Introducción a la robótica con arduino

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Unidad 1 del curso de MVD Robotics

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Introducción a la robótica con arduino

  1. 1. UNIDAD 1Fundamentos de electrónica
  2. 2. ElectricidadLa electricidad es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuyoefecto puede observarse en una multiplicidad de fenómenos (por ejemplo: los rayos).La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas: • el protón tiene carga positiva • el electrón tiene carga negativa La carga genera un campo eléctrico a su alrededor (una especie de fuerza que actúa a la distancia). Las cargas de distinto signo se atraen, las de igual signo se repelen
  3. 3. Electricidad (cont.)En condiciones normales, un átomo tiene una carga neutra (igual número deelectrones y protones).Pero este equilibrio puede romperse fácilmente, por múltiples y diversos motivos,dando origen a las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento.Al rozarse, algunos materiales (aislantes) tienden a perder electrones, y otrostienden a ganarlos. Esto da origen a lo que se conoce como electricidad estática.Otros materiales (conductores) como el cobre, poseen electrones “libres”, débilmenteatraídos por el núcleo, facilitando el paso de una corriente eléctrica a través de ellos. Cargas en Electricidad estática reposo Cargas en movimiento Corriente eléctrica electroscopio enlace metálico
  4. 4. Corriente eléctricaLa corriente eléctrica consiste en la circulación de cargaseléctricas (a través de un circuito), provocada por unadiferencia de potencial eléctrico (entre sus extremos).La diferencia de potencial eléctrico es como una“presión” que hace circular a la corriente, y a su vezdepende del campo eléctrico generado por las cargas. Por convención se considera que la corriente eléctrica circula desde el polo positivo al polo negativo de la fuente (que es el sentido de las cargas “positivas”; los propios electrones van, en la realidad, en el sentido contrario).Conductores, semiconductores, aislantesLos materiales conductores son aquellos que permiten la circulación de corriente eléctrica a su través(gracias a que poseen electrones “libres”). conducenLos materiales que no son conductores se denominan aislantes. Conductores “siempre” no conducen AislantesEn los semiconductores, la conductividad varía dependiendo de “nunca”diversos factores, como por ejemplo, el voltaje o la polaridad conducenque se les aplica. Semiconductores “a veces”
  5. 5. Corriente eléctrica (cont.)El cable Consiste en uno o varios hilos de material conductor, rodeados de un recubrimiento de material aislante. Sirve para “unir” eléctricamente los componentes de un circuito. Idealmente, su resistencia es igual a 0 (pero en la práctica no lo es).Circuito eléctrico: Es un camino cerrado por el que circula la corriente eléctrica interruptor conductor fuente o generador “carga” o receptor
  6. 6. Ley de OHM La Ley de Ohm es la ley fundamental de la corriente eléctrica, que relaciona las tres magnitudes principales: Tensión o voltaje (V), Intensidad (I) y Resistencia (R). La tensión es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del circuito, y se mide enLa intensidad eléctrica (I) es la cantidad voltios (V), por eso es llamada también voltaje.de cargas que circulan por unidad detiempo en un punto del circuito; semide en amperios (A). La resistencia (R) es el grado de oposición(también se le suele llamar al paso de la corriente eléctrica que“corriente”, “consumo” y “amperaje”). presenta un tramo del circuito. Si dicho tramo es bastante conductor tendrá una resistencia baja; si, en cambio, tiende a ser aislante, tendrá una resistencia alta. La resistencia se mide en ohmios ( ). Un alambre de cobre de pocos cm tiene una resistencia cercana a 0 , mientras que el plástico que lo recubre tiene una resistencia del orden de los cientos de M .
  7. 7. Ley de OHM (cont.) La resistividad es la resistencia específica de un material. r l ( m) R La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección. S ( mm 2 ) Ley de Ohm: I = V / RAlcance de la Ley de Ohm ¿Es la Ley de Ohm una ley universal? ¿Se cumple la Ley de Ohm en corriente alterna? ¿Se cumple la Ley de Ohm en los semiconductores?
  8. 8. PotenciaLa electricidad es una forma de energía.En física, la energía necesaria para realizar realizar un trabajo, se mide en Joules (J).La potencia es la cantidad de energía que se consume (o que seentrega) por unidad de tiempo. Se mide en watts (W). 1W = 1 J/sLa potencia eléctrica puede calcularse comoel producto del voltaje por la intensidad. P=V·I 1W = 1V · 1ALa potencia expresa la cantidad de energía porsegundo que consume o entrega un dispositivo(por ejemplo, una lámpara de 100W, unamplificador de audio de 200W, etc.)Nota: lo que nos cobra UTE es el consumo de energía mismo(KWh) y no la tasa de consumo (KW) que sería la potencia.
  9. 9. Corriente continua y alterna …que circula en corriente continua una sola dirección (DC o CC)Corriente eléctrica …que circula en corriente alterna ambas direcciones (AC o CA)
  10. 10. Corriente continua y alterna (cont.) Fuentes de energía La energía que llega a nuestros hogares a través de la red eléctrica, es corriente alterna (220V de CA). La energía proveniente de una pila o batería eléctrica, es corriente continua (y de voltaje constante). La mayoría de los circuitos electrónicos se alimentan con CC de bajo voltaje, como la que puede provenir de una pila o batería (1 a 24V). El dispositivo encargado de convertir los 220V de CA de la red eléctrica en voltajes mucho menores de CC, se llama fuente de alimentación.Señales eléctricas La CA también suele verse en señales eléctricas que transportan información (por ejemplo: audio, RF). Las señales digitales (como las que hay dentro de una computadora), en muchos casos no varían el sentido pero sí la magnitud de la corriente en el tiempo.
  11. 11. Corriente alterna En la CA, la magnitud y el sentido de la corriente suelen variar cíclicamente. Esta variación cíclica, en general, responde a una función sinusoidal. semiciclo positivo y(t) = A sen (ω·t + φ)0V y(t) = A sen (2π·f·t + φ) semiciclo negativo t es el tiempo, en segundos. A es la amplitud, el valor absoluto máximo de la función. ω es la velocidad angular, en radianes/segundo. T es el período, el tiempo que dura un ciclo de la sinusoide. φ es la fase inicial, el desplazamiento horizontal de la gráfica. f es la frecuencia, el número de oscilaciones o ciclos por segundo y se mide en hertz (Hz). Es el inverso del período (1/T), y es igual a ω/2π (velocidad angular expresada en circunferencias/segundo, o sea ciclos/segundo)
  12. 12. Corriente alterna (cont.)Valor eficaz (RMS)En la corriente alterna el voltaje y la intensidad están variando permanentemente, y pasando por elvalor 0 una y otra vez.En consecuencia, tomar como referencia el valor de pico (la amplitud de la sinusoide) no nos da unaidea del trabajo real que esa corriente puede efectuar.El valor eficaz de una corriente alterna, se define como el valor de una corriente continua constantecapaz de realizar un trabajo equivalente (misma disipación de calor en una resistencia, por ejemplo).El valor eficaz se calcula como la media cuadrática (root mean square, RMS), es decir como la raízcuadrada del promedio de todos los valores instantáneos elevados al cuadrado, durante un período. valor de pico (A) A RMS A 2 /2 Para el caso de 2 una sinusoide:
  13. 13. Corriente alterna (cont.)La red eléctricaEn nuestro país, la red eléctrica es de CA 220V RMS con una frecuencia de 50Hz. ¿Por qué se utiliza corriente alterna y por qué de tan alto voltaje?1) Los generadores de energía eléctrica utilizan lainducción electromagnética y generan corriente alterna.2) El mismo principio se usa en los transformadores, quepermiten subir y bajar el voltaje si es necesario.3) Se puede conseguir el mismo trabajo con un voltaje alto yuna intensidad baja, que con un voltaje bajo y una intensidadalta, ya que P = V · I4) La resistencia de un conductor es proporcional a sulongitud. En tendidos de cable de grandes distancias, estaresistencia genera una caída de tensión, ya que V = I · R5) En consecuencia, se elige trabajar con un V alto y una I baja.En las líneas de distribución, el voltaje es mucho más alto que220V.
  14. 14. Baterías proceso “pilas” irreversible Generadores electroquímicos proceso “baterías” semi-reversible Las baterías entregan CC de voltaje constante (que decae lentamente). Voltaje, medido en V Capacidad, medida en AhCaracterísticas Intensidad máxima, medida en A Energía / peso (“densidad”)de una batería (resistencia interna) Duración (nº de recargas) Auto-descarga Tipo (química) Voltaje por elemento Mantenimiento, curva de descarga, efecto “memoria”, etc., etc., etc.
  15. 15. Baterías (cont.) Las baterías constan de una o varias celdas o elementos. Las celdas pueden conectarse en serie, en cuyo caso se suma el voltaje, o en paralelo, en cuyo caso se suma la capacidad • baja densidad (muy pesadas) Plomo-ácido • económicas, fáciles de manejar baterías de “gel” • voltajes típicos de 6V y 12V • se utilizan en autos, motos, alarmas, UPS • baja densidad Niquel-Cadmio • efecto “memoria” pronunciado (Ni-Cd) • voltaje de 1.2V • se están dejando de utilizar • mayor densidad que las Ni-CdTipos de Niquel-Hidruro • efecto “memoria” débilBaterías metálico (Ni-MH) • voltaje de 1.2V • se utilizan en cámaras fotográficas, grabadores portátiles • alta densidad Lithium-ion • requieren un cargador especial (Li-ion) • voltaje de 3.6V por celda • se utilizan en notebooks, netbooks, celulares, etc. • altísima densidad Lithium-polymer • requieren un cargador especial (pueden explotar) (LiPo) • voltaje de 3.7V por celda • se utilizan en robótica, RC: aviones, helicópteros, etc.
  16. 16. Fuentes de alimentaciónLa fuente de alimentación es el dispositivo encargado de proporcionar un voltaje de CC(habitualmente bajo) a partir de la CA de la red eléctrica (habitualmente 110-220V). Voltaje de entrada (ej. 220V AC) Voltaje de salida (ej. 12V DC) Características de la “fuente” Intensidad máxima que puede entregar, o potencia (ej. 1.5A, 18W) Proceso, filtraje, regulación, protección, etc. Fuente de PC (conmutada) Común (no regulada) “Clásica” Regulada Tipos de fuentes entregan un voltaje exacto, de alimentación constante e invariable Conmutada o “switcheada”
  17. 17. Fuentes de alimentación (cont.)Fuente “clásica” Transformador Rectificador Filtro Regulador (condensador) (circuito integrado) (puente de diodos) El regulador de voltaje entrega un voltaje fijo en su salida, independiente del voltaje de entradaFuente conmutada Las fuentes conmutadas pueden reconocerse por la ausencia del transformador grande y pesado de las fuentes “clásicas”, y la presencia de una circuitería electrónica más compleja (ej. la fuente de PC). Pueden entregar grandes potencias con un tamaño y peso mucho menores. Su principal problema es el ruido eléctrico que generan, que las hace inadecuadas para ciertas aplicaciones (ej. el audio).
  18. 18. Riesgos y precauciones de la electricidadChoques eléctricosEl cuerpo humano es conductor. La resistencia de la piel varía de una persona a otra, y disminuye drásticamente cuando la piel está mojada.La corriente eléctrica puede causar lesiones graves, e incluso la muerte. El daño varía según la intensidad de corriente que circule por elcuerpo y el tiempo durante el que lo haga.Los voltajes inferiores a 50V no implican riesgo para el cuerpo humano, lo cual no significa que no sean peligrosos en sí, ya que un manejoimprudente de los mismos puede provocar desde la rotura de costosos equipos hasta quemaduras, incendios u otro tipo de accidentes.CortocircuitosCortocircuito es el contacto eléctrico directo entre 2 polos a través de un conductor (o algo de baja resistencia). Cuando esto ocurre, enforma accidental, las consecuencias pueden ser variadas, dependiendo de qué polos se trate.Al producirse un cortocircuito, puede circular una corriente capaz de dañar cualquier componente del nuevo circuito que se forma. Porejemplo, si cortocircuitamos los dos polos de una fuente, circulará mucha corriente por el regulador de voltaje, o por los diodosrectificadores, y éstos podrían quemarse. Si se produce un cortocircuito entre un cable que tiene 12V y una salida de un microcontrolador,casi seguro quemaremos esa salida, o todo el micro.Otra posibilidad con los cortocircuitos es que algún componente o el propio cable se recaliente, empiece a echar humo, y finalmente seprenda fuego. Los cortocircuitos son frecuentemente la causa de los incendios.Polaridad inversa o voltaje excesivoLos circuitos electrónicos que incluyen componentes semiconductores (transistores, circuitos integrados) son muy sensibles al voltaje y a lapolaridad. Además del cortocircuito, cualquiera de estas dos condiciones, polaridad inversa o voltaje excesivo, dañará irreversiblemente alcomponente. 1) mantener siempre todos los equipos desconectados de la electricidad, y la mesa de trabajo bien ordenada. 2) PENSAR antes de conectar nada (y en general antes de hacer cualquier cosa, sobre todo si los equipos ya están enchufados). 3) volver a apagar, desconectar y guardar todo lo que no se usa, una vez finalizada la prueba.
  19. 19. Más “secretos” de la electricidadTierraEn todos los circuitos eléctricos y electrónicos, se entiende por tierra o masa (en inglés ground, GND) a una de estas dos cosas, o ambas:• la referencia de 0V del circuito, o el conductor que es usado como retorno común de todas las corrientes.• un terminal que se conecta a la carcasa de los equipos (cuando ésta es metálica) y a la propia superficie terrestre, y que evita que elusuario pueda recibir un choque al tocar dicha carcasa, ya que no puede haber diferencia de potencial entre ella y el cuerpo de la persona(que está conectado naturalmente a la Tierra).El voltaje “agacha” cuando hay consumoEsto se explica por la presencia de una resistencia interna en toda fuente de voltaje. Esta resistenciainterna provoca una caída de tensión, mayor cuanto mayor es la intensidad consumida por la carga.El ruidoLos componentes electrónicos generan ruido, debido, entre otras cosas, al movimiento aleatorio de electrones dentro de ellos, lo que seconoce como ruido térmico. Otras fuentes de ruido son las ondas electromagnéticas de todo tipo que inciden sobre el conductor, o lasseñales parásitas que vienen desde la propia fuente de alimentación.Condensadores de desacopleEs común la necesidad de colocar condensadores en paralelo a la fuente en varios puntos del circuito, para prevenir el ruido generado porlos propios componentes del mismo. Toda vez que un dispositivo varía el consumo (como es el caso de los microcontroladores, que lohacen a altísimas frecuencias) hace que el voltaje que le llega al resto de los componentes también varíe, por diversos motivos (uno deellos es el ya visto fenómeno del “agache”, cuyo concepto se puede extender también a la resistencia de las propias pistas del circuito).Falsos contactosLos falsos contactos no implican mayor riesgo, pero son de las cosas que tenemos que evitar a toda costa. Un sistema microcontrolado esde por sí algo muy complejo, y debemos procurar no introducir incertidumbre adicional, no agregar más variables a la ya recargadaecuación de nuestro sistema, o corremos el riesgo de sucumbir ante la imposibilidad de diagnosticar una falla, cuando ésta se presente.
  20. 20. Componentes electrónicos
  21. 21. Componentes (clasificación general) Son los dispositivos que forman parte de un circuito electrónico, cumpliendo distintas funciones en él. Se presentan como pequeños “aparatitos” con 2 o más terminales metálicos (“patas”), mediante los cuales se conectan al circuito (habitualmente con soldaduras, a un circuito impreso). Los componentes electrónicos son muy variados, y se pueden clasificar según diversos criterios. • Son los componentes más simples. • Suelen tener más de 2 patas.Componentes • Suelen tener sólo 2 patas. Componentes • Suelen utilizar alimentación. pasivos • No necesitan alimentación. activos • Cumplen funciones más complejas como amplificar, controlar, procesar. • Ej.: resistencia, condensador, bobina. • Ej.: transistor, circuito integradoSemiconductores“Semiconductor es un elemento que se comporta como conductor o como aislante, dependiendo de diversosfactores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperaturadel ambiente en que se encuentre.” (Wikipedia)Los componentes basados en esto se llaman semiconductores, por ejemplo:diodo (diversos tipos), transistor (diversos tipos), circuito integrado. Conectores, interruptores, transductores, sensores, actuadores.Otros Por principio físico: optoelectrónicos, electromagnéticos, piezoeléctricos, electromecánicos, etc.
  22. 22. Símbolos y fotos de componentesResistencias Condensadores Bobinas y transformadores
  23. 23. Símbolos y fotos de componentes (cont.)Diodos Transistores, etc. Circuitos integrados
  24. 24. Símbolos y fotos de componentes (cont.) Otros
  25. 25. La resistencia (o resistor)La resistencia es un componente pasivo, de 2 patas, cuya función esoponerse al paso de la corriente (provocando una caída de tensión). Circuitos con resistenciasResistencias en serie Cuando las resistencias están en serie, la misma intensidad tiene que pasar por cada una de ellas. La caída de tensión en cada resistencia es igual a esta intensidad multiplicada por la resistencia de cada una. La suma de estas caídas de tensión tiene que ser igual al voltaje total aplicado al circuito. Desde el punto de vista de la fuente, el circuito sería equivalente a una sola resistencia cuyo valor fuera la suma de todas las resistencias en serie. Ejemplo: 12V = 10Ω·I + 20Ω·I + 30Ω·I I = 12V / (10Ω + 20Ω + 30Ω)
  26. 26. Circuitos con resistencias (cont.)Resistencias en paralelo Cuando las resistencias están en paralelo, el mismo voltaje llega a cada una de ellas. La intensidad en cada resistencia es igual a este voltaje dividido por la resistencia de cada una. La suma de estas intensidades tiene que ser igual a la intensidad total que recorre el circuito. Desde el punto de vista de la fuente, el circuito sería equivalente a una sola resistencia cuyo valor fuera el inverso de la suma de los inversos de todas las resistencias en paralelo. Ejemplo: IT = 24V/10Ω + 24V/20Ω + 24V/ 30Ω RT = 24V/IT 1/RT = IT/24V 1/RT = 1/10Ω + 1/20Ω + 1/30Ω RT = 5.45Ω
  27. 27. Circuitos con resistencias (cont.)El divisor de tensiónUn circuito con 2 resistencias en serie constituye un divisor detensión, con el cual podemos obtener un voltaje intermedio apartir de un voltaje de entrada mayor.PERO: al conectar este voltaje intermedio a una “carga”, laresistencia de dicha carga estará en paralelo con la resistenciainferior del divisor, modificando (de hecho, bajando) el voltajeobtenido en primera instancia. Esta es la base de todos los problemas que tienen que ver con la adaptación de impedancias entre las etapas de un circuito. Como regla general, la impedancia de entrada de un circuito tiene que ser siempre varias veces más alta que la impedancia de salida del circuito que se le quiere conectar. El potenciómetro se usa como divisor de tensión variable.Los sensores de resistencia variable(como el LDR), se suelen conectarformando un divisor de tensión.
  28. 28. La resistencia – componente 1KΩ = 1000Ω Código de coloresUnidades 1MΩ = 1000KΩToleranciaEs el margen de error que puede tener el valorde la R. Se expresa como porcentaje (%).PotenciaEs la máxima potencia que puede disipar una R.Valores habituales: 1/8W, 1/4W, 1/2W, 1W, etc.
  29. 29. El condensador (o capacitor) láminasEl condensador es un componente pasivo, de 2 patas, conductorascapaz de almacenar energía eléctrica.Está formado por 2 placas conductoras, separadas por un dieléctrico. dieléctricoCarga del condensador Cuando conectamos el condensador a una CC a través de una R, inicialmente circula una corriente por el circuito, hasta que el condensador queda completamente cargado (es decir, con el mismo voltaje que la fuente). Este proceso toma un tiempo que depende de los valores de R y C, y evoluciona tal como muestran las gráficas. Intensidad Voltaje en C en el circuito (caída de tensión en R)
  30. 30. El condensador (cont.)Descarga del condensador Cuando conectamos el condensador cargado a la resistencia, inicialmente circula una corriente (inversa) por el circuito, hasta que el condensador queda completamente descargado (es decir con 0V). Este proceso toma un tiempo (el mismo que en el caso anterior) que depende de los valores de R y C, y evoluciona tal como muestran las gráficas. Voltaje en C Intensidad en el circuitoCapacidad de un condensadorEs la cantidad de carga por voltio que puede almacenar. Se mide en faradios (F).La capacidad del condensador aumenta con la superficie de las placas y con la cercanía de las mismas.
  31. 31. El condensador (cont.)Constante RCEl tiempo que demora el condensador en adquirir el 63,2% del voltaje, cuando se carga a través de una R, o el36,8% cuando se descarga a través de una R, se calcula como: T (ms) = R (KΩ) · C (µF)Comportamiento del condensador en CC y CAEl condensador en CC no conduce, excepto en régimen transitorio, al conectar o desconectar el circuito.Puesto que el condensador conduce cuando hay cambios, es “permeable” a la CA.Su reactancia disminuye cuanto mayor es la capacidad y mayor es la frecuencia.Usos del condensador Cerámicos• En paralelo: como filtro de CA (ver fuentes).• En serie: como filtro de CC. Fabricación del condensador Electrolíticos• En circuitos temporizadores (por la constante RC).• En combinación con otros componentes pasivos yactivos para formar diversos tipos de filtros, etc.• En electrónica digital: la DRAM funciona a base de Otroscondensadores.
  32. 32. ElectromagnetismoEl electroimánLa corriente que circula por un conductor genera a sualrededor un campo magnético (cuya intensidad se incrementaal aumentar la intensidad de la corriente y disminuye alaumentar la distancia con respecto al conductor). Si el conductor es una bobina, el campo magnético se refuerza.Si la bobina tiene un núcleo de hierro u otro materialferromagnético, el campo se refuerza aun más.
  33. 33. Electromagnetismo (cont.) La inducción electromagnética Un campo magnético variable produce un voltaje en un conductor o una bobina. Lo mismo ocurre si la bobina se mueve con respecto a un campo magnético fijo. • transformador • motores (todos, ya sean de AC, DC, stepper, etc.) • generadores (dínamo, alternador) • transductores sonido (micrófono, parlante, cápsula fonocaptora, etc.) • relé • solenoide (actuador) Componentes y • bocinas y timbres dispositivos que aprovechan el • cinta (audio, video, informática)electromagnetismo • diskette, disco duro • tarjeta magnética (banco) • medidor analógico (de aguja, también llamado “galvanómetro”) • galvanómetro (actuador: en el CD, en el disco duro) • el “yugo” en los monitores CRT • el “portero eléctrico” de los edificios • actuadores de todo tipo, y muchas cosas más
  34. 34. La bobina o inductorAl igual que el condensador, la bobina almacena energía, gracias alfenómeno de autoinducción.Al variar la corriente que circula por una bobina, se produce unavariación del campo magnético que ésta genera.Dicha variación induce sobre la misma bobina una corriente que seopone a la variación de corriente original.La bobina es, en cierto modo, el componente inverso del condensador (ya veremos por qué).Comportamiento de la bobinaCuando conectamos la bobina a una CC a través de una R, inicialmente no circula corriente por el circuito, hasta quela bobina “se carga” completamente (el campo magnético es constante).Cuando hacemos desaparecer la fuente de energía eléctrica, el campo magnético induce una corriente (inversa) enla bobina, que se “descarga” a través de la resistencia.Las gráficas y los tiempos son similares a los del condensador, pero a la inversa.La “capacidad” de la bobina se llama inductancia, se mide en henrios (H) y se designacon la letra L. Aumenta con la cantidad de espiras de la bobina (y con el núcleo).La constante de tiempo, en el caso de la bobina, es T = L / R.
  35. 35. La bobina (cont.)Usos de la bobina Filtro pasabanda hecho con bobinas y condensadoresLos mismos que el condensador, pero a la inversa.• En serie: como filtro de CA.• En paralelo: como filtro de CC.• En combinación con otros componentes pasivosy activos para formar filtros, osciladores, etc.(La reactancia de la bobina aumenta con suinductancia y con la frecuencia). Tabla de combinaciones en serie y paraleloConcepto de ImpedanciaLos componentes como el condensador y la bobina, llamados “reactivos”, presentanun comportamiento particular en CA, llamado reactancia. Bobinas deLa impedancia es el concepto de resistencia ampliado para CA, de modo que contempla núcleotanto la resistencia como la reactancia. ajustable, usadas en RFLa impedancia se mide en ohmios (Ω) igual que la R, y se designa con la letra Z.Gracias a esto se puede aplicar la ley de ohm en los circuitos de CA, aunque su análisis esmucho más complejo, puesto que la impedancia varía con la frecuencia, entre otras cosas.
  36. 36. SemiconductoresAlgunos materiales, como el silicio, se comportan como conductores o como aislantesdependiendo de diversos factores.Los componentes semiconductores aprovechan esta propiedad con diversos fines, comopor ejemplo amplificar o controlar una corriente eléctrica.Los componentes semiconductores no son para nada simples; su comportamiento no-linealincluye múltiples efectos que dependen del campo eléctrico, magnético, la temperatura, laluz, etc., y cuya explicación involucra conceptos avanzados de física y química.Lo que presentaremos aquí es una versión extremadamente simplificada desu funcionamiento, a efectos didácticos.Dopaje de un semiconductor Los materiales semiconductores pueden ser dopados con impurezas dopaje tipo N que cambian su comportamiento eléctrico. El dopaje tipo “N” consiste en agregar átomos “donantes” de electrones. El dopaje tipo “P” consiste en agregar átomos “aceptores” de electrones. El dopaje hace que aparezcan en el material electrones o “huecos”, que actúan, en ambos casos, como portadores de carga eléctrica. dopaje tipo P
  37. 37. El diodoEl diodo es un componente que permite el paso de la corriente en una sola dirección.El diodo semiconductor es el componente semiconductor más simple.Está formado por 2 regiones semiconductoras con distinto dopaje: laregión N, a la que se le han inyectado electrones, y la región P a laque se le han inyectado “huecos”.Se dice que estas 2 regiones forman una unión P-N. Al conectar el polo negativo de una fuente a la región N y el positivo a la región P, el diodo conduce.Al polarizarlo a la inversa, el diodo no conduce, exceptoque el voltaje supere cierto límite. (Para que el diodoconduzca en polarización directa, también el voltajedebe superar cierto umbral, típicamente de 0,6V). Los terminales del diodo reciben el nombre de “cátodo” y “ánodo”, nombres que provienen del antiguo diodo valvular.
  38. 38. El diodo (cont.) Rectificador Es el diodo estándar, usado más que nada en fuentes de alimentación. De señal Diodo de baja potencia, usado para tratamiento de señal (por ejemplo, en puertas lógicas). Zener Estos diodos tienen la particularidad de que, al ser polarizados en inversa por encima de cierto nivel, se comportan como reguladores de voltaje, es decir, mantienen un voltaje constante entre sus terminales, con independencia de la corriente que los recorre. Diodos Schoktty Es un diodo especial, cuyas características son: alta velocidad de conmutación, y bajo umbral de conducción.prácticos LED Los LED son diodos que emiten luz al ser atravesados por una corriente. Las características de esa luz varían según su fabricación, y según la corriente que los recorre. La tensión umbral en los LED va desde 1.8 a 3.8V, y la corriente típica es de 10 a 20mA. También existen LEDs de potencia de 1W, 3W, etc. Resistencia limitadora para un LED Los diodos no son dispositivos lineales. Por encima del voltaje umbral, el diodo aumenta drásticamente su conductividad, llegando rápidamente a la corriente máxima que lo puede dañar. Por esta razón nunca debe conectarse un LED a una fuente de voltaje, sin la correspondiente R limitadora.
  39. 39. El transistor El transistor es el componente activo elemental, y el más importante de toda la electrónica. Su funcionamiento es análogo al de la válvula triodo del pasado. Posee 3 terminales, y la corriente que circula por dos de ellos es controlada por una pequeña corriente o voltaje presente en el 3er. terminal. Existen varios tipos de transistores, según la tecnología semiconductora en que se basen. El más conocido de todos es el llamado transistor de unión bipolar (BJT). Otro tipo de transistores son los llamados “de efecto de campo” (FET) y dentro de ellos los MOSFET. El transistor bipolar (BJT) Primer transistor, inventado en 1947El transistor de unión bipolar está formado por 2 uniones P-N, vale decir, por 3 regiones semiconductoras.De este modo, el transistor bipolar puede ser PNP o NPN.Los tres terminales reciben el nombre de emisor, base y colector, respectivamente. • El emisor es una región fuertemente dopada, a diferencia de las otras 2, y se encarga de proporcionar portadores de carga. • El colector es una región de gran extensión, y se encarga de recoger portadores de carga. • La base es una región intermedia muy estrecha, que separa a las otras 2, y se encarga de controlar la corriente entre ellas.
  40. 40. El transistor bipolar (cont.)Funcionamiento del transistor – Circuito típico (emisor común)Se dice que el transistor está polarizado cuando circula una débil corriente emisor-base.En estas condiciones, el transistor permite el pasaje de corriente también entreel emisor y el colector.La corriente emisor-colector es proporcional a la corriente de emisor-base,siendo la primera más de 100 veces mayor que esta última. Un pequeño cambioen la corriente de base, provoca un gran cambio en la corriente de colector.Se dice entonces que el transistor amplifica la corriente, y que la corriente debase controla a la corriente de colector. Transistor en conmutación El comportamiento aproximadamente lineal recién visto, se da en un rango de polarización limitado por las dos condiciones extremas del transistor, que son: • Transistor en corte – cuando no hay corriente de base, tampoco hay corriente alguna de colector. El transistor se comporta como un interruptor abierto. El voltaje entonces en C es igual al de la fuente (no hay caída de tensión en Rc). • Transistor en saturación – cuando la corriente de base es suficientemente alta, la corriente de colector alcanza el máximo posible. El transistor se comporta como un interruptor cerrado. El voltaje entonces en C tiende a OV. En electrónica digital, los transistores se usan en conmutación (en analógica, se usan polarizados).
  41. 41. El transistor bipolar (cont.) RESUMEN: estados de funcionamiento del transistor bipolar (*) La corriente de base es siempre muy pequeña. La base del transistor suele protegerse con una R. Zona Activa Corte Saturación (polarizado) VC VC = V 0 < VC < V VC ≈ 0 IC IC = 0 IC = β·IB IC = máximo valor (β = ganancia) IB (*) IB ≈ 0 IB > 0 IB = máximo valor No conduce (se Conduce totalmente Conducción del Conduce comporta como un (se comporta como un transistor parcialmente interruptor abierto) interruptor cerrado)Transistores de potencia “Transistor Man” (The Art of Electronics)Cada transistor tiene sus características, como por ejemplo voltaje y corriente máximosque puede soportar, ganancia, frecuencia máxima a la que puede operar, etc.En aplicaciones que requieren grandes voltajes y/o intensidades, se utilizan los llamadostransistores de potencia.DarlingtonLa configuración Darlington consiste en poner 2 transistores bipolares en cascada,obteniendo así un nuevo “transistor” con una altísima ganancia de corriente (β>1000).Los Darlington vienen encapsulados como un único transistor, o incluso varios de ellos en un circuito integrado.Es común ver Darlingtons de potencia en el control de motores en impresoras, scanners, etc.
  42. 42. Transistores FET (y otros semiconductores)Transistores FET y MOSFETFET es una familia de transistores basados en el llamado efecto de campo eléctrico.En ellos suele haber un canal semiconductor, cuya conductividad es controlada por un voltaje.Al igual que el BJT, el FET tiene 3 terminales, llamados:• Source (equivalente al emisor)• Drain (equivalente al colector)• Gate (equivalente a la base) canal N canal PAsí como los transistores BJT se dividen en NPN y PNP, los FET son también de 2 tipos: canal n y canal p.Desde el punto de vista práctico, la principal diferencia entre el FET y el BJT es que en el primero, el gate noconsume prácticamente corriente, es decir su impedancia de entrada es altísima (lo que los hace sensiblesa la estática). Esta característica los acerca más a la válvula termoiónica que al transistor bipolar.Asimismo, en el MOSFET la resistencia entre source y drain es muchísimo menor que en elBJT, es decir, el MOSFET no provoca caída de tensión en el propio transistor.Por estas y otras razones, el MOSFET es actualmente el transistor usado por excelenciaen circuitos integrados, tanto en electrónica analógica como digital. El triac es un triodo de corriente alterna. Sus terminales se denominan A1, A2 y Gate. El TRIAC Funciona como un transistor para la CA. Es típicamente utilizado en los “dimmers” de 220V. Otra alternativa para controlar 220V son los relés.
  43. 43. Circuitos integradosSe trata de circuitos electrónicos completos (o casi completos) fabricados en una pequeña pastilla dematerial semiconductor, de unos pocos milímetros cuadrados de área.La escala de integración de un circuito integrado se mide por la cantidad de transistores que contiene,que puede ser del orden de 101 hasta 108 en los más modernos (el número se duplica cada 18 meses,según la ley de Moore).Los circuitos integrados pueden ser analógicos o digitales. Dentro de estos últimos se encuentran losmicroprocesadores, microcontroladores, memorias, y cientos de dispositivos más que utilizamosdiariamente.Los integrados son típicamente componentes activos (necesitan alimentación para funcionar).
  44. 44. Algunos integrados de uso general El 555 es uno de los integrados más clásicos, se fabrica desde el año 1972.El 555 El 555 es un “temporizador”. Puede generar diversas señales en función de los componentes con que se lo acompañe, o el voltaje con que se lo controle.Amplificadores El amplificador operacional es el tipo de integrado más importante de la electrónica analógica.operacionales Consiste en un amplificador diferencial, con 2 entradas y 1 salida. • Impedancia de entrada infinita • Ganancia infinita El operacional es un amplificador ideal; en teoría posee: • Impedancia de salida igual a 0 • Ancho de banda infinito • Comportamiento lineal perfecto (En la práctica obviamente esto es imposible, pero su diseño es lo suficientemente bueno como para comportarse de esa manera dentro de los límites de la aplicación para la que fue pensado). Las entradas se llaman inversora (-) y no inversora (+). La entrada inversora permite realimentar negativamente, para controlar con exactitud la ganancia y otras características del amplificador. El amplificador operacional es de vital importancia a la hora de tratar señales provenientes de transductores o sensores. Los reguladores de voltaje se utilizan para obtener un voltaje constante, independiente del voltaje con que son alimentados (este último deberáReguladores ser, de todas maneras, algunos voltios mayor que el voltaje buscado). de voltaje El regulador absorbe la diferencia entre ambos voltajes. Esta diferencia, multiplicada por la intensidad que consume la carga, nos da la potencia que el regulador deberá disipar.
  45. 45. Otros componentesPiezoeléctricos, cristalesEl efecto piezoeléctrico se da en algunos cristales que cuando son sometidos a una presión mecánica,generan una diferencia de potencial. Recíprocamente, al recibir electricidad, se deforman mecánicamente.Los cristales piezoeléctricos se utilizan como transductores, sensores y actuadores en diversosdispositivos, como buzzers, sensores de presión, micrófonos de contacto, etc., y especialmenteen un componente electrónico: el “cristal”.El cristal (componente) se usa como resonador en circuitos osciladores, para mantener unafrecuencia estable y precisa. Es ampliamente usado en electrónica digital (para los clocks) y en RF.Optoelectrónicos Displays Célula fotoeléctrica, LDR, fototransistor LED 7 segmentos Matriz de Alfanumérico 16x2 LED puntos LED LCD Optoacoplador Interruptores (optoaislador) ópticos Encoder óptico Comunicación IR 38KHz
  46. 46. Otros componentes (cont.)Electromécánicos, electromagnéticos AC DC Transductores Altavoz (parlante) Motores Stepper de sonido Micrófono electret. Servo DC brushless Relé (relay) Actuador lineal (solenoide)Otros El cable A pesar de lo que mucha gente cree, el cable no es un componenteConectores trivial. Especialmente cuando consideramos grandes longitudes, en los cables de alimentación, pero sobre todo en los de comunicación. circuito equivalenteInterruptores, botones,pulsadores, llaves, etc. = de un cable Ruido • Pérdida de voltaje • Ruido Problemas que • Atenuación de frecuencias altas provoca el cable • Sesgo de reloj (timing skew) • Diafonía (crosstalk) Cable de par trenzado, doblemente blindado
  47. 47. Electrónica digitalAnalógico vs. Digital Una señal eléctrica es una corriente que SEÑAL ANALOGICA varía en el tiempo, representando algún tipo FUNCION CONTINUA de información. Voltaje  magnitud física En los sistemas digitales, la información se representa utilizando únicamente 2 estados, encarnados por 2 voltajes o rangos de SEÑAL DIGITAL voltaje. Dichos estados pueden llamarse H y valores discretos L, verdadero y falso, 0 y 1, etc. Voltaje  ??? La electrónica digital se basa en el Algebra de Boole y el sistema binario de numeración. tiempo discreto Codificación • Para un circuito es fácil reconocer un 1 o un 0. Los transistores en (binaria) conmutación “no se equivocan”. • Las señales digitales son bastante inmunes al ruido. • Ya que es fácil reconocer 1s y 0s sin error, los circuitos digitales lo ¿Por qué adquirió tanto desarrollo hacen a grandes velocidades (del orden de los GHz, actualmente). la electrónica Digital? • Diseñar un circuito digital es más simple que uno analógico, y por consiguiente, más barato (de hecho, el diseño tiende a ser cada vez más genérico, y el problema se traslada al terreno del software). • La lógica binaria permite efectuar procesos arbitrariamente complejos mediante una combinación de operaciones simples.
  48. 48. Electrónica digital (cont.)Algebra de BooleEl Algebra de Boole (tambén llamada “lógica booleana”, “lógica binaria”, “álgebra deconmutación”, “álgebra lógica”, etc.) es una formalización de la lógica proposicional.El Algebra de Boole es un álgebra donde las variables son binarias y existen 3operaciones: AND, OR y NOT (estas 3 operaciones reciben distintos nombres y diversasnotaciones, incluso hay una versión que las relaciona con la teoría de conjuntos). Ejemplo de tabla de verdadEl Algebra de Boole es uno de los fundamentos de los circuitos digitales, y se utiliza vastamenteen informática. Para analizar los circuitos digitales, se utilizan las “tablas de verdad”.Sistema binario de numeración contando en binarioEl sistema binario de numeración es otro de los fundamentos de la electrónica digital y la informática. 23 22 21 20 8 4 2 1El sistema binario de numeración está en la base de cualquier representación de la información en 0 0 0 0 0formato digital. Es el código binario más elemental. 0 0 0 1 1 0 0 1 0 2El sistema decimal es un código posicional, donde cada número se representa por una 0 0 1 1 3única combinación de 10 símbolos (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 0). Según su posición, la cifra 0 1 0 0 4es multiplicada por una potencia de 10. Ejemplo: 6347 = 7·100 + 4·101 + 3·102 + 6·103. 0 1 0 1 5 0 1 1 0 6 0 1 1 1 7 En el sistema binario se utilizan potencias de 2 en lugar de 10, 1 0 0 0 8 por lo que bastan 2 símbolos para representar cualquier valor. 1 0 0 1 9 1 0 1 0 10 1 0 1 1 11 Cada cifra de un número binario, es decir, una variable 1 1 0 0 12 binaria –la unidad de información–, se llama bit (del 1 1 0 1 13 1 1 1 0 14 inglés, binary digit); 8 de ellos forman un byte. 1 1 1 1 15
  49. 49. Puertas lógicasEl elemento básico de la electrónica digital son las puertas lógicas.Se trata de circuitos (habitualmente presentados como un integrado) quereproducen las operaciones del álgebra de Boole, y sus derivados más inmediatos.NOTA: los símbolos usados en lógica binaria varían notablemente. Nosotros usaremos los del lenguaje de programación C pararepresentar los operadores, y L y H (low y high) para representar los estados (haciendo énfasis en que se trata de circuitos electrónicos). A B A&B A B A|B Puerta NOTPuerta AND Puerta OR L L L L L L (inversora) L H L L H H A ~A H L L H L H L H H H H H H H H L Puertas NAND y NOR Puerta XOR A B A^B A B ~(A&B) ~(A|B) (OR exclusiva) L L L L L H H L H H L H H L H L H H L H L H H L H H L L
  50. 50. La serie 7400Se trata de una familia de circuitos integrados digitales, originalmente basada en la tecnología TTL (transistor-transistor logic).Comprende una amplia gama de dispositivos que va desde puertas lógicas hasta memorias, transceptores o ALUs.La serie 7400 es un estándar desde la década del 70. Actualmente se fabrican integrados con la misma configuración de pines, pero contecnologías más modernas, por ejemplo los 74LS, 74HC, HCT, ALS, etc. Casi todos ellos usan los mismos niveles de voltaje (lógica de 5V).
  51. 51. Sistemas combinacionalesSon aquellos formados por una combinación de puertas lógicas.Sus salidas dependen únicamente del estado de las entradas (adiferencia de los circuitos secuenciales, los cuales se dice quetienen “memoria”). Ejemplo: comparador hecho con puertas lógicasCodificadores, decodificadores
  52. 52. Sistemas combinacionales (cont.)Multiplexores, demultiplexores
  53. 53. Sistemas secuencialesA diferencia de los combinacionales, en los sistemas secuenciales, los valores de las salidas, en un momento dado, nodependen exclusivamente de los valores de las entradas, sino también del estado anterior o estado interno.En los sistemas secuenciales el tiempo es importante, y aparece el concepto de memoria.Los sistemas secuenciales suelen estar gobernados por una señal de reloj (clock) (excepto los llamados asincrónos).En cada ciclo de reloj el sistema puede cambiar de estado. Los sistemas secuenciales son, en última instancia, sistemas combinacionales dotados de la capacidad de “recordar” su estado. Esta capacidad es la que les permite llevar a cabo operaciones extendidas en el tiempo, como por ejemplo procesar una gran cantidad de información (sin tener que recibirla toda junta). Los procesadores, microprocesadores, microcontroladores, estado etc., son todos ellos sistemas secuenciales.El flip-flopEl flip-flop (o biestable, o báscula) es el circuito secuencial más elemental, o, si sequiere, una memoria elemental (memoria de 1 bit).Es un circuito capaz de permanecer en 1 de 2 estados posibles, según sus entradas.Existen varios tipos de flip-flops. Entre ellos, el tipo D, a veces llamado simplementelatch, es muy usado en conjuntos (de 8, por ejemplo) llamados registros. Flip-flop RS
  54. 54. Sistemas secuenciales (cont.) DATA ContadorFlip-flop D (latch) SALIDAS CLOCK Varios flip-flops tipo T (toggle) encadenados, constituyen unRegistros (n-latch) contador binario. Registro de desplazamiento (shift register) Varios flip-flops tipo D encadenados, forman un registro de desplazamiento (shift register). óctuple latch óctuple latch direccionable
  55. 55. Algunas particularidades de los chips digitalesLógica negativaSi observamos las entradas y salidas de los chips digitales, veremos que en muchos casos el estado “activo”, el quehabilita determinada función o indica algo, es el L (0). Un caso típico es la pata de RESET de los micros, por ejemplo.La razón para esto es que en la mayoría de los circuitos la masa es negativa, se trabaja con transistores NPN, y elruido se manifiesta como un voltaje positivo.Pull-upEn los circuitos que trabajan con lógica negativa, se suele colocar una resistencia, llamada de pull-up, que mantienela entrada por defecto en H (1). Esto hace que para activar dicha entrada, baste con cortocircuitarla a masa.FlancosAlgunas entradas, típicamente las de clock, no se activan por un estado, L o H,sino por un flanco, es decir, cuando la señal cambia de L a H o de H a L.Colector abierto La contracara de la lógica negativa y las entradas con pull-up, son las salidas de colector abierto. Estas salidas no proporcionan ningún voltaje, sino que sólo “saben” cortocircuitar algo a masa. Una salida de colector abierto puede conectarse a una fuente con distinto voltaje, o varias de ellas pueden confluir en un mismo bus, sin “molestarse” mutuamente.Lógica tri-estadoUna forma más universal de conectar varias salidas a un mismo bus, la proporcionala llamada lógica tri-estado. En ella, las salidas pueden adoptar 3 estados: losconocidos L y H, y un tercer estado de alta impedancia (high Z), en el que la pataqueda virtualmente desconectada de todo, como si no existiera.
  56. 56. UNIDAD 2Introducción a los µControladores

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