Física Eléctrica: Fuerza Electromotriz

Fuerza Electromotriz

• La fuerza electromotriz (fem) es la fuente de energía que mantiene a las cargas en movimiento.
• Sus unidades son Julios por Voltios.

Potencial Electroestático

• Se refiere al potencial en un punto del espacio.

Caida de Potencial

• Es una diferencia de potencial negativa entre dos puntos de un circuito eléctrico.

Fuente de Tensión Ideal

• Es un dispositivo que aporta una fem constante a un circuito.
• Entre bornes positivos y negativos de la fuente hay una diferencia de potencial constante y positiva.

Fuentes en Serie

• Dos fuentes en serie equivalen a una única fuente cuya fem se obtiene sumando o restando las fem de ambas fuentes según su polaridad.
• Polaridad directa: el borne positivo se conecta con el borne negativo de la otra, lo que incrementa la tensión de salida.
• Polaridad inversa: el borne positivo se conecta con el borne positivo de la otra, se utiliza para recargar pilas.

Fuentes en Paralelo

• Dos fuentes pueden asociarse en paralelo conectando los bornes positivos entre sí y los bornes negativos entre sí.
• Si la fem de las fuentes no es la misma, se produce una situación similar a un cortocircuito.
• Aumenta la potencia de salida y reduce la resistencia interna.

Corriente Alterna y Continua

• Corriente alterna: la intensidad de corriente fluctúa según su función senoidal, entre un valor máximo en un sentido y ese mismo valor en el sentido opuesto.
• Corriente continua: la intensidad de corriente es constante en el tiempo.

Ley de Ohm

• La caída de potencial a lo largo del conductor es proporcional a la intensidad que circula por él.
• Hay materiales, como los semiconductores, que no cumplen esta ley.

Resistencias en Serie

• Dos resistencias están asociadas en serie cuando el terminal negativo de la primera está conectado con el terminal positivo de la segunda.
• La intensidad que recorre cada resistencia es la misma y el voltaje es distinto.
• Para hallar la resistencia equivalente: Req=R1+R2+…+Rn

Resistencias en Paralelo

• Dos resistencias están asociadas en paralelo cuando el terminal positivo de la primera está conectado al terminal positivo de la segunda y el terminal negativo de la primera está conectado al terminal negativo de la segunda.
• El voltaje es el mismo pero las intensidades son diferentes.
• Para hallar la resistencia equivalente: Req= 1/(1/R1) …

Ley de Joule

• La potencia disipada por una resistencia es igual al producto de la caída de potencial por la intensidad de corriente.

Tipos de Enlace

• El enlace covalente se forma cuando dos átomos comparten una pareja o más de sus electrones más externos, lo que da lugar a la formación de moléculas que componen los líquidos y los gases.
• El enlace iónico se forma cuando un ion pierde un electrón y se convierte en un ion positivo (cation) o gana un electrón y se convierte en un ion negativo (anion), lo que permite la formación de una red cristalina debido a la atracción electroestática de Coulomb.
• El enlace metálico es similar al enlace covalente, pero involucra un gran número de átomos.
• El enlace de puente de hidrógeno se forma entre moléculas que actúan como dipolos eléctricos, en lo que el polo positivo se debe a un átomo de hidrógeno.
• El enlace de Van der Waals es una fuerza atractiva universal entre cualquier pareja de átomos o de moléculas, pero es débil y solo permite formar sólidos a temperaturas muy bajas.

Semiconductores

• Los semiconductores intrínsecos son aquellos que lo son por su propia naturaleza, sin que aparezcan ningún elemento extraño en su estructura cristalina.
• Los semiconductores extrínsecos son aquellos que incorporan átomos extraños a su red cristalina, y se dividen en dos tipos: N y P.
• Los semiconductores extrínsecos tipo N son dopados con impurezas donadoras, lo que hace que predominen los electrones.
• Los semiconductores extrínsecos tipo P son dopados con impurezas aceptadoras, lo que hace que predominen los huecos.

Ley de Nudos

• La suma de las corrientes entrantes en un nudo es igual a la suma de las corrientes salientes de ese nudo, según la ley de nudos.

Curva Característica de un Transistor

• La curva característica de un transistor tiene 3 modos de trabajo y 3 estados: saturación, activa y corte
• En saturación, el transistor funciona como interruptor y permite el paso de corriente entre emisor y colector sin pérdidas significativas
• En activa, el transistor funciona como amplificador de corriente con buena ganancia y poca distorsión
• En corte, el transistor funciona como un interruptor con un comportamiento similar al de un cortocircuito entre emisor y colector

Transistor de Efecto Campo (FET)

• El FET puede actuar como interruptor o como amplificador
• En funcionamiento digital, el FET es más ventajoso que el BJT
• La conmutación entre los estados ON y OFF del FET se determina por una diferencia de potencial y no por una corriente, lo que supone un ahorro de energía y menos disipado
• La fuente y el drenaje comparten el mismo semiconductor y entre ellos circula la corriente de salida

Modos de Operación del FET

• Canal cerrado: actúa como interruptor abierto
• Canal parcialmente abierto: actúa como una resistencia variable cuyo valor depende de la tensión en la puerta
• Canal abierto: actúa como transistor cerrado

JFET y MOSFET

• JFET (Transistor de unión de efecto campo): canal del mismo tipo que el dopado del semiconductor entre fuente y drenaje
• MOSFET (Transistor de efecto campo metal-oxido-semiconductor): canal del tipo contrario que el dopado del semiconductor entre fuente y drenaje
• JFET: fuente y drenaje comparten semiconductor dopado n, la puerta situada entre S y D conecta una zona de dopado p
• MOSFET: fuente y drenaje comparten semiconductor dopado p, pero altamente dopado n en los puntos de contacto, la puerta está aislada mediante una capa de óxido de silicio

Ventajas y Desventajas del FET

• Ventajas: menos consumo que BJT, menos ruido que MOSFET
• Desventajas: mayor tamaño que MOSFET, puede sufrir rotura dieléctrica

Unión PN

• Consiste en poner en contacto dos semiconductores extrínsecos con la misma base cristalina, uno tipo n y otro tipo p
• La región de contacto se vacía de portadores libres y se denomina zona de transición

Diodo PN

• Un diodo es un componente electrónico consistente en una unión de semiconductores pn
• La unión pn es la representación más básica entre los dispositivos semiconductores de estado sólido
• Cuando un diodo se establece diferencia de potencial v entre los extremos del diodo, la barrera de potencial entre las zonas p y n se ve afectada

Polarización del Diodo

• Polarización directa: el extremo p se mantiene a un potencial mayor que el extremo n, la barrera de potencial disminuye y las corrientes de difusión aumentan
• Polarización inversa: el extremo p se mantiene a un potencial menor que el extremo n, la barrera de potencial aumenta y las corrientes de difusión disminuyen

Uso del Diodo como Rectificador

• Un diodo montado en polarización inversa apenas conduce la corriente eléctrica

Diodo Zener

• Es una unión de tipo pn diseñada para funcionar en la región inversa del diodo
• En esa región, el diodo está configurado para mantener un voltaje constante entre sus terminales, llamado voltaje Zener
• Se utiliza como regulador de tensión o voltaje para cargas ya que es capaz de mantener siempre la misma tensión de manera bastante exacta

Variables Lógicas

• Son variables que pueden tomar dos valores: 1 y 0, o verdadero y falso.
• Estos valores son mutuamente excluyentes, no pueden ser ambos a la vez.
• Las variables lógicas se utilizan en funciones lógicas o funciones booleanas.

Funciones Lógicas

• Función lógica EQUAL o IGUAL: la salida es 1 si el sensor de luz es 1, y 0 si es 0.
• Función lógica NOT o NEGADA: la salida es 0 si el sensor de luz es 1, y 1 si es 0.
• Función lógica OR: la salida es 1 si a=1 y b=1.
• Función lógica AND: la salida es 1 si a=1 y b=1.

Ondas Electromagnéticas en Medios Materiales

• La dispersión hace que el índice de refracción dependa de la frecuencia.
• La atenuación hace que el medio absorba energía de la onda, disminuyendo la potencia total con la distancia.

Reflexión y Refracción

• La reflexión ocurre cuando parte de la energía de la onda incide se refleja dentro del primer medio.
• La refracción ocurre cuando otra parte de la energía de la onda incide se transmite al segundo medio.
• La ley de Snell se aplica en la refracción.

Ancho de Banda, Atenuación y Distorsión

• El ancho de banda es el intervalo de frecuencias que puede tomar una señal sin sufrir una distorsión importante.
• Un mayor ancho de banda se traduce en una mayor fidelidad en la señal transmitida en señales analógicas.
• El ancho de banda determina la cantidad de bits que pueden transmitirse por unidad de tiempo en señales digitales.
• La distorsión ocurre cuando las señales de distinta frecuencia viajan a distinta velocidad por la línea de trasmisión.
• La atenuación se expresa en decibelios y se acentúa para señales de alta frecuencia.

Componentes que Utilizan la Luz

• El fotorresistor es un componente cuya resistencia disminuye con el aumento de luz de manera lineal.
• El fotodiodo se basa en la unión P-N modificada como un semiconductor intrínseco y debe ser operado en polarización inversa.
• El fototransistor es una modificación de un transistor NPN, donde la unión de base es un fotodiodo, por lo que la corriente de base es la fotocorriente.

Sistemas Secuenciales

• Los sistemas secuenciales tienen memoria y sus salidas dependen de sus entradas actuales y anteriores.
• Se dividen en sistemas secuenciales sincronos y asincrónos.

Sistemas Secuenciales Sincronos

• Existen una o más señales de reloj que sincronizan el funcionamiento global del circuito.
• Los sistemas secuenciales sincronos se dividen en:
  • Por nivel: biestable de tipo lanch, la lectura de datos se lee solo en el tramo de reloj predefinido.
  • Por flanco: conocidos como flip-flop, se leen en el momento de la subida o bajada de la señal.

Sistemas Secuenciales Asincrónos

• No hay señal de reloj y los circuitos responden automáticamente a los cambios en las entradas que pueden suceder en cualquier momento.

Biestables

• Biestable R-S disipado por nivel:
  • La entrada R activa realiza un reset del lanch.
  • La entrada S activa realiza un set del lanch.
  • Si las entradas están desactivadas, la salida del lanch no cambia.
  • Si las entradas están activadas, el circuito no funciona.
• Biestable D con entrada de habilitación:
  • La entrada D es la única entrada del biestable.
  • La salida depende totalmente de la entrada D.
  • Cuando la entrada D está en nivel alto, el estado Q del lanch se pone a nivel alto o SET.
  • Cuando la entrada D está en nivel bajo, el estado Q del lanch se pone a nivel bajo o RESET.
• Flip-flops disparado por flanco:
  • La entrada de disparo es conocida como una señal de flanco o reloj.
• Biestable J-K disparado por flanco:
  • La diferencia con RS- es que la denominación J o K no tiene ningún significado.
  • No hay configuración prohibida o no válida, como en el R-S.
  • Cuando J=1 y K=1, el dispositivo cambia al estado opuesto al que se encontraba (MODO DE BASCULACIÓN).
• Biestable T con disparo por flanco:
  • El biestable T es conocido como biestable de basculación.
  • Es una simplificación del J-K en sus estados J=0, K=0 y J=1, K=1.
  • Si la entrada T está a nivel bajo, la salida se mantiene como estaba en un inicio.
  • Si la entrada T está a nivel alto, se genera la basculación y se realiza un cambio de estado en las salidas.

Dispositivos Combinacionales

• No tienen memoria.
• Son dispositivos que tienen m entradas y n salidas, siempre m>n.
• A cada entrada le corresponde una palabra en las n líneas de salida, relacionadas a través de una función booleana.

Sistemas de Control

• Puertas AND, OR, NOT.
• Codificadores:
  • Son circuitos lógicos combinacionales que realizan la función inversa del decodificador.
  • Permiten que se introduzca en una de sus entradas un valor lógico y lo convierte en una salida codificada.
• Decodificadores:
  • Detectan una determinada combinación de bits en sus entradas relajadas en una codificación y este código se descodifica en la salida.
• Multiplexores:
  • Son dispositivos que permiten dirigir los datos digitales procedentes de distintas fuentes a una única línea de salida, para ser transmitidos a un destino común.
  • Se los conoce como selectores de datos.