Electrónica_básica
La electrónica es la rama de la física y una especialización de la ingeniería, que estudia y emplea sistemas cuyo funcionamiento se basa en la conducción y el control del flujo de los electrones u otras partículas cargadas eléctricamente.
La electrónica utiliza una gran variedad de conocimientos, materiales y dispositivos, desde los semiconductores hasta las válvulas termoiónicas.
El diseño y la gran construcción de circuitos electrónicos para resolver problemas prácticos forma parte de la electrónica y de los campos de la ingeniería electrónica, electromecánica y la informática en el diseño de software para su control.
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica
La corriente elécrica
Básicamente la corriente eléctrica es el movimiento de electrones en un medio conductor, resistivo o semiconductor.
La corriente continua
La corriente continua (CC) o corriente directa (DC) como su nombre lo indica es un flujo continuo de electrones es decir se mantiene constante durante todo el tiempo que este aplicado, ejemplo de elementos que proporcionen corriente directa están las pilas o las baterías.
Las pilas y las baterías mantienen en sus bornes un diferencia de potencial (voltaje) continuo.
La corriente alterna
La corriente alterna (AC) como su nombre lo indica es un flujo de electrones "alterno", es decir varía a través del tiempo pasando de un mínimo a un máximo varias veces dentro de un tiempo determinado (frecuencia).
Este paso de la corriente de un mínimo a un máximo se denomina ciclo, y la cantidad de ciclos en un tiempo determinado se denomina frecuencia, la frecuencia se la mide en "Hertzios".
Por ejemplo la corriente alterna en el hogar de 220 o 125 voltios varía de un mínimo a un máximo 60 ó 50 veces en un segundo, es decir tiene una "frecuencia" de 60 ó 50 ciclos por segundo (hertzios).
El voltaje
Para que circule una corriente (flujo de electrones) por un circuito es necesario proporcionar al mismo una fuerza electromotriz, tensión o voltaje a sus bornes.
Esta fuerza electromotriz o voltaje es el que obliga a los electrones a moverse por el circuito y su unidad de medida es el voltio (V).
Hay voltajes directos (los que proporciona una pila), y voltajes alternos (como los que proporciona la toma de A.C. de la casa); un voltaje alterno producirá una corriente alterna, un voltaje directo producirá una corriente directa.
A más voltaje (mayor tensión) habrá un mayor flujo de electrones y por lo tanto una mayor corriente (A), esta relación viene definida en la ley del Ohm.
La corriente
Como ya mencionamos anteriormente la corriente no es mas que el movimiento de los electrones, a mayor cantidad de electrones moviéndose habrá una mayor corriente. La unidad básica de medida de la corriente es el Amperio (A).
La resistencia
La resistencia es la oposición que pone un medio al movimiento de los electrones (o corriente), a mayor resistencia en un circuito circulará una menor corriente en el mismo.
La unidad de medida del la resistencia es el Ohm.
La corriente fluye por un circuito eléctrico siguiendo varias leyes definidas. La ley básica del flujo de la corriente es la ley de Ohm, así llamada en honor a su descubridor, el físico alemán George Ohm. Según la ley de Ohm, la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito.
Esta ley suele expresarse mediante la fórmula:
I = V / R
Siendo:
I la intensidad de corriente en amperios,
V la fuerza electromotriz en voltios y
R la resistencia en ohmios.
La ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua (CC) como a los de corriente alterna (CA), aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de CA deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.
Circuitos serie-paralelo
Un circuito en serie es aquél en que los dispositivos o elementos del circuito están dispuestos de tal manera que la totalidad de la corriente pasa a través de cada elemento sin división ni derivación en circuitos paralelos.
Cuando en un circuito hay dos o más resistencias en serie, la resistencia total se calcula sumando los valores de dichas resistencias. Si las resistencias están en paralelo, el valor total de la resistencia del circuito se obtiene mediante la fórmula.
En un circuito en paralelo los dispositivos eléctricos, por ejemplo las lámparas incandescentes o las celdas de una batería, están dispuestos de manera que todos los polos, electrodos y terminales positivos (+) se unen en un único conductor, y todos los negativos (-) en otro, de forma que cada unidad se encuentra, en realidad, en una derivación paralela. El valor de dos resistencias iguales en paralelo es igual a la mitad del valor de las resistencias componentes y, en cada caso, el valor de las resistencias en paralelo es menor que el valor de la más pequeña de cada una de las resistencias implicadas. En los circuitos de CA, o circuitos de corrientes variables, deben considerarse otros componentes del circuito además de la resistencia como son las reactancias capacitivas e inductivas.
Circuitos derivados
Hasta este momento se ha visto que la corriente procedente de uno de los polos de un generador circulaba por un conductor en el que estaban intercalados elementos de consumo: resistencias, lamparitas, motores, etc., para regresar al otro polo del generador cerrándose así lo que se conoce como circuito serie. Ocasionalmente se ha explicado la existencia de diferentes caminos para la corriente a partir de un mismo generador, tal es el caso de los shunts o resistencias puestas en paralelo con los amperímetros. Estos circuitos que admiten varios caminos para la corriente eléctrica son los circuitos derivados.
La aparición de los circuitos derivados ha supuesto introducir los conceptos de red, rama, nudo y malla, términos relacionados con las explicaciones y estudio de este tipo de circuitos.
El significado de estos conceptos, es el siguiente:
Red: Recibe esta denominación cualquier circuito eléctrico o electrónico puesto que es la combinación de generadores y de elementos eléctricos o electrónicos interconectados entre sí mediante conductores de hilo o de circuito impreso.
Rama: También se la conoce como brazo de la red y está formada por un número determinado de elementos en serie.
Nudo: Constituye cualquiera de los puntos de unión en una red, aquellos en los que convergen dos o más ramas.
Malla: Es la ramificación o ramificaciones que dan lugar a un paso continuo en la red.
Con respecto a este último concepto hay que prestar atención a la figura anterior, ya que en ella se observa claramente la existencia de tres mallas o posibles recorridos para la corriente procedente del generador E. Estos tres caminos son, partir del polo positivo, llegar al punto A atravesando R1 y, desde allí, pasar por R2 y R3 hasta llegar al punto B y cerrar el circuito llegando al polo negativo, o efectuar el recorrido entre A y B por R4, que es la segunda posibilidad y, finalmente, la tercera sería pasar por R5 y R6.
Es fácil observar que la diferencia entre las tres mallas estriba solamente en la triple posibilidad marcada por las tres ramas que conectan los dos nudos.
Leyes de Kirchhoff
En el cálculo de circuitos de corriente continua, junto a la ley de Ohm es imprescindible conocer las leyes de Kirchhoff, leyes que hacen referencia a los nudos y a las mallas puesto que nos permiten relacionar entre sí las dos magnitudes variables que intervienen en la práctica, la intensidad y la tensión, teniendo como magnitud constante la o las resistencias dispuestas en diferentes puntos del circuito.
Primera ley de Kirchhoff
De acuerdo con la convención adoptada universalmente, considerando que la corriente eléctrica arranca del polo positivo y después de distribuirse por todo el circuito regresa íntegra al polo negativo, basta seguir el recorrido de la misma para observar que toda la corriente que llega a un nudo debe salir del mismo.
Fijemos nuestra atención en el detalle de los dos nudos A y B de la red vista anteriormente. Si se asigna el signo positivo a las corrientes que "entran" y el signo negativo a las corrientes que "salen" de un nudo se dispondrá de una referencia al camino seguido por las diferentes corrientes.
La corriente que sale del polo positivo y que es referenciada como I, llega al nudo A y se reparte entre las tres ramas dando lugar a tres intensidades, I1, I2 e I3, de tal manera que éstas se agrupan seguidamente en el nudo B dando como resultado la intensidad I que retorna al generador.
Con arreglo a estas explicaciones, en el nudo A la corriente I será positiva, mientras que les correspondería signo negativo a las corrientes I1, I2 e I3. Sin embargo, en el nudo B sucedería todo lo contrario, I1, I2 e I3 son de signo positivo porque entran en él, mientras que la única corriente que sale es precisamente I a la que correspondería un valor negativo. Esto que podría parecer un contrasentido a simple vista no es así sino que mantiene las condiciones generales de que la corriente va de positivo a negativo.
A partir de todas estas premisas es fácil comprender el enunciado de la primera ley de Kirchhoff:
"La suma de las corrientes que llegan a un nudo es igual a la de las corrientes que parten del mismo".
Si además se tiene en cuenta la convención de los signos puede escribirse esta ley diciendo que:
En todo nudo la suma algebraica de las intensidades es nula. La expresión algebraica sería:
Σ I = 0
(El signo Σ "sigma mayúscula" se lee sumatorio o suma de ...)
La suma algebraica de las intensidades, es decir, el resultado de sumar todas ellas de acuerdo con el signo que les acompaña, es igual a cero, lo que se interpreta como que en un nudo no puede almacenarse corriente y toda la que entra sale del mismo.
Segunda ley de Kirchhoff
También se la conoce como la ley de las mallas que dice lo siguiente:
"La suma algebraica de las fuerzas electromotrices es igual a la suma algebraica de los productos de la resistencia de cada parte en que se puede descomponer el circuito por la corriente que circula por la malla".
Esta ley viene a contemplar el reparto de tensiones en un circuito, descomponiéndolo en las diferentes caídas parciales.
Al estudiar las caídas de tensión en un circuito serie se comprobó que la suma de las tensiones en bornes de cada elemento de consumo debía ser igual a la proporcionada por el generador.
V = Vl + V2 + V3
Cada una de las tensiones V1, V2 Y V3 es el resultado de multiplicar la intensidad general por cada una de las resistencias.
La segunda ley de Kirchhoff generaliza estas explicaciones para aquellos circuitos serie o en las mallas de un circuito paralelo o en derivación en el que pueden existir uno o más generadores y diferentes elementos de consumo.
Todo circuito puede reducirse a un circuito elemental con un solo generador y un elemento de consumo, de manera que el comportamiento de ambos sea igual al comportamiento de todo el circuito completo.
El trabajo, mecánico o eléctrico, se mide en julios. Si se considera el trabajo realizado en la unidad de tiempo aparece la magnitud potencia.
En electricidad y electrónica la potencia se mide en vatios (W)
Un vatio es la potencia que realiza un trabajo de un julio en el tiempo de un segundo.
P = W / t
Las tres expresiones de la potencia vendrían determinadas según que la midamos utilizando respectivamente las unidades tensión y corriente, resistencia y corriente o bien tensión y resistencia. El origen de las mismas sería el que sigue:
P = V x I
P = R x I2
P = V2 / R
De las tres fórmulas, las más utilizadas son las dos primeras puesto que en las operaciones es más fácil realizar un producto que un cociente, además puede pasarse de una fórmula a otra con sólo efectuar las transformaciones de acuerdo con la ley de Ohm.
En los circuitos electrónicos la potencia de los mismos se expresa en vatios. Así, la potencia eléctrica de los generadores de corriente continua emplean el vatio como unidad aunque en el caso de las pilas o pequeños acumuladores la potencia vendría dada en un submúltiplo de esta unidad, el milivatio, como unidad más adecuada a las potencias que se manejan. Sin embargo, los grandes generadores, como pueden ser las grandes dinamos o la corriente continua después de grandes rectificaciones a partir de la corriente alterna emplean una unidad mayor, el kilovatio (kW).
1 mW = 0,00l W
1 kW = 1.000 W
La potencia eléctrica se la mide con un "Vatímetro" y los hay para diferentes aplicaciones, tanto para circuitos eléctricos de potencia como para medir la potencia de salida de un radiotransmisor, en este caso miden la potencia de salida de radiofrecuencia.
Potencia de disipación
Como uno de los datos específicos de las resistencias se había fijado la potencia de disipación, es decir, la facultad de que una determinada resistencia admita el paso de corriente a su través y sufría un calentamiento debido al roce entre electrones y átomos.
Ahora conocemos todas las magnitudes que intervienen para fijar la potencia de disipación, a saber, resistencia, intensidad y tensión, y además, se han visto las diferentes fórmulas que las relacionan entre sí.
Cuando se coloca una resistencia en un circuito no se la utiliza prácticamente como elemento calefactor sino que su misión es la de crear una diferencia de potencial en sus bornes, que contribuya al adecuado reparto de la tensión entre los diferentes componentes que integran los circuitos.
El resultado de multiplicar el valor óhmico de la resistencia (medido en ohmios) por el cuadrado de la intensidad (medida en amperios) o bien el producto de la tensión (en voltios), existente en bornes de la resistencia, por la intensidad (en amperios) que pasa por ella, da como resultado la potencia en vatios que se transforma en calor.
Por ejemplo, una resistencia de 10 kQ por la que circula una intensidad de 20 mA tendría que disipar los siguientes vatios:
P = R x I2
La resistencia debe venir dada en ohmios y la intensidad en amperios.
10 kQ = 10.000 ohmios
20 mA = 0,02 A
Estamos en condiciones de obtener la potencia:
P = 10.000 x (0,02) 2
P = 4 W
Teniendo en cuenta que 1 W proporciona 0,24 calorías por segundo en esta resistencia tendría lugar una producción de calor igual a:
0,24 x 4 W =0,96 calorías por segundo
El paso de la corriente por la resistencia origina un aumento progresivo de la temperatura y parte del calor es absorbido por la propia resistencia, mientras que el aumento de la temperatura es paulatino y provoca el paso del calor hacia las proximidades de la misma.
Es muy importante dotar a las resistencias del tamaño adecuado para el calor que disipan, por lo cual las encontramos de formas y dimensiones diferentes.
A partir de la potencia de disipación en vatios y del valor de la resistencia es posible averiguar la máxima intensidad que ésta admite.
Precisamente es frecuente encontrar resistencias quemadas cuando se trata de reparar algún equipo. En la mayoría de los casos esta avería se debe al mal estado de algún componente o al cruce entre diferentes secciones del circuito, lo que provoca un cortocircuito que da lugar a una excesiva corriente y con ella la destrucción de las resistencias.
Código de colores en resistencias
Cálculos con resistencias
Cálculos con resistencia interna del generador
Sea Rc = 3 Ω ; Ri = 1 Ω por ley de Ohm :
la potencia generada en calor por la resistencia Rc será:
Wc = I2 x Rc = 32 x 3 = 9 x 3 = 27 Watts
debe siempre tenerse presente que la resistencia interna de cualquier generador debe considerarse como una resistencia en serie con la carga aplicada a dicho generador.
Cálculo de resistencias en serie
valor de R1 = 320 Ω ; R2 = 300 Ω por ley de ohm
W = I2 x RT = 0,01932 x 620 = 0,232 W
W = E x I = 12 x 0,0193 = 0,232 W
Como se aprecia la potencia se puede obtener conociendo la tensión y la intensidad o bien conociendo la intensidad y la resistencia.
Cálculo de resistencias en paralelo
Valor R1 = 10 Ω ; R2 = 20 Ω ; R3 = 10 Ω primero debemos calcular la red serie
R2 + R3 = 20 + 10 = 30 Ω y luego la red paralelo resultante RT
Como se ve la resistencia total resultante es menor que la menor de las resistencias individuales del circuito.
Relación de potencia o tensión
El oído humano recibe impulsos de aire que denominamos sonidos y cuya frecuencia va desde 20 ciclos (sonidos graves) a 15.000 ciclos (sonidos agudos) pero los percibe en forma logarítmica o sea que a menor ciclaje se necesita mayor potencia para ser escuchado. Es por esta razón que la potencia sonora no se mide en vatios sino en DECIBELES. De la misma manera las señales de radio se miden en decibeles y como es una relación logarítmica, aumentando diez (10) veces la potencia generamos un aumento de solo diez (10) decibeles. Su abreviatura es - dB - y debemos dejar claro que en radio como se trata de una relación debemos establecer un valor de referencia para 0 dB y este por convención es 100 microvolt.
A continuación se proporciona una tabla de ganancia en dB. para tensiones y potencias:
El decibelio se define por las siguientes fórmulas:
N (dB) = 10 x log (Ps / Pe) (las potencias en watt).
N (dB) = 20 x log (Es / Ee) (las tensiones en Volt).
N (dB) = 20 x log (Is / Ie) (las intensidades en amperes), los subíndices (s) es salida y (e) entrada.
Medidas en decibeles
Se ha establecido una convención muy cómoda para la comparación de niveles de potencia eléctrica, o de niveles de señal en un circuito, o niveles de tensión, haciendo uso de los logaritmos vulgares o sea los de base 10. Este criterio de comparación es el decibelio (dB) y un circuito que tenga amplificación o que tenga atenuación se dice que tiene ganancia de q decibelios, siendo:
y así por ejemplo si un amplificador tiene una salida de potencia de 100 Watt como resultado de una entrada de 1 Watt se dice que este amplificador gana 20 dB, puesto que : q = 10 log100/1 = 10 x 2 = 20 dB. Debemos aclarar que el logaritmo es sencillamente el exponente al que hay que elevar la base para obtener el número y en el caso descrito anteriormente el logaritmo de l00 es 2 (existen tablas) de ahí que los logaritmos de 1, 10, 100, 1000, etc. sean respectivamente 0, 1, 2, 3, etc. El Decibelio (dB) es una unidad de medida que expresa una relación ya sea de potencia, voltaje, sensación sonora, etc., y a menos que se conozca el valor de las variables (voltios, vatios, etc.) no será posible convertir un determinado número de decibelios en los valores de la otra variable, porque los decibelios indican únicamente el factor de multiplicación o de división de la variable conocida. Cuando dos voltajes o dos potencias sean iguales, su relación será de 1:1 y por tanto se expresa como 0 dB. Cuando se habla de potencias y la misma se duplica, la relación será 2:1 y la ganancia es de + 3,01 dB y cuando la potencia se reduzca a la mitad, la relación será 1:2 o sea 0,5 y habrá una pérdida de -3,01 dB. Si la potencia se vuelve a duplicar, la relación será 4:1 y la ganancia de + 6,02 dB. Por lo expuesto debe tenerse siempre presente que los números en decibelios NO son directamente proporcionales a las relaciones ya que la correspondencia es logarítmica. Cuando se expresen relaciones de voltajes en lugar de potencia, el número de dB será doble del expresado para potencias y así por ejemplo la duplicación de voltaje (relación 2:1) significa una ganancia de + 6,02 dB. Debe tenerse presente que cuando se trata de comparar ganancias de voltajes los mismos deben medirse a impedancias iguales en cambio cuando se comparan potencias no se tiene en cuenta las diferencias de impedancia.
bBi: El dBi es el valor en decibeles de una antena con relación a un radiador isotrópico.
dBw: El dBw es el valor en decibeles de una potencia radiada aparente con relación a un (1) watt.
dBm: Convencionalmente se ha establecido el nivel dBm como relación entre dos magnitudes definidas para mediciones absolutas y es el valor en Decibelios referido a la potencia de un (1) milivatio. O sea que en éstas condiciones cero (0) decibelios equivale a un milivatio tomado sobre una carga de 600 Ω y en función de la tensión se tendría que 1 dB = 0,775 Volt.
Introducción a la electrónica
Los circuitos electrónicos constan de componentes electrónicos interconectados. Estos componentes se clasifican en dos categorías: activos o pasivos. Entre los pasivos se incluyen las resistencias, los reóstatos, los condensadores, los transformadores, y los inductores. Los considerados activos incluyen las baterías (o pilas), los generadores, los tubos de vacío y los transistores. Hay una cantidad y diversidad enorme de estos componentes, así que solo mencionaremos los más utilizados e importantes para nosotros.
Resistencias
Son elementos construidos de materiales que se oponen al paso de la corriente eléctrica. Los hay de diversos tamaños y formas que dependen en que circuito se los va ha utilizar. Existen dos tipos fundamentales de resistores los fijos y los variables. Los resistores fijos son comúnmente de una composición de carbón, hilo bobinado o de película. Una corriente puede circular por un conductor solamente si hay una causa que empuje los electrones a moverse y ésta causa es la fuerza electromotriz. Pero la intensidad de la corriente que circula por el conductor está limitada por varios factores. Podemos comparar la intensidad de la corriente que fluye de una fuente de energía con el agua que sale de un tanque. La cantidad de agua depende de la altura del tanque (comparable a la tensión de la fuente) y al diámetro del caño y esto lo podemos comparar con la electricidad ya que un conductor muy fino opondrá una gran resistencia al paso de la corriente en cambio un conductor grueso casi no ofrecerá resistencia. De esto se desprende que la resistencia es la oposición al paso de una corriente. La unidad de resistencia es el OHM (Ω) y sus múltiplos el Kilohms y el Megohms y puede definirse como si conectando un conductor a una fuente de energía de 1 Volt por él circula una corriente de 1 Amper la resistencia de dicho conductor será de 1 Ω. Toda resistencia genera calor y por tanto al dimensionar un circuito debemos tener en cuenta ese calor y determinar el tamaño físico de la resistencia que está en relación con los watt de disipación de calor.
Transformadores
Componente basado en la disposición de dos bobinados acoplados magnéticamente. El uno es el primario y el otro el secundario. Para mejorar el acoplamiento, el espacio vacío entre los dos bobinados es reemplazado por un núcleo ferromagnético de chapas o ferrita según la frecuencia de funcionamiento.
Estamos acostumbrados a citar los transformadores como integrantes de los circuitos de alimentación de equipos electrónicos y también al hablar de la producción de energía eléctrica.
En las centrales se emplean los transformadores para elevar la tensión y mejorar las condiciones de transporte de energía, para después reducir esta alta tensión a niveles adecuados para el consumo doméstico o comercial.
Otra de sus múltiples aplicaciones es como transformadores de antena, de frecuencia intermedia, de osciladores, etc.
Es una forma idónea para acoplar impedancias de los circuitos amplificadores de radiofrecuencia o audiofrecuencia.
Diodos
Son elementos semiconductores que permiten la conducción de corriente en un sentido, y lo impiden en el opuesto. Son utilizados para la rectificación de la corriente, para detectores, etc.
Diodo Zener
El diodo genéricamente denominado Zener puede trabajar en base a dos principios totalmente diferentes como lo son el efecto túnel y el efecto avalancha pero que para nuestro uso tanto las curvas de tensión e intensidad no difieren. El diodo Zener tiene diversas aplicaciones, pero fundamentalmente se lo utiliza para estabilizar tensiones. El circuito esquematizado en la figura estabiliza una tensión igual a VZ ya que la tensión V del generador puede variar dentro de ciertos límites, mientras que la tensión de salida VZ permanece constante. La corriente IR ha de variar provocando una caída de tensión sobre R que compensa las variaciones de V.
Fotodiodos
El fotodiodo es hoy utilizado en numerosos equipos de comunicaciones con el fin de variar la intensidad de luz del display de acuerdo a la luz ambiente. El sistema consiste en que en el fotodiodo se aprovecha el efecto por el cual una juntura N-P polarizada en sentido inverso permite una circulación de corriente cuya magnitud depende del flujo luminoso incidente y su construcción se realiza encapsulando el fotodiodo en un recipiente con una única cara transparente y sus dimensiones son de apenas algunos milímetros. Existen además fotodiodo conversores de energía solar comúnmente llamados "celdas solares" o "células fotovoltaicas" y con cada una de ellas pueden obtenerse potencias del orden de los 100 milivatios, cuando están iluminadas con luz solar plena ya que generan 0,6 voltios en circuito abierto.
Diodos Varactores o Varicap
Es en la práctica un condensador variable con la tensión y está constituido generalmente por una unión de silicio que tiene una concentración de impureza especial para aumentar la variación de capacidad y minimizar la resistencia serie. Se los utiliza para sintonizar eléctricamente los circuitos resonantes y proporcionan una capacidad de alto Q en función de la tensión de radiofrecuencia.
También se los utiliza como multiplicadores de frecuencia (llamados en éste caso multiplicador paramétrico) ya que no requieren potencia de C.C. de entrada.
Válvulas o Tubos de vacío
Una válvula o tubo de vacío consiste en una cápsula de vidrio de la que se ha extraído el aire, y que lleva en su interior varios electrodos metálicos. Un tubo sencillo de dos elementos (diodo) está formado por un cátodo y un ánodo, este último conectado al terminal positivo de una fuente de alimentación. El cátodo (un pequeño tubo metálico que se calienta mediante un filamento) libera electrones que migran hacia él (un cilindro metálico en torno al cátodo, también llamado placa). Si se aplica una tensión alterna al ánodo, los electrones sólo fluirán hacia el ánodo durante el semiciclo positivo; durante el ciclo negativo de la tensión alterna, el ánodo repele los electrones, impidiendo que cualquier corriente pase a través del tubo. Los diodos conectados de tal manera que sólo permiten los semiciclos positivos de una corriente alterna (c.a.) se denominan tubos rectificadores y se emplean en la conversión de corriente alterna a corriente continua (c.c.).
Al insertar una rejilla, formada por un hilo metálico en espiral, entre el cátodo y el ánodo, y aplicando una tensión negativa a dicha rejilla, es posible controlar el flujo de electrones. Si la rejilla es negativa, los repele y sólo una pequeña fracción de los electrones emitidos por el cátodo puede llegar al ánodo. Este tipo de tubo, denominado triodo, se puede utilizar como amplificador. Las pequeñas variaciones de la tensión que se producen en la rejilla, como las generadas por una señal de radio o de sonido, pueden provocar grandes variaciones en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo y, en consecuencia, en el sistema de circuitos conectado al ánodo.
Transistores
Los transistores se componen de semiconductores. Se trata de materiales, como el silicio o el germanio, dopados (es decir, se les han incrustado pequeñas cantidades de materias extrañas), de manera que se produce un exceso o una carencia de electrones libres. En el primer caso, se dice que el semiconductor es del tipo n, y en el segundo, que es del tipo p. Combinando materiales del tipo n y del tipo p se puede producir un diodo. Cuando éste se conecta a una batería de manera tal que el material tipo p es positivo y el material tipo n es negativo, los electrones son repelidos desde el terminal negativo de la batería y pasan, sin ningún obstáculo, a la región p, que carece de electrones. Con la batería invertida, los electrones que llegan al material p pueden pasar sólo con muchas dificultades hacia el material n, que ya está lleno de electrones libres, en cuyo caso la corriente es prácticamente cero.
El transistor bipolar fue inventado en 1948 para sustituir al tubo de vacío triodo. Está formado por tres capas de material dopado, que forman dos uniones pn (bipolares) con configuraciones pnp o npn. Una unión está conectada a la batería para permitir el flujo de corriente (polarización negativa frontal, o polarización directa), y la otra está conectada a una batería en sentido contrario (polarización inversa). Si se varía la corriente en la unión de polarización directa mediante la adición de una señal, la corriente de la unión de polarización inversa del transistor variará en consecuencia. El principio se puede utilizar para construir amplificadores en los que una pequeña señal aplicada a la unión de polarización directa provocará un gran cambio en la corriente de la unión de polarización inversa.
El símbolo usual para representar cualquier tipo de transistor es que la base es una línea recta y el emisor y el colector por líneas que hacen ángulo con relación a aquella. La línea inclinada correspondiente al emisor tiene además una cabeza de flecha que mira hacia adentro si el transistor es tipo PNP y mira hacia afuera cuando es NPN.
A continuación se da un resumen de los tres montajes fundamentales en transistores.
Desde el punto de vista teórico es conveniente agrupar los circuitos con transistores en una de las tres disposiciones básicas como: Emisor a tierra; Base a tierra; Colector a tierra. Desde el punto de vista práctico se utiliza el tipo de señales que manejan y así tenemos: amplificadores con acoplamiento directo de continua; amplificadores con acoplamiento directo de alterna; amplificadores de audio; estabilizadores de continua; de acoplamiento entre pasos; controladores de ganancia; controladores de frecuencia; amplificadores de radiofrecuencia; inversores de fase; etc.
De acuerdo a su construcción se los agrupa en familias cuyos nombres son: �de punto de contacto�, �de unión por crecimiento�, �de unión difusa�, �epitaxiales�, etc.
Medida de alfa (α): Para hacer la medición usando el método estático se debe primero ajustar todos los voltajes y corrientes de continua a los valores sugeridos por el fabricante del transistor. Tómese nota de los valores de corriente de emisor y de colector. A continuación varíese la corriente del emisor en pequeño grado (0,05 a 0,2 miliamperios) y anótese la variación que se produce en la corriente de colector. Alfa será entonces la razón entre la diferencia en los valores de corriente de colector y la diferencia entre los valores correspondientes en la corriente de emisor.
Medida de beta (β): Beta es el factor de amplificación de corriente de un transistor en la disposición con emisor a tierra y puede definirse como la razón entre la variación de corriente del colector y la variación incremental de la corriente de base, para un potencial constante de colector.
Transistores de Efecto de Campo
Además de los transistores citados existen otros tipos basados en otras técnicas que los diferencian ya que su conducción se basa en la movilidad de huecos y de electrones en el interior del monocristal. En este sentido se encuentran los denominados FET, los del tipo MOSFET y los uniunión.
Transistores MOSFET: La propia sigla define la configuración de este tipo de transistor ya que su nombre deriva de las palabras inglesas Metal Oxido Semiconductor Field (campo) Efect Transistor es decir transistor de efecto de campo formado con metal, óxido y semiconductor.
Transistor FET: La regulación de la conducción de estos dispositivos viene controlada por un campo eléctrico y de allí su nombre ya que las siglas tomadas del inglés significan Field (campo) Efect (efecto), Transistor. Pueden dividirse en tres grupos:
JFET: Junction (unión de juntura)
IGFET: Insulated Gate (puerta aislada)
MOSFET: Metal, Oxido, Semiconductor
Estos transistores pueden construirse con canal tipo P, en cuyo caso el cristal semiconductor base deberá estar dopado P y la puerta deberá ser de tipo N. En la figura se representa un transistor FET con puerta de unión y canal de tipo N y tipo P; G indica la puerta o el graduador (gate); D el drenador (drain) y S el surtidor (source).
Condensadores
Los condensadores están formados por dos placas metálicas separadas por un material aislante. Si se conecta una batería a ambas placas, durante un breve tiempo fluirá una corriente eléctrica que se acumulará en cada una de ellas. Si se desconecta la batería, el condensador conserva la carga y la tensión asociada a la misma.
Las tensiones rápidamente cambiantes, como las provocadas por una señal de sonido o de radio, generan mayores flujos de corriente hacia y desde las placas; entonces, el condensador actúa como conductor de la corriente alterna.
Cálculos con capacitores
Cálculo de capacitancias en serie
valor de C1 = 5 µF ; C2 = 8 µF ; C3 = 6 µF y como en una agrupación serie la capacidad resultante CT se obtiene dividiendo la unidad por la suma de los inversos de todas las capacidades tenemos:
Resultando CT menor que la menor de las capacidades del circuito.
Cálculo de capacitancias en paralelo
valor de C1 = 5 µF ; C2 = 8 µF como las capacidades en paralelo se suman tenemos:
CT = C1 + C2 = 5 + 8 = 13µ
Inductores
Los inductores o bobinas consisten en un hilo conductor enrollado en forma de bobina. Al pasar una corriente a través de la bobina, alrededor de la misma se crea un campo magnético que tiende a oponerse a los cambios bruscos de la intensidad de la corriente.
Al igual que un condensador, un inductor se puede usar para diferenciar entre señales rápida y lentamente cambiantes. Al utilizar un inductor conjuntamente con un condensador, la tensión del inductor alcanza un valor máximo a una frecuencia específica que depende de la capacitancia y de la inductancia. Este principio se emplea en los receptores de radio al seleccionar una frecuencia específica mediante un condensador variable (son circuitos sintonizados).
Cálculos con inductancias
Cálculo de inductancias en serie
Valor de L1 = 8 H ; L2 = 5 H ; L3 = 6 H como las inductancias en serie se suman tenemos:
LT = L1 + L2 + L3 = 8 + 5 + 6 = 19 Henrios
Cálculo de inductancias en paralelo
Valor de L1 = 8 H ; L2 = 5 H ; entonces tenemos:
Como se ve la inductancia resultante es menor que la menor de las inductancias ubicadas en el circuito.
Reactancia
Una corriente alterna está siempre aumentando o disminuyendo por lo que la fuerza electromotriz de autoinducción se opone continuamente a dichas variaciones y por tanto reducen el valor de la corriente alterna y se suman a la oposición de la resistencia óhmica pura.
A la oposición de las F.E.M. de autoinducción se le llama reactancia inductiva o inductancia.
La reactancia se mide en ohm al igual que la resistencia pura ya que produce el mismo efecto de limitar el paso de la corriente alterna y el número de ohm de reactancia es igual (para la limitación citada) al que produce una resistencia óhmica pura de igual valor. La reactancia inductiva aumenta directamente con la frecuencia y la fórmula para calcularla es:
XL = 2πFL
F: Frecuencia en Hertz
L: Inductancia en Henrios
En el caso de la reactancia capacitiva o capacitancia una corriente alterna fluye por un circuito que tenga capacitores ya que cada vez que la F.E.M. de la fuente se invierte hay un paso de electrones de una placa del condensador hacia la opuesta a través de la fuente y tenemos una corriente alterna aunque los electrones no atraviesen el dieléctrico del condensador ya que dicha corriente solo carga y descarga el condensador. Cuando mayor sea la capacidad del condensador mayor será la F.E.M. de autoinducción y por tanto a mayor capacidad menor reactancia capacitiva porque fluirá más corriente. La reactancia capacitiva se reduce cuando aumenta la frecuencia y la fórmula para calcularla es:
XC = 1 / (2πFC)
F: Frecuencia en Hertz
C: Capacitancia en Faradios
Calculo de resonancia en circuitos L-C
resonancia en serie
En un circuito resonante serie la impedancia entre los terminales (ver figura) es:
en la que Z = impedancia en Ω ; r = resistencia en Ω ; XC = reactancia capacitiva en Ω y XL = reactancia inductiva en Ω. De la fórmula anterior deducimos que si a la frecuencia de resonancia XL = XC la diferencia entre ellas es 0 (cero) y por tanto la impedancia es igual a la resistencia óhmica del circuito y siendo la resistencia en los circuitos de radiofrecuencia muy reducida, la impedancia también lo será.
resonancia en paralelo
En un circuito resonante paralelo la reactancia capacitiva (Xc) es igual a la reactancia inductiva (Xi), pero la impedancia es máxima y la corriente es mínima siempre que la resistencia óhmica de la bobina sea despreciable y la fórmula para el cálculo de la frecuencia de resonancia es:
donde F es frecuencia de resonancia, L la inductancia en henrio, C la capacitancia en Faradio y 2π una constante. En el caso de un circuito resonante serie en la frecuencia en que Xc es igual a Xi la impedancia del circuito es mínima y la corriente circulante máxima y la fórmula para el cálculo de la frecuencia de resonancia es la citada anteriormente.
Frecuencia de resonancia
Un circuito resonante en serie, sometido a frecuencias inferiores a la de resonancia, actúa como una reactancia capacitiva, o como una capacidad en serie con una resistencia. A frecuencias superiores a la de resonancia actuará como una reactancia inductiva, o como una inductividad en serie con la resistencia. Cuando la frecuencia sea la de resonancia, la diferencia de potencial alterno en la bobina o en el condensador, según el caso, puede ser muchas veces mayor que el aplicado a los elementos que forman el circuito serie. Un circuito resonante paralelo, sometido a frecuencias inferiores a la de resonancia, actúa como una reactancia inductiva mientras que a las frecuencias superiores a la de resonancia actúa como una reactancia capacitiva. Existe la misma diferencia de potencial entre la capacidad y la inductividad y no es mayor que el voltaje aplicado al circuito.
Las fórmulas que anteceden expresan las frecuencias de resonancia en Megahertz y en kilohertz, los valores de inductividades en microhenrios y de las capacidades en microfaradios que combinadas, producen resonancia.
Filtros de onda
Los filtros de onda están formados por combinaciones de inductancia y capacitancias y se utilizan para separar entre sí diferentes frecuencias y se emplean en general para conseguir uno de los cuatro tipos siguientes de separación de frecuencias.
1. - Para permitir, con baja atenuación, el paso de todas las frecuencias inferiores a una determinada llamada frecuencia de corte. Se denomina filtro de paso de bajo.
2. - Para producir una atenuación grande a todas las frecuencias inferiores a la de corte y casi no atenuar las superiores. Se denomina filtro de paso alto.
3. - Para proporcionar gran atenuación a todas las frecuencias por debajo y por encima de dos frecuencias llamadas de corte. Se denomina filtro paso de banda.
4. - Para proporcionar gran atenuación a todas las frecuencias comprendidas dentro de dos frecuencias llamadas de corte. Se denomina filtro de corte de banda o filtro de exclusión.
Hay muchos casos en que es necesario dejar pasar ciertas frecuencias y otras no y para tal fin se utilizan distintos tipos de filtros. El principio básico de funcionamiento de un filtro es su propiedad de ofrecer muy alta impedancia a las frecuencias que no deben atravesarlo o cuando existen superpuestas corrientes alternas y continua ya que esta puede considerarse para el caso del filtro como una alterna de frecuencia cero. Los filtros básicos se dividen en cuatro clases según la banda o bandas de frecuencia que deben dejar pasar; así los hay de paso alto, de paso bajo, de paso de banda y de banda eliminada. Los filtros están constituidos por circuitos donde intervienen bobina, capacitores, resistencias y sus combinaciones formando reactancias e impedancias. Definimos la reactancia capacitiva como la oposición presentada por un capacitor al pasaje de una corriente alternada. Esta reactancia depende de la capacitancia y de la frecuencia de la corriente por lo que Xc = 1/ (2 x π x f x C) en donde Xc = reactancia en ohm, π = 3,14, constante f = frecuencia en hertz y C = capacidad en faradios. Definimos la reactancia inductiva como la oposición presenta da por una bobina o inductor al pasaje de una corriente alterna y ésta depende de la inductancia y la frecuencia de la corriente por lo que Xl=(2 x π x f x L) en donde XI= reactancia en ohm π = 3,14 constante f = frecuencia en hertz L= inductancia en henrio. En la frecuencia de resonancia la impedancia del circuito es mínima, la corriente circulante máxima y esta frecuencia se determina por 1 / f = 2 π √ L x C donde f = frecuencia resonancia en hertz L = inductancia en henrio 2π = 6,28 constante C = capacidad en Faradio.