Introducción a la electrónica Señales y sistemas electrónicos Índice Introducción a la electrónica Señales y sistemas electrónicos Tema 1

Introducción a la electrónica “Electrónica es la ciencia y tecnología relativas al paso de partículas cargadas eléctricamente a través de un gas, del vacío o de un semiconductor” ¿COMO NOS AFECTA COMO INGENIEROS? ¿QUÉ SIGNIFICA ESTO? Volvemos a la definición de la electrónica. Tanto la electricidad como la electrónica es la ciencia y tecnología dedicadas a estudiar el movimiento de partículas cargadas. Mientras que en la primera ese movimiento se realiza en materiales metálicos, en la electrónica las partículas se mueven a través de un gas, del vacio o de un semiconductor. Electricidad Electrónica Tema 1

Introducción a la electrónica 1888 Generación de radiación electromagnética (Hertz) 1895 Transmisión de radio a 3 Km (Marconi) 1897 Tubo de rayos catódicos (Braun) 1904 1º diodo o válvula de vacio (Fleming) 1906 Triodo o dispositivo de 3 terminales (De Forest) 1920 1ª emisora de radio (Westinghouse Electric Corp.) A finales del siglo 19… Se empieza a comprender y dominar el movimiento de las partículas cargadas eléctricamente. Se desarrollan las primeras aplicaciones a partir de estos movimientos de cargas. (Radio y tubos catódicos). A partir de principios del siglo 20… Se desarrollan los primeros dispositivos electrónicos. Dispositivos que permitían modificar una señal de forma muy simple. Eran dispositivos de vacio. Primer equipo hecho con dispositivos electrónico (emisora de radio) Tema 1

Introducción a la electrónica 1946 1ª computadora (ENIAC) 17468 válvulas de vacio 32 toneladas 2,4 x 30 metros cuadrados 5000 sumas 300 multiplicaciones por segundo Sobre mitad del siglo 20 se tienen las primeras computadoras electrónicas realizada con válvulas de vacio. Electronic Numerical Integrator And Calculator (ENIAC) Tema 1

Introducción a la electrónica 1948 Se inventa el 1º transistor (Bell Lab) Se inventa el primer transistor de silicio. La electrónica pasa de gases y vacio a semiconductor. Tema 1

Introducción a la electrónica 1951 Transistores discretos 1959 Jack Kilby inventa el primer circuito integrado (premio Nobel en 2000) 1960 Integración a pequeña escala (SSI, 100 cmp/chip) Comienza la miniaturización el desarrollo de nuevos dispositivos se incluyen varios dispositivos en un mismo dado de silicio (circuitos integrados) Tema 1

Introducción a la electrónica Desarrollo de la microelectrónica La escala de integración (número de transistores por cm2) aumenta según una ley exponencial. Dispositivos del tamaño de micras (millonésima de metro) -> microelectrónica Tema 1

Introducción a la electrónica ¿Escala de integración? 10km 10mm 500m 500m 70mm ¿Escala de integración? Para tener una equivalencia en el mundo real de las dimensiones que se están manejando en microelectrónica supongamos… Es como si tuviéramos que diseñar una ciudad de 10 Km de diámetro a un nivel de detalles de un soldador (7 cm). Tema 1

Introducción a la electrónica ¿Coste de la electrónica? En cuanto al coste, con lo que cuesta… Un paquete de patatas  una memoria RAM con 5000 transistores Un café y un pastel en Tokio  una tarjeta madre de una computadora Una camisa de lujo -> un transmisor láser Una cabaña en Malibu -> Una central telefónica Tema 1

Introducción a la electrónica Control de sistemas de energía renovable, conversión de energía. Sistemas aviónicos, sensores aviación, sistemas de guerra electrónica Electrónica de consumo. Computación. Etc… Gestión del tráfico terrestre, marítimo y aéreo. Sensores industriales y control de procesos. Sistemas de tracción, control de flujo de energía, conversión de energía. Una vez visto las distintas aplicaciones de sistemas electrónicos en un vehículo, podemos imaginar cuantas otras aplicaciones podemos encontrarnos en la vida cotidiana y en los distintos sectores industriales. Comunicaciones y redes de servicios. Tema 1

Introducción a la electrónica Veamos un ejemplo industrial que tengamos muy cerca Para ver como afecta la electrónica a los diversos campos de la ingeniería vamos a poner un caso concreto donde intervienen la ing. mecánica, la ing. Química, la ing. Eléctrica … (el automóvil) Aquí podemos ver dos modelos muy distintos. Uno es el primer automóvil de la historia y el otro el que más tiempo ha estado en el mercado. Está claro que entre hay bastantes diferencias tecnológicas entre ellas. Sin embargo, el esquema funcional de ambos vehículos es básicamente el mismo. Veámoslo más detenidamente. Tema 1

Introducción a la electrónica Diferentes sistemas de un vehículo Un automóvil es como una pequeña fábrica en miniatura. En él se pueden distinguir una multitud de sistemas, cada uno de ellos con una misión concreta: Motor: Encargado de convertir la energía química en movimiento. Sistema eléctrico: Que genera electricidad con el alternador, la distribuye por el automóvil por una red de cables y la almacena en la batería. Sistema de refrigeración: Formado por un conjunto de intercambiadores de calor y un circuito fluidico que extrae el calor del motor y lo expulsan al exterior. Como se ve en el esquema, la mayoría de los sistemas principales del automóvil han sido mecánicos. Y esto ha sido así hasta hace un par de décadas. Diferentes sistemas de un vehículo Tema 1

Introducción a la electrónica Veamos más detenidamente el motor. Podemos distinguir el pistón, cuyo movimiento ascendente y descendente provoca el movimiento circular del cigüeñal. Motor de 4 tiempos Tema 1

Introducción a la electrónica El Sistema de Admisión y Escape de gases es el encargado de inyectar la mezcla de aire y combustible en el cilindro y de expulsar los gases producidos por la combustión. Mediante un juego de válvulas se consigue sincronizar la entrada y salida de gases con el movimiento del pistón. Motor de 4 tiempos Tema 1

Introducción a la electrónica Esa sincronización se realiza mediante el Árbol de Levas, que es movido por el propio cigüeñal a través de engranajes y correas. Motor de 4 tiempos Tema 1

Introducción a la electrónica Video demostrativo de la sincronización del sistema Motor de 4 tiempos Tema 1

Introducción a la electrónica Por otra parte, el sistema eléctrico tiene como principal misión provocar la combustión de la mezcla aire-combustible. La corriente eléctrica, procedente de la batería es convertida en una sobretensión mediante la bobina. Esta sobretensión es enviada a cada bujía a través del distribuidor, provocando una chispa dentro del cilindro y prendiendo la mezcla. Aquí ocurre lo mismo, la sobretensión es forzada por medios mecánicos dentro del distribuidor. Sistema de encendido tradicional Tema 1

Introducción a la electrónica ¿Claves en la última evolución tecnológica en el automóvil? - Motores con mejores pretaciones - Mayor confort, seguridad, etc… Tecnología electrónica Pero ¿Qué cambios tecnológicos fundamentales ha habido en la última evolución del automóvil?. Por un lado, se han conseguido motores mucho más complejos y precisos, más potentes, con ciclos térmicos más eficientes, más ecológicos y con mejores prestaciones. Por otro lado, han aparecido funciones nuevas asociadas con la seguridad y el confort, como los airbag, medida automática de presión de neumáticos, avisos de averías, climatizadores, iluminación automática, etc… Los dos avances han sido posible por la incorporación de la Tecnología Electrónica en la industria del automóvil. Tema 1

Introducción a la electrónica Volviendo al encendido electrónico. La misión de los platinos la puede ejercer un sistema formado por un optoacoplador electrónico que detecte el paso del disco giratorio y ordene a un interruptor electrónico (transistor) la apertura del circuito de la bobina. De esta forma no hay roces ni contactos que se deterioren, y el ajuste del encendido se puede hacer de forma mucho más precisa. Sistema de encendido electrónico Tema 1

Introducción a la electrónica Los sistemas de encendido electrónico actuales son mucho más complejos, incluyen: Un convertidor analógico digital que lee las señales de una serie de sensores Un microprocesador que procesa toda estas señales, y controla el funcionamiento de todo el sistema a través de señales digitales generadas a una serie de actuadores Una memoria digital donde se almacena el programa de control del encendido Una serie de sensores repartidos por el motor proporcionan las siguientes señales: la señal de velocidad de giro del motor las señales del estado de la inyección las señales de diagnostico del motor las señales de conexión para el accionamiento de la bomba de inyección o relés, etc Sistema de encendido electrónico con microprocesador Tema 1

Introducción a la electrónica Comparación entre diversos tipos de encendido Comparación entre diversos tipos de encendido: Convencional con platinos Encendido electrónico con sensores Hall Encendido electrónico 123 Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Estímulos Sistema externo Magnitud física Reacción Movimientos Variaciones continuas Número infinito de valores Magnitud continua Temperatura Desplazamiento Fuerza Humedad Intensidad de luz Tiempo Masa Población Magnitudes físicas Variaciones discontinuas Número finito de valores Magnitud discreta Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Sistema externo Magnitud física Movimientos Sistema electrónico Sensor Actuador Señales eléctricas Magnitud continua Magnitud discreta Tensión Corriente Intensidad luminosa Señal binaria Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Magnitud continua Magnitud discreta Ruido Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Sinusoidal Cuadrada con T=20 ms, t en ms y n N Triangular Amplitud Valor pico a pico Periodo Valor medio o componente continua Valor eficaz Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Sinusoidal Cuadrada con T=20 ms, t en ms y n N Triangular Amplitud Valor pico a pico Periodo Valor medio o componente continua Valor eficaz Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Sinusoidal Cuadrada con T=20 ms, t en ms y n N Triangular Amplitud Valor pico a pico Periodo Valor medio o componente continua Valor eficaz Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Dispositivos electrónicos Función de transferencia o característica i i v v Comoponentes de un sistema electrónico: Señales de entrada Señales de salidas Circuitos electrónicos El sistema electrónico tendrá una funcionalidad compleja. Los circuitos electrónicos tienen la misma estructura de entradas, salidas y funcionalidad más simple. A su vez están constituidos por dispositivos electrónicos, entradas, salidas y funcionalidad muy básica. Condiciones estáticas o cuasiestáticas Condiciones dinámicas Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Dispositivo electrónico Circuito Sistema Nivel de complejidad Comoponentes de un sistema electrónico: Señales de entrada Señales de salidas Circuitos electrónicos El sistema electrónico tendrá una funcionalidad compleja. Los circuitos electrónicos tienen la misma estructura de entradas, salidas y funcionalidad más simple. A su vez están constituidos por dispositivos electrónicos, entradas, salidas y funcionalidad muy básica. Tema 1

Señales y sistemas electrónicos Requerimientos del cliente Especificaciones de nivel superior Selección de la tecnología Diseño de nivel superior Diseño detallado Simulación a bajo nivel Construcción y pruebas Diseño de sistemas Producto final Modelado y simulación Estrategia descendente. Requerimientos del cliente Especificaciones de nivel superior (define que va a hacer el sistema, las entradas y salidas así como las restricciones, pero no como va a hacerlo) Selección de la tecnología (electrónica, hidráulica, mecánica….analógica, digital o mixta…componentes discretos, hardware programable, microprocesador) Diseño de nivel superior (diseño funcional a nivel de bloques, reparto de funciones) Modelado del sistema (herramientas de modelado y simulación MATLAB) Diseño detallado (herramientas de diseño CAD electrónico) Simulación de circuitos y del sistema (herramientas de simulación SPICE) Construcción y pruebas Tema 1