuos de tal manera que contribuyan al desarrollo sostenible de nuestro país.La industria plástica en crecimiento y los plásticos son actores importantes en este desarrollo, ya que han reemplazado a otros materiales como el papel y los metales en muchas aplicaciones comunes y de ingeniería. Estos materiales, al término de su vida útil pueden ser reaprovechados de distintas formas, ya que de disponerse en un relleno sanitario y/o un botadero perduraría por 500 años aproximadamente. Una de las formas de aprovechar los residuos plásticos es mediante el reciclaje.Estas actividades son desarrolladas en el Perú hace muchos años, principalmente en las ciudades de Lima y el Callao, en un ámbito informal que beneficia a un grupo de personas y no a la sociedad en general. Piura y Sullana no está exenta de esta realidad.Por ello el presente trabajo pretende mejorar la productividad del reciclaje de plástico para el beneficio que contribuya a la gestión de los residuos sólidos urbanos y el desarrollo sostenible de la ciudad de Sullana.

II. EL PROBLEMA DE INVESTIGACION

II.1 DESCRIPCION

La realidad problemática de nuestra ciudad, localidad y país, hoy en día es la seguridad, no solo de nuestra integridad física y mental, sino, también de nuestras pertenencias u objetos de valor, ya sean materiales (electrodomésticos, dinero, entre otros), con valor monetario o sentimental. Pues debido a este problema generalizado en nuestra sociedad, han surgido a través de empresas diversas soluciones favorables para los usuarios, como los sistemas de seguridad para viviendas, sistemas antirrobo que en realidad muy efectivos, estos constituyen un precio muy elevado para las familias con menos o poco ingreso monetario.

No solamente la seguridad de nuestra familia y vivienda es un problema común en nuestra sociedad, también está la distribución eficiente de corriente eléctrica o iluminación y agua por toda la casa, ya que al no tener en cuenta eso detalles llevara a cabo una pérdida de energía y dinero, aumentando los precios que se deban pagar a las empresas prestadoras de servicios. Así mismo, habrá una pérdida de tiempo en la parte de llenado de tanques elevados que algunas casa poseen y riego de las áreas verdes, dificultando aún más las tareas domésticas de las familias con mayor estrés al estar siempre en alerta por los robos de casas, a más un la integridad familiar produciendo así una reducción de la salud y confort de las personas.

II.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Dada la evaluación de la realidad problemática, se presenta una serie de interrogantes que serán el objeto de la investigación científica, cuya base se sostiene del método científico. En cada uno de los aspectos se formulan enunciados que requieren específicamente el planteamiento de soluciones hipotéticas. Para la formulación del problema partimos desde el tema principal: El control semiautomático para viviendas.

Si desde un principio se observó que la seguridad, administración del agua y la corriente eléctrica era baja, pues posiblemente no era la más óptima o no se utilizan los medios adecuados para lograrlo. Por lo tanto es necesario mejorarla, generando una principal interrogante: ¿En qué medida mejora la seguridad y la distribución de la energía eléctrica con el agua mediante el sistema de control semiautomático para las viviendas?

III. OBJETIVOS DE INVESTIGACION

III.1 OBJETIVO GENERAL

Diseño y simular las características de un sistema de control semiautomático de distribución de corriente eléctrica, agua y seguridad en un entorno global para viviendas mediante un sistema electrónico-digital programable.

III.2 OBJETIVO ESPECIFICO

Medir la eficiencia del sistema en el ámbito de la seguridad, distribución de corriente eléctrica y agua.

Logar que el sistema no entre en conflictos de información, perdida de señales y rapidez de envió, recepción y sobre todo de la interpretación de los datos.

IV. JUSTIFICACIÓN

Es necesario e importante el desarrollo de tecnologías en el ámbito de control semiautomático electrónico para aprovechar al máximo la tecnología en pro de nuestro bienestar.

Vivimos en un mundo globalizado, en constante desarrollo y evolución, y en donde la tecnología no es ajena a este fenómeno, por el contrario está a la vanguardia en innovación, los retos que se nos presentan a los ingenieros hoy en día son precisamente esos; buscar estrategias que nos permitan articular la tecnología con los diferentes campos de acción; para nuestro caso entonces es de vital importancia mejorar el confort y la calidad de vida del ser humano.

V. REVISION DE LITERATURA

V.1BASES TEORICAS

V.1.1 DISPOSITIVOS PROGRAMABLES Y LENGUAJE DE PROGRAMACION

V.1.2 DISPOSITIVOS ELECTRICOS

Estructura atómicaToda la materia se compone de átomos, y todos los átomos se componen de electrones, protones y neutrones. En esta sección aprenderá acerca de la estructura de un átomo, lo cual incluye capas y órbitas de los electrones, electrones de valencia, iones y niveles de energía. La configuración que presentan ciertos electrones en un átomo es el factor clave para determinar qué tan bien conduce la corriente eléctrica un material conductor o semiconductor.

Categorías de materialesEn electrónica se utilizan tres categorías de materiales: conductores, semiconductores y aislantes.

Conductores Los materiales conductores son aquellos que permiten el paso de la corriente.Tienen un gran número de electrones libres y se caracterizan por poseer de uno a tres electrones de valencia en su estructura. La mayoría de los metales son buenos conductores. La plata es el mejor material conductor, y el cobre es el siguiente. El cobre es el material conductor más ampliamente utilizado porque es menos caro que la plata. En circuitos eléctricos, comúnmente se emplea alambre de cobre como conductor.Semiconductores Los materiales semiconductores se clasifican por debajo de los conductores,en cuanto a su capacidad de transportar corriente, porque tienen menos electrones libres que los conductores.Los semiconductores tienen cuatro electrones de valencia en sus estructuras atómicas. Sin embargo, a causa de sus características únicas, ciertos materiales semiconductores constituyen la base de artefactos electrónicos tales como el diodo, el transistor y el circuito integrado. El silicio y el germanio son materiales semiconductores comunes.Aislantes Los materiales aislantes son conductores deficientes de la corriente eléctrica. De hecho,los aislantes se utilizan para evitar la corriente donde no es deseada. Comparados con losmateriales conductores, los aislantes tienen muy pocos electrones libres y se caracterizan por poseeermás de cuatro electrones de valencia en sus estructuras atómicas.

VoltajeComo se ha visto, existe una fuerza de atracción entre una carga positiva y una negativa. Se debeaplicar cierta cantidad de energía, en forma de trabajo, para vencer dicha fuerza y separar lascargas a determinada distancia. Todas las cargas opuestas poseen cierta energía potencial a causade la separación que hay entre ellas. La diferencia en la energía potencial por carga es la diferenciade potencial o voltaje. En circuitos eléctricos, el voltaje es la fuerza propulsora y es lo queestablece la corriente.Como una analogía, considere un tanque de agua que está soportado a varios pies sobre el niveldel suelo. Se debe ejercer una cantidad dada de energía, en forma de trabajo, para subir aguay llenar el tanque. Una vez almacenada en el tanque, el agua tiene cierta energía potencial que, sies liberada, puede utilizarse para realizar trabajo.El voltaje, simbolizado mediante V, se define como energía o trabajo por unidad de carga.

donde: V = voltaje en volts (V)W = energía en joules (J)Q = carga en coulombs (C)

La unidad de voltaje es el volt, simbolizada mediante V.

Un volt es la diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos cuando se utiliza un joulede energía para mover un coulomb de carga de un punto a otro.

CIRCUITO ELÉCTRICOUn circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como resistencias, inductores,condensadores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento encorriente directa o en corriente alterna. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos.

DISPOSITIVOS DIGITALES

El término digital se deriva de la forma en que las computadoras realizan las operaciones contando dígitos. Durante muchos años, las aplicaciones de la electrónica digital se limitaron a los sistemas informáticos.Hoy día, la tecnología digital tiene aplicación en un amplio rango de áreas además de la informática.Aplicaciones como la televisión, los sistemas de comunicaciones, de radar, sistemas de navegación y guiado, sistemas militares, instrumentación médica, control de procesos industriales y electrónica de consumo, usan todos ellos técnicas digitales. A lo largo de los años, la tecnología digital ha progresado desde los circuitos de válvulas de vacío hasta los transistores discretos y los circuitos integrados, conteniendo algunos de ellos millones de transistores.Este capítulo presenta la electrónica digital y proporciona una extensa introducción a muchos conceptos, componentes y herramientas muy importantes.

MAGNITUDES ANALÓGICAS Y DIGITALES

Los circuitos electrónicos pueden dividirse en dos amplias categorías: digitales y analógicos. La electrónica digital utiliza magnitudes con valores discretos y la electrónica analógica emplea magnitudes con valores continuos. Aunque en este libro vamos a estudiar los fundamentos digitales, también debemos conocer los analógicos porque muchas aplicaciones requieren la utilización de ambos.

Una magnitud analógica es aquella que toma valores continuos. Una magnitud digital es aquella que toma un conjunto de valores discretos. La mayoría de las cosas que se pueden medir cuantitativamente aparecen en la naturaleza en forma analógica. Por ejemplo, la temperatura varía dentro de un rango continuo de valores. A lo largo de un día, la temperatura no varía por ejemplo entre 20ºC y 25ºC de forma instantánea, sino que alcanza todos los infinitos valores que hay en ese intervalo. Si dibujamos la gráfica de la temperatura de un día típico de verano, tendríamos una curva continua suave como la mostrada en Figura a). Otros ejemplos de magnitudes analógicas son el tiempo, la presión, la distancia y el sonido.

En lugar de hacer una gráfica de temperatura en un rango continuo, supongamos que simplemente medimosla temperatura cada hora. Lo que tenemos ahora son muestras que representan la temperatura en instantesdiscretos de tiempo (cada hora) a lo largo de un período de 24 horas, como se indica en la Figura 1.2. Deesta forma, hemos convertido de forma efectiva una magnitud analógica a un formato que ahora puede digitalizarse,representando cada valor muestreado mediante un código digital. Es importante darse cuenta de quela Figura 1.2 no es la representación digital de la magnitud analógica.La ventaja de las magnitudes digitales. En las aplicaciones de electrónica, la representación digital presenta ciertasventajas sobre la representación analógica. La principal ventaja es que los datos digitales puede ser procesados y transmitidos de forma más fiable y eficiente que los datos analógicos. También, los datos digitales disfrutande una ventaja importante cuando es necesario su almacenamiento. Por ejemplo, cuando la música seconvierte a formato digital puede almacenarse de manera más compacta y reproducirse con mayor precisióny claridad de lo que es posible en formato analógico. El ruido (fluctuaciones de tensión no deseadas) no afectaa los datos digitales tanto como a las señales analógicas.

Un sistema electrónico analógicoUn sistema de altavoz, que se emplea para amplificar el sonido de modo que pueda ser escuchado por una gran audiencia, es un ejemplo de una aplicación de electrónica digital. El diagrama básico de la Figura 1.3 ilustra cómo estas ondas sonoras, que son analógicas por naturaleza, son captadas por un micrófono y convertidas en una pequeña variación analógica de tensión denominada señal de audio. Esta tensión varía de forma continua a medida que el volumen y la frecuencia del sonido varían, y se aplica a la entrada de un amplificador lineal. La salida del amplificador, que es una reproducción amplificada de la tensión de entrada, se aplica al altavoz. El altavoz convierte de nuevo la señal de audio amplificada en ondas sonoras con un volumen mucho mayor que el sonido original captado por el micrófono.

Sistema que utiliza métodos digital y analógicoUn reproductor de CD es un ejemplo de un sistema en que se emplean tanto circuitos digitales como analógicos.El diagrama de bloques simplificado de la Figura 1.4 ilustra el principio básico. La música en formato digital se almacena en el CD. Un sistema óptico de diodos láser lee los datos digitales del disco cuando éste gira y los transfiere al convertidor digital-analógico (DAC, Digital-to-Analog Converter). El DAC transforma los datos digitales en una señal analógica que es una reproducción eléctrica de la música original. Esta señal

se amplifica y se envía al altavoz para que podamos disfrutarla. Cuando la música original se grabó en el CD se utilizó el proceso inverso del descrito aquí, y que utilizaba un convertidor analógico-digital (ADC,Analog-to-Digital Converter).

DÍGITOS BINARIOS, NIVELES LÓGICOS Y FORMAS DEONDA DIGITALESLa electrónica digital utiliza sistemas y circuitos en los que sólo existen dos estados posibles. Estos estados se representan mediante dos niveles de tensión diferentes: ALTO (HIGH) y BAJO (LOW).Estos dos estados también pueden representarse mediante niveles de corriente, bits y relieves en un CD o en un DVD, etc. En los sistemas digitales como las computadoras, las combinaciones de los dos estados, denominadas códigos, se emplean para representar números, símbolos, caracteres alfabéticos y otros tipos de datos. El sistema de numeración de dos estados se denomina binario y los dos dígitos que emplea son 0 y 1. Un dígito binario se denomina bit.

Dígitos binariosCada uno de los dos dígitos del sistema binario, 1 y 0, se denomina bit, que es la contracción de las palabrasbinary digit (dígito binario). En los circuitos digitales se emplean dos niveles de tensión diferentes para representar los dos bits. Por lo general, el 1 se representa mediante el nivel de tensión más elevado, que se denomina nivel ALTO (HIGH) y 0 se representa mediante el nivel de tensión más bajo, que se denomina nivel BAJO (LOW). Este convenio recibe el nombre de lógica positiva y es el que se va a emplear a lo largo del libro.

ALTO (HIGH) = 1 y BAJO (LOW) = 0

Un sistema en el que un 1 se representa por un nivel BAJO y un 0 mediante un nivel ALTO se dice que emplea lógica negativa. Los grupos de bits (combinaciones de 1s y 0s), llamados códigos, se utilizan para representar números, letras, símbolos, instrucciones y cualquier otra cosa que se requiera en una determinada aplicación.

Niveles lógicosLas tensiones empleadas para representar un 1 y un 0 se denominan niveles lógicos. En el caso ideal, un nivel de tensión representa un nivel ALTO y otro nivel de tensión

representa un nivel BAJO. Sin embargo, en un circuito digital real, un nivel ALTO puede ser cualquier tensión entre un valor mínimo y un valor máximo especificados. Del mismo modo, un nivel BAJO puede ser cualquier tensión comprendida entre un mínimo y máximo especificados. No puede existir solapamiento entre el rango aceptado de niveles ALTO y el rango aceptado de niveles BAJO.La Figura 1.5 ilustra el rango general de los niveles BAJO y ALTO aceptables para un circuito digital. La variable VH(máx) representa el valor máximo de tensión para el nivel ALTO y VH(mín) representa el valor de tensión mínimo para el nivel ALTO. El valor máximo de tensión para el nivel BAJO se representa mediante VL(máx) y el valor mínimo de tensión para el nivel BAJO mediante VL(mín). Los valores de tensión comprendidos entre VL(máx) y VH(mín) no son aceptables para un funcionamiento correcto. Una tensión en el rango no permitido puede ser interpretada por un determinado circuito tanto como un nivel ALTO cuanto como un nivelBAJO, por lo que no puede tomarse como un valor aceptable. Por ejemplo, los valores para el nivel ALTO en un determinado tipo de circuito digital denominado CMOS pueden variar en el rango de 2 V a 3,3 V y los valores para el nivel BAJO en el rango de 0 V a 0,8 V. De esta manera, si por ejemplo se aplica una tensión de 2,5 V, el circuito lo aceptará como un nivel ALTO, es decir, un 1 binario. Si se aplica una tensión de 0,5 V, el circuito lo aceptará como un nivel BAJO, es decir, un 0 binario. En este tipo de circuito, las tensiones comprendidas entre 0,8 V y 2 V no son aceptables.

Formas de onda digitalesLas formas de onda digitales consisten en niveles de tensión que varían entre los estados o niveles ALTO yBAJO. La Figura 1.6(a) muestra que un impulso positivo se genera cuando la tensión (o la intensidad) pasa de su nivel normalmente BAJO hasta su nivel ALTO y luego vuelve otra vez a su nivel BAJO. El impulso negativo de la Figura 1.6(b) se genera cuando la tensión pasa de su nivel normalmente ALTO a su nivel BAJO y vuelve a su nivel ALTO. Una señal digital está formada por una serie de impulsos.El impulso. Como se muestra en la Figura 1.6, un impulso tiene dos flancos: un flanco anterior que se produce en el instante t0 y un flanco posterior que se produce en el instante posterior t1. Para un impulso positivo, el flanco anterior es un flanco de subida y el flanco posterior es de bajada. Los impulsos mostrados en la Figura 1.6 son ideales porque se supone que los flancos de subida y de bajada ocurren en un tiempo cero (instantáneamente).

En la práctica, estas transiciones no suceden de forma instantánea, aunque para la mayoría de las situaciones digitales podemos suponer que son impulsos ideales.La Figura 1.7 muestra un impulso real (no ideal). En la práctica, todos los impulsos presentan alguna o todas de las características siguientes. En ocasiones, se producen picos de tensión y rizado debidos a los efectos capacitivos e inductivos parásitos. La caída puede ser provocada por las capacidades parásitas y la resistencia del circuito que forma un circuito RC con una constante de tiempo baja.El tiempo requerido para que un impulso pase desde su nivel BAJO hasta su nivel ALTO se denomina tiempo de subida (tr), y el tiempo requerido para la transición del nivel ALTO al nivel BAJO se denomina tiempo de bajada (tf). En la práctica, el tiempo de subida se mide como el tiempo que tarda en pasar del10% (altura respecto de la línea) al 90% de la amplitud del impulso y el tiempo de bajada se mide como el tiempo que tarda en pasar del 90% al 10% de la amplitud del impulso, como se puede ver en la Figura 1.7. La razón de que el 10% inferior y el 10% superior no se incluyan en los tiempos de subida y de bajada se debea la no linealidad de la señal en esas áreas. El ancho del impulso (tW) es una medida de la duración del impulso y, a menudo, se define como el intervalo de tiempo que transcurre entre los puntos en que la amplitud es del 50% en los flancos de subida y de bajada, como se indica en la Figura 1.7.

Características de la forma de onda. La mayoría de las formas de onda que se pueden encontrar en los sistemas digitales están formadas por series de impulsos, algunas veces denominados también trenes de impulsos, y pueden clasificarse en periódicas y no periódicas. Un tren de impulsos periódico es aquel que se repite a intervalos de tiempo fijos; este intervalo de tiempo fijo se denomina período (T). La frecuencia (f) es la velocidad a la que se repite y se mide en hercios (Hz). Por supuesto, un tren de impulsos no periódico no se repite a intervalos de tiempo fijos y puede estar formado por impulsos de distintos anchos y/o impulsos que tienen intervalos distintos de tiempo entre los pulsos. En la Figura 1.8 se muestra un ejemplo de cada tipo.

La frecuencia (f) de un tren de pulsos (digital) es el inverso del período. La relación entre la frecuencia yel período se expresa como sigue:

Una característica importante de una señal digital periódica es su ciclo de trabajo, que es el cociente entre

el ancho del impulso (tW) y el período (T) y puede expresarse como un porcentaje.

Una señal digital contiene información binariaLa información binaria que manejan los sistemas digitales aparece en forma de señales que representansecuencias de bits. Cuando la señal está a nivel ALTO, quiere decir que está presente un 1 binario; cuando laseñal está a nivel BAJO, lo indica un 0 binario. Cada bit dentro de una secuencia ocupa un intervalo de tiempo definido, denominado período de bit.El reloj. En los sistemas digitales, todas las señales están sincronizadas con una señal de temporización básicadenominada reloj. El reloj es una señal periódica en la que cada intervalo entre impulsos (el período) esigual a la duración de un bit.En la Figura 1.10 se muestra un ejemplo de una señal de reloj. Observe que, en este caso, cada cambiode nivel de la señal A se produce en el flanco de subida de la señal de reloj. En otros casos, los cambios denivel se producen en el flanco de bajada de dicha señal. Para cada duración de un bit de la señal de reloj, laforma de onda A se encuentra a nivel ALTO o bien a nivel BAJO. Como ya hemos mencionado, estos nivelesALTO y BAJO representan una secuencia de bits. Un grupo de varios bits se puede utilizar como partede una información binaria, tal como un número o una letra. La señal de reloj en sí misma no transportainformación.

Diagramas de tiempos. Un diagrama de tiempos o cronograma es una gráfica de señales digitales que muestrala relación temporal real entre dos o más señales y cómo varía cada señal respecto a las demás. Al examinarun diagrama de tiempos, es posible determinar los estados (ALTO o BAJO) de todas las formas deonda en cualquier punto de tiempo especificado y el instante exacto en el que una forma de onda cambia de

estado respecto a las restantes. La Figura 1.11 es un ejemplo de un diagrama de tiempos para cuatro señales.

A partir de este diagrama de tiempos podemos ver, por ejemplo, que las tres formas de onda A, B y C estána nivel ALTO sólo durante el séptimo ciclo de reloj y las tres cambian de nuevo a nivel BAJO cuando terminadicho ciclo (área sombreada).

Transferencia de datosLos datos son grupos de bits que transportan algún tipo de información. Los datos binarios, que se representanmediante señales digitales, deben transferirse de un circuito a otro dentro de un sistema digital o desde unsistema a otro, para poder servir a un propósito determinado. Por ejemplo, los números almacenados en formatobinario en la memoria de una computadora se deben transferir a la unidad central de procesamiento dela computadora para poder sumarse. El resultado de la suma debe entonces transferirse a la pantalla paravisualizarse y/o enviarse de nuevo a la memoria. En los sistemas informáticos, como se muestra en la Figura1.12, los datos binarios pueden transferirse de dos formas: en serie y en paralelo.Cuando los bits se transmiten en serie de un punto a otro, se envían bit a bit a través de una sola línea,como se muestra en la Figura 1.12(a) para el caso de una transmisión computadora-módem. Durante el intervalode tiempo de t0 a t1, se transmite el primer bit. Durante el intervalo de tiempo de t1 a t2, se transmite elsegundo bit, y así sucesivamente. Por tanto, la transmisión de ocho de bits en serie precisa ocho intervalos detiempo.Cuando los bits se transmiten en paralelo, todos los bits de un grupo se envían por líneas separadas almismo tiempo. Como se muestra en la Figura 1.12(b) para el ejemplo de transmisión de ocho bits desde unacomputadora a una impresora, existe una línea para cada bit. Para transferir ocho bits en paralelo sólo se necesitaun intervalo de tiempo frente a los ocho que se precisan en la transferencia en serie.

En resumen, la ventaja de una transmisión en serie de datos binarios es que sólo se necesita una línea. Enla transmisión en paralelo se necesitan tantas líneas como número de bits que hay que transmitir al mismotiempo. Uno de los inconvenientes de la transmisión en serie es que tarda más tiempo en transferir un númerode bits dado que la transmisión en paralelo. Por ejemplo, si un bit puede transferirse en un 1 s, entoncespara transmitir 8 bits en serie se necesitan 8 s, pero sólo 1 s para hacerlo en paralelo. Una desventaja de latransmisión en paralelo es que se precisan más líneas.

OPERACIONES LÓGICAS BÁSICASEn su forma más simple, la lógica es la parte del razonamiento humano que nos dice que una determinadaproposición (sentencia de asignación) es cierta si se cumplen ciertas condiciones. Las proposicionesse pueden clasificar como verdaderas o falsas. Muchas situaciones y procesos que encontramos ennuestra vida cotidiana pueden expresarse como funciones proposicionales o lógicas. Dado que talesfunciones son sentencias verdaderas/falsas o afirmativas/negativas, pueden aplicarse a los circuitosdigitales, ya que éstos se caracterizan por sus dos estados.Cuando se combinan varias proposiciones se forman funciones lógicas o proposicionales. Por ejemplo, la

proporción “la luz está encendida” será cierta si “la bombilla no está fundida” lo es y si “el interruptor estádado” también es verdadera. Por tanto, esta proposición lógica puede formularse de la manera siguiente: laluz está encendida sólo si la bombilla no está fundida y el interruptor está dado. En este ejemplo, la primerasentencia sólo es verdadera si las dos últimas lo son. La primera proposición (“la luz está encendida”) es portanto la proposición básica y las otras dos son las condiciones de las que depende la proposición.Hacia 1850, el matemático y lógico irlandés George Boole desarrolló un sistema matemático para formularproposiciones lógicas con símbolos, de manera que los problemas puedan formularse y resolverse de formasimilar a como se hace en el álgebra ordinaria. El álgebra de Boole, como se le conoce hoy día, encuentra aplicacionesen el diseño y el análisis de los sistemas digitales, y se tratará en detalle en el Capítulo 4.El término lógico se aplica a los circuitos digitales que se utilizan para implementar funciones lógicas.Existen varios tipos de circuitos lógicos que son los elementos básicos que constituyen los bloques sobre losque se construyen los sistemas digitales más complejos, como por ejemplo una computadora. Ahora vamos aabordar estos elementos y vamos a estudiar sus funciones de una forma muy general. En capítulos posterioresestudiaremos estos circuitos en detalle.En la Figura 1.15 se muestran los símbolos estándar distintivos de las tres operaciones lógicas básicas(NOT, AND y OR). Existen otros símbolos estándar para estas operaciones lógicas que se verán por individual . Las líneas conectadas a cada símbolo son las entradas y las salidas. Las entradas son las líneas situadasa la izquierda de cada símbolo y la salida es la línea de la derecha. Un circuito que realiza una operación lógicadeterminada (NOT, AND, OR) se denomina puerta lógica. Las puertas AND y OR pueden tener cualquiernúmero de entradas, como se indica mediante las líneas de puntos en la Figura 1.15.En las operaciones lógicas, las condiciones mencionadas anteriormente de verdadero/falso se representanmediante un nivel ALTO (verdadero) y un nivel BAJO (falso). Cada una de las tres operaciones básicas dalugar a una única respuesta para un determinado conjunto de condiciones.

NOTLa operación NOT cambia de un nivel lógico al nivel lógico opuesto, como se muestra en la Figura 1.16.

Cuando la entrada está a nivel ALTO (1), la salida se pone a nivel BAJO (0). Cuando la entrada está a nivelBAJO, la salida se pone a nivel ALTO. En cualquier caso, la salida no es la misma que la entrada. La operaciónNOT se implementa mediante un circuito lógico conocido como inversor.

ANDLa operación AND genera un nivel ALTO sólo cuando todas las entradas están a nivel ALTO, como se muestraen la Figura 1.17 para el caso de dos entradas. Cuando una entrada está a nivel ALTO y la otra entrada estáa nivel ALTO, la salida se pone a nivel ALTO. Cuando cualquiera de las entradas o todas ellas están a nivelBAJO, la salida se pone a nivel BAJO. La operación AND se implementa mediante un circuito lógico conocido como puerta AND.

ORLa operación OR genera un nivel ALTO cuando una o más entradas están a nivel ALTO, como se muestra enla Figura 1.18 para el caso de dos entradas. Cuando una de las entradas está a nivel ALTO o ambas entradasestán a nivel ALTO, la salida es un nivel ALTO. Cuando ambas entradas están a nivel BAJO, la salida será unnivel BAJO. La operación OR se implementa mediante un circuito lógico denominado puerta OR.

NÚMEROS BINARIOSEl sistema de numeración binario es simplemente otra forma de representar magnitudes. Es menoscomplicado que el sistema decimal porque sólo emplea dos dígitos. El sistema decimal con sus diezdígitos es un sistema en base diez; el sistema binario con sus dos dígitos es un sistema en base dos. Losdos dígitos binarios (bits) son 1 y 0. La posición de un 1 o un 0 en un número binario indica su peso;o valor dentro del número, del mismo modo que la posición de un dígito decimal determina el valor de ese dígito. Los pesos de un número binario se basan en las potencias de dos.

Para aprender a contar en el sistema binario, en primer lugar es preciso observarcómo se cuenta en el sistema decimal. Comenzamos en cero y continuamos hasta elnueve antes de quedarnos sin dígitos. Luego, comenzamos con otra posición de dígito(a la izquierda) y continuamos contando desde 10 hasta 99. En este punto, se terminantodas las combinaciones con dos dígitos, por lo que es necesaria una terceraposición de dígito para poder contar desde 100 hasta 999.Cuando contamos en binario se produce un situación similar, excepto en que sólodisponemos de dos dígitos, denominados bits. Empezamos a contar: 0, 1. En estepunto, ya hemos utilizado los dos dígitos, por lo que incluimos otra posición de dígitoy continuamos: 10, 11. Ahora, hemos agotado todas las combinaciones de dosdígitos, por lo que es necesaria una tercera posición. Con tres posiciones de dígitopodemos continuar contando: 100, 101, 110 y 111. Ahora necesitamos una cuartaposición de dígito para continuar, y así sucesivamente. En la Tabla 2.1 se muestracómo se cuenta desde cero hasta quince. Observe en cada columna la alternancia de1s y 0s.Como puede ver en la Tabla 2.1, se necesitan cuatro bits para contar de 0 a 15. Engeneral, con n bits se puede contar hasta un número igual a 2n 1Máximo número decimal 2n 1Por ejemplo, con cinco bits (n 5) podemos contar desde cero hasta treinta y uno.25 1321 31Con seis bits (n 6) podemos contar desde cero hasta sesenta y tres.26 164 1 63En el Apéndice A se proporciona una tabla de las potencias de 2.

Una aplicaciónAprender a contar en binario le ayudará a entender básicamente cómo pueden utilizarse los circuitos digitalespara contar sucesos. Puede tratarse de cualquier cosa, desde elementos que contar en una línea de montajehasta operaciones de recuento en una computadora. Tomemos un sencillo ejemplo para contar las pelotas detenis que se desplazan por una cinta transportadora hasta meterse en una caja. Supongamos que en cada cajase introducen nueve pelotas. El contador mostrado en la Figura 2.1 cuenta los pulsos procedentes de un sensor que detecta el paso de una pelota y genera una secuencia de niveles lógicos (señales digitales) en cada una de sus cuatro salidas paralelas. Cada conjunto de niveles lógicos representa un número binario de 4 bits (ALTO (H) 1 y BAJO (L) 0), como se indica. Cuando el decodificador recibe estas señales, decodifica cada conjunto de cuatro bits y lo convierte en el correspondiente número decimal en el display de 7 segmentos. Cuando el contador alcanza el estado binario 1001, quiere decir que ha contado nueve pelotas, el display muestra el número 9 y una nueva caja se desplaza por la cinta transportadora. Entonces el contador se pone a cero (0000) y el proceso comienza de nuevo. El número 9 se ha utilizado en interés de la simplicidad de ofrece un único dígito.

La estructura de pesos de los números binariosUn número binario es un número con peso. El bit más a la derecha es el LSB (LeastSignificant Bit, bit menos significativo) en un número binario entero y tiene un pesode 20 = 1. El bit más a la izquierda es el MSB (Most Significant Bit, bit más significativo);su peso depende del tamaño del número binario.Los números fraccionarios también pueden representarse en el sistema binario colocando bits a la derechade la coma binaria, del mismo modo que los números decimales fraccionarios se colocan a la derecha de lacoma decimal. En un número binario con parte fraccionaria, el bit más a la izquierda es el MSB y tiene unpeso de 2-1 = 0,5. Los pesos fraccionarios de los respectivos bits decrecen de izquierda a derecha según laspotencias negativas de dos para cada bit.La estructura de pesos de un número binario es:

donde n es el número de bits a partir de la coma binaria. Por tanto, todos los bits a la izquierda de la comabinaria tienen pesos que son potencias positivas de dos, como previamente se ha visto para los números enteros.Todos los bits situados a la derecha de la coma binaria tienen pesos que son potencias negativas de dos,o pesos fraccionales.Las potencias de dos y sus pesos decimales equivalentes para un número entero binario de 8 bits y unnúmero binario fraccionario de 6 bits se muestran en la Tabla 2.2. Observe que el peso se duplica para cadapotencia positiva de dos y que se reduce a la mitad para cada potencia negativa de dos. Puede ampliar fácilmenteesta tabla duplicando el peso de la potencia positiva de dos más significativa y dividiendo por dos elpeso de la potencia negativa de dos menos significativa; por ejemplo, 29 = 512 y 2-7 = 0,0078125.

CONVERSIÓN DECIMAL A BINARIO Y VICEVERSA

Conversión binario a decimalEl valor decimal de cualquier número binario puede hallarse sumando lospesos de todos los bits que están a 1 y descartando los pesos de todos los bitsque son 0.

Conversión decimal a binarioMétodo de la suma de pesosUna forma de hallar el número binario equivalente a un número decimal determinadoconsiste en determinar el conjunto de pesos binarios cuya suma es igual al númerodecimal. Una forma fácil de recordar los pesos binarios es que el peso más bajoes 1, es decir 20, y que duplicando cualquier peso, se obtiene el siguiente peso superior;por tanto, la lista de los siete primeros pesos binarios será: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64,como verá en una sección posterior. Por ejemplo, el número decimal 9 puede expresarsecomo la suma de pesos binarios siguiente:

Colocando los 1s en las posiciones de pesos apropiadas, 23 y 20, y los 0s en las posiciones 22

y 21 se determina

el número binario correspondiente al decimal 9.

Método de la división sucesiva por 2Un método sistemático para convertir a binario números enteros decimales es elproceso de la división sucesiva por dos. Por ejemplo, para convertir el númerodecimal 12 a binario, comenzamos dividiendo 12 entre 2. A continuación, cadacociente resultante se divide entre dos hasta obtener un cociente cuya parte enterasea igual a 0. Los restos generados en cada división forman el número binario.El primer resto es el bit menos significativo (LSB) del número binario y elúltimo resto es el bit más significativo (MSB). Este procedimiento se muestra enlos pasos siguientes para la conversión a binario del número decimal 12.

Conversión de fracciones decimales a binarioEn los Ejemplos 2.5 y 2.6 se han mostrado conversiones de números enteros. Ahora vamos a ver las conversionesde número fraccionarios. Una forma fácil de recordar los pesos binarios fraccionarios es que el pesomás significativo es 0,5, es decir 21, y que dividiendo entre dos cualquier peso se obtiene el siguiente pesomenor; luego una lista de los cuatro primeros pesos binarios fraccionarios sería: 0,5; 0,25; 0,125; 0,0625.Suma de pesos. El método de la suma de pesos se puede aplicar a los números decimales fraccionarios, como se muestra en el siguiente ejemplo:

Multiplicación sucesiva por 2. Como hemos visto, los números decimales enteros pueden convertirse a binariodividiendo sucesivamente entre dos. Los números decimales fraccionarios pueden convertirse en númerosbinarios multiplicando sucesivamente por 2. Por ejemplo, para convertir a binario el número decimal fraccionario0,3125, comenzamos multiplicando 0,3125 por 2 y después se multiplica cada parte fraccional resultantedel producto por 2 hasta que el producto fraccionario sea cero o hasta que se alcance el número deseado deposiciones decimales. Los dígitos acarreados o, acarreos, generados por las multiplicaciones dan lugar alnúmero binario. El primer acarreo que se obtiene es el MSB y el último acarreo es el LSB. Este procedimientose ilustra como sigue:

ARITMÉTICA BINARIALa aritmética binaria es esencial en todas las computadoras digitales y en muchos otros tipos de sistemasdigitales. Para entender los sistemas digitales, es necesario conocer los fundamentos de la suma,la resta, la multiplicación y la división binarias. En esta sección se proporciona una introducción queserá ampliada en las secciones siguientes.Observe que las tres primeras reglas dan lugar a un resultado de un solo bit y la cuarta regla, la suma dedos 1s, da lugar a 2 en binario (10). Cuando se suman números binarios, teniendo en cuenta la última regla seobtiene en la columna dada la suma de 0 y un acarreo de 1 que pasa a la siguiente columna de la izquierda,tal y como se muestra en la siguiente suma de 11 1:

En la columna de la derecha 1 1 0 con acarreo 1, que pasa a la siguiente columna de la izquierda. Enla columna central, 1 1 0 0 con acarreo 1, que pasa a la siguiente columna de la izquierda. Y en la columna de la izquierda, 1 0 0 1. Cuando existe un acarreo igual a 1, se produce una situación en la que se deben sumar tres bits (un bit de cada uno de los números y un bit de acarreo). Esta situación se ilustra como sigue:

Resta binariaLas cuatro reglas básicas para la resta de números binarios son:

Cuando se restan números, algunas veces se genera un acarreo negativo que pasa a la siguiente columnade la izquierda. En binario, sólo se produce un acarreo negativo cuando se intenta restar 1 de 0. En este caso,cuando se acarrea un 1 a la siguiente columna de la izquierda, en la columna que se está restando se generaun 10, y entonces debe aplicarse la última de las cuatro reglas enumeradas. Los Ejemplos 2.8 y 2.9 ilustran laresta binaria y se muestra también la resta decimal equivalente.

Multiplicación binariaLas cuatro reglas básicas de la multiplicación de bits son las siguientes:

La multiplicación con números binarios se realiza de la misma forma que con números decimales. Se realizanlos productos parciales, desplazando cada producto parcial sucesivo una posición hacia la izquierda, ysumando luego todos los productos parciales. El Ejemplo 2.10 ilustra el procedimiento; se muestran las multiplicacionesdecimales equivalente por referencia.

COMPLEMENTO A 1 LOSNÚMEROS BINARIOS

El complemento a 1 y el complemento a 2 de un número binario son importantes porque permiten larepresentación de números negativos. La aritmética en complemento a 2 se usa comúnmente en lascomputadoras para manipular los números negativos.

Cálculo del complemento a 1El complemento a 1 de un número binario se halla cambiando todos los 1s por 0s ytodos los 0s por 1s, como se ilustra a continuación:

La forma más sencilla de obtener el complemento a 1 de un número binario mediante un circuito digitales utilizando inversores en paralelo (circuitos NOT), como se muestra en la Figura 2.2 para un número binariode 8 bits.

NÚMEROS HEXADECIMALESEl sistema de numeración hexadecimal consta de dieciséis caracteres y se usan fundamentalmentecomo una forma simplificada de representar o escribir los números binarios, ya que es muy fácil la conversiónentre binario y hexadecimal. Como probablemente habrá comprobado, los números binarioslargos son difíciles de leer y escribir, ya que es fácil omitir o transponer un bit. Puesto que las computadorasy microprocesadores sólo entienden los 1s y los 0s, es necesario emplear estos dígitos cuandose programa en “lenguaje máquina”. Imagine tener que escribir una instrucción de sesenta bits para unsistema de microprocesador utilizando 1s y 0s. Es mucho más efectivo utilizar los números hexadecimalesu octales. Los números octales se cubren en la Sección 2.9. El sistema hexadecimal se usa frecuentementeen computadoras y aplicaciones de microprocesadoresEl sistema hexadecimal es un sistema en base dieciséis, es decir, está formado por16 caracteres numéricos y alfabéticos. La mayoría de los sistemas digitales procesangrupos de datos binarios que son múltiplos de cuatro bits, lo que hace al númerohexadecimal muy adecuado, ya que cada dígito hexadecimal se representamediante un número binario de 4 bits, como se puede ver en la Tabla 2.3.

Diez dígitos numéricos y seis caracteres alfabéticos forman el sistema de numeración hexadecimal. El usode las letras A, B, C, D, E y F para representar números puede parecer extraño al principio, pero tenga enmente que cualquier sistema de numeración es sólo un conjunto de símbolos secuenciales. Si comprende quécantidades representan estos símbolos, entonces la forma de los símbolos en sí tiene poca importancia, unavez que se haya acostumbrado a utilizarlos. Utilizaremos el subíndice 16 para designar a los números hexadecimalesy evitar así cualquier confusión con los números decimales. En ocasiones, puede ver la letra “h”

detrás de un número hexadecimal.

Contar en hexadecimal¿Cómo se continúa contando en hexadecimal cuando se ha llegado a la letra F? Simplemente se inicia otracolumna y se continúa contando así:

Con dos dígitos hexadecimales, se puede contar hasta FF16, que corresponde al decimal 255. Para continuarcontando, se necesitan tres dígitos hexadecimales. Por ejemplo, 10016 es el decimal 256, 10116 es el decimal 257, y así sucesivamente. El número hexadecimal máximo con 3 dígitos es FFF16, es decir el decimal4.095. El máximo número hexadecimal con 4 dígitos es el FFFF16, que es el decimal 65.535.

Conversión binario-hexadecimal y viceversa

La conversión de un número binario en hexadecimal es un procedimiento muy sencillo. Simplemente se parteel número binario en grupos de 4 bits, comenzando por el bit más a la derecha, y se reemplaza cada grupo de4 bits por su símbolo hexadecimal equivalente.

Conversión hexadecimal-binarioPara convertir un número hexadecimal en un número binario se realiza el procesoinverso, reemplazando cada símbolo hexadecimal por el grupo de cuatro bits adecuado.Debería estar claro que es mucho más fácil tratar con un número hexadecimal quecon el número binario equivalente. Puesto que la conversión también es fácil, el sistema hexadecimal se usaampliamente para representar los números binarios en programación, salidas de impresora y displays.

Conversión hexadecimal-decimalUn método para encontrar el equivalente decimal de un número hexadecimal es, primero, convertir el númerohexadecimal a binario, y después, el binario a decimal.

Otro método para convertir un número hexadecimal a su equivalente decimal es multiplicar el valor decimalde cada dígito hexadecimal por su peso, y luego realizar la suma de estos productos. Los pesos de unnúmero hexadecimal crecen según las potencias de 16 (de derecha a izquierda). Para un número hexadecimalde 4 dígitos, los pesos son:

DISPOSITIVOS ELECTRONICOS

DIODO RETIFICADOR:Un diodo semiconductor, ratificador o de silicio es un dispositivo con una sola unión pn. La importancia del diodo en circuitos electrónicos no se puede exagerar. Su capacidad de conducir corriente en una dirección, al tiempo que la bloquea en la otra, es esencial para la operación de muchos tipos de circuitos. Un circuito en particular es el rectificador de ca.

POLARIZACIÓN DE UN DIODOComo ya aprendió, en el punto de equilibrio ningún electrón se mueve a través de la unión pn. En general el término polarización se refiere al uso de un voltaje de cc para establecer ciertas condiciones de operación para un dispositivo electrónico. En relación con un diodo existen dos condiciones: en directa y en inversa. Cualquiera de estas condiciones de polarización se establece conectando un voltaje de cc suficiente y con la polaridad apropiada a través de la unión pn.

Polarización en directaPara polarizar un diodo se aplica un voltaje de cc a través de él. Polarización en directa es lacondición que permite la circulación de corriente a través de la unión pn. La figura 1-19 muestrauna fuente de voltaje de cc conectada por un material conductor (contactos y alambres) a travésde un diodo en la dirección que produce polarización en directa. Este voltaje de polarización externo se expresa como VPOLARIZACIÓN. El resistor limita la corriente en condición de polarización en directa a un valor que no dañe al diodo. Observe que el lado

negativo de VPOLARIZACIÓN está conectado a la región n del diodo y el lado positivo está conectado a la región p: éste es un requisito para que se dé la polarización en directa. Un segundo requerimiento es que el voltaje de polarización, VPOLARIZACIÓN, debe ser más grande que el potencial de barrera.

Polarización en inversaLa polarización en inversa es la condición que en esencia evita la circulación de corriente a travésdel diodo. La figura 1-22 muestra una fuente de voltaje de cc conectada a través de un diodoen la dirección que produce polarización en inversa. Este voltaje de polarización externo se designacomo VPOLARIZACIÓN, como en el caso de polarización en directa. Observe que el ladopositivo de VPOLARIZACIÓN está conectado a la región n del diodo y el lado negativo está conectadoa la región p. Observe también que la región de empobrecimiento se muestra mucho más anchaque la condición de polarización en directa o equilibrio.

FUENTE DE ALIMENTACION DCLa fuente de alimentación de cd básicaTodos los dispositivos electrónicos activos requieren una fuente de cd constante que provenga deuna batería o una fuente de alimentación de cd. La fuente de alimentación de cd convierte elvoltaje de ca estándar de 120 V, 60 Hz disponible en las tomas de corriente de pared en un voltajecd constante. La fuente de alimentación de cd es uno de los circuitos más comunes, por lo que esimportante entender cómo funciona. Se utiliza el voltaje producido para alimentar todo tipo de circuitoelectrónico, incluyendo aparatos electrónicos tales como televisiones, reproductores deDVD, computadoras, controladores industriales y la mayoría de los sistemas y equipos de instrumentaciónde laboratorio. El nivel de voltaje de cd requerido depende de la aplicación, aunque lamayoría de las aplicaciones requieren voltajes relativamente bajos.La figura 2-1(a) muestra un diagrama de bloques básico de la fuente de alimentación completa.En general, el voltaje de línea de entrada de ca se reduce a un voltaje de ca más bajo con untransformador (aunque puede ser elevado cuando se requieren voltajes más altos o, en casos raros,puede no haber un transformador en absoluto). Como ya aprendió en su curso de cd/ca, untransformador cambia voltajes de ca con base en la relación de vueltas entre el primario y el secundario.Si éste tiene más vueltas que el primario, el voltaje de salida a través del secundario será

más alto y la corriente será más pequeña. Si el secundario tiene menos vueltas que el primario, elvoltaje de salida a través del secundario será más bajo y la corriente será más alta. El rectificadorpuede ser de media onda o de onda completa (como lo describe la sección 2-2). El rectificadorconvierte el voltaje de entrada de ca en un voltaje de cd pulsante, llamado voltaje rectificado demedia onda, como muestra la figura 2-1(b). El filtro elimina los rizos de voltaje en el rectificadory produce un voltaje de cd relativamente uniforme (la sección 2-3 aborda el filtro de fuentede alimentación). El regulador es un circuito que mantiene un voltaje de cd constante frente alas variaciones del voltaje de línea de entrada o de la carga. Los reguladores varían desde un dispositivode un solo semiconductor hasta circuitos integrados más complejos. La carga es un circuitoo dispositivo conectado a la salida de la fuente de alimentación y opera con el voltaje y lacorriente de la fuente de alimentación.El rectificador de media ondaLa figura 2-2 ilustra el proceso llamado rectificación de media onda. Se conecta un diodo a unafuente de ca y a un resistor de carga, RL, para forma un rectificador de media onda. Tenga encuenta que todos los símbolos de tierra representan el mismo punto en términos de electricidad.Examine lo que sucede durante un ciclo del voltaje de entrada por medio del modelo ideal deldiodo. Cuando el voltaje senoidal de entrada (Vent) se hace positivo, el diodo está polarizado endirecta y conduce corriente a través del resistor de carga, como se muestra en la parte (a). Lacorriente produce un voltaje de salida a través de la carga RL, cuya forma es igual a la forma delsemiciclo positivo del voltaje de entrada.Cuando el voltaje de entrada se vuelve negativo durante el segundo semiciclo, el diodo se polarizaen inversa. No hay corriente, por lo que el voltaje a través del resistor de carga es de 0 V,como lo muestra la figura 2-2(b). El resultado neto es que sólo los semiciclos positivos delvoltaje de entrada de ca aparecen a través de la carga. Como la salida no cambia de polaridad, esun voltaje de cd pulsante con una frecuencia de 60 Hz, como se muestra en la parte (c).

Diagrama de bloques de una fuente de alimentación de cd con una carga y un rectificador.

Operación de un rectificador de media onda. El diodo se considera ideal.

Valor promedio del voltaje de salida de media onda El valor promedio del voltaje de salidarectificado de media onda es el valor que se mediría con un voltímetro de cd. Matemáticamente,se determina calculando el área bajo la curva correspondiente a un ciclo completo, comoilustra la figura 2-3, y luego dividiendo entre 2p, el número de radianes de un ciclo completo. Elresultado se expresa en la ecuación 2-1, donde Vp es el valor pico del voltaje. Esta ecuaciónmuestra que VPROM es aproximadamente 31.8% de Vp con un voltaje rectificado de media onda.Vea el apéndice B para consultar una derivación detallada.

Valor promedio de la señalrectificada de media onda.

RECTIFICADORES DE MEDIA ONDAPor su capacidad para conducir corriente en una dirección y bloquearla en la otra, se utilizandiodos en circuitos llamados rectificadores que convierten voltaje de ca en voltaje de cd. Seencuentran rectificadores en todas las fuentes de alimentación de cd que operan con una fuentede voltaje de ca. Una fuente de alimentación es parte esencial de todo sistema electrónico, desdeel más simple hasta el más complejo.Efecto del potencial de barrera en la salida de un rectificadorde media ondaEn análisis previo, el diodo se consideró ideal. Cuando se utiliza el modelo práctico del diodo conel potencial de barrera de 0.7 V tomado en cuenta, sucede lo descrito a continuación: Durante el semiciclopositivo, el voltaje de entrada debe superar el potencial de barrera para que el diodo se polariceen directa. Esto produce una salida de media onda con un valor pico 0.7 V menor que el valorpico de la entrada, como lo muestra la figura 2-5. La expresión para el voltaje de salida pico es:

El efecto del potencial de barrera en un voltaje de salida rectificado de media onda es reducir el valor pico de la entrada en aproximadamente 0.7 V.

Normalmente es aceptable utilizar el modelo ideal del diodo, el cual omite el efecto del potencial

de barrera cuando el valor pico del voltaje de salida es mucho más grande que el potencial debarrera (por lo menos 10 V, como regla empírica). Sin embargo, se utilizará el modelo prácticodel diodo, tomando en cuenta el potencial de barrera de 0.7 V a menos que se indique lo contrario.

Voltaje de pico inverso (PIV)El voltaje de pico inverso (PIV) es igual al valor pico del voltaje de entrada y el diodo debe sercapaz de soportar esta cantidad de voltaje en inversa repetitivo. Para el diodo de la figura 2-8, elvalor máximo del voltaje en inversa, designado como PIV, ocurre al valor pico de cada alternaciónnegativa del voltaje de entrada, cuando el diodo está polarizado en inversa. La capacidad deun diodo deberá ser por lo menos 20% más alta que el PIV.

Acoplamiento por transformadorComo ya se vio, a menudo se utiliza un transformador para acoplar el voltaje de entrada de caproveniente de la fuente al rectificador, como lo muestra la figura 2-9. El acoplamiento por transformadorofrece dos ventajas: primera, permite que la fuente de voltaje se reduzca como sea necesario;segunda, la fuente de ca se aísla eléctricamente del rectificador, con lo que se evita elpeligro de choques eléctricos en el circuito del secundario.

La relación de vueltas del transformador determina la cantidad que el voltaje se reduce. Desafortunadamente,la definición de relación de vueltas para transformadores no es compatible entre

las diversas fuentes y disciplinas. En este texto, se utiliza la definición dada por el IEEE paratransformadores de potencia electrónicos, la cual es “el número de vueltas del secundario (Nsec)dividido entre el número de vueltas del primario (Npri)”. Así pues, un transformador con una relaciónde vueltas menor que 1 es reductor y uno con una relación de vueltas mayor que 1 es elevador.Para mostrar la relación de vueltas en un esquema, es práctica común mostrar la relaciónnumérica directamente sobre los devanados.El voltaje secundario de un transformador es igual a la relación de vueltas, n, por el voltajeprimario.

Si n > 1, el voltaje secundario es mayor que el voltaje primario. Si n <1, el voltaje secundarioes menor que el voltaje primario. Si n =1, entonces Vsec = Vpri.El voltaje pico del secundario, Vp(sec), en un rectificador de media onda acoplado por transformadores el mismo que Vp(ent) en la ecuación 2-2. Por consiguiente, la ecuación 2-2 escrita en funciónde Vp(sec) es

y la ecuación 2-3 en función de Vp(sec) es

La relación de vueltas es útil para entender la transferencia de voltaje del primario al secundario.No obstante, las hojas de datos de transformador rara vez incluyen la relación de vueltas. Engeneral, un transformador se especifica con base en el voltaje secundario en lugar de en la relaciónde vueltas.

RECTIFICADORES DE ONDA COMPLETAUn rectificador de onda completa permite corriente unidireccional (en un sentido) a travésde la carga durante los 360° del ciclo de entrada, mientras que un rectificador de media onda permitecorriente a través de la carga sólo durante la mitad del ciclo. El resultado de la rectificaciónde onda completa es un voltaje de salida con una frecuencia del doble de la frecuencia de entraday que pulsa cada semiciclo de la entrada, como lo muestra la figura 2-11.

El número de alternaciones positivas que conforman el voltaje rectificado de onda completaes dos veces el del voltaje de media onda durante el mismo intervalo. El valor promedio (medidocon un voltímetro de cd) de un voltaje senoidal rectificado de onda completa es dos veces elde media onda, como se muestra en la siguiente fórmula:

VPROM es aproximadamente 63.7% de Vp para un voltaje rectificado de onda completa.

Rectificador de onda completa con derivación centralUn rectificador con derivación central es un tipo de rectificador de onda completa que utilizados diodos conectados al secundario de un transformador con derivación central, como se muestraen la figura 2-13. El voltaje de entrada se acopla a través del transformador al secundario conderivación central. La mitad del voltaje secundario total aparece entre la derivación central y cadaextremo del devanado secundario, como se muestra.

Para un semiciclo positivo del voltaje de entrada, las polaridades de los voltajes del secundariose muestran en la figura 2-14(a). Esta condición polariza en directa el diodo D1 y en inversael diodo D2. La trayectoria de la corriente es a través de D1 y el resistor de carga RL, como se indica.Para un semiciclo negativo del voltaje de entrada, las polaridades del voltaje en el secundarioson las mostradas en la figura 2-14(b). Esta condición polariza en inversa el diodo D1 y en directa

el diodo D2. La trayectoria de la corriente es a través de D2 y RL, como se indica. Como la corrientede salida circula en la misma dirección a través de la carga, para los semiciclos positivo ynegativo de la entrada el voltaje de salida desarrollado a través del resistor de carga es un voltajede cd de onda completa rectificado, como se muestra.Efecto de la relación de vueltas en el voltaje de salida Si la relación de vueltas del transformadores 1, el valor pico del voltaje de salida rectificado es igual a la mitad del valor pico del voltajede salida primario menos el potencial de barrera, como ilustra la figura 2-15. La mitad del voltajeprimario aparece a través de cada una de las mitades del devanado secundario (Vp(sec)

= Vp(pri).A partir de aquí, nos referiremos al voltaje de polarización en directa debido al potencial de barreracomo caída en el diodo.

Para obtener un voltaje de salida con valor pico igual al valor pico de entrada (menos la caída enel diodo), se debe utilizar un transformador elevador con una relación de vueltas de n = 2. como

muestra la figura 2-16. En este caso, el voltaje total del secundario (Vsec) es dos veces el voltaje delprimario (2Vpri), así que el voltaje a través de cada una las mitades del secundario es igual a Vpri.

En cualquier caso, el voltaje de salida de un rectificador de onda completa con derivación centralsiempre es la mitad del voltaje del secundario menos la caída en el diodo, independientemente dela relación de vueltas existente.

Voltaje de pico inverso Cada uno de los diodos del rectificador de onda completa se polarizaen directa alternadamente y luego en inversa. El voltaje en inversa máximo que cada diodo debesoportar es el voltaje pico del secundario Vp(sec). Esto se muestra en la figura 2-17, donde para ilustrareste concepto se supone que D2 está polarizado en inversa y que D1 está polarizado en directa.Cuando el voltaje total del secundario Vsec tiene la polaridad mostrada, el voltaje máximo enel ánodo de D1 es +Vp(sec) /2 y el voltaje máximo en el ánodo de D2 es –Vp(sec) /2. Como se suponeque D1 está polarizado en directa, su cátodo se encuentra el mismo voltaje que su ánodo menosla caída de diodo; éste también es el voltaje en el cátodo de D2.

El voltaje de pico inverso a través de D2 es

Como Vp(sal) = Vp(sec) 2 - 0.7 V, entonces si se multiplica cada término por 2 y se transpone

Por consiguiente, por sustitución, el voltaje de pico inverso a través del diodo en un rectificadorcon derivación central de onda completa es

Rectificador de puente de onda completaEl rectificador de puente utiliza cuatro diodos conectados como ilustra la figura 2-20. Cuandoel ciclo de entrada es positivo como en la parte (a), los diodos D1 y D2 están polarizados en directay conducen corriente en la dirección mostrada. Se desarrolla un voltaje a través de RL

parecidoal semiciclo positivo de entrada. Durante este tiempo, los diodos D3 y D4 están polarizadosen inversa.

Cuando el semiciclo de entrada es negativo como en la figura 2-20(b), los diodos D3 y D4 estánpolarizados en directa y conducen corriente en la misma dirección a través de RL que duranteel semiciclo positivo. Durante el semiciclo negativo, D1 y D2 están polarizados en inversa. Aconsecuenciade esta acción a través de RL aparece un voltaje de salida rectificado de onda completa.Voltaje de salida del puente En la figura 2-21(a) se muestra un rectificador de puente conuna entrada acoplada por transformador. Durante el semiciclo positivo del voltaje total del secundario,los diodos D1 y D2 están polarizados en inversa. Si se omiten las caídas en los diodos, a travésdel resistor de carga aparece el voltaje del secundario. Lo mismo es cierto cuando D3 y D4

están polarizados en inversa durante el semiciclo negativo.

Como se puede ver en la figura 2-21(b), dos diodos siempre están en serie con el resistor decarga, tanto durante los semiciclos positivos como durante los semiciclos negativos. Si estas caídasde diodo se toman en cuenta, el voltaje de salida es

Voltaje de pico inverso Suponga que D1 y D2 están polarizados en directa y examine el voltajeen inversa a través de D3 y D4. Si D1 y D2 se visualizan como cortos (modelo ideal), comoen la figura 2-22(a), se puede ver que D3 y D4 tienen un voltaje de pico inverso igual al voltajedel secundario pico. Como el voltaje de salida es idealmente igual al voltaje secundario

Si las caídas de los diodos polarizados en directa se incluyen como muestra la figura 2-22(b), elvoltaje de pico inverso a través de cada diodo polarizado en inversa en función de Vp(sal) es

El voltaje de pico inverso nominal de los diodos de puente es menor que el requerido para la configuracióncon derivación central. Si se omite la caída de diodo, el rectificador de puente requiere

diodos con la mitad del voltaje de pico inverso nominal de aquellos en un rectificador conderivación central para el mismo voltaje de salida.

FILTROS Y REGULADORES DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓNUn filtro de fuente de alimentación idealmente elimina los rizos del voltaje de salida de unrectificador de media onda o de onda completa y produce un voltaje de cd de nivel constante.El filtrado es necesario porque los circuitos electrónicos requieren una fuente constantede voltaje y corriente continuos para proporcionar alimentación y polarización para la operaciónapropiada. Los filtros se implementan con capacitores, como se verá en los distintos diagramas electrónicos para fuentes de poder o alimentación. Normalmente, la regulación de voltaje en fuentes de alimentación se realiza con reguladores de voltaje integrados. Un regulador de voltaje impide cambios en el voltaje de cd filtrado debido a las variaciones del voltaje de entrada o en la carga.

En la mayoría de las aplicaciones de fuentes de alimentación, el voltaje de línea de ca estándarde 60 Hz debe ser convertido en un voltaje de cd aproximadamente constante. La salida de cd pulsantede 60 Hz de un rectificador de media onda o la salida pulsante de 120 Hz de un rectificadorde onda completa deben ser filtradas para reducir las grandes variaciones de voltaje. La figura 2-24

ilustra el concepto de filtrado que muestra un voltaje de salida de cd casi uniforme del filtro. Lapequeña cantidad de fluctuación en el voltaje de salida del filtro se llama rizo.

Filtro de entrada con capacitorLa figura 2-25 muestra un rectificador de media onda con un filtro de entrada con capacitor. Elfiltro simplemente está conectado de la salida del rectificador a tierra. RL representa la resistenciaequivalente de una carga. Se utilizará el rectificador de media onda para ilustrar el principiobásico y luego se ampliará el concepto a la rectificación de onda completa.

Durante el primer cuarto de ciclo positivo de la entrada, el diodo está polarizado en directa, loque permite que el capacitor se cargue a 0.7 V del valor pico de entrada, como lo ilustra la figura2-25(a). Cuando la entrada comienza a decrecer por debajo de su valor pico, como se muestraen la parte (b), el capacitor retiene su carga y el diodo se polariza en inversa porque el cátodo esmás positivo que el ánodo. Durante la parte restante del ciclo, el capacitor se descarga sólo a travésde la resistencia de carga a una velocidad determinada por la constante de tiempo RLC, la cuales normalmente larga comparada con el periodo de la entrada. Mientras mayor sea la constantede tiempo, menos se descargará el capacitor. Durante el primer cuarto del siguiente ciclo, comose ilustra en la parte (c), el diodo de nuevo se polarizará en directa cuando el voltaje de entradaexcede el voltaje del capacitor en aproximadamente 0.7 V.

Voltaje de rizo Como ya se vio, el capacitor se carga con rapidez al inicio de un ciclo y lentamentese descarga a través de RL después del pico positivo del voltaje de entrada (cuando el diodo estápolarizado en inversa). La variación del voltaje del capacitor debido a la carga y descarga se llamavoltaje de rizo. En general, el rizo es indeseable; por lo tanto, mientras más pequeño sea elrizo, mejor será la acción de filtrado, como lo ilustra la figura 2-26.

Para una frecuencia de entrada dada, la frecuencia de salida de un rectificador de onda completaes dos veces la de un rectificador de media onda, como se ilustra en la figura 2-27. Esto hace queel voltaje de un rectificador de onda completa sea más fácil de filtrar debido al tiempo más cortoentre picos. Cuando está filtrado, el voltaje rectificado de onda completa tiene un rizo más pequeñoque un voltaje de media onda con los mismos valores de resistencia de carga y capacitor. Elcapacitor se descarga menos durante el intervalo más corto entre los pulsos de onda completa, comose muestra en la figura 2-28.

Factor de rizo El factor de rizo (r) es una indicación de la efectividad del filtro y se define como

donde Vr(pp) es el voltaje de rizo pico a pico y VCD es el valor de cd (promedio) del voltaje de salidadel filtro, como lo ilustra la figura 2-29. Mientras más bajo es el factor de rizo, mejor es elfiltro. El factor de rizo puede reducirse incrementando el valor del capacitor del filtro o incrementandola resistencia de carga.

Para un rectificador de onda completa con un filtro de entrada con capacitor, en las siguientesecuaciones se dan aproximaciones del voltaje de rizo pico a pico, Vr(pp) y el valor de cd del voltajede salida del filtro, VCD. El Vp(rect) es el voltaje rectificado pico no filtrado. Observe que si RL

o C se incrementa, el voltaje de rizo se reduce y el voltaje de cd se incrementa.

Estas ecuaciones se derivan en el apéndice B.

Sobrecorriente en el filtro de entrada con capacitor Antes de que el interruptor de la figura2-31 se cierre, el capacitor del filtro está descargado. En el instante en que se cierra el interruptor,el voltaje está conectado la puente y el capacitor sin carga aparece como un corto, como semuestra. Esto produce una sobrecorriente inicial, Isobrecorriente, a través de los dos diodos polarizadosen directa D1 y D2. La situación del peor caso ocurre cuando el interruptor se cierra en unpico del voltaje del secundario y se produce una sobrecorriente máxima, Isobrecorriente(máx), comose ilustra en la figura.

En fuentes de alimentación de cd, siempre se coloca un fusible en el circuito del primario deltransformador, como muestra la figura 2-31. En general se utiliza un fusible de acción lenta debidoa la sobrecorriente que inicialmente ocurre cuando se activa por primera vez la alimentación.La capacidad del fusible se determina calculando la potencia en la carga de la fuente dealimentación, la cual es la potencia de salida. Como Pent = Psal en un transformador ideal, la corrientedel primario se calcula como

La capacidad de fusible debe ser por lo menos 20% más grande que el valor calculado de Ipri.

Reguladores de voltajeMientras los filtros pueden reducir el rizo o fluctuación de las fuentes de alimentación a un valorbajo, el método más efectivo es una combinación de un filtro de entrada con capacitor utilizadocon un regulador de voltaje. Se conecta un regulador de voltaje a la salida de un rectificador filtradoy mantiene un voltaje (o corriente) de salida constante pese a los cambios de la entrada, lacorriente en la carga o la temperatura. El filtro de entrada con capacitor reduce el rizo de entradaal regulador a un nivel aceptable. La combinación de un capacitor grande y un regulador de voltajeayudan a producir una excelente fuente de alimentación.La mayoría de los reguladores son circuitos integrados y tienen tres terminales: una de entrada,una de salida y una de referencia (o ajuste). Primero se filtra la entrada al regulador con uncapacitor para reducir el rizo a <10%. El regulador reduce el rizo a una cantidad despreciable.

Además, la mayoría de los reguladores cuentan con una referencia de voltaje interno, proteccióncontra cortocircuitos y circuitos de interrupción térmica. Están disponibles en una variedad devoltajes, incluidas salidas positivas y negativas, y pueden ser diseñados para salidas variables conun mínimo de componentes externos. Típicamente, los reguladores de voltaje proporcionan unasalida constante de uno o más amperes de corriente con un alto rechazo a los rizos.Los reguladores de tres terminales diseñados para voltajes de salida fijos requieren sólo capacitoresexternos para completar la parte de regulación de la fuente de alimentación, como muestrala figura 2-32. El filtrado se realiza por un capacitor de gran valor entre el voltaje de entrada y tierra.Un capacitor de salida (por lo general de 0.1 mF a 1.0 mF) está conectado de la salida a tierra paramejorar la respuesta transitoria.

En la figura 2-33 se muestra una fuente de alimentación fija básica con un regulador de voltajede +5 V. En el capítulo 17 se estudian los reguladores de tres terminales integrado con voltajesde salida fijos.

Porcentaje de regulaciónLa regulación expresada como un porcentaje es una figura de mérito utilizada para especificar eldesempeño de un regulador de voltaje. Puede estar en función de la regulación de entrada (línea)o la regulación de carga. La regulación de línea especifica qué tanto cambia el voltaje de salidacon un cambio dado en el voltaje de entrada. Típicamente se define como un cociente del cambioen el voltaje de salida entre el cambio correspondiente en el voltaje de entrada expresada comoun porcentaje.

La regulación de carga especifica qué tanto cambia el voltaje de salida a lo largo de cierto intervalode valores de corriente de carga, normalmente desde una corriente mínima (sin carga, SC)hasta una corriente máxima (plena carga, PC). Normalmente se expresa como un porcentaje y secalcula con la siguiente fórmula:

donde VSC es el voltaje de salida sin carga y VPC es el voltaje de salida a plena carga (máxima).

DIODOS ÓPTICOSEn esta sección se introducen dos tipos de dispositivos optoeléctronicos: el diodo emisor de luz(LED) y el fotodiodo. Como su nombre lo implica, el LED es un emisor de luz. El fotodiodo,por otra parte, es un detector de luz.

El diodo emisor de luz (LED)El símbolo de un LED se muestra en la figura 3-28.La operación básica del diodo emisor de luz (LED) es la que a continuación se describe.Cuando el dispositivo está polarizado en directa, los electrones atraviesan la unión pn desde elmaterial tipo n y se recombina con huecos en el material tipo p. Recuerde cómo el capítulo 1 indicaque estos electrones libres están en la banda de conducción y a una energía más alta que loshuecos en la banda de valencia. Cuando ocurre la recombinación, los electrones recombinantesliberan energía en la forma de fotones. Una gran área expuesta en una capa del material semiconductorpermite que los fotones sean emitidos como luz visible. Este proceso, llamado electroluminiscencia,se ilustra en la figura 3-29. Se agregan varias impurezas durante el proceso dedopado para establecer la longitud de onda de la luz emitida. La longitud de onda determina elcolor la luz visible. Algunos LED emiten fotones con longitudes onda más largas que no formanparte del espectro visible y localizados en la parte infrarroja (IR) del espectro.

Electroluminiscencia en unLED polarizado en directa.

Símbolo de un LED. Cuandoestá polarizado en directaemite luz.

Materiales semiconductores utilizados en los LED El semiconductor arseniuro de galio(GaAs) se utilizó en los primeros LED y emite radiación infrarroja, la cual es invisible. Los primerosLED rojos visibles se produjeron utilizando fosfuro arseniuro de galio (GaAsP) sobre unsustrato de GaAs. La eficiencia se incrementó con el uso de un sustrato de fosfuro de galio (GaP)y se obtuvieron LED rojos más brillantes y también LED naranjas.Posteriormente, se utilizó GaP como emisor de luz para obtener luz verde pálida. Con el usode una porción de material rojo y una verde, los LED fueron capaces de producir luz amarilla.Los primeros LED rojos, amarillos y verdes súper brillantes se produjeron utilizando fosfuro arseniurode galio-aluminio (GaAlAsP). A principios de los años 90 estuvieron disponibles LED ultrabrillantes utilizando fosfuro de aluminio-galio-indio (InGaAlP) en rojo, naranja, amarillo y verde.Se obtuvieron LED azules utilizando carburo de silicio (SiC) y LED azules ultrabrillantes hechosde nitruro de galio (GaN). Los LED de alta intensidad blancos que producen luz de colores verdey azul también se hacen de nitruro de galio-indio (InGaN). Los LED blancos de alta intensidadse forman con GaN azul ultra brillante recubierto con fósforo fluorescente que absorbe la luz azul

y la reemite como luz blanca.Polarización de los LED El voltaje de polarización en directa a través de un LED es considerablementemás grande que a través de un diodo de silicio. Típicamente, el VF máximo para LEDvaría entre 1.2 V y 3.2 V, según el material. La ruptura en inversa para un LED es mucho menorque para un diodo de rectificador de silicio (3 V a 10 V es típico).El LED emite luz en respuesta a una corriente suficiente con polarización en directa, como lomuestra la figura 3-30 (a). La cantidad de potencia de salida transformada en luz es directamenteproporcional a la corriente en polarización en directa, como la figura 3-30 (b) lo ilustra. Un incrementode IF corresponden proporcionalmente a un incremento de la salida de luz.Emisión de luz Un LED emite luz dentro de un intervalo especificado de longitudes de onda,como lo indican las curvas de salida espectral de la figura 3-31. Las curvas en la parte (a) representan la salida de luz contra longitud de onda para LED visibles típicos y la curva de la parte (b)para un LED infrarrojo típico. La longitud de onda () se expresa en nanómetros (nm). La salidanormalizada del LED rojo visible alcanza su valor máximo a 660 nm, el amarillo a 590 nm, elverde a 540 nm y el azul a 460 nm. La salida del LED infrarrojo alcanza su valor máximo a 940 nm.La gráfica en la figura 3-32 es el patrón de radiación de un LED típico. Muestra qué tan direccionales la luz emitida. El patrón de radiación depende del tipo de estructura de la lente delLED. Mientras más angosto sea el patrón de radiación, más luz se concentrará en una direcciónparticular. Además se utilizan lentes especiales para resaltar el color.En la figura 3-33 se muestran LED típicos.

VP = VT = VF + VRL

VRL= VT -VF

IRL * RL= VT –VF….. IRL=IFRL= (VT –VF)/ IF

Patrón de radiación generalde un LED típico.

El fotodiodoEl fotodiodo es un dispositivo que opera con polarización en inversa, como la figura 3-44 (a) lomuestra, donde I es la corriente luminosa en inversa. El fotodiodo tiene una pequeña ventana

transparente que permite que la luz choque con la unión pn. Algunos fotodiodos típicos se muestranen la figura 3-44 (b); la figura 3-44 (c) muestra un símbolo alterno para un fotodiodo.

Recuerde que cuando se polariza en inversa, un diodo rectificador tiene una corriente de fugaen inversa muy pequeña. Lo mismo se aplica a un fotodiodo: la corriente de polarización en inversaes producida por pares de electrón-hueco térmicamente generados en la región de empobrecimiento,los cuales son arrastrados a través de la unión pn por el campo eléctrico creado por elvoltaje en inversa. En un diodo rectificador, la corriente de fuga en inversa se incrementa con latemperatura debido al incremento del número de pares de electrón-hueco.Un fotodiodo difiere de un diodo rectificador en que cuando su unión pn se expone a la luz, lacorriente en inversa se incrementa con la intensidad de la luz. Cuando no hay luz incidente, la corrienteen inversa, I, es casi despreciable y se llama corriente oscura. Un incremento de la intensidadde luz, expresado como irradiancia (mW/cm2), produce un incremento de la corriente eninversa, como la gráfica de la figura 3-45 (a) lo muestra.

En la gráfica de la figura 3-45 (b) se ve que la corriente en inversa para este dispositivo particular

es de aproximadamente 1.4 mA a un voltaje de polarización en inversa de 10 V con unairradiancia de 0.5 mW/cm2. Por consiguiente, la resistencia del dispositivo es

Con 20 mW/cm2, la corriente es aproximadamente 55 mA con VR _ 10 V. La resistencia en estacondición es

Estos cálculos muestran que el fotodiodo puede ser utilizado como un dispositivo de resistenciavariable controlado por la intensidad luminosa.La figura 3-46 ilustra que el fotodiodo en esencia no permite corriente en inversa (excepto conuna corriente oscura muy pequeña) cuando no hay luz incidente. Cuando un rayo de luz chocacon el fotodiodo, conduce una cantidad de corriente en inversa proporcional a la intensidad luminosa(irradiancia).

Actividad de aplicación: Fuente de alimentaciónde cd reguladaLa fuente de alimentación de cd de 16 V desarrollada en el capítulo 2 tiene que ser actualizadaa una fuente de alimentación regulada con un voltaje de salida fijo de 12 V. Se tiene que usar

un regulador de voltaje integrado de 3 terminales y un LED rojo para indicar cuando está encendida.Se diseñó la tarjeta de circuito impreso de la fuente de alimentación no regulada paraacomodar estas adiciones.El circuitoLas consideraciones prácticas para el circuito son el tipo de regulador, la selección del LEDindicador de encendido y resistor limitador y el valor y colocación del fusible.El regulador Los reguladores de voltaje lineales de la serie 78XX producen voltajes de salidafijos con un intervalo de valores. Los dos últimos dígitos del número de parte indican elvoltaje de salida. El 7812 proporciona una salida regulada de 12 V. El cambio del voltaje desalida para un cambio especificado del voltaje de entrada se llama regulación de línea. El cambiodel voltaje de salida para un cambio especificado de la corriente de carga se llama regulaciónde carga. Estos parámetros se especifican en la hoja de datos. El fabricante recomiendaconectar un capacitor de 0.33 mF de la terminal de entrada a tierra y uno de 0.1 mF de la terminalde salida a tierra, como lo muestra la figura 3-62 para evitar oscilaciones de alta frecuenciay mejorar el desempeño. Se preguntará sobre la conexión en paralelo de un capacitor de valorpequeño con uno grande; la razón es que el capacitor de filtrado grande tiene una resistenciainterna equivalente en serie, la cual afecta la respuesta en alta frecuencia del sistema. El capacitorpequeño anula el efecto.

La figura 3-63 (a) muestra una hoja de datos parcial de un 7812. Note que existe un intervalode voltajes de salida nominales, pero en general es de 12 V. La regulación de línea y cargaespecifican cuánto puede variar la salida en torno al valor de salida nominal. Por ejemplo, lasalida típica de 12 V y cambiará no más de 11 mV (típico) conforme la corriente de carga cambiadesde 5 mA hasta 1.5 A. En la parte (b) se muestran configuraciones de encapsulado.

El fusible El fusible estará en serie con el devanado primario del transformador, como la figura3-62 lo muestra. El fusible deberá ser calculado con base en la corriente máxima permisible

del primario. Recuerde de su curso de circuitos de cd/ca que si el voltaje se reduce, la corrientese eleva. Según las especificaciones de la fuente de alimentación no regulada, la corriente de cargamáxima es de 250 mA. La corriente requerida para prender un LED indicador es de 15 mA.Así que la corriente total del secundario es de 265 mA. La corriente del primario será lacorriente del secundario dividida entre la relación de vueltas.

TRANSISTORES

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada.  Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador, rectificador, entre otros . El término “transistor” es la contracción en inglés de transfer resistor (“resistencia de transferencia”). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, entre otros.

TRANSISTOR DE UNION BIPOLAR (BJT)

La estructura básica de un transistor de unión bipolar (BJT) determina sus características deoperación. En esta sección aborda la forma en que se utilizan materiales semiconductores paraformar un BJT; usted aprenderá, además, los símbolos estándar de BJT.

El BJT (transistor de unión bipolar) se construye con tres regiones semiconductoras separadaspor dos uniones pn, como lo muestra la estructura plana epitaxial de la figura 4-1(a). Lastres regiones se llaman emisor, base y colector. En las figuras 4-1(b) y (c) se muestran representacionesfísicas de los dos tipos de BJT. Un tipo se compone de dos regiones n separadas poruna región p (npn) y el otro tipo consta de dos regiones p separadas por una región n (pnp). El términobipolar se refiere al uso tanto de huecos como de electrones como portadores de corrienteen la estructura de transistor.

La unión pn que une la región de la base y la región del emisor se llama unión base-emisor.La unión pn que une la región de la base y la región del colector se llama unión base-colector, comola figura 4-1 (b) lo muestra: un conductor conecta a cada una de estas tres regiones. Estos conductoresse designan E, B y C por emisor, base y colector, respectivamente. La región de la baseestá ligeramente dopada y es muy delgada en comparación con las regiones del emisor, excesivamentedopada, y la del colector, moderadamente dopada (la siguiente sección explica la razón deesto). La figura 4-2 muestra los símbolos esquemáticos para los transistores npn y pnp.

CARACTERÍSTICAS Y PARÁMETROS DE UN BJT

Modelo en cd de un transistorEl BJT que no está en saturación puede ser considerado un dispositivo con una corriente en el circuito de entrada y una fuente de corriente dependiente en el circuito de salida, como ilustra la figura para un npn. El circuito de entrada es un diodo polarizado en directa a través del cual pasa corriente de base. El circuito de salida es una fuente de corriente dependiente (elemento en forma de diamante) con un valor que depende de la corriente de base, IB e igual a bCDIB. Recuerde que los símbolos de fuente de corriente independiente son de forma circular.

Análisis del circuito de un BJTConsidere la configuración del circuito de polarización de transistor básico que aparece en la figura4-8. Es posible identificar tres corrientes de cd y tres voltajes de cd.

La fuente de voltaje, VBB, polariza en directa la unión base-emisor y la fuente de voltaje, VCC polariza en inversa la unión base-colector. Cuando la unión base-emisor se polariza en directa, opera como un diodo polarizado en directa y la caída de voltaje con polarización en directa nominal es

Aunque en un transistor VBE puede ser tan alto como 0.9 V y éste depende de la corriente, se utilizará 0.7 V en todo este texto para simplificar el análisis de los conceptos básicos. Tenga en cuenta que la característica de la unión base-emisor es la misma que la curva de diodo normal (como la de la figura 1-28).Como el emisor está conectado a tierra (0 V), de acuerdo con la ley del voltaje de Kirchhoff, el voltaje a través de RB es:

E L BJT COMO INTERRUPTOR En la sección anterior se vio cómo se utiliza un BJT como amplificador lineal. La segunda área importante de aplicación se encuentra en aplicaciones de conmutación o interrupción. Cuando se utiliza como interruptor electrónico, un BJT normalmente opera alternadamente en corte y saturación. Muchos circuitos digitales utilizan el BJT como interruptores.La figura 4-23 ilustra la operación básica de un BJT como dispositivo de conmutación. En la parte a), el transistor está en la región de corte porque la unión base-emisor no está polarizada en directa. En esta condición, existe, idealmente, una abertura entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor. En la parte b), el transistor está en la región de saturación porque la unión base-emisor y la unión base-colector están polarizadas en directa y la corriente en la base llega a ser suficientemente grande para provocar que la corriente en el colector alcance su valor de saturación. En esta condición, existe, idealmente, un corto entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor. En realidad, normalmente ocurre una pequeña caída de voltaje a través del transistor de unos cuantos décimos de volt, la cual es el voltaje de saturación, VCE(sat).

Condiciones en corteComo se mencionó, un transistor está en la región de corte cuando la unión base-emisor no está polarizada en directa. Si se ignora la corriente de fuga, todas las corrientes son cero y VCE es igual a VCC.

Condiciones en saturaciónComo ya lo aprendió, cuando la unión base-emisor está polarizada en directa y existe suficiente corriente en la base para producir una corriente máxima en el colector, el transistor está en saturación. La fórmula para la corriente de saturación de colector es

Puesto que VCE(sat) es muy pequeño comparado con VCC, casi siempre puede ser despreciado.El valor máximo de la corriente en base requerida para producir saturación es

Normalmente, IB debe ser significativamente más grande que IB(mín) para garantizar que el transistor esté en saturación.

TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)

DISPOSITIVOS DE ACTIVACION, SENSORES Y ACTUADORES

VI. HIPOTESIS

VI.1 HIPOTESIS GENERAL

Los sistemas y los dispositivos electrónicos y digitales pueden soportar diferentes temperaturas ya sean altas o bajas esto no perjudicara las señales ni la perdida de información sin importar la calidad de estos encapsulados o el tiempo que están operando.

VI.2 HIPOTESIS ESPECIFICA

El sistema semiautomático

La información transmitida y recibida por el sistema maestro a esclavo no perderá información ni distorsionara al transportarse.

VI.3 IDENTIFICACION DE VARIABLES

VII. METODOLOGIA

VII.1 TIPO DE ESTUDIO

Estudio básico-documental ya que examina los problemas y sus defectos partiendo de un marco teórico y apoyado en fuentes de carácter documental (libros). Estos estudios tienen cierto control de la manipulación del experimento, decisión sobre el entorno.

VII.2 DISEÑO DE LA INVESTIGACION

VIII. ESQUEMA DE CONTENIDO DE LA INVESTIGACIO

1. INTRODUCION2. PROBLEMA DE INVESTIGACION3. JUSTIFICACION4. OBJETIVOS5. MARCO TEORICO6. HIPOTESIS7. DESARROLLO8. CRONOGRAMA9. BIBLIOGRAFIA10. ANEXOS

IX. CRONOGRAMA

X. PRESUPUESTO

XI. BIBLIOGRAFIA

Aidala, J.B., y L. Katz. Transients in Electric Circuits. Engewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1980. Dorf, R. C., y J. A. Svoboda. Introduction to Electric Circuits. 4a. ed. Nueva York: John Wiley &

Sons, 1999. Thomas L. Floyd. 8ª. Ed. 2007

XII. ANEXOS