Kitabı oxu: «Montaje de componentes y periféricos microinformáticos. IFCT0108»

Capítulo 2

Principios de funcionamiento de componentes eléctricos y electrónicos utilizados en sistemas microinformáticos

Contenido

1. Introducción

2. Componentes electrónicos

3. Equipos electrónicos

4. Componentes eléctricos

5. Seguridad en el uso de herramientas y componentes electrónicos

6. Resumen

1. Introducción

La electrónica es la parte de la ciencia y la tecnología que estudia el comportamiento y funcionalidad de los dispositivos electrónicos. Inicialmente, se basaba en el empleo de tubos y válvulas, pero hoy en día la situación es muy diferente, ya que la casi totalidad de los elementos utilizados en cualquier sistema electrónico están construidos a partir de los denominados materiales semiconductores.

El avance de la tecnología ha hecho que sea muy probable encontrarse con cientos de componentes electrónicos en espacios muy reducidos (móviles, portátiles, etc.).

La electrónica es esencial en la construcción de los ordenadores, ya que hasta su aparición, no existió una forma de construirlos mínimamente compleja. El desarrollo de la informática ha venido además de la mano del avance en la electrónica, pasando de fabricar ordenadores basados en válvulas de vacío que ocupaban grandes salas, a los actuales portátiles, con una capacidad de cómputo millones de veces superior y que puede llevar un niño en su mochila.

2. Componentes electrónicos

Se denomina componente electrónico a un dispositivo que forma parte de un circuito realizando alguna función determinada. Estos elementos se suelen recubrir de algún material aislante (cerámico, plástico) dejando sus patillas o terminales fuera para permitir la conexión al circuito, es lo que se llama encapsulado. Están construidos en su mayoría a partir de materiales semiconductores.

Desde el punto de vista del funcionamiento se suelen clasificar en activos y pasivos. Los componentes activos aportan energía y ganancia al circuito donde estén integrados. Los pasivos son aquellos elementos que consumen energía de un circuito. Las resistencias y las bobinas son claros ejemplos.

Nota

Algunos ejemplos son: diodos, transistores, amplificadores, etc.

Otra clasificación muy importante a la hora de diferenciar cualquier componente electrónico corresponde al tipo de señal con la que trabajan, según sean digitales o analógicas. Los analógicos trabajan con señales analógicas, las cuales pueden tomar cualquier valor comprendido entre un máximo y un mínimo, como por ejemplo la corriente alterna. En cambio, las digitales solo pueden tomar dos valores: uno máximo y otro mínimo (1 y 0). Los ordenadores son el mejor ejemplo.

2.1. Resistencias

Las resistencias o resistores son componentes pasivos que ofrecen oposición al paso de la corriente eléctrica, reduciendo la tensión. Presentan un valor resistivo (R, medido en Ω) que relaciona la tensión e intensidad que circula por ella, cumpliendo así la ley de ohm.

En todo resistor se pueden distinguir algunas características fundamentales:

1 Valor nominal o resistencia eléctrica: es el valor resistivo que, en teoría, presenta la resistencia.

2 La tolerancia: es el margen de error que la resistencia presenta sobre su valor nominal. Es un dato suministrado por el fabricante y se expresa como un porcentaje de incremento o decremento.

3 Las resistencias muestran sus características en el encapsulado. Así, las resistencias de inserción muestran un código de colores donde se ve el valor nominal y la tolerancia, de modo que se puedan distinguir visualmente.

El orden de lectura para interpretar el código de colores viene establecido por el anillo más próximo a un extremo del resistor que representa la primera cifra significativa. Las resistencias pueden tener 3, 4 y 5 bandas, siendo, los dos últimos anillos, correspondientes al multiplicador y la tolerancia, y los primeros a las cifras significativas. Por ejemplo, si la resistencia tiene 5 bandas, las tres primeras representan una cifra, siendo la banda de más a la izquierda las centenas, la segunda las decenas y la tercera las unidades, lo que deja la cuarta de multiplicador y la quinta de tolerancia.

En la siguiente tabla se muestran los códigos de colores de las resistencias de inserción, explicando el valor que indican según su posición en el conjunto de bandas de colores.

Las resistencias con encapsulado de montaje superficial SMT (Surface Mount Technology) muestran sus características con un código numérico de la siguiente forma:

1 1ª Cifra = 1º número, 2ª Cifra = 2º número, 3ª Cifra = Multiplicador (103ªCifra). Ejemplo: “122” = 1200 ohmios = 1.2K (12 x 100). Si la resistencia tiene 4 cifras, las tres primeras son las cifras significativas y la cuarta el multiplicador.

2 1ª Cifra = 1º número, la “R” indica coma decimal, 3ª Cifra = 2º número. Ejemplo: “1R5” = 1,5 ohmios.

3 La “R” indica “0.”, 2ª Cifra = 2º número, 3ª Cifra = 3º número. Ejemplo: “R25” = 0.25 ohmios.

Las resistencias de la imagen son de 27 Ω y de 0 Ω

Existen otro tipo de resistencias llamadas variables, ya que su valor nominal no es fijo. Son también conocidas como potenciómetros y permiten ser modificadas a través de un dispositivo móvil denominado cursor. Presentan tres terminales: dos correspondientes a los extremos de la resistencia y uno conectado al cursor.

Potenciómetro

Importante

El valor de resistencia que el fabricante marca en estos dispositivos es el valor máximo que puede existir en sus extremos. Son muy útiles para aplicaciones de regulación de aparatos electrónicos.

Las resistencias ajustables son similares a las variables, pero el cursor de variación es “menos accesible” para el usuario, por lo que se suelen precintar o sellar, siendo posible su ajuste con un destornillador. Las resistencias variables suelen utilizarse como mandos en aparatos electrónicos, como el volumen en un aparato de radio.

Resistencia ajustable

Aplicación práctica

Para practicar con el código de colores y la tolerancia, se propone interpretar el valor de una resistencia a través de sus colores. La resistencia a estudiar es la siguiente:

De izquierda a derecha presenta las siguientes bandas de colores:

Banda 1 = marrón, banda 2 = verde, banda 3 = amarillo, multiplicador = naranja, tolerancia = rojo

SOLUCIÓN

En primer lugar, se va a proceder a calcular el valor de la resistencia nominal (sin considerar la tolerancia).

Si se observa la tabla de colores, la anillos marrón – verde – amarillo corresponden a las cifras significativas: 1 – 5 – 4, por lo que se obtiene la cifra 154. A este valor se le tiene que efectuar el producto con el factor multiplicador para hallar el valor nominal de la resistencia.

El naranja corresponde al factor multiplicador 103 (1000), por lo que el valor nominal de la resistencia será:

R = 154 ⋅ 1000, R = 154000 Ω (154 k Ω)

La banda roja representa una tolerancia de ± 2 %, eso significa que el valor real de la resistencia puede variar en un 2 % más o menos respecto al valor nominal. La tolerancia puede facilitar el intervalo en el que el valor real de la resistencia se encontrará, simplemente calculando el 2 % del valor nominal para sumárselo y restárselo posteriormente.

2 % de 154000 = (2/100) ⋅ 154000 = 3080

154000 – 3080 = 150920

154000 + 3080 = 157080

El valor real de la resistencia estará comprendido entre 150920 Ω y 157080 Ω

2.2. Condensadores

Un condensador es un componente que tiene la capacidad de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Este dispositivo está formado por dos armaduras metálicas paralelas (generalmente de aluminio) separadas por un material dieléctrico. La versión más sencilla de un condensador consiste en dos placas apartadas a una cierta distancia sin colocar ningún material que las separe, en cuyo caso el aire actúa como dieléctrico.

Nota

Un material dieléctrico es un aislante que se puede volver conductor cuando se sobrepasa una tensión máxima, denominada tensión de ruptura del dieléctrico.

Los condensadores se caracterizan por su capacidad (C) que es la propiedad que tienen de almacenar mayor o menor cantidad de carga eléctrica. La capacidad de un condensador mide la relación entre la diferencia de tensión que existe entre sus terminales y la carga almacenada en este. Esta magnitud se mide en faradios (F), aunque esta unidad resulta muy elevada, por lo que se suelen utilizar submúltiplos, tales como el microfaradio (1µF=10^-6 F).

Normalmente, el valor de la capacidad viene serigrafiado en la carcasa del condensador, aunque existen algunos modelos que utilizan el código de colores para informar de su valor capacitivo.

Condensador de inserción

En los circuitos se representa por el símbolo siguiente:

Las aplicaciones más normales de los condensadores en circuitos electrónicos son:

1 Filtros en circuitos rectificadores de corriente (circuitos que convierten la corriente alterna a continua).

2 Baterías, dada su cualidad de almacenar energía.

3 Memorias, por el mismo motivo que la anterior.

4 Temporizadores, aprovechando el tiempo de carga y descarga del condensador.

2.3. Diodos rectificadores

El diodo es un dispositivo semiconductor (silicio o germanio) que solo permite la circulación de corriente en un único sentido. Este componente electrónico se construye a través de la unión de 2 materiales semiconductores: tipo P y tipo N separados por la denominada barrera de unión.

Nota

1 Semiconductor tipo N: tiene exceso de electrones.

2 Semiconductor tipo P: tiene ausencia de electrones (huecos).

El símbolo de representación del diodo rectificador es el siguiente:

Un diodo tiene dos terminales, el ánodo (A) y el cátodo (K), de manera que solo circulará corriente a través de él cuando haya mayor potencial en el ánodo que en el cátodo.

Debido a esto, hay dos formas de conectarlo en un circuito:

1 Polarización directa: cuando se pone mayor potencial en el ánodo que en el cátodo, con lo que el diodo deja pasar la corriente comportándose como un cortocircuito.

1 Polarización inversa: se pone mayor potencial en el cátodo que en el ánodo, con lo que el diodo no conduce la electricidad y se comporta como un circuito abierto.

La aplicación más común de estos diodos es la rectificación de la corriente alterna en los circuitos rectificadores.

Diodo rectificador

En los diodos rectificadores el cátodo viene indicado por una banda de color pintada en su cuerpo que a menudo es negra o plateada.

2.4. Diodos led

Son capaces de emitir una radiación luminosa al ser conectados en polarización directa y ser atravesados por una corriente eléctrica. Comúnmente se les conoce como diodos emisores de luz o LED (del inglés Light Emitting Diode).

El símbolo del diodo LED para su representación en los circuitos es el siguiente:

El ánodo de los diodos LED es el terminal más largo y es el que hay que conectar al positivo (polarización directa) para que este emita luz.

Diodos LED

Actualmente, hay una gran variedad de colores emitidos por los LED (rojo, verde, amarillo, azul, naranja o infrarrojo) que dependerán del material de construcción. También existen los displays de presentación numéricos de siete segmentos que permiten representar números del 0 al 9.

Display LED de 7 segmentos

2.5. Transistores

El transistor es el elemento electrónico más famoso, pues inició una auténtica revolución en la electrónica. El transistor permitió la miniaturización de los componentes lo que desembocó en el descubrimiento de los circuitos integrados, en los que se pueden llegar a incluir, en unos milímetros cuadrados, miles de transistores. Estos circuitos constituyen el origen de los microprocesadores y, por tanto, de los ordenadores actuales.

Transistor de inserción

El transistor bipolar consta de un sustrato semiconductor (normalmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente que forman dos uniones bipolares, con lo que se establecen tres terminales: el emisor que transmite portadores, el colector que los recibe y la base que está intercalada entre las dos primeras, y que regula el paso de dichos portadores.

Las tres partes son cristales de un semiconductor (silicio) que pueden ser del tipo P o del tipo N. Según como estén colocados se diferencian dos tipos de transistores:

1 Tipo NPN: son los más comunes y están formados por una base que es un cristal de tipo P entre dos cristales de tipo N.

1 Tipo PNP: están formados por una base que es un cristal de tipo N entre dos cristales de tipo P.

Un transistor tiene básicamente dos funciones:

1 Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una pequeña indicación de mando (en la base).

2 Funciona como un elemento amplificador de señales (en función de la tensión aplicada en la base).

El transistor tiene múltiples aplicaciones en electrónica, como por ejemplo, de regulador de tensión, como interruptor, como amplificador de una señal, etc. Dada su versatilidad se encuentran en la práctica totalidad de los aparatos electrónicos actuales, y son indispensables en los ordenadores, siendo la base de construcción de los circuitos integrados y de los microprocesadores.

Sabía que…

El término “transistor” es la contracción en inglés de transfer resistor (“transferencia de resistencia”).

2.6. Circuitos integrados

Consiste en un circuito de componentes electrónicos como transistores, resistencias o condensadores que cumplen alguna función concreta. Todos ellos se encuentran recubiertos por un encapsulado cerámico o plástico, suelen construirse en cristales de silicio y su consumo eléctrico es realmente bajo.

Existen multitud de circuitos integrados y suelen cumplir funciones muy diversas: desde temporizadores hasta operadores lógicos.

Físicamente, en todo circuito integrado se pueden distinguir tres partes principales:

1 Die (molde): es la zona donde se localiza el circuito propiamente dicho, siendo fundamental en todo circuito integrado, ya que todos los componentes que constituyen su circuitería están aquí, ocupando un espacio minúsculo.

2 Pines: son pequeñas patillas que comunican el circuito principal con el exterior. Cada una de ellas está numerada, ya que normalmente, tendrán funciones diferentes.

3 Encapsulado: suele ser de material cerámico o plástico. Generalmente, es de color negro y sobre este suele reflejarse el nombre del modelo, número de serie, fabricante, etc.

La característica principal de un chip es su tecnología de integración o escala de integración que indica el número de componentes por unidad de superficie que alberga.

Escalas de integración que se pueden encontrar:

1 SSI (Short Scale Integration): es la más pequeña de todas. Entre 10 y 100 transistores.

2 MSI (Médium Scale Integration): entre 100 y 1.000 transistores en un chip.

3 LSI (Large Scale Integration): de 1.000 a 10.000 transistores.

4 VLSI (Very Large Scale Integration): de 10.000 a 100.000 transistores.

5 ULSI (Ultra Large Scale Integration): de 100.000 a 1.000.000 de transistores.

6 GLSI (Giga Large Scale Integration): más de 1.000.000 de transistores.

2.7. Otros
Diodo zener

Tienen las mismas características que un diodo normal de silicio, con la particularidad de que están diseñados para trabajar con polaridad inversa, ya que mantienen entre sus terminales una tensión constante con aumentos de intensidad. Esta característica hace que se suelan utilizar como estabilizadores de tensión.

Fotodiodo

Son sensibles a la luz, generan una corriente proporcional a la cantidad de radiación lumínica recibida. Este tipo de componentes trabaja en polarización inversa, porque en directa se comporta como un diodo semiconductor estándar.

Tiristor

También se le conoce como rectificador controlado y está formado por tres terminales: ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G), correspondientes a tres uniones semiconductoras: P-N-P-N.

Se comporta como un diodo dejando pasar la corriente cuando hay una diferencia de potencial (en polarización directa) entre el ánodo y el cátodo, pero además debe existir corriente de entrada en la puerta (G).

3. Equipos electrónicos

Son los aparatos constituidos por componentes electrónicos, como por ejemplo un receptor de televisión, un teléfono móvil o un ordenador. La gran mayoría de los componentes de un equipo electrónico actual necesitan un suministro de corriente continua para trabajar, pero la que llega como suministro eléctrico a los hogares y a la industria es corriente alterna, por lo que es necesario transformarla y además pasarla a unos valores de tensión utilizables por los componentes. Para realizar esta tarea de transformación todos los equipos electrónicos utilizan una fuente de alimentación.

3.1. La fuente de alimentación

Es un dispositivo que se conecta a la red eléctrica y transforma la corriente alterna en continua y proporciona la tensión a la que funcionan dispositivos electrónicos como radios, televisiones, etc.

Fuente de alimentación de un PC

Debido a los avances de la electrónica, las fuentes de alimentación deben proporcionar tensiones e intensidades muy estables que permanezcan insensibles a variaciones externas, por lo que suelen utilizarse circuitos estabilizadores o reguladores que mantengan constante la tensión de salida de la fuente aunque existan variaciones en la carga o en la tensión en el suministro eléctrico que la está alimentando.

Por otra parte, suelen ir equipadas de circuitos electrónicos de protección que son capaces de disminuir la tensión de salida al detectar sobrecorrientes y así evitar daños en los componentes que alimenta.

Recuerde

Una fuente de alimentación es un dispositivo que se conecta a la red eléctrica y transforma la corriente alterna en continua y proporciona la tensión a la que funcionan dispositivos electrónicos como radios, televisiones, etc.

Generalmente, una fuente de alimentación consta de varios elementos o etapas con las siguientes funciones:

1 El transformador: reduce la amplitud de la corriente eléctrica alterna de entrada para poder manejarla por el resto de etapas.

2 El rectificador: elimina los ciclos negativos de la corriente alterna procedente del transformador. Está formado por diodos que realizan la tarea de rectificación.

3 El filtro: reduce el rizado de la señal de salida del rectificador. Está formado por un condensador.

4 El regulador: estabiliza la tensión aislándola de las fluctuaciones de la corriente eléctrica de la red. El modelo más sencillo suele estar formado por un diodo zener.

4. Componentes eléctricos

Además de los componentes vistos hasta ahora, en un equipo electrónico sofisticado como un ordenador, también se encuentran elementos eléctricos para tareas más sencillas que permiten controlar las funciones básicas, como el encendido y apagado del equipo, interruptores, pulsadores, fusibles, y las pilas y baterías para operar sin necesidad de conexión a la red o para almacenamiento de configuraciones en ausencia de esta.

4.1. Interruptores, pulsadores y fusibles

Son los componentes eléctricos básicos que van a permitir la corriente o bloquear su paso, cerrando o abriendo el circuito respectivamente.

Los interruptores mantienen su posición en abierto o cerrado hasta que se cambia de un estado a otro. Se utilizan normalmente para apagar o encender los equipos electrónicos.

Los pulsadores se mantienen en un estado inicial hasta que se actúa sobre ellos, lo que hará que cambien de estado momentáneamente para volver a su posición inicial al dejar de hacerlo. Según el estado inicial pueden ser de circuito cerrado o de circuito abierto. Se utilizan normalmente para activar funciones mediante el envío de una señal eléctrica momentánea cuando son pulsados (como por ejemplo el botón de reset de un PC).

Los fusibles son componentes eléctricos de seguridad que habitualmente cierran el circuito, pero que interrumpen la corriente cuando esta sobrepasa cierto valor de intensidad que podría dañar los elementos eléctricos o electrónicos que protege.

Están formados por un filamento metálico. Al llegar la corriente que circula por él a una intensidad límite se destruirá (fundirá).

Se caracterizan por la intensidad máxima que pueden soportar y que vendrá indicada en su cuerpo.

Fusible

4.2. Pilas y baterías

Las pilas son elementos capaces de convertir la energía producida en una reacción química en corriente eléctrica.

Nota

Las baterías o acumuladores funcionan de forma similar a las pilas con la diferencia de que se pueden recargar simplemente aplicando una diferencia de potencial entre sus electrodos.

En las pilas, la energía perdida al producirse una corriente eléctrica no puede recuperarse, por lo que estas se suelen usar en aparatos eléctricos o electrónicos de poco consumo energético. La independencia de funcionamiento al margen de la red eléctrica hace que también se usen en aplicaciones de uso portátil. Algunos ejemplos de dispositivos alimentados por pilas son: calculadoras, linternas, relojes, radios, etc.

En el contexto del PC se usan las pilas para mantener la memoria RAMCMOS que almacena los datos de configuración de la BIOS del PC y la hora del reloj de sistema. Se suele usar una pila de botón de 3 o 5V que va alojada en la placa base.

Pila de la RAM CMOS de un PC

Nota

Si se pierden los datos de configuración de la BIOS cada vez que se apaga el PC y se perdiera la hora actual, seguramente se habría agotado dicha pila y se tendría que sustituir.

A diferencia de las anteriores, las baterías pueden recargarse al hacer pasar entre ellos una corriente eléctrica. Su uso es muy común en aplicaciones donde se debe garantizar el funcionamiento a falta de suministro eléctrico de la red, como alarmas, lámparas de emergencia, etc. Otro uso habitual de los acumuladores es su funcionamiento como generador en automóviles y demás vehículos.

Las baterías son indispensables para el uso de los ordenadores portátiles, ya que se podrá trabajar con ellos sin necesidad de red eléctrica. Además, se usan también en los sistemas de alimentación ininterrumpida que permiten que los servidores de una empresa u organismo, o incluso nuestro PC doméstico, no pierdan la alimentación eléctrica en caso de caída de la red de suministro, de modo que puedan al menos cerrar el sistema y apagarse adecuadamente.

Las baterías ligeras que se usan hoy día en los portátiles pueden ser de varios tipos:

1 Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd). Tienen un cátodo de hidróxido de níquel y un ánodo de un compuesto de cadmio. Sufren de efecto memoria, por lo que deben ser descargadas completamente antes de cargarlas de nuevo, además tienen una baja duración. Son las más antiguas y prácticamente no se usan.

2 Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH). Tienen un ánodo de hidróxido de níquel y un cátodo de una aleación de hidruro metálico. Este tipo de baterías no poseen prácticamente efecto memoria. Su duración es baja.

3 Baterías de iones de litio (Li-ion). Tienen un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto. No sufren el efecto memoria por lo que pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente. Son las más modernas, ligeras y duraderas, por lo que son las más usadas.

Definición

Efecto memoria

Fenómeno que reduce la capacidad de las baterías. Se produce cuando se carga la batería sin haber sido completamente descargada.

5. Seguridad en el uso de herramientas y componentes electrónicos

Cuando se trabaja con equipos electrónicos se debe tener sumo cuidado para no dañar los componentes, ya que algunos de ellos pueden tener unos rangos de tensión o intensidad muy específicos y poca tolerancia a valores mayores, siendo muy sensibles a las descargas de electricidad estática pudiendo dañarlos.

5.1. Electricidad estática. Descargas electrostáticas (ESD)

Es la acumulación de carga eléctrica en un material aislante a causa del rozamiento. Este exceso se liberará al ponerse el material en contacto con un conductor, produciendo una descarga eléctrica que generará una corriente. Esto es lo que se denomina una descarga electrostática y es muy peligrosa para los componentes electrónicos sensibles.

La descarga electrostática se conoce también como ESD, que es una contracción de los términos en inglés ElectroStatic Discharge.

Ejemplo

Esta descarga es la que se nota cuando se toca algo metálico después de haber caminado por una alfombra. El rozamiento de los zapatos con la alfombra genera una carga eléctrica en el cuerpo que se descargará al “ponerse a tierra”, es decir, al tocar algo metálico (conductor) en contacto con el suelo, con lo que la diferencia de potencial entre el suelo y el cuerpo hace que se genere una descarga de corriente que pasará de este al suelo a través del conductor.

Otra forma de que un cuerpo se cargue de electricidad estática es por inducción, al situarse cerca de un cuerpo cargado y aislado de tierra, sin necesidad de que haya contacto.

5.2. Prevención de descargas electrostáticas. Área de protección electrostática

Las descargas electrostáticas son un gran problema para la industria electrónica ya que puede dañar gran parte de los elementos que fabrica, por lo que se deben tomar medidas para prevenirlas.

Para ello se suelen utilizar elementos conductores que mantengan el cuerpo del operario conectado a tierra, de modo que no sea posible que se cargue electrostáticamente. Estos componentes suelen ser:

1 Muñequeras electrostáticas: son unas muñequeras conductoras con una pinza que se conecta a tierra.

1 Cubrecalzado de seguridad: sirve para evitar introducir suciedad del calzado en las zonas donde se manipulen componentes.

2 Taloneras electrostáticas: para el calzado, lo ponen en contacto eléctrico con el suelo.

1 Batas ESD.

2 Zapatos ESD.

3 Guantes ESD: son guantes de algodón que evitan la carga por rozamiento.

4 Alfombrillas conductoras conectadas a tierra.

1 Herramientas antiestáticas para la inserción y retirada de componentes.

Si se tiene que hacer cualquier trabajo sobre un ordenador u otro dispositivo electrónico y no se dispone de ningún elemento de protección como los que se acaban de ver, se debe al menos tener siempre la precaución de intentar descargarse de estática antes de manipular la circuitería del dispositivo. Para ello, se tocará algo metálico que esté puesto a tierra y se hace lo propio con las herramientas cada vez que vayan a ser usadas dentro del dispositivo. Se puede hacer también tocando el chasis del ordenador.

En la industria electrónica, para prevenir las descargas electrostáticas se crean las denominadas áreas de protección electrostáticas o EPA (Elestrostatic Protected Area) que pretenden proteger los componentes sensibles a ESD mediante la puesta a tierra de todos los materiales conductores y también de los trabajadores, para lo que se utilizan todas las prendas y herramientas que se han mencionado.

Una EPA puede ser un banco de trabajo bien preparado para prevención de ESD o un área de fabricación muy extensa.

Área de fabricación protegida electrostáticamente

5.3. Empaquetamiento de componentes y tarjetas

Se utilizan materiales de empaquetado antiestático, de manera que se eviten las ESD.

Se recubren de materiales conductores o disipadores de estática, de modo que cuando se vaya a desempaquetar el componente, al tocar el mismo embalaje se descarga de electricidad estática, con lo que se evitan peligros.

Por tanto, se deben siempre utilizar envoltorios antiestáticos para almacenar y transportar componentes o tarjetas de circuitos. Suelen ser bolsas de plástico recubiertas de una película de material conductor.

Bolsas antiestáticas

Para almacenar o transportar grandes cantidades de componentes se utilizan maletas o contenedores conductivos que son de un material plástico fabricado con un aditivo conductivo de carbono.

5.4. Símbolo para componentes electrónicos con riesgo de daño por ESD

Los componentes y dispositivos sensibles a las descargas electrostáticas suelen ir identificados con un símbolo que advierte de ello, es negro con un fondo amarillo.

Además las áreas protegidas EPA, también están indicadas con un símbolo al efecto muy parecido y que tiene los mismos colores.

Normalmente, estos avisos suelen ir acompañados de un texto sobre el mismo fondo que indica la sensibilidad ESD, para aclarar mejor dicha circunstancia para las personas que no entiendan el significado del símbolo.

Etiquetas de ESD

6. Resumen

Los componentes electrónicos están en todos los dispositivos modernos y son esenciales en el mundo de la informática, ya que constituyen la base del funcionamiento de la totalidad de los ordenadores y de sus periféricos.

En esta unidad se han expuesto los principales componentes electrónicos, así como algunas de sus propiedades y usos.

Se denomina componente electrónico a un dispositivo que forma parte de un circuito realizando alguna función determinada. Estos elementos se suelen recubrir de algún material aislante (cerámico, plástico) dejando sus patillas o terminales fuera para permitir su conexión al circuito, es lo que se denomina encapsulado. Están construidos, en su mayoría, a partir de materiales semiconductores.

Desde el punto de vista del funcionamiento se suelen clasificar en activos y pasivos. Los componentes pasivos son aquellos elementos que consumen energía de un circuito. Las resistencias y las bobinas son claros ejemplos de esta tipología. Los componentes activos aportan energía y ganancia al circuito donde estén integrados. Algunos ejemplos de componentes activos pueden ser: diodos, transistores, amplificadores, etc.

También se han dado unas directrices sobre las medidas de seguridad al trabajar con componentes sensibles debido al peligro de las descargas de electricidad estática o ESD, así como del modo de almacenaje y transporte de los mismos.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1. Los componentes electrónicos se suelen recubrir de algún material aislante (cerámico, plástico) dejando sus patillas o terminales fuera para permitir su conexión al circuito, es lo que se denomina…

1 …. envoltura.

2 …. encapsulado.

3 Cualquiera de las dos opciones anteriores es correcta.

2. En todo resistor se pueden distinguir algunas características fundamentales que los definen. Estas son:

1 El valor nominal y la intensidad.

2 El valor nominal y la resistencia.

3 El valor nominal y la tolerancia.

4 Cualquiera de las opciones anteriores es correcta.

3. Indique el valor correcto del marcado de una resistencia SMT.

1 La etiqueta “330” corresponde a 330 ohmios.

2 La etiqueta “3R3” corresponde a 33 ohmios.

3 La etiqueta “3301” corresponde a 33 kiloohmios.

4 La etiqueta “R33” corresponde a 0,33 ohmios.

4. Indique si la siguiente frase es verdadera o falsa.

Los condensadores se caracterizan por su capacidad, (C), que es la propiedad que tienen de almacenar mayor o menor cantidad de carga eléctrica.

 Verdadero

 Falso

5. Para que un diodo rectificador se comporte como un cortocircuito, ¿cómo se debe conectar?

1 En polarización directa.

2 En polarización inversa.

3 Es indiferente.

4 De ninguna, un diodo rectificador no puede comportarse como un cortocircuito.

6. En un diodo LED, ¿qué terminal es el más largo?

1 El ánodo.

2 El cátodo.

3 Son los dos iguales.

7. En un transistor bipolar…

1 …. el colector emite portadores, el emisor los recibe y la base regula el paso de dichos portadores.

2 …. la base emite portadores, el colector los recibe y el emisor regula el paso de dichos portadores.

3 …. el emisor emite portadores, el colector los recibe y la base regula el paso de dichos portadores.

8. La función de la fuente de alimentación de un dispositivo electrónico es:

1 Transformar la corriente alterna en continua.

2 Proporciona el rango de tensión que necesita el dispositivo.

3 Estabilizar la tensión protegiendo al dispositivo de las fluctuaciones de la red.

4 Todas las opciones son correctas.

9. ¿Cómo se puede evitar las ESD si no se dispone de elementos diseñados al efecto y se necesita manipular un dispositivo electrónico?

1 Descargarse tocando un material conductor conectado a tierra.

2 Descargarse tocando un material aislante conectado a tierra.

10. Las áreas de protección electrostáticas o EPA, pretenden proteger los componentes sensibles a ESD mediante …

1 …. la puesta a tierra de todos los materiales conductores.

2 …. la puesta a tierra de los trabajadores.

3 Cualquiera de las opciones anteriores es correcta.

Capítulo 3

Características de elementos hardware internos de los equipos microinformáticos

Contenido

1. Introducción

2. Arquitectura

3. Cajas de ordenador

4. Fuentes de alimentación

5. Placas base

6. Microprocesador

7. Módulos de memoria

8. Dispositivos de almacenamiento internos. Características y tipos

9. Bahías de expansión. Tipos

10. Tarjetas de expansión

11. Buses internos y externos, conectores, cables de datos y cables de alimentación

12. Otros tipos de componentes

13. Resumen

1. Introducción

Para poder llevar a cabo el montaje o mantenimiento de un PC se deben conocer a fondo todos los tipos de elementos que lo integran, así como sus características, su funcionamiento y su forma de instalación.

Debido a la madurez actual de la tecnología informática, se encuentran una gran variedad de componentes y de tipos de cableado a utilizar dentro de un PC, y se deben reconocer todos estos elementos y el cableado que utilizan para poder realizar el montaje correctamente.

En este tema se estudiarán todos los tipos de dispositivos internos de un PC, la arquitectura general del ordenador y su funcionamiento para saber cómo encaja cada componente en este esquema global y entender su función.

2. Arquitectura

Cuando se habla de arquitectura de un ordenador se hace referencia al hardware y a cómo se organiza este de manera que el ordenador cumpla su cometido. El hardware de casi todos los ordenadores actuales, y por tanto el del PC, sigue el modelo estructural básico definido por la arquitectura de Von Neumann o de Eckert-Mauchly que se basa en los siguientes principios:

1 Se utiliza el sistema de numeración binario para simplificar la electrónica y hacerla más eficiente, ya que este sistema está implícito en la electrónica digital.

2 Los programas se almacenan en memoria junto a los datos, por lo que no necesita otras memorias o sistemas para almacenar y ejecutar los programas y se acelera la velocidad de procesamiento.

Nota

El hardware de un ordenador está constituido por todas las partes físicas que lo integran, es decir, las placas y circuitos de componentes electrónicos y eléctricos.

Siguiendo estos principios la arquitectura básica del ordenador quedó configurada por cinco módulos que son los siguientes:

1 La unidad aritmético-lógica o ALU (Aritmetic-Logic Unit), como es más conocida, es donde se realizan las operaciones con los datos que ordenan las instrucciones de los programas. La ALU debe ser capaz de realizar operaciones matemáticas con los datos dados en formato digital, como sumas, restas, productos y divisiones, así como operaciones lógicas y comparaciones entre los datos. La operación a realizar es indicada por la unidad de control mediante la señal (C). Los datos a operar pueden provenir de la memoria (3) o de la unidad de entrada (2).

2 La unidad de control es el dispositivo que coordina y dirige el funcionamiento del resto de los módulos, ya que es donde se introducen las instrucciones del programa, y se encarga de dar las órdenes concretas al resto de módulos mediante señales eléctricas de temporización y control para que se realice dicha instrucción [(A), (B), (C), (D)]. Los ordenadores incorporan un reloj interno que sirve para que la unidad de control pueda repartir su tiempo entre las distintas tareas que realiza, así como para sincronizar las transferencias de datos entre las distintas unidades funcionales. La unidad de control recibe las instrucciones del programa a ejecutar de la memoria mediante la conexión indicada en (6).

3 La memoria es el lugar donde se guardan las instrucciones y los datos del programa en forma de dígitos binarios, es decir, ceros y unos. La memoria permite escribir y leer los datos todas las veces que se necesite. En ella pueden ser escritos los datos desde la unidad de entrada (1) o desde la ALU (4). Así mismo, los datos pueden ser leídos de la memoria desde la ALU (3) o desde la unidad de salida (7). Las instrucciones de programa serán leídas por la unidad de control (6).

4 La unidad de entrada es el dispositivo que se encarga de recibir la información y los datos del exterior para almacenarlos en la memoria (1). También se encargaría de recibir el programa y sus datos de modo que pueda ser almacenado en memoria y recogido por la unidad de control para ejecutarlo. Puede que incluso enviar datos directamente a la ALU para su operación sin que pasen por memoria (2).

5 La unidad de salida se encarga de devolver los resultados de la ejecución del programa al exterior de modo que puedan ser mostrados a través de los dispositivos de salida, como el monitor, impresora, disco duro, etc., pudiendo provenir los datos directamente de la ALU (5) o de la memoria (7).

2.1. El procesador

La unidad central de proceso (CPU), en inglés Central Process Unit, viene a ser el cerebro del ordenador y tiene por misión efectuar las operaciones aritmético-lógicas y controlar las transferencias de información a realizar. La CPU está formada por los elementos más críticos de la arquitectura de Von Neumann, es decir, la ALU y la unidad de control, y en la actualidad estos dos componentes están construidos en un solo circuito integrado llamado microprocesador.

A continuación se muestra un ejemplo del funcionamiento de un ordenador con esta arquitectura. Se sigue la ejecución de un programa que suma tres números introducidos por el teclado y muestra el resultado en pantalla. El primer paso sería la carga del programa en memoria a través de la unidad de entrada (1). Después la unidad de control daría la orden a la memoria (B) de leer la dirección de la primera instrucción del programa y la recogería (6). La instrucción dice que se ha de leer un dato hacia la ALU por lo que se da la señal a la unidad de entrada (A) de que introduzca el dato en la ALU (2). Se lee ahora la segunda instrucción de la memoria que es igual a la anterior, es decir, leer un dato y enviarlo a la ALU. La tercera instrucción indica que la ALU debe realizar una suma, por lo que se envía la señal de suma mediante (C), y almacenar el resultado en memoria (4). A continuación se lee un nuevo dato y se introduce en la ALU (2). Después se lee de memoria (B) el resultado de la suma anterior y se envía a la ALU (3). Ahora se realiza una nueva suma (C) y se envía el resultado definitivo a la salida (5), indicando a la unidad de salida qué se debe mostrar (D). Como se observa, la unidad de control gobierna todo el funcionamiento del ordenador y dirige todas las operaciones y transferencias de datos entre los demás módulos.

De esta manera, la arquitectura de un PC se puede simplificar a partir de la de Von Neumman. Para ello, se empieza por unir la unidad de control y la ALU en un solo módulo: el procesador.

2.2. La memoria

La memoria en la arquitectura de Von Neumman es la que permite almacenar los datos con que operarán los programas, así como las instrucciones que constituyen dichos programas.

El PC usa como memoria del sistema una memoria RAM (Random Access Memory o Memoria de Acceso Aleatorio) volátil, esto es, pierde su contenido al quedarse sin alimentación eléctrica. Debido a esto, un PC necesita una memoria secundaria no volátil que almacene el sistema operativo y los programas auxiliares, así como los datos que necesita para su funcionamiento. Esta memoria secundaria es el disco duro. Los datos necesarios para distintas sesiones de procesamiento del ordenador son copiados de esta manera de la memoria principal a la secundaria.

2.3. Unidades de entrada y salida

Las unidades de entrada y salida son las encargadas de comunicar el ordenador con el exterior pudiendo recibir datos mediante los periféricos de entrada y enviar datos al exterior mediante los de salida.

Nota

Al integrar los módulos de entrada y de salida de la arquitectura Von Neumman, estos no se eliminan del esquema del PC, sin embargo, se tratarán como dispositivos de entrada (teclado, ratón, etc.) y de salida (monitor, impresora, etc.).

Con todos estos mimbres, la arquitectura básica del PC, muy simplificada, quedaría como la siguiente figura:

Como se ve en el esquema, estos módulos de los que consta el ordenador deben estar conectados para transferir los datos a procesar. Aparece en este momento el concepto de bus.

Definición

Bus

Conjunto de líneas eléctricas que enlazan los distintos componentes del ordenador, por ellas se realiza la transferencia de datos entre todas sus unidades funcionales.

Concretando y utilizando el concepto de bus, el esquema general de la arquitectura de un PC es el que aparece en la siguiente ilustración:

En la imagen se observa que en un PC el procesador y la memoria principal están interconectados por el bus del sistema que es el principal de un PC y debe trabajar a una velocidad suficiente para alimentar al procesador con datos de la memoria RAM. Este bus está conectado al exterior mediante un controlador que hace de puente entre el bus del sistema y el bus de entrada/salida, que es el encargado de comunicarse con todos los dispositivos de entrada y salida. En esta arquitectura, el controlador de bus hace las funciones de la unidad de entrada y de la unidad de salida del esquema de Von Neumman, conectando el microprocesador y la memoria al exterior mediante los elementos periféricos. Como consecuencia de este esquema quedan también los dispositivos de memoria secundaria como dispositivos de entrada y salida, separándolos así del bus del sistema dado que su velocidad de operación es muy inferior a la del procesador y la memoria.

3. Cajas de ordenador

Para empezar a estudiar el hardware del PC, veremos el más sencillo de sus componentes, la caja.

Definición

Caja

La caja del PC, también llamada carcasa, torre o gabinete, es el chasis en el que se alojan todos los componentes hardware del PC de manera que puedan ser ensamblados de forma estable y queden protegidos, ya que las placas y conectores electrónicos son bastante delicados y sensibles al trato rudo. También es la encargada de alojar los elementos auxiliares al ordenador en sí, como la fuente de alimentación y los elementos de refrigeración del sistema.

El aspecto general de la carcasa es simplemente el de una caja metálica rectangular que presenta en su parte trasera los huecos necesarios para los conectores de la placa base, la fuente de alimentación y las tarjetas de expansión, mientras que en su parte frontal presenta los salidas necesarias para las unidades de almacenamiento extraíble, como los lectores de CD-ROM o DVD-ROM o las Disqueteras, así como los botones de encendido del equipo (Power) y reinicio hardware (Reset) y puede presentar también conectores para dispositivos externos (USB, Audio, Firewire, etc.).

Vista trasera y fronto-lateral de la carcasa abierta y vacía

3.1. Tipos

Existe una cierta variedad en el tamaño y formato de las carcasas para PC. Muchos de ellos se pueden encontrar fácilmente en el mercado, pero hay algún formato no estándar que tendrá ciertas peculiaridades a tener en cuenta a la hora del montaje y mantenimiento del equipo.

Se puede diferenciar principalmente entre dos tipos de formatos, el vertical, comúnmente llamado “torre”, y el horizontal, conocido como “sobremesa”.

Caja sobremesa

También se puede diferenciar según su tamaño en formatos torre o gran torre, semitorre, minitorre y miniPC (mini ITX).

3.2. Características básicas

Para definir las características básicas de la caja de un PC, se tomará como referencia la placa base más extendida en el formato ATX y sus derivados.

Importante

Las características que suelen definir una caja de ordenador son su tamaño, del que dependerán las bahías presentes para dispositivos y el tipo de placa base que admite, es decir, el factor de forma de la placa.

El formato vertical más grande es la llamada torre o gran torre (Full Tower) y no tiene un tamaño fijo pero, normalmente suele tener espacio para 5 o más bahías de 5 ¼ pulgadas (para CD-ROM, DVD-ROM) y para 5 o más bahías de 3 ½ pulgadas internas (para discos duros) y 1 o 2 externas (para disquetera). Dado su tamaño suele usarse para albergar servidores que requieran de una gran cantidad de discos duros y de unidades de almacenamiento externas.

El formato más difundido por su compromiso entre tamaño y capacidad, es la semitorre (Mid Tower). Suele tener una capacidad de 4 bahías de 5 ¼ pulgadas y 4 bahías de 3 ½ pulgadas internas y 1 o 2 externas. Son muy utilizadas y las más usadas, ya que tienen capacidad para albergar un número de dispositivos más que suficiente para cualquier PC doméstico o estación de trabajo.

Caja con formato minitorre

Un formato vertical menos usado es la llamada minitorre o torre mini (Mini Tower). Suele tener una capacidad para dos bahías de 5 ¼ pulgadas y 2 o 4 bahías de 3 ½ pulgadas internas y 1 o 2 externas. Son poco usadas en PC clónicos (ensamblados sin marca), ya que no son fáciles de encontrar. Suelen ser más comunes en PC de marca (como HP, Dell, Fujitsu-Siemens, etc.), ya que tienen un reducido tamaño, ideal para un PC doméstico que no va a requerir ampliaciones.

El formato horizontal de carcasa es el conocido como sobremesa o escritorio (Desktop). Suele tener las mismas bahías que una minitorre (2 de 5 ¼ pulgadas y 4 de 3 ½ pulgadas) pero ocupa el espacio de una semitorre (o algo menos, ya que suelen ser más delgadas), porque es más difícil acomodar las bahías de almacenamiento en horizontal, por lo que estas carcasas han caído un poco en desuso.

Un formato de carcasa que puede llegar a ser muy práctico es el mini PC que suele utilizar placas base mini-ITX, ya que su característica principal es su reducido tamaño.

Carcasa mini PC

Aplicación práctica

En el taller de montaje en el que trabaja recibe un pedido de tres equipos, un PC doméstico económico, un PC de gama alta que tendrá varios discos duros y unidades de DVD y Blu-Ray, y otro equipo que será un servidor para una empresa, que necesitará gran capacidad de almacenaje y ampliación y que requerirá varias bahías externas para unidades de cinta de backup para discos duros cambiables. Identifique la caja más adecuada en cada caso y diga el tipo de caja de que se trata.

Caja	Nombre y PC que se montará

SOLUCIÓN

En la primera fila hay una torre completa que se debe utilizar para el servidor. La segunda fila corresponde a la minitorre que será suficiente para montar el PC económico. Por último, en la tercera fila hay una semitorre en la que se montará el PC de gama alta.

4. Fuentes de alimentación

Una fuente de alimentación es un dispositivo que se conecta a la red eléctrica y transforma la corriente alterna en continua y proporciona la tensión a la que funcionan los componentes del ordenador.

4.1. Tipos

En la actualidad se pueden encontrar dos tipos de fuentes de alimentación, a saber: la AT y la ATX.

La fuente AT es la que corresponde a las placas base más antiguas con factor de forma AT. Para la conexión de la fuente de alimentación a la placa, se utilizan dos conectores iguales de 6 contactos con el consiguiente peligro de intercambiar los conectores en la placa base inadvertidamente y quemarla. Cuando se enchufen estos conectores AT a la placa base, se debe hacer de tal forma que los cables negros estén juntos, quedando todos en el centro. En la actualidad es difícil encontrarse con equipos de formato AT, ya que han quedado obsoletos.

En el más moderno formato ATX se adopta un solo conector de 20 contactos en las primeras versiones y actualmente un conector de 24 contactos. Además este conector es de una sola postura, por lo que no podremos insertarlo al revés, evitando el riesgo que esto supondría.

Conector de alimentación AT y ATX

Nota

En versiones anteriores el conector era de 20 contactos.

En la actualidad, se ha revisado varias veces el factor de forma ATX/Micro-ATX para irse adaptando a las necesidades del nuevo hardware, que suele ser más exigente sobre todo en cuanto a alimentación eléctrica se refiere. Así se ha pasado de un conector de alimentación de 20 pines, a dos conectores: uno de 20 y otro de 4, y por último a un conector de 24 pines y otro de 4, por lo que se podrá encontrar fuentes de alimentación con varios tipos de conectores de alimentación ATX.

La siguiente imagen muestra las distintas versiones de los conectores ATX de más antigua a la más nueva (de izquierda a derecha).

4.2. Potencia

La característica más importante de una fuente de alimentación es la potencia que suministra en vatios (w). Las necesidades de potencia dependerán del consumo del equipo, por lo que es primordial suministrar la potencia que requiere el aparato para que pueda funcionar con estabilidad y de manera adecuada. Además, la fuente debe realizar una entrega de potencia constante y uniforme.

La potencia de las fuentes ha ido variando a lo largo del tiempo, ya que han aumentado las prestaciones de los equipos, lo que ha tenido la consecuencia de aumentar el consumo de energía. Si hace unos años era normal que una fuente tuviera una potencia de entre 250 y 350 watios, esa potencia es hoy en día insuficiente, estableciéndose el mínimo requerido en torno a los 450 vatios para equipos medios de sobremesa. Para un equipo de grandes prestaciones se necesitarán fuentes de alimentación de entre 500 y 650 vatios.

No es fácil saber la potencia que requerirá un PC, pero existen algunas calculadoras que permitirán, indicando los componentes del equipo, saber la potencia que deberá tener la fuente. En los siguientes enlaces encontrará varios calculadores de potencia para las fuentes de alimentación:

1 <https://www.msi.com/calculator>.

2 <http://www.antec.outervision.com/>.

Rendimiento y consumo energético

Cuando se calcule la potencia que necesitará el equipo, se debe tener en cuenta utilizar una fuente que exceda dicha potencia, siendo aproximadamente el doble de la potencia que consumirá el equipo. Esto es porque se debe tener en cuenta que una fuente de alimentación tiene rendimiento óptimo entre el 20 % y el 100 % de carga, teniendo el máximo rendimiento en un 50 % de carga. Calculando el consumo del equipo para un 50 % o 60 % de carga se estará optimizando el rendimiento de la fuente, disminuyendo el ruido del ventilador y la temperatura de funcionamiento y además se tendrá potencia de reserva por si más adelante es necesario añadir componentes al equipo.

El consumo energético de la fuente no se gasta solo en la potencia suministrada a los componentes, sino que, por la propia naturaleza de la transformación, se consume energía que se transforma en calor en la resistencia interna de la fuente. De este modo, el rendimiento es la relación entre la potencia suministrada y la potencia útil entregada.

El rendimiento de una fuente de alimentación es un factor importante a tener en cuenta al elegirla. Por lo general, cuanto más calidad tenga una fuente, mejor rendimiento ofrecerá, por lo que lo ideal es utilizar fuentes de calidad de marcas reconocidas como Antec, Enermax, Fortron (FSP Group), Seasonic, Corsair, etc., ya que estas suelen ofrecer la potencia nominal que prometen, estabilidad de la corriente, sistemas de protección y, además, respetan la normativa sobre perturbación electromagnética.

Las fuentes de calidad de los fabricantes más importantes se están certificando en la actualidad respecto a su rendimiento con el certificado 80 Plus de la empresa Ecos Consulting. El certificado 80 Plus certifica que la fuente de alimentación es capaz de igualar o superar el 80 % de rendimiento (se entrega al menos un 80 % de la potencia consumida) en un rango de carga del 20 al 100 % de su potencia nominal.

Logos de la Certificación 80 Plus

Existen varios certificados 80 Plus, dependiendo de rendimiento conseguido por la fuente:

Otro factor a tener en cuenta en una fuente es la Corrección del Factor de Potencia (PFC). El PFC es un componente obligatorio en una fuente para respetar las normas europeas de perturbación electromagnética. Se pueden encontrar fuentes de alimentación con PFC pasivo o con PFC activo. Las fuentes de mayor calidad utilizan un PFC activo, que es preferible, ya que tienen un menor consumo eléctrico y, por ende, mayor esperanza de vida, y reducen en mayor medida las perturbaciones electromagnéticas en relación a las de PFC pasivo.