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Instituto Tecnológico de Ciudad MaderoElectricidad y Electrónica IndustrialTrabajo de investigación:Unidad 3: Electrónica IndustrialNombre:N° Control:Carrera: Ingeniería IndustrialGrupo: D 13-14 pMaestro:Instituto Tecnológico de Ciudad Madero Enero-Junio Unidad 3: Electrónica Industrial Introducción...

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Instituto Tecnológico de Ciudad Madero

Instituto Tecnológico de Ciudad Madero

Electricidad y Electrónica Industrial Trabajo de investigación: Unidad 3: Electrónica Industrial

Nombre:

N° Control:

Carrera: Ingeniería Industrial

Grupo: D 13-14 p.m

Maestro:

Enero-Junio 2019

Índice Unidad 3: Electrónica Industrial.............................................................3 3.1. Introducción a la electrónica industrial analógica y digital..............3 3.2. Elementos básicos de electrónica analógica..................................5 3.2.1. Diodos.......................................................................................5 3.2.2. Transistores..............................................................................8 3.2.3. SCR y TRIAC..........................................................................10 3.2.4. Dispositivos opto-electrónicos................................................12 3.3. Elementos básicos de electrónica digital......................................17 3.3.1. compuertas lógicas.................................................................17 3.3.2. Tablas de verdad.....................................................................20 3.3.3. Temporizadores......................................................................23 3.3.4. Contadores.............................................................................24 3.3.5. Sumadores..............................................................................25

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Unidad 3: Electrónica Industrial 3.1. Introducción a la electrónica industrial analógica y digital. Electrónica analógica: La electrónica analógica es una parte de la electrónica que estudia los sistemas en los cuales sus variables; tensión, corriente, varían de una forma continua en el tiempo, pudiendo tomar infinitos valores (teóricamente al menos). En contraposición se encuentra la electrónica digital donde las variables solo pueden tomar valores discretos, teniendo siempre un estado perfectamente definido. La electrónica analógica considera y trabaja con valores continuos pudiendo tomar valores infinitos, podemos acotar que trata con señales que cambian en el tiempo de forma continua porque estudia los estados de conducción y no conducción de los diodos y los transistores que sirven para diseñar cómputos en el álgebra con las cuales se fabrican los circuitos integrados. La Electrónica Analógica abarca muchos campos como por ejemplo, la electrónica analógica dinámica que trata de un circuito que traslada hondas o vibraciones a un sistema eléctrico, la analógica hidráulica la cual es existente entre una corriente del agua de superficie plana o un flujo bidimensional como ejemplo un reloj, el cual tiende a tener engranaje de diferentes tipos los cuales son movidos por un conductor el mueve los engranajes que son diferentes tamaños pero cada uno para una función específica como la de los segundos, minutos y horas. También podemos decir que la electrónica analógica define campos más específicos tales como: 

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Conducción de semiconductores. Diodos Circuitos con diodos. Transistor bipolar Etapas transistorizas. Transistores de efecto de campo. 3



  

 

Amplificación y retroalimentación. Amplificador operacional (I). Amplificador operacional (II). Otros sistemas amplificadores Otros sistemas analógicos Filtros activos

Electrónica digital La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga de sistemas electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos estados. A dichos estados se les puede llamar verdadero o falso o más comúnmente 1 y 0, refiriéndose a que en un circuito electrónico digital hay dos niveles de tensión. Son sistemas en los que tratan señales electrónicas en los que sólo se distinguen dos posibles niveles (tensión alta o baja, corriente o no corriente, etc.) La electrónica digital es la base del tratamiento moderno de la información. Ejemplos: ordenador, micro controladores incluidos en todo tipo de sistemas, en la actualidad invade aplicaciones que clásicamente se resolvían con electrónica analógica (aunque siempre será necesaria ésta última en las etapas de captación de variables físicas y amplificación inicial). Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor de voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica analógica hay una infinidad de estados de información que codificar según el valor del voltaje. Para muchas aplicaciones la utilización de información de tipo digital proporciona una mayor precisión que la analógica, es menos sensible al ruido y, además, el número de operaciones básicas a realizar con variables digitales es muy reducido. De esta forma un sistema digital se consigue mediante la interconexión de multitud de circuitos básicos de un número reducido de tipos fundamentales. Todo lo anterior, unido a la extraordinaria velocidad con que puede ser procesada la información digital, hace que el proceso digital haya invadido gran número de aplicaciones y sea la base fundamental de la denominada “era digital”.

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3.2. Elementos básicos de electrónica analógica. 3.2.1. Diodos. El diodo es un elemento semiconductor muy utilizado en electricidadelectrónica, para entender su funcionamiento interno deberíamos hablar de la teoría de las bandas de energía, la unión PN, enlace covalente, etc., pero si acaso lo haré en otro momento de mayor lucidez intelectual y pasaremos al diodo, características y utilización. Un diodo es un elemento que si le aplicamos corriente continua solamente deja circular la corriente en un sentido, por tanto y haciendo un clásico símil hidráulico un diodo se comporta de forma parecida a como lo hace una válvula de retención que deja pasar el agua o un fluido en una sola dirección, si le aplicásemos corriente alterna solamente dejaría “pasar” los semiciclos positivos. En el siguiente dibujo podemos ver el símbolo del diodo, y la curva ideal de funcionamiento; como se puede apreciar cuando la tensión es cero o inferior no circula intensidad y, por tanto, el diodo no conduce, cuando la tensión es mayor que cero empieza a circular corriente y el diodo conduce, pero siempre si está polarizado como indica el dibujo al Ánodo debe conectarse el positivo y al Cátodo el negativo.

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Curva ideal de funcionamiento de un diodo. En el siguiente esquema podemos apreciar las polarizaciones de un diodo.

Todo esto es la forma ideal del diodo, pero en esta vida ideal no hay nada, por tanto, vamos a ver cómo se comporta de forma real el diodo semiconductor. Los diodos se pueden construir de silicio o germanio, para que puedan conducir se debe superar un potencial denominado tensión umbral cuyo valor es 0,7 voltios en los diodos de silicio y 0,3 en los de germanio, una vez se ha pasado el umbral a pequeños incrementos de tensión corresponden grandes incrementos de intensidad, a esta zona se le suele llamar zona de conducción. En polarización inversa del diodo se distingue la zona de corriente de fugas o corriente inversa, en la cual la corriente es muy pequeña independientemente del voltaje aplicado, y la tensión de avalancha, que es a partir de esta tensión que se destruye el diodo, la curva real nos aclarará lo explicado.

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Parámetros más importantes de un diodo. En la curva real del diodo anteriormente mostrada aparecen cuatro valores fundamentales a conocer: 1. La tensión directa umbral (VF), 0,7 V en los diodos de Silicio. 2. La corriente inversa (IR), tiene un valor prácticamente despreciable a temperaturas normales. 3. La corriente directa (IF) es la que circula cuando el diodo conduce, es muy importante conocer su valor máximo. 4. Tensión inversa máxima (VR), que también es interesante conocer para saber a qué tensión se destruye el diodo por avalancha.

Tipos de diodos. 1. Diodo LED (del inglés Light-emitting diode, utilizado como indicador luminoso en aparatos electrónicos, semáforos y poco a poco se van incorporando a la iluminación de ciertos espacios en la vivienda, etc.

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Partes de un led, para que pueda iluminar se debe polarizar directamente y poner en serie una resistencia limitadora. 2. Diodos varicap, utilizados principalmente como sintonizadores de frecuencia por tensión en circuitos resonantes LC. 3. Diodo Schottky, su aplicación es en aquellos circuitos que deban trabajar a altas frecuencias, especialmente en electrónica digital, ordenadores, que se necesiten activar y desactivar sus semiconductores a gran velocidad. 4. Diodo túnel, se utiliza como conmutador de alta velocidad otra utilización es como oscilador de frecuencia. 5. Fotodiodo, muy utilizado en optoacopladores. 6. Diodos IRED (diodo emisor de infrarrojos), utilizados sobre todo en mandos a distancia. 7. Diodos rectificadores, son utilizados para rectificar la corriente alterna a corriente continua. 8. Diodo Zener, diodo utilizado como limitador o recortador de tensiones.

3.2.2. Transistores.

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¿Qué es un transistor? Se llama transistor a un tipo de dispositivo electrónico semiconductor, capaz de modificar una señal eléctrica de salida como respuesta a una de entrada, sirviendo como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la misma. Es un tipo de dispositivo de uso común en numerosos aparatos, como relojes, lámparas, tomógrafos, celulares, radios, televisores y, sobre todo, como componente de los circuitos integrados (chips o microchips). Los transistores tienen su origen en la necesidad de controlar el flujo de la corriente eléctrica en diversas aplicaciones, como parte de la evolución del campo de la electrónica. Su antecesor directo fue un aparato inventado por Julius Edgar Lilienfeld en Canadá en 1925, pero no sería hasta mediados de siglo cuando podría implementarse usando materiales semiconductores (en lugar de tubos al vacío). Los primeros logros en este sentido consistieron en la ampliación de la potencia de una señal eléctrica a partir de conducirla a través de dos puntales de oro aplicados a un cristal de germanio. El nombre de transistor fue propuesto por el ingeniero estadounidense John R. Pierce, a partir de los primeros modelos diseñados por los Laboratorios Bell. El primer transistor de contacto apareció en Alemania en 1948, mientras que el primero de alta frecuencia fue inventado en 1953 en los Estados Unidos. Estos fueron los primeros pasos hacia la explosión electrónica de la segunda mitad del siglo XX, que permitieron, entre muchas otras cosas, el desarrollo de las computadoras. En la construcción de los transistores hoy en día se emplean materiales como germanio (Ge), silicio (Si), arseniuro de galio (GaAs) o aleaciones de silicio y germanio o silicio y aluminio. Dependiendo del material usado, el dispositivo podrá resistir una cantidad determinada de tensión eléctrica y una temperatura máxima de calentamiento por resistencia.

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¿Cómo funciona un transistor? Todo transistor se compone de tres elementos: base, colector y emisor. Los transistores operan sobre un flujo de corriente, operando como amplificadores (recibiendo una señal débil y generando una fuerte) o como interruptores (recibiendo una señal y cortándole el paso) de la misma. Esto ocurre dependiendo de cuál de las tres posiciones ocupe un transistor en un determinado momento, y que son: En activa. Se permite el paso de un nivel de corriente variable (más o menos corriente). En corte. No deja pasar la corriente eléctrica. En saturación. Deja pasar todo el caudal de la corriente eléctrica (corriente máxima). Tipos de transistores Existen diversos tipos de transistores: Transistor de contacto puntual. También llamado “de punta de contacto”, es el tipo más antiguo de transistor y opera sobre una base de germanio. Fue un invento revolucionario, a pesar de que era difícil de fabricar, frágil y ruidoso. Hoy en día no se le emplea más. Transistor de unión bipolar. Fabricado sobre un cristal de material semiconductor, que se contamina de manera selectiva y controlada con átomos de arsénico o fósforo (donantes de electrones), para generar así las regiones de base, emisor y colector. Transistor de efecto de campo. Se emplea en este caso una barra de silicio o algún otro semiconductor semejante, en cuyos terminales se establecen terminales óhmicos, operando así por tensión positiva.

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Fototransistores. Se llaman así a los transistores sensibles a la luz, en espectros cercanos a la visible. De modo que se pueden operar por medio de ondas electromagnéticas a distancia.

3.2.3. SCR y TRIAC. RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO (SCR)

Es un dispositivo semiconductor del tipo Tiristor, es decir, se constituye por tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y compuerta (G).

Símbolo del SCR y Aspecto Físico de Encapsulado

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El SCR es utilizado para el control de potencia eléctrica, de conducción unidireccional (en un solo sentido); que al igual que un diodo rectificador puede conducir una corriente de Ánodo a Cátodo (IAK) en polarización directa y se comporta virtualmente como un circuito abierto en polarización inversa (VKA) debido a la alta resistencia que presenta en inverso.

A diferencia del diodo rectificador, el SCR cuenta con una condición adicional para conducir. Esta es que, en la tercera terminal, llamada compuerta (Gate) de control o de disparo, en la cual se necesita una señal capaz de producir la conducción del SCR. Esta compuerta permite controlar el instante, dentro del posible semiciclo de conducción, en que la conducción de corriente se inicia; lo cual significa que podrá circular corriente en una magnitud promedio o RMS que dependerá del instante en que el SCR sea disparado, pudiéndose así controlar la potencia de la carga.

TIRISTOR DE CORRIENTE ALTERNA (TRIAC)

El TRIAC es un dispositivo semiconductor de tres terminales que se usa para controlar el flujo de corriente promedio a una carga, con la particularidad de que conduce en ambos sentidos y puede ser bloqueado por inversión de la tensión o al disminuir la corriente por debajo del valor de mantenimiento. El TRIAC puede ser disparado independientemente de la polarización de puerta, es decir, mediante una corriente de puerta positiva o negativa (ángulo de disparo). Descripción general Cuando el TRIAC conduce, hay una trayectoria de flujo de corriente de muy baja resistencia de una terminal a la otra, dependiendo la dirección de flujo de la polaridad del voltaje externo aplicado. Cuando el voltaje es más positivo en MT2, la corriente fluye de MT2 a MT1 en caso contrario fluye de MT1 a MT2. En ambos casos el TRIAC se comporta como un interruptor cerrado. Cuando el TRIAC deja de conducir no puede fluir corriente entre las terminales principales sin

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importar la polaridad del voltaje externo aplicado por tanto actúa como un interruptor abierto.

Debe tenerse en cuenta que si se aplica una variación de tensión importante al TRIAC (dv/dt) aún sin conducción previa, el TRIAC puede entrar en conducción directa.

3.2.4. Dispositivos opto-electrónicos. Son los dispositivos que están relacionados con la luz:    

Diodo LED. Fotodiodo. Display de 7 segmentos. Optoacoplador.

Diodo Led

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Es un diodo emisor de luz. Símbolo:

Se basa en:

El negativo de la pila repele a los electrones que pasan de n a p, se encuentran en p con un hueco, se recombina con él y ya no es electrón libre, al bajar de BC a BV pierde una energía E que se desprende en forma de luz (fotón de luz). Diferencias entre un diodo normal y un LED: 

Diodo normal, E en forma de calor. Diodo LED, E en forma de fotón.(E = h*f, h = cte de Planck, f = frecuencia que da color a esa luz).



Diodo normal hecho de silicio. Diodo LED hecho de As, P, Ga y aleaciones entre ellas. Para cada material de estos la distancia de BC y BV es distinta y así hay

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distintos colores, y mezclándolos se consiguen todos, hasta de luz invisible al ojo humano. Aplicación:   

Lámparas de señalización. Alarmas (fotones no visibles). Etc...

El diodo LED siempre polarizado en directa, y emitirá luz. Podemos usar esto en una fuente de alimentación que hemos dado.

La intensidad del LED:

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Normalmente para el valor de 10 mA se suelen encender (ver en el catálogo). La tensión en el LED:

Diferencia con el silicio, la tensión es mayor. Cuando no dice nada se coge VLED = 2 V.

Display de 7 segmentos Son 7 diodos LED:

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Se utiliza en electrónica digital con + 5 V y 0 V. El Fotodiodo Recibe luz, al contrario que el led:

Se usa en polarización Inversa. Diodo normal en inversa:

Cuando se coloca una pila en inversa, el negativo atrae a los huecos y los saca de la unión con el ión ( lo mismo con el positivo y los electrones). Pero se llega a un equilibrio, un equilibrio con una W (anchura de z.c.e.) concreta. Y no tenemos ni huecos ni electrones en la z.c.e. (W) y esa unión me la pueden pasar los portadores (h y e) (solo quedan los iones en la W).

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El Optoacoplador Es un encapsulado con 4 patillas, también de negro, para que no salga luz de dentro hacia fuera.

Si vario la pila varía ILED, varía la iluminación que recibe el fotodiodo, varía su corriente I. Esta variación de V afecta a la I y esta a la tensión en RL. En realidad ese circuito es como:

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Pero el fotodiodo sirve para aislar, puede dar problemas conectar directamente a la carga.

3.3. Elementos básicos de electrónica digital. 3.3.1. compuertas lógicas. Las computadoras digitales utilizan el sistema de números binarios, que tiene dos dígitos 0 y 1. Un dígito binario se denomina un bit. La información está representada en las computadoras digitales en grupos de bits. Utilizando diversas técnicas de codificación los grupos de bits pueden hacerse que representen no solamente números binarios sino también otros símbolos discretos cualesquiera, tales como dígitos decimales o letras de alfabeto. Utilizando arreglos binarios y diversas técnicas de codificación, los dígitos binarios o grupos de bits pueden utilizarse para desarrollar conjuntos completos de instrucciones para realizar diversos tipos de cálculos. La información binaria se representa en un sistema digital por cantidades físicas denominadas señales, Las señales eléctricas tales como voltajes existen a través del sistema digital en cualquiera de dos valores reconocibles y representan una variable binaria igual a 1 o 0. Por ejemplo, un sistema digital particular puede emplear una señal de 3

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volts para representar el binario "1" y 0.5 volts para el binario "0". La siguiente ilustración muestra un ejemplo de una señal binaria.

Como se muestra en la figura, cada valor binario tiene una desviación aceptable del valor nominal. La región intermedia entre las dos regiones permitidas se cruza solamente durante la transición de estado. Los terminales de entrada de un circuito digital aceptan señales binarias dentro de las tolerancias permitidas y los circuitos responden en los terminales de salida con señales binarias que caen dentro de las tolerancias permitidas. La lógica binaria tiene que ver con variables binarias y con operaciones que toman un sentido lógico. La manipulación de información binaria se hace por circuitos lógicos que se denominan Compuertas.

Las compuertas son bloques del hardware que producen señales en binario 1 ó 0 cuando se satisfacen los requisitos de entrada lógica. Las diversas compuertas lógicas se encuentran comúnmente en sistemas de computadoras digitales. Cada compuerta tiene un símbolo gráfico diferente y su operación puede describirse por medio de una función algebraica. Las relaciones entrada - sa...