EL MUNDO DEL AUTOMATISMO ELECTRÓNICO · vula termoiónica o diodo, por parte del físi-co...

EL MUNDO DEL AUTOMATISMOELECTRÓNICO

FUNDAMENTOS Y APLICACIONES

ELECTRONICA 1-42.qxp 5/6/07 17:10 Página 1

No es necesario ser un experto en elec-trónica para enfrentarse con un circuito ysaber algo de lo que se negocia en él.

Las averías suelen ser recurrentes y pue-den resolverse simplemente con sentidocomún.

Para aclararlo vamos a poner un ejemplo:

Todo circuito electrónico trabaja concorriente continua, por lo tanto lo lógico espensar que existe siempre una etapa o fuen-te de alimentación, que proporciona ese tipode corriente. Es decir, una serie de compo-nentes que, partiendo de la tensión de red,alterna de 230V 50 Hz, proporcionan unatensión continua de 12 V, ó 24 o -5, +5, esdecir, los valores que sean necesarios.

Pues bien, con cierta frecuencia, porestar escasamente dimensionada, puededeteriorarse (se repite a menudo) y se mani-fiesta de forma que no llega tensión a lasdistintas partes del circuito y como conse-cuencia éste enmudece.

Lo que nos conduce a analizarla condetenimiento.

Como esta fuente representa una parteimportante y delicada del circuito, hemosreducido el problema considerablemente.

Lo que corresponde ahora es examinarlos componentes que la integran para sus-tituir el que falla.

A pesar de todo no siempre es tan fácilresolver el problema…

Hace falta decisión y el convencimientoabsoluto de poderlo hacer.

“Por los síntomas lo localizareis”, podríaser el lema para descubrir el componentedañado.

La frase se refiere a que los restos quedeja un fogonazo (negro humo), una pistainterrumpida, etc., son los síntomas quenos orientan y nos ayudan a averiguar quéha ocurrido, por qué falla el conjunto.

Pero es necesario saber identificar loscomponentes y conocer su función, tareaque ahora, juntos, vamos a emprender.

La electrónica es una asignatura pen-diente para muchas personas.

Unos empezaron, y al ver tanta fórmula,tanta teoría, aparentemente sin sentido, laabandonaron, aún estando interesados enella.

Otros siguieron, alejándose de los textoscomplejos, buscando una explicación máscercana, tocaron componentes, los ensam-blaron e hicieron sus pinitos.

Estos han seguido y se dedican a ella.

¿Qué tal si nos situamos en un escalónintermedio para comprender los fenómenoselectrónicos, como divertimento, y así elimi-nar la gran decepción de no saber pordonde empezar?

Ese es el propósito de este trabajo.

Preámbulo

El mundo del automatismo electrónico 3

PREÁMBULO


Índice


ÍNDICE(( LO RESERVAMOS PARA LA 2ª ENTREGA ))

ÍNDICE


Índice

6 El mundo del automatismo electrónico

ÍNDICE(( LO RESERVAMOS PARA LA 2ª ENTREGA ))

ÍNDICE


Iniciamos en esta ocasión, como parteimportante del mundo del automatismoactual, un contacto con la electrónica,materia muy importante donde las haya yque nos va a permitir entender y realizartoda suerte de circuitos, simplemente bas-tará con hacer un buen planteamiento de loque deseamos.

La electrónica tiene que ver con muchasramas de la técnica que se han desarrolla-do desde principios de 1900 hasta nuestrosdías.

No es de extrañar que la radio, la televi-sión, los ordenadores y otros equipos conel mismo o mayor grado de sofisticación,integren componentes electrónicos.

Serán las aplicaciones industriales de laelectrónica las que van servirnos comonexo con el mundo del automatismo.

Si en algún momento derivamos nuestraatención hacia aplicaciones más lúdicas, (laradio, por ejemplo), que las propiamenteindustriales, será para fortalecer la explica-ción, en aras de hacerla más compresiva.

Introducción


INTRODUCCIÓN

Utilizaremos, como apoyo y como es habitual, la imagen chispeantede KWITO, el ANECDOTARIO y la VUELTA ATRÁS.


Difícilmente se encontrará alguien, máso menos conectado con la técnica, que nohaya oído mencionar la palabra Electrónica,pero muy pocos saben en qué consiste.

Decir que "es la rama de la ingenieríaeléctrica que trata de los aparatos que ope-ran mediante el flujo de haces de electronesen el vacío, en un gas a baja presión, o enun medio semiconductor" no aclara muchola importancia extraordinaria de esta rama

joven de la ciencia. Sin embargo, a cadainstante se están revelando sus frutos.

Los detectores de presencia, las puer-tas que abren de forma automática alintentar franquearlas, el telégrafo, el teleti-po de las agencias periodísticas, las telefo-tos, la radio, el radar, la televisión, la telefo-nía celular, y las computadoras sonalgunos de los múltiples aparatos o dispo-sitivos que se deben a ella.

Su reinado comenzó a construirse con eldescubrimiento, de forma casual, del efec-to termoiónico en un tubo de vacío, porThomas Alva Edison.

Breve, pero exhaustiva, historia de la electrónica

La electrónica empezó con el imperio deltubo. El período de mayor desarrollo empie-za en 1928 y aún continúa...

Se inicia con los trabajos de varios des-tacados físicos, tales como Coulomb,Ampère, Gauss, Faraday, Henry y Maxwell.

Estos trabajos quedaron recogidos, en1865, en el marco formal de la Teoría delElectromagnetismo, formulada por Maxwell(deducida de las ecuaciones que llevan sunombre); teoría que, sin embargo, debióesperar varios años, concretamente hasta1888 para su demostración.

Esta demostración la realizó Hertz con lageneración, en el laboratorio, de ondaselectromagnéticas.

Más tarde, en 1896, Marconi logró trans-mitir y detectar estas ondas (llamadas hert-zianas) y abrió el camino a posterioresavances tan importantes como la televisióny las telecomunicaciones.

El nacimiento de la electrónica, comorama de la ciencia, puede situarse en 1895,

Pero, ¿qué es la electrónica?


PERO ¿QUÉ ES LA ELECTRÓNICA?

Edison trataba de conseguir unfilamento, para su lámpara incan-descente, que durase más de 60horas y para ello, tratando de for-talecerlo, incorporó un soportemetálico que salía al exterior.

Sin saber cómo, haciendo medi-ciones, observó que se producíauna corriente eléctrica entre el cas-quillo y el extremo que sobresalía.

No le dio importancia pero dejóconstancia escrita. Esto ocurría en1881.

Años más tarde se denominó aeste descubrimiento como “efectotermoiónico”.

Por la figura podemos entender loexplicado sobre la bombillapero… el dispositivo ha evolucio-nado y se ha convertido en undiodo termoiónico.



año en el que Lorentz postuló la existenciade partículas cargadas llamadas electrones,y que fue demostrado, experimentalmente,por Thomson dos años más tarde.

Braun, en 1897, hizo pública su inven-ción del primer tubo electrónico, rudimenta-rio antecesor de los tubos de rayos catódi-cos que forman parte de los televisores.

Las válvulas

La electrónica no asumió las connota-ciones tecnológicas que la caracterizanhasta los inicios del siglo XX, con la inven-ción de los primeros componentes y, enparticular en 1904, con la creación de la vál-vula termoiónica o diodo, por parte del físi-co británico John Ambrose Fleming.

El diodo (ver figura anterior) está com-puesto esencialmente por dos electrodosmetálicos contenidos en un tubo vacío, unode los cuales (el cátodo) es calentado porun filamento.

Debido a este calentamiento, el cátodoemite electrones (efecto termoiónico), queson acelerados hacia el otro electrodo (elánodo) cuando este último se mantienepositivo respecto al cátodo.

De tal forma que, intercalado en un cir-cuito, el diodo muestra la importante pro-piedad de conducir corriente únicamentecuando la tensión que se le aplica tiene undeterminado sentido.

De esta manera, permite la rectificaciónde una corriente alterna.

La corriente que se obtiene conectandoun electrodoméstico a una de las tomas quehay en las paredes de las casas (corrientede red), tiene la característica de invertircontinuamente el sentido con que circulapor un circuito, y por tanto se llama corrien-

te alterna (la corriente de red es alternadebido a la técnica de su producción).

En muchos casos, la gran mayoría encircuitos electrónicos, es necesario dispo-ner de una corriente continua; es decir, quenunca invierta su sentido de circulación.

Para esto se emplean unos determina-dos dispositivos que rectifican la corriente,transformándola de alterna a continua.

En 1905, el físico estadounidense LeeDe Forest, perfeccionando el invento deFleming, creó el tríodo.

El aporte de Forest consistió en la intro-ducción de un tercer elemento (la rejilla),cerca del cátodo.

La proximidad entre el cátodo y la rejillahace que, si a esta última se le aplica unapequeña tensión, influya sustancialmentesobre el flujo de electrones en el interior deltubo.

Por tanto, el tríodo actúa como amplifi-cador (el nombre de audión, que original-mente dio De Forest a su invento, traduce elintento de aplicar esta característica a lasseñales de sonido).

El invento de los dispositivos menciona-dos proporcionó la base tecnológica parael rápido desarrollo de las radiocomunica-ciones.

En 1912 en los Estados Unidos se cons-tituyó una asociación de radiotécnicos.

Allí mismo, en 1920 se construyó, la pri-mera emisora de radio comercial.

En las décadas de 1920 y 1930 se intro-dujeron mejoras a los tubos electrónicosoriginarios (que culminaron con la introduc-ción del pentodo), aumentando su flexibili-dad y su campo de aplicaciones.

Entre otras cosas, se hizo posible lainvención de la televisión (1930) y de laradio de modulación de frecuencia, o tam-bién conocida como frecuencia modulada,FM (1933).

Los tubos de vacío dieron paso a unaimportante aplicación, como fue la realiza-ción de las primeros calculadoras electróni-cas en los años siguientes de la SegundaGuerra Mundial.


Como veremos en el apartadodedicado al diodo semiconductoréste último es la evolución delanterior.


Mientras tanto, físicos como Block,Schottky, Sommerfeld, Winger y otros reali-zaban excelentes progresos en el estudiode una importante clase de sustancias sóli-das: los semiconductores.

En 1945 se creó un grupo de trabajo,compuesto por físicos teóricos y experi-mentales, un químico y un ingeniero elec-trónico, en los Bell Telephone Laboratories,para encontrar una alternativa al empleo delos tubos electrónicos en las telecomunica-ciones. Ciertamente los tubos presentaninconvenientes, entre los cuales se cuentauna escasa fiabilidad debida a sus elevadastemperaturas de funcionamiento.

En 1947 los físicos John Bardeen, WalterBrattain y William Schockley obtuvieron unefecto de amplificación en un dispositivocompuesto por dos sondas de oro prensa-das sobre un cristal de germanio (un semi-conductor).

Nacía así el transistor, que actualmentees el elemento fundamental de todo dispo-sitivo electrónico (en 1965 estos físicosrecibieron el Premio Nobel).

Más tarde, el primer ejemplar fue perfec-cionado por Schockley con la introduccióndel transistor de unión, totalmente de mate-rial semiconductor, gracias a los progresosefectuados por los laboratorios Bell en laobtención de materiales de base (germanioy silicio) con un elevado grado de pureza.

La comercialización del transistor en1951 sentó las bases para el desarrollo cua-litativo y cuantitativo de la tecnología elec-trónica en la segunda mitad del siglo.

El transistor proporcionó las mismas fun-cionalidades del tríodo, siendo más peque-ño, eficiente, fiable, económico y duradero.

Esto permitió la existencia de una gama deaplicaciones antes impensables y la reduc-ción de costos y del tamaño de los dispositi-vos electrónicos de uso común (radio, televi-sión, etc.), abriéndose así el camino hacia elfenómeno de la electrónica de consumo.

La aparición del transistor también pro-porcionó un gran impulso al desarrollo delos ordenadores.

En 1959 la IBM presentó el primer orde-nador (el 7090) de estado sólido, es decir,con transistores.

En la actualidad, los componentes consemiconductor como el transistor, han sus-tituido casi por completo a los tubos devacío.

Estos últimos únicamente se emplean enalgunas aplicaciones particulares, como enla generación de microondas, o con tensio-nes de funcionamiento muy altas.

Los circuitos integrados

La última parte de la evolución de laelectrónica se abrió a finales de los añoscincuenta con la introducción del circuitointegrado por parte de Kilby, de la TexasInstrument, y de Noyce y Moore, de laFairchild Semiconductor Company.

La idea fue incluir un circuito completoen una sola pastilla de semiconductor: elChip, y hacer de las conexiones entre losdispositivos parte integrante de su procesode producción, reduciendo así las dimen-siones, peso y el costo con relación alnúmero de elementos activos.

El desarrollo de la microelectrónica,como se denomina la electrónica de los cir-cuitos integrados es impresionante.

A partir de su comercialización (1961), elnúmero máximo de componentes integra-dos en un chip se duplicó cada año desdelos 100 iniciales.

En la segunda mitad de los años seten-ta, al introducirse la integración a granescala (VLSI) y superar los 10.000 compo-nentes, se ingresó en la época actual, en laque es normal encontrar varios millones decomponentes integrados en un chip muypequeño, por ejemplo en los microprocesa-dores de los ordenadores personales.




Son aquellos que no producen rectifica-ción, amplificación, ni oscilación pero inter-vienen en esos procesos, colaborando almejor funcionamiento de los elementosactivos (llamados genéricamente semicon-ductores).

Los componentes pasivos están forma-dos por elementos de diversas clases quetendremos que considerar independiente-mente, ya que son diferentes sus objetivos,construcción y resultados, de modo quevamos a dividirlos en tres grandes grupos:

1. Resistencias

2. Condensadores

3. Bobinados

La resistencia

Se denomina resistencia a la mayor omenor dificultad que presentan los materia-les para ser recorridos por una corrienteeléctrica. Los materiales que menor dificul-tad presentan se denominan conductores yaquellos que dificultan notablemente elavance de los electrones, se denominanaislantes.

La unidad de resistencia eléctrica es elOhmio cuyo símbolo es la letra griega Ω(omega).

Por la Ley de Ohm el valor de la resis-tencia es:

Se llama resistividad o coeficiente deresistividad a la resistencia que presenta, alpaso de la corriente eléctrica un conductor,de 1 metro de longitud y un milímetro cua-drado de sección.

La resistencia es proporcional a la longi-tud e inversa a la sección.

Siendo l la longitud en metros, S la sec-ción en mm2 y el coeficiente propio decada material.

La conductividad es la inversa de laresistividad y se representa por la letra C:

Materiales Resistividad( Ω · mm2/m)

Plata 0,0165

Cobre 0,0175

Hierro 0,13

Estaño 0,12

Aluminio 0,02

Materiales especialmente aislantes sonla parafina, ebonita, porcelana, etc.

La resistencia puede disponerse deforma que toda o una parte esté incorpora-da en el circuito, o sea, podemos hablar deresistencia fija o variable, llamada tambiénreóstato, formado por un cursor que vadeslizándose a lo largo de la materia resis-tiva, con lo cual conectaremos el extremo yel cursor al circuito donde deseamos hacerque varíe la intensidad.

Existe también otro tipo, de tres ensam-bladuras, en el que el otro extremo de laresistencia está provisto de un terminalpara su conexión al circuito exterior y elcursor, en su recorrido, se desliza de uno aotro de los extremos.

Componentes pasivos


LOS COMPONENTES PASIVOS


Componentes pasivos

En este caso el reóstato se denominapotenciómetro.

Este último elemento sirve como divisor,o variador, de tensión.

Las resistencias comerciales

La corriente máxima de una resistenciaviene condicionada por la máxima potenciaque puede disipar su cuerpo.

Esta potencia se puede identificarvisualmente a partir del diámetro sin quesea necesaria otra indicación.

Las resistencias pueden clasificarse endos grupos, de acuerdo con el material conel que estén constituidas: “resistencias dehilo” solamente para disipaciones de calorsuperiores a 2W, y “resistencias químicas”para, en general, potencias inferiores a 2W.

Las primeras pueden clasificarse enresistencias fijas o variables (como yahemos visto).

Resistencias de hilo o bobinadas

Generalmente están constituidas por unsoporte de material aislante y resistente a latemperatura (cerámica, esteatita, mica, etc.)alrededor del cual está la resistencia pro-piamente dicha, constituida por un hilocuya sección y resistividad depende de lapotencia y de las resistencias deseadas.

En los extremos del soporte hay fijadosdos anillos metálicos sujetos con un tornilloo remache cuya misión, además de fijar enél el hilo de resistencia, consiste en permitirsu conexión mediante soldadura.

Por lo general, una vez construidas, serecubren de un barniz especial que sesomete a un proceso de vitrificación a altatemperatura con el objeto de proteger elhilo y evitar que las diversas espiras hagancontacto entre sí.

Sobre este barniz suelen marcarse conserigrafía los valores en ohmios y en vatios,tal como se observa en la figura:

En la que se contempla una resistenciade 250 Ω, que puede disipar una potenciamáxima de 10 vatios.

Representa el aspecto exterior y laestructura constructiva de las resistenciasde alta disipación (gran potencia).

Pueden soportar corrientes relativamen-te elevadas y están protegidas con unacapa de esmalte.

A: es el hilo de conexión

B: el soporte cerámico

C: el arrollamiento

D: el recubrimiento de esmalte.

Resistencias químicas

Las resistencias de hilo de valor óhmicoelevado necesitarían una cantidad de hilotan grande que en la práctica resultaríanmuy voluminosas.

Las resistencias de este tipo se realizande forma más sencilla y económica emple-ando, en lugar de hilo, carbón pulverizadomezclado con sustancias aglomerantes.

La relación entre la cantidad de carbón yla sustancia aglomerante determina la resis-tividad por centímetro, por lo que es posiblefabricar resistencias de diversos valores.

Existen tipos de carbón aglomerado, depelícula de carbón y de película metálica.Normalmente están constituidas por unsoporte cilíndrico aislante (de porcelana u


Conclusión: Los reóstatos se utili-zan para variar niveles de corrien-te y los potenciómetros se utilizanpara variar niveles de voltaje.

1

2


otro material análogo) sobre el cual sedeposita una capa de material resistivo.

Los valores más corrientes son 0.25 W,0.5 W y 1 W.

En las resistencias, además del valoróhmico que se expresa mediante un códigode colores, hay una contraseña que deter-mina la precisión de su valor (aproxima-ción), o sea la tolerancia anunciada por elfabricante.

Esta contraseña está constituida por unanillo pintado situado en uno de los extre-mos del cuerpo.

A continuación se representan unosejemplos de resistencias de película de car-bón y de película metálica, donde se mues-tra su aspecto constructivo y su aspectoexterior:

Potenciómetros químicos

Se trata de un divisor resistivo variableajustable por medio de un cursor.

Es una resistencia formada por una del-gada pista de carbón de cuyos extremossalen dos terminales; a dicha pista la reco-rre un cursor que está vinculado a un tercerterminal.

Si se aplica una tensión entre los termina-les 1 y 2, el cursor tendrá una tensión pro-porcional a la posición de este sobre la pista.

Construcción

Existen dos tipos de potenciómetros:

Potenciómetros impresos. Realizados conuna pista de carbón sobre un soporte durocomo papel baquelizado, fibra, alúmina, etc.

La pista tiene sendos contactos en susextremos y un cursor conectado a un patínque se desliza por la pista resistiva.

Potenciómetros bobinados. Consiste enun arrollamiento toroidal de un hilo resistivo(por ejemplo, constantán) con un cursorque mueve un patín sobre el mismo.

Tipos

Según su aplicación se distinguen:

• Potenciómetros de mando.

Son adecuados para su uso como ele-mento de control en los aparatos elec-trónicos. El usuario actúa sobre ellospara variar los parámetros normales defuncionamiento. Por ejemplo, el volumende una radio.

• Potenciómetros de ajuste.

Controlan parámetros preajustados, nor-malmente en fábrica, que el usuario nosuele tener que retocar, por lo que noacostumbran ser accesibles desde elexterior.

Existen tanto encapsulados en plásticocomo sin cápsula, y se suelen presentarcomo potenciómetros de ajuste vertical,cuyo eje de giro es vertical, y potenció-metros de ajuste horizontal, con el eje degiro paralelo al circuito impreso.

Según la ley de variación de la resisten-cia:

• Potenciómetros lineales. La resistenciaes proporcional al ángulo de giro.

• Logarítmicos. La resistencia dependelogarítmicamente del ángulo de giro y seconstruyen de esta forma porque se uti-lizan en el control de volumen en los

Componentes pasivos



Componentes pasivos

aparatos de audio y deben seguir lamisma curva de sensibilidad del oídohumano ante las variaciones de la inten-sidad sonora percibida, que no presentauna variación lineal sino logarítmica.

• Sinusoidales. La resistencia es propor-cional al seno del ángulo de giro. Dospotenciómetros sinusoidales solidarios ygirados 90° proporcionan el seno y elcoseno del ángulo de giro. Pueden tenertopes de fin de carrera o no.

• Antilogarítmicos.

En los potenciómetros impresos la ley deresistencia se consigue variando laanchura de la pista resistiva, mientrasque en los bobinados se ajusta la curvaa tramos, con hilos de distinto grosor.

Asociación de resistencias

RESISTENCIAS EN SERIE

1. Se dice que dos o más resistenciasestán conectadas en serie cuando elfinal de la primera se conecta al principiode la segunda y el final de la segundacon el principio de la tercera.

Es decir final con principio, como mues-tra la figura siguiente.

2. La resistencia total del conjunto es lasuma de las resistencias parciales, esdecir:

Rt = r1 + r2 + r3

3. La intensidad del conjunto es siempre lamisma en un circuito en donde todos losreceptores están conectados en serie.

En cualquier punto del circuito podre-mos medir la misma intensidad.

Es decir, la intensidad que recorre laresistencia 1, la 2 y la 3 es la misma, It.

4. Las tensiones parciales en un conjunto deresistencias conectadas en serie estándeterminadas por la siguiente fórmula:

V1 = It. r1; V2 = It. r2; V3 = It. r3

5. La suma de las tensiones parciales esigual a la tensión aplicada o tensióntotal, es decir:

Vt = V1 +V2 +V3; Vt = (It .r1) + (It .r2) + (It .r3)

6. La potencia total disipada por el conjuntoes la suma de las potencias parcialesdisipadas por cada una de las resisten-cias. Se puede calcular usando cualquie-ra de las tres expresiones siguientes:

Pt =Vt. It; Pt = P1 + P2 + P3; Pt = (V1.It) + (V2.It) + (V3. It)

RESISTENCIAS EN PARALELO

1. Se dice que dos o más resistenciasestán conectadas en paralelo cuandoquedan conectados entre si todos losprincipios y todos los finales.



CURIOSIDADES

La resistencia total en paralelo siempre será menor que la más pequeña de las resisten-cias parciales.

La resistencia total de un circuito en serie será siempre mayor que cualquiera de las par-ciales.

Es decir, principios con principios y fina-les con finales.

2. La resistencia total de un circuito conresistencias parciales conectadas enparalelo está determinada por la fórmulasiguiente:

3. Al contrario de lo que sucede en los cir-cuitos con resistencias en serie, en uncircuito paralelo la tensión a la quequeda sometida todas las resistenciases igual a la total aplicada.

Todas las resistencias conectadas enparalelo reciben la tensión total:

Vt = V1 = V2 =V3

4. La intensidad total en un circuito enparalelo es igual a al suma de las inten-sidades parciales.

Existirán tantas intensidades parcialescomo resistencias conectadas en distin-tos ramales.

Si todas las resistencias fueran igualestodas las intensidades parciales tambiénlo serías entre ellas.

It = I1 + I2 + I3 +…

I1= Vt / r1 I2= Vt / r2 I3= Vt / r3

It = (Vt / r1) + (Vt / r2) + (Vt / r3)

5. La potencia total disipada por el conjuntoes la suma de las potencias parciales disi-padas por cada una de las resistencias.

Se puede calcular usando cualquiera delas tres expresiones siguientes:

P1 = V1.It; P2 = V2.It; P3 = V3.It

Pt = Vt. It; Pt = P1 + P2 + P3; Pt = (V1.It) + (V2.It) + (V3. It)

ASOCIACIÓN MIXTA

Se trata de una asociación de resisten-cias en serie junto con otras en paralelo.

Y se calcula, resolviendo primero las dis-tintas asociaciones y reduciéndolas a unatotal en serie.

Componentes pasivos



Componentes pasivos

Código de colores

Las resistencias de potencia pequeña,empleadas en circuitos electrónicos, vanmarcadas con un código de franjas decolores.

Los datos se indican con un conjunto derayas de colores sobre el cuerpo del ele-mento.

Son tres, cuatro o cinco rayas; dejandola raya de tolerancia (normalmente plateadao dorada) a la derecha, se leen de izquierdaa derecha.

La última raya indica la tolerancia (preci-sión).

De las restantes, la última es el multipli-cador y las otras las cifras.


La intensidad total en un circuito paralelo será siempre mayor que cualquiera de las inten-sidades parciales.

La intensidad en un circuito serie será la misma en cualquier punto en donde mida.

Las guirnaldas navideñas son un circuito en serie de un conjunto de lámparas. La guirnal-da está calculada para que cada una de las lámparas reciba sólo la tensión para la que hasido diseñada. Si una de las lámparas se funde la guirnalda deja de funcionar.

La intensidad parcial en un circuito paralelo será siempre menor a la total.

La resistencia que ofrece un adulto de complexión media al paso de la electricidad y encondiciones normales está entre 400 y 500 KΩ

La resistencia de los materiales conductores aumenta con el calor.

El camino que recorre un corriente eléctrica depende siempre de la resistencia, cuantomenor sea ésta, mayor será la cantidad de electricidad que pasa por el conductor y vice-versa. Por ello, por ejemplo interesa que un pararrayos tenga la menor resistencia posible.

Para caracterizar una resistenciahacen falta tres valores: resisten-cia eléctrica, disipación máxima yprecisión o tolerancia.

Color de la banda Valor de la cifra Multiplicador Tolerancia Coeficiente significativa de temperatura

Negro 0 1

Marrón 1 10 1% 100ppm/º C

Rojo 2 100 2% 50ppm/º C

Naranja 3 1 000 15ppm/º C

Amarillo 4 10 000 25ppm/º C

Verde 5 100 000 0,5%

Azul 6 1 000 000 0,25% 10ppm/º C

Violeta 7 10 000 000 0,1% 5ppm/º C

Gris 8 100 000 000

Blanco 9 1 000 000 000 1ppm/º C

Dorado 0.1 5%

Plateado 0.01 10%

Ninguno 20%


El valor se obtiene leyendo las cifrascomo un número de una, dos o tres cifras;se multiplica por el multiplicador y se obtie-ne el resultado en Ohmios (Ω).

El coeficiente de temperatura únicamen-te se aplica en resistencias de alta precisión(<1%).

Identificación

Ejemplo: La caracterización de unaresistencia de 470.000 Ω (470 k Ω), con unatolerancia del 10%, sería la representada enla figura siguiente:

1ª cifra: Amarillo (4)

2ª cifra: Violeta (7)

Multiplicador: Amarillo (10000)

Tolerancia: Plateado (+/-10%)

Leyes de Kirchhoff

Hemos visto la asociación de resisten-cias sin, aparentemente, ningún problema ala vista sobre su comprensión.

Sin embargo en electrónica no todo estan sencillo.

Hay circuitos que pueden ser un peque-ño galimatías como por ejemplo el que apa-rece a continuación:

¿Cómo resolverlo de forma sencilla?

Recurriendo a la Leyes de Kirchhoff

¿Kirchhoff?

Definiciones

Para su enunciado es necesario previa-mente definir los conceptos de:

• Nudo o nodo es el punto donde concu-rren varias ramas de un circuito. El sen-tido de las corrientes es arbitrario y debeasignarse al azar.

• Rama es el fragmento de circuito eléctri-co comprendido entre dos nodos.

• Lazo es el circuito que resulta de recorrerel esquema eléctrico en un mismo senti-do regresando al punto de partida, perosin pasar dos veces por la misma rama.

• Red plana es aquella dentro de la cual sepuede dibujar una superficie cerrada sinque se corte con ninguna rama.

• Malla es un lazo que cumple la condiciónde red plana, es decir, un lazo que notiene otros lazos en su interior.

Componentes pasivos


Un poco de su biografía

Físico alemán nacido en Koenigsberg(actualmente Kaliningrado, Rusia).Hizo contribuciones importantes alanálisis espectral, a la teoría de los cir-cuitos eléctricos y a la física teórica. Allado de Bunsen trabajó en la aplica-ción de espectroscopia a la identifica-ción de los elementos y, en particular,al análisis químico de las estrellas.Identificó numerosas líneas de hierroen el espectro solar y, junto conBunsen, descubrió espectroscópica-mente los elementos cesio y bario.Explicó, además, las líneas deFraunhofer (rayas negras del espec-tro). El principal aporte de Kirchhoff ala electricidad es el enunciado de lasleyes que llevan su nombre. Fue unode los primeros científicos de su sigloque adoptaron el positivismo.


Componentes pasivos

1ª Ley de circuito de Kirchhoff, o delas intensidades.

En todo nudo, donde la densidad de lacarga no varíe en un instante de tiempo, lasuma de corrientes entrantes es igual a lasuma de corrientes salientes.

Dicho de otra forma:

En todo nudo la suma algebraica decorrientes debe ser 0.

2ª Ley de circuito de Kirchhoff, o delas tensiones.

En toda malla la suma de todas las caí-das de tensión es igual a la suma de todaslas fuerzas electromotrices.

Un enunciado alternativo es:

En toda malla la suma algebraica de lasdiferencias de potencial eléctrico debe sercero.

Veamos unos ejemplos:

En el ejemplo de la figura hay tresmallas:

ABEF

BCDE

ABCDEF

El contorno de la malla está formado porramas.

Hay tres ramas:

EFAB

BE

BCDE

En el ejemplo de la figura hay dosnudos: los puntos B y E.

Se fijan en cada malla un sentido dereferencia arbitrario, que no tiene por quéser el mismo en todas las mallas.

En el ejemplo se ha escogido el sentidode las agujas del reloj para ambas.

Basta con tomar las mallas que seanindependientes.

La ABCDEF no es independiente, por-que está formada por las otras dos.

Se conviene en asignarle a los genera-dores signo positivo cuando tienden a pro-ducir corriente en el mismo sentido que elde referencia, y negativo en caso contrario.

Obsérvese que esta ley no es sino la leyde Ohm generalizada.

Como aplicación, se resolverá el ejemplopropuesto: (ver Figura)



Aplicamos la 1ª ley de Kirchoff al nudo B.

Recordemos:

En un nudo, la suma de las corrientesque entran es igual a las de que salen.

O bien, la suma algebraica de corrientesen un nudo es nula.

I1 + I3 = I2 (I)

Aplicamos la 2ª ley de Kirchoff a la malla I.

Recordemos:

A lo largo de una malla, la suma de fuer-zas electromotrices es igual a la suma delas diferencias de potencial producidas enlas resistencias.

Otra manera de expresar esto es: lasuma algebraica de las tensiones a lo largode una malla es cero.

- 3 V + 5 V = I1 x 1 + I1 x 2 + I1 x 5 - I3 x 3

2 V = I1 x 8 - I3 x 3 (II)

Aplicamos la 2ª ley de Kirchoff a la malla II:

0 V = I2 x 2 + I2 x 4 + I2 x 1 + I3 x 3

0 V = I2 x 7 + I3 x 3 (III)

Resolviendo el sistema de ecuaciones (I)(II) (III)

I1 = 20 / 101 = 0,198 A

I2 = 6 / 101 = 0,0594 A

I3 = -14 / 101 = - 0,138 A

El signo negativo de I3 quiere decir que,en realidad, dicha corriente tiene sentidocontrario al que hemos supuesto y dibujadoen nuestra figura.

Teorema de Thévenin y Norton

Vamos a explicar dos teoremas(Thévenin y Norton) que nos van a permitirsimplificar y hacer más fácil la resolución delos circuitos.

Sea el circuito que aparece a continua-ción:

Se nos solicita:

a) Calcular la IL cuando RL = 1,5 kW.

b) Calcular la IL cuando RL = 3 kW.

c) Calcular la IL cuando RL = 4,5 kW.

Ley de Kirchhoff de tensiones

a)

b)

c)

Componentes pasivos



Componentes pasivos

Thévenin

Quitar la carga RL.

Creamos mallas y calculamos VTh:

Cortocircuitar las fuentes de tensiónindependientes y abrir las fuentes decorriente independientes.

Unir la carga al circuito equivalente con-seguido.

Ahora aplicando Thévenin es muchomás fácil resolver el problema que tenía-mos.

a)

b)

c)

Ejemplo: Calcular el equivalente deThévenin del siguiente circuito:

1.



Componentes pasivos


2.

3.

4.

Teorema de Norton

Este teorema esta muy relacionado conel Teorema de Thévenin. Resolveremos elproblema anterior usando el teorema deNorton.

a) Calcular la IL cuando RL = 1,5 kW.

b) Calcular la IL cuando RL = 3 kW.

c) Calcular la IL cuando RL = 4,5 kW.

Norton

Quitar la carga RL y poner un cortocir-cuito (RL = 0).

Hacemos mallas y calculamos VTh:

Cortocircuitar las fuentes de tensiónindependientes y abrir las fuentes decorriente independientes.

Unir la carga al circuito equivalente con-seguido.

Ahora aplicando Thévenin es muchomás fácil resolver el problema que tenía-mos.

a)


Componentes pasivos


b)

c)

Paso de circuito Thévenin a circuitoNorton y de circuito Norton a circuitoThévenin

Los teoremas de Thévenin y Nortonestán relacionados, así se puede pasar deuno a otro.

Paso de circuito Thévenin a circuitoNorton

Tenemos el circuito siguiente:

Cortocircuitamos la carga (RL) y obtene-mos el valor de la intensidad Norton, la RNes la misma que la RTh.

Paso de circuito Norton a circuitoThévenin

Tenemos este circuito:

Abrimos la carga (RL) y calculamos laVTh, la RTh es la misma que la RN.

Efectivamente, son métodos que nosfacilitan el cálculo.

Resistencias no lineales

Existen una serie de resistencias que nose comportan de la misma forma que lasque hemos estudiado hasta ahora:

Se trata de las resistencias no lineales,de gran utilidad y ampliamente explotadas.

1. LDR

La resistencia de este tipo de compo-nentes varía en función de la luz que recibeen su superficie.

Así, cuando están en oscuridad su resis-tencia es alta y cuando reciben luz su resis-tencia disminuye considerablemente.

Los materiales que intervienen en suconstrucción son sulfuro de cadmio, utiliza-do como elemento sensible a las radiacio-nes visibles y sulfuro de plomo se empleanen las LDR que trabajan en el margen de lasradiaciones infrarrojas.

Estos materiales se colocan en encap-sulados de vidrio o resina.


Su uso más común se encuentra en aper-tura y cierre de puertas, movimiento y parode cintas trasportadoras, ascensores, conta-dores, alarmas, control de iluminación...

Las características técnicas se estudianteniendo en cuenta la variación de su resis-tencia en función de la luz que reciben ensu superficie en lux.

2. NTC

Es un componente, al igual que la PTC,que varía su resistencia en función de latemperatura.

Así, cuando reciben una temperaturamayor que la de ambiente disminuye suvalor óhmico y cuando es baja o deambiente aumenta.

Suelen construirse con óxido de hierro,de cromo, de manganeso, de cobalto o deníquel.

El encapsulado de este tipo de resisten-cia dependerá de la aplicación que se levaya a dar.

Por ello nos encontramos NTC de disco,de varilla, moldeado, lenteja, con roscapara chasis...

Los fabricantes identifican los valores delas NTC mediante dos procedimientos: seri-grafiado directo en el cuerpo de la resisten-cia, y mediante bandas de colores, seme-jante a las resistencias y siguiendo sumismo código, teniendo en cuenta que elprimer color es el que está más cercano alas patillas del componente según seobserva en la figura.

Su curva característica se realiza entredos parámetros, la resistencia y la tempe-ratura.

Sus aplicaciones más importantes están:medidas, regulación y alarmas de tempera-tura, regulación de la temperatura en proce-sos de elaboración, termostatos, compen-sación de parámetros de funcionamiento enaparatos electrónicos (radio, TV...).

Componentes pasivos


Símbolo de la LDR.

Curva característica de la LDR.

Curva característica de la NTC.

Aspecto físico.

Símbolo de la NTC.

Aspecto físico.


3. PTC

En este componente un aumento detemperatura se corresponde con unaumento de resistencia. Se fabrican contitanato de bario.

Sus aplicaciones más importantes son:en motores para evitar que se quemen susbobinas, en alarmas, en TV y en automóvi-les (temperatura del agua).

El concepto de los encapsulados de lasPTC se rige por los mismos criterios queuna NTC, siendo sus aspectos muy pareci-dos a los mismos.

Su curva característica se realiza entre dosparámetros, la resistencia y la temperatura.

La identificación de los valores de estosdispositivos se realiza mediante franjas decolores en el cuerpo de los mismos quehacen referencia a un determinado tipo.Para deducir sus características se recurrea los catálogos de los fabricantes.

Los márgenes de utilización de las NTCy PTC están limitados a valores de tempe-ratura que no sobrepasan los 400 º C.

4. VDR

La propiedad que caracteriza esta resis-tencia consiste en que disminuye su valoróhmico cuando aumenta bruscamente latensión.

De esta forma bajo impulsos de tensiónse comporta casi como un cortocircuito ycuando cesa el impulso posee una altaresistividad.

Sus aplicaciones aprovechan esta pro-piedad y se usan básicamente para prote-ger contactos móviles de contactores,relés, interruptores..., ya que la sobre inten-sidad que se produce en los accionamien-tos disipa su energía en el varistor que seencuentra en paralelo con ellos, evitandoasí el deterioro de los mismos, además,como protección contra sobre tensiones yestabilización de tensiones, adaptación aaparatos de medida...

Se utilizan en su construcción carburode silicio, óxido de zinc, y óxido de titanio.

Curva característica de la VDR.

Componentes pasivos


Símbolo de la PTC.

Aspecto físico real de una PTC.

Identificación por banda de colores.

Símbolo de la VDR.

Aspecto físico real de una VDR.

Curva característica de la PTC.


La inductancia es otro de los tres pará-metros familiares de la teoría de circuitosque se definirá en términos más generales.

La resistencia fue definida como la razónde la diferencia de potencial entre dossuperficies equipotenciales de un materialconductor, y la corriente total a través deuna u otra superficie equipotencial.

La resistencia es solamente función dela geometría y la conductividad.

Debido a que el campo magnético alre-dedor de un conductor es muy débil, paraaprovechar la energía de dicho campomagnético se arrolla al alambre conductor yde esta forma se obtiene lo que se conocecomo inductancia o bobina.

El flujo magnético es comparable a lacorriente en la ley de Ohm y se trata delnúmero de líneas de fuerza de flujo presen-te en el circuito magnético.

La unidad es el weber.

Un weber (Wb) es el flujo magnético que,al atravesar un circuito de una sola espiraproduce en la misma una fuerza electromo-triz de 1 voltio si se anula dicho flujo en unsegundo por decaimiento uniforme.

La reluctancia (R) equiparable a la resis-tencia de la ley de Ohm es la oposiciónofrecida al flujo por el circuito magnético.

Donde L es la longitud en centímetrosdel circuito magnético, µ la permeabilidaddel material y s la sección en centímetroscuadrados.

La reluctancia de una sustancia magné-tica varía en proporción directa con la longi-tud del circuito magnético e inversamenterespecto a la sección transversal y a la per-meabilidad de la sustancia.

La permeabilidad del material µ es laaptitud de una sustancia para albergar laslíneas de fuerza, tomando como referenciala aptitud del aire.

La unidad de reluctancia no está expre-sada oficialmente.

Hay quien la considera como “relio” yotros oersted.

Otra unidad de fuerza que se emplea esel gilbertio que es aquella capaz de crear

Bobinas e inductancias


BOBINAS E INDUCTANCIAS

La ley que gobierna la determina-ción del flujo magnético en los cir-cuitos magnéticos es análoga a laque rige el paso de la corriente enlos circuitos eléctricos. Paracaracterizar una resistencia hacenfalta tres valores: resistencia eléc-trica, disipación máxima y preci-sión o tolerancia.



una línea de fuerza de un weber en un cir-cuito magnético que tenga la unidad dereluctancia, o sea un relio (o un Oersted).

Y está relacionada con los ampervueltas:

F = 1,257 I .N

Donde F es la fuerza en gilbertios, I laintensidad en amperios y N el número deespiras arrolladas al núcleo.

Y se relaciona con la inductancia:

Un henry (H) es la inductancia eléctricade un circuito cerrado en el que se produceuna fuerza electromotriz de 1 voltio, cuandola corriente eléctrica que recorre el circuitovaría uniformemente a razón de un amperepor segundo.

Finalmente:

Un tesla (T) es la inducción magnética(B) uniforme que, repartida normalmentesobre una superficie de 1 metro cuadrado,produce a través de esta superficie un flujomagnético total de 1 weber.

Cálculos de inductancia

La inductancia aproximada de una bobi-na de una sola capa bobinada al aire puedeser calculada con la fórmula simplificada:

L (µH) = 0,394 (d2.n2/18d+40 l)

Donde:

L = inductancia en microhenrios

d = diámetro de la bobina en centímetros

l = longitud de la bobina en centímetros

n = número de espiras

Esta fórmula es una buena aproximaciónpara bobinas que tengan una longitud igualo mayor que 0,4 d.

Permeabilidad de bobinas con núcleo dehierro

Supóngase que la bobina de la figura seenrolla en un núcleo de hierro que tengauna sección de 12 centímetros cuadrados.

Cuando se envía una cierta corriente através de la bobina, se descubre que hay80.000 líneas de fuerza en el núcleo.

Puesto que el área es de12 centímetroscuadrados, la densidad de flujo magnéticoes de 6.666 líneas por centímetro cuadrado.

Ahora supóngase que se retira el núcleoy se mantiene la misma corriente en la bobi-na. También supóngase que la densidad deflujo sin núcleo es de 10 líneas por centí-metro cuadrado.

La relación entre estas dos densidadesde flujo, hierro a aire, es 6.666/10 = 666.

Esto se llama permeabilidad del núcleo.

La inductancia de la bobina ha aumenta-do 666 veces al insertar el núcleo de hierro,ya que la inductancia será proporcional alflujo magnético a través de las bobinas, silos otros parámetros se mantienen igual.

La permeabilidad de un material magné-tico varía con la densidad de flujo.

Para bajas densidades de flujo (o connúcleo de aire), el aumento de corriente através de la bobina producirá un aumentoproporcional del flujo.



Pero con densidades de flujo muy altas,incrementar la corriente no causará uncambio apreciable en el flujo.

Cuando esto es así, se dice que el hierroestá saturado.

La saturación causa un rápido descensode la permeabilidad puesto que desciendela relación de líneas de flujo con respecto ala misma corriente y núcleo de aire.Obviamente, la inductancia de una bobinacon núcleo de hierro es, en gran medida,dependiente de la corriente que fluye en labobina.

En una bobina con núcleo de aire, lainductancia es independiente de la corrien-te porque el aire no se satura.

Las bobinas con núcleo de hierro comola mostrada en la figura se usan principal-mente en fuentes de alimentación.

Corrientes de Foucault e histéresis

Cuando circula corriente alterna a travésde una bobina arrollada sobre un núcleo dehierro, se inducirá una FEM como se indicóanteriormente.

Y, puesto que el hierro es un conductor,circulará una corriente en el núcleo.

Dichas corrientes se llaman corrientesde Foucault y representan una pérdida depotencia puesto que circulan a través de laresistencia del hierro y, por tanto, producencalentamiento.

Dichas pérdidas pueden reducirse lami-nando el núcleo (cortándolo en delgadastiras). Estas tiras o láminas deben aislarseunas de otras pintándolas con algún mate-rial aislante como barniz o goma laca.

Hay otro tipo de pérdida de energía enlos inductores.

El hierro tiende a oponerse a cualquiercambio en su estado magnético, por tantouna corriente que cambie rápidamente,como lo es la CA, debe suministrar conti-nuamente energía al hierro para vencer esa"inercia".

Las pérdidas de este tipo se llaman pér-didas por histéresis.

Las pérdidas por corrientes de Foucaulte histéresis aumentan rápidamente a medi-da que la frecuencia de la corriente alterna.

Por esta razón los núcleos de hierro nor-males sólo se pueden usar en las frecuen-cias de la línea de baja tensión doméstica yen audiofrecuencias (hasta unos 15.000 Hz).

A pesar de todo, se precisa hierro oacero de muy buena calidad si el núcleodebe trabajar eficazmente en las audiofre-cuencias más altas.

Los núcleos de hierro de este tipo sontotalmente inútiles en radiofrecuencia.

Para radiofrecuencia, las pérdidas en losnúcleos de hierro pueden ser reducidas avalores aceptables pulverizando el hierro ymezclando el polvo con un "aglutinante" dematerial aislante de tal forma que las partícu-las de hierro estén aisladas unas de otras.

Por este sistema, se pueden construirnúcleos que funcionarán satisfactoriamenteincluso en el margen de VHF.

Puesto que una gran parte del recorridomagnético se produce a través de materialno magnético (el aglutinante), la permeabili-dad del hierro es baja comparada con losvalores que se obtienen a las frecuenciasde las fuentes de alimentación.

El núcleo tiene generalmente la forma deuna barra o cilindro que se coloca en elinterior de la forma aislante sobre la queestá bobinada la bobina.

A pesar de que con esta construcción, lamayor parte del recorrido magnético del flujoes por el aire, la barra es bastante eficaz paraaumentar la inductancia de la bobina.

Empujando la barra hacia dentro y haciafuera de la bobina, se puede variar la induc-tancia sobre un margen considerable.

Bobinas en Serie y en Paralelo

Por tanto, la inductancia equivalente deN inductores en serie es simplemente lasuma de las inductancias individuales.Además es evidente que una corriente ini-cial es igual a la que fluye por la conexiónen serie. Por lo tanto, la Ley de Ohm rigeeste circuito.




Tipos de bobinas

1. Fijas

Con núcleo de aire

El conductor se arrolla sobre un soportehueco y posteriormente se retira este que-dando con un aspecto parecido al de unmuelle.

Se utiliza en frecuencias elevadas.

Una variante de la bobina anterior sedenomina solenoide y difiere en el aisla-

miento de las espiras y la presencia de unsoporte que no necesariamente tiene queser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisanmuchas espiras.

Estas bobinas pueden tener tomasintermedias, en este caso se pueden con-siderar como 2 o más bobinas arrolladassobre un mismo soporte y conectadas enserie. Igualmente se utilizan para frecuen-cias elevadas.

Con núcleo sólido

Poseen valores de inductancia más altosque los anteriores debido a su nivel elevadode permeabilidad magnética.

El núcleo suele ser de un material ferro-magnético.



Bobina Inductancia ferromagnética

Bobina con tomas fijas

Bobina con núcleo Bobina con núcleo de ferrita

Bobina blindada

Electroimán

Cómo se representan:

Bobina ajustable Bobina variable


Los más usados son la ferrita y el ferrox-cube.

Cuando se manejan potencias conside-rables y las frecuencias que se desean eli-minar son bajas se utilizan núcleos pareci-dos a los de los transformadores (enfuentes de alimentación sobre todo).

Así nos encontraremos con las configu-raciones propias de estos últimos. Las sec-ciones de los núcleos pueden tener formade EI, M, UI y L.

Las bobinas de nido de abeja se utilizanen los circuitos sintonizadores de aparatosde radio en las gamas de onda media ylarga.

Gracias a la forma del bobinado se con-siguen altos valores inductivos en un volu-men mínimo.

Las bobinas de núcleo toroidal secaracterizan por que el flujo generado nose dispersa hacia el exterior ya que por suforma se crea un flujo magnético cerrado,dotándolas de un gran rendimiento y pre-cisión.

Las bobinas de ferrita arrolladas sobrenúcleo de ferrita, normalmente cilíndricos,con aplicaciones en radio es muy intere-sante desde el punto de vista práctico yaque, permite emplear el conjunto comoantena colocándola directamente en elreceptor.

Las bobinas grabadas sobre el cobre, enun circuito impreso, tienen la ventaja de sumínimo coste pero son difícilmente ajusta-bles mediante núcleo.

2. Variables

También se fabrican bobinas ajustables.

Normalmente la variación de inductanciase produce por desplazamiento del núcleo.

Las bobinas blindadas pueden ser varia-bles o fijas, consisten en encerrar la bobinadentro de una cubierta metálica cilíndrica ocuadrada, cuya misión es limitar el flujoelectromagnético creado por la propia bobi-na y que puede afectar negativamente a loscomponentes cercanos a la misma.



De ferrita Con núcleotoroidal

De nido de abeja

De ferrita para SMD.


¿Quién no ha oído hablar del condensa-dor eléctrico?

Su antecedente es la botella de Leydenque fue descubierta accidentalmente en1746 por Pieter van Musschenbroek yEwald Georg von Kleist casi simultánea-mente.

Este aparato sirve para almacenar elec-tricidad estática y es el prototipo más anti-guo del condensador que actualmente seutiliza en aparatos electrónicos.

Está constituida por un frasco de vidriodelgado (dieléctrico) forrado exteriormentepor una hoja metálica de estaño (armaduraexterior) a excepción de la parte superior dela botella. El interior está relleno de laminillasde latón (armadura interior), desde dondesale una varilla metálica que atraviesa eltapón de corcho que cierra el recipiente.

Para evitar la comunicación entre lasarmaduras, el cuello de la botella está bar-nizado de goma laca.

Para cargarla, se conecta la varilla a lamáquina eléctrica* mientras la armaduraexterior se pone en contacto con el suelo através de una cadena.

Una vez cargada, si se ponen las dosarmaduras en contacto, mediante un con-ductor, se descargará con una chispa y unapequeña explosión.

Si se la deja durante un algún tiempo sepodrán obtener nuevas descargas secun-darias de menor intensidad que la primerahasta que se descargue por completo.

* Nos referimos a una parecida a la foto-grafía que sigue:

Se trata del generador de Wimshurt y esun dispositivo cuyo funcionamiento se basaen la electrización por frotamiento, contac-to e inducción.

Pero ¿Qué es realmente un condensador¿ y ¿Para qué sirve?

Condensadores


CONDENSADORES

Fig. 1: Diversos tipos de condensadores.


Condensadores

En electricidad y electrónica, un conden-sador, es un dispositivo formado por dosarmaduras, generalmente en forma de pla-cas o láminas separadas por un materialdieléctrico (aire, mica, plásticos, cerámica,etc.) que, sometidos a una diferencia depotencial (d.d.p.) adquieren una determina-da carga eléctrica.

Y aquí conviene hablar de cargas eléctri-cas:

Electrostática

Se sabe que existen en la Naturalezados tipos de cargas, positiva y negativa, yque la cantidad más pequeña de carga es elelectrón (misma carga que el protón, perode signo contrario).

Cargas del mismo signo se repelen, y designo contrario se atraen.

Debido a ello, un conductor puede car-garse por influencia de otro, como indica lafigura:

Aproximando al conductor A, (previa-mente cargado con carga positiva), el con-ductor B (descargado, es decir que sus car-gas negativas son las mismas que laspositivas), las cargas negativas de éste seven atraídas por el potencial positivo del A,concentrándose éstas en el extremoizquierdo. Esta "fuga" de cargas negativashacia el lado izquierdo deja el extremoderecho cargado positivamente.

Si el conductor B, en vez de estar aisla-do, como en la figura 1, estuviera conecta-do a tierra, como en la figura 2, la cargapositiva del extremo derecho se descarga-ría a tierra (es decir, fluirían electrones detierra al conductor B, neutralizando sucarga positiva, con lo que dicho conductorB quedaría cargado negativamente.

Este es el principio del condensador:dos conductores próximos, llamadosarmaduras, separados por un dieléctrico(aislante).

La unidad natural de carga eléctrica es elelectrón, que es: la menor cantidad decarga eléctrica que puede existir.

Como esta unidad es extremadamentepequeña para aplicaciones prácticas y paraevitar el tener que hablar de cargas delorden de billones o trillones de unidades decarga, se ha definido en el SistemaInternacional de Unidades el culombio:

Un culombio es la cantidad de cargaque a la distancia de 1 metro ejerce sobreotra cantidad de carga igual, la fuerza de 9x 109 Nw*.

Volvamos a las singularidades del con-densador.

A su propiedad de almacenamiento decarga se le denomina capacidad.


Dieléctrico

Placas


En el Sistema internacional de unidadesse mide en faradios (F), siendo 1 faradio lacapacidad de un condensador en el que,sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1voltio, estas adquieren una carga eléctricade 1 culombio.

Un faradio es una capacidad extremada-mente grande y es difícil de encontrar uncondensador con ese valor.

Lo más lógico es que nos encontremos,en electrónica, con valores más pequeños,por lo que en la práctica se suele indicar lacapacidad en microfaradios: µF = 10-6 fara-dios, nanofaradios: F = 10-9 faradios, o pico-faradios: F = 10-12 faradios.

Los supercondensadores (EDLC) son laexcepción.

Están hechos de carbón activado paraconseguir una gran área relativa y tienen unaseparación molecular entre las "placas".

Así se consiguen capacidades del ordende cientos o miles de faradios.

Uno de estos condensadores se incor-pora en el reloj Kinetic de Seiko —con unacapacidad de 1/3 de Faradio—, haciendoinnecesaria la pila.

También se está utilizando en los proto-tipos de automóviles eléctricos.

Seiko cinético es un reloj que produceenergía eléctrica con el movimiento natu-ral del brazo.

¿Cómo lo hace?

Lleva un volante cuyo movimiento unidoa un imán, genera electricidad en una bobi-na, que la almacena en un condensadorminúsculo o una batería recargable.

Un indicador de la reserva de la energíademuestra exactamente cuánta energía seha creado.

El valor de la capacidad viene definidopor la fórmula siguiente:

C: Capacidad. Q: Carga eléctrica. V: Diferencia de potencial.

Energía almacenada

El condensador almacena energía eléctricaen forma de campo eléctrico cuando aumen-ta la diferencia de potencial en sus terminales,devolviéndola cuando ésta disminuye.

La energía, EE, almacenada por un con-densador con capacidad C, que es conec-tado a una d.d.p. V, viene dada por:

EE = 1/2 CV2

Este hecho es aprovechado para lafabricación de memorias, en las que se uti-liza el condensador que aparece entre lapuerta y el canal de los transistores MOSpara ahorrar componentes.

Conviene hablar ahora de los dos regi-menes de comportamiento de un circuito, eltransitorio y el permanente.

Se llama régimen transitorio, o sola-mente "transitorio", a aquella respuesta deun circuito eléctrico que se extingue en eltiempo, en contraposición al régimen perma-nente, que es la respuesta que permanececonstante hasta que se varía bien el circuitoo bien la excitación del mismo. Ver figura:

Condensadores


QV

C =

Tensión de trabajo: Es la máximatensión que puede aguantar uncondensador, que depende deltipo y grosor del dieléctrico conque esté fabricado. Si se superadicha tensión, el condensadorpuede perforarse (quedar corto-circuitado) y/o explotar. En estesentido hay que tener cuidado alelegir un condensador, de formaque nunca trabaje a una tensiónsuperior a la máxima.


Condensadores

Comportamiento en corriente continúa

Un condensador real en CC se compor-ta prácticamente como uno ideal, esto es,como un circuito abierto. Esto es así enrégimen permanente ya que en régimentransitorio, esto es, al conectar o desconec-tar un circuito con condensador, sucedenfenómenos eléctricos transitorios que inci-den sobre la d.d.p. en sus bornes.

Comportamiento en corriente alterna

En CA, un condensador ideal ofrece unaresistencia al paso de la corriente que reci-be el nombre de reactancia capacitiva, XC,cuyo valor viene dado por la inversa delproducto de la pulsación ( ) por lacapacidad, C:

La pulsación es 2πf, donde f es la fre-cuencia en Hz y la capacidad en faradios (F)la reactancia resultará en ohmios.

Asociación de condensadores

A. Asociación serie general.

B. Asociación paralelo general.

Al igual que la resistencias, los conden-sadores pueden asociarse en serie (figuraA), paralelo (figura B) o de forma mixta. Enestos casos, la capacidad equivalenteresulta ser para la asociación en serie:

1/Ctotal = 1/C1+1/C2 + 1/C3 +1/ C4+…+1/Cn

En la asociación en serie la capacidadtotal es inferior a cualquiera de las que inte-gran la serie.

Para la asociación en paralelo:

C total = C1 + C2 +C3 +C4 +…+Cn

En la asociación en paralelo la capaci-dad total es superior a cualquiera de las seasocian.

Para la asociación mixta se procederáde forma análoga que con las resistencias.

Aplicaciones típicas

Los condensadores suelen usarse para:

• Como acumuladores, por su cualidad dealmacenar energía.

• Como memorias, por la misma singulari-dad.


La explicación:

Al asociarlos de esta forma entrela primera placa y la última se haintercalado un gran espacio (elintegrado por los condensadoresintercalados).

En este caso se crea un conden-sador de gran superficie (la detodos los integrantes de la asocia-ción) y hemos visto que la capaci-dad es proporcional a la superficiede las placas.


• Para la adaptación de impedancias,haciéndoles resonar a una frecuenciadada con otros componentes.

• Demodular AM, junto con un diodo, eneste caso actúa como diodo detector yaquí nos permitimos un esquema de unaradio muy sencilla de fabricar:

Para aplicaciones de descarga rápida,como un flash, en donde el condensadorse tiene que descargar a gran velocidadpara generar la luz necesaria (algo quehace muy fácilmente cuando se leconecta en paralelo un medio de bajaresistencia).

• Como Filtro, un condensador de granvalor se utiliza para eliminar el "rizado"que se genera en el proceso de conver-sión de corriente alterna en corrientecontinua, que después veremos.

• Para aislar etapas o áreas de un circuito(se conoce esta facultad como desaco-plo y la inversa es acoplo):

Un condensador se comporta (ideal-mente) como un cortocircuito para laseñal alterna y como un circuito abiertopara señales de corriente continua, etc.

Condensadores variables

Un condensador variable es aquel en elcual se pueda cambiar el valor de su capa-cidad. En el caso de un condensador plano,la capacidad puede expresarse por lasiguiente ecuación:

EE 0 : Constante dieléctrica del vacío.

EE 0 : Constante dieléctrica o permitividadrelativa del material dieléctrico

entre las placas.

A: El área efectiva de las placas.

d: Distancia entre las placas o espesor del dieléctrico.

Para conseguir un condensador variablehay que hacer que por lo menos una de lastres últimas expresiones cambie de valor.

De este modo, se puede tener un con-densador en el que una de las placas seamóvil, por lo tanto varía d y la capacidaddependerá de ese desplazamiento, lo cualpodría se utilizado, por ejemplo, como sen-sor de desplazamiento.

Otro tipo de condensador variable sepresenta en los diodos varicap, que loscomentaremos en el capitulo dedicado alos diodos.

Condensadores electrolíticos axiales.

Condensadores electrolíticos de tantalio.

Condensadores de poliéster.

Condensadores cerámicos, "chip" y de "disco".

Condensadores


Ad

C = EE 0 EE 0


Condensadores

Tipos de condensador

• Condensador de aire. Se trata de con-densadores, normalmente de placasparalelas, con dieléctrico de aire yencapsulados en vidrio. Como la perme-abilidad eléctrica es la unidad, sólo per-mite valores de capacidad muy peque-ños. Se utilizaron en radio y radar, puescarecen de pérdidas y polarización en eldieléctrico, funcionando bien a frecuen-cias elevadas.

• Condensador de mica. La mica poseevarias propiedades que la hacen ade-cuada para dieléctrico de condensado-res: Bajas pérdidas, exfoliación en lámi-nas finas, soporta altas temperaturas yno se degrada por oxidación o con lahumedad. Sobre una cara de la láminade mica se deposita aluminio, que formauna armadura. Se apilan varias de estasláminas, soldando los extremos alterna-tivamente a cada uno de los terminales.Estos condensadores funcionan bien enaltas frecuencias y soportan tensioneselevadas, pero son caros y se ven gra-dualmente sustituidos por otros tipos.

• Condensadores de papel. El dieléctricoes papel parafinado, baquelizado osometido a algún otro tratamiento quereduce su higroscopía aumenta el aisla-miento. Se apilan dos cintas de papel,una de aluminio, otras dos de papel yotra de aluminio y se enrollan en espiral.Las cintas de aluminio constituyen lasdos armaduras, que se conectan a sen-dos terminales. Se suelen utilizar doscintas de papel para evitar los poros quepueden presentar.

• Condensadores autoregenerables. Loscondensadores de papel tienen aplica-ciones en ambientes industriales. Loscondensadores autoregenerables soncondensadores de papel, pero la arma-dura se realiza depositando aluminiosobre el papel. Ante una situación desobrecarga que supere la rigidez dieléc-trica del dieléctrico, el papel se rompe enalgún punto, produciéndose un cortocir-cuito entre las armaduras, pero estecorto provoca una alta densidad decorriente por las armaduras en la zonade la rotura. Esta corriente funde la finacapa de aluminio que rodea al cortocir-cuito, restableciendo el aislamiento entrelas armaduras.

• Condensador electrolítico. El dieléctri-co es una disolución electrolítica queocupa una cuba electrolítica. Con la ten-sión adecuada, el electrolito depositauna capa aislante muy fina sobre lacuba, que actúa como una armadura y elelectrolito como la otra. Consigue capa-cidades muy elevadas, pero tienen unapolaridad determinada, por lo que noson adecuados para funcionar concorriente alterna. La polarización inversadestruye el óxido, produciendo unacorriente en el electrolito que aumenta latemperatura, pudiendo hacer arder oestallar el condensador. Existen devarios tipos:

• Condensador de tantalio (tántalos). Esotro condensador electrolítico, peroemplea tantalio en lugar de aluminio.Consigue corrientes de pérdidas bajas,mucho menores que en los condensado-res de aluminio. Suelen tener mejor rela-ción capacidad/volumen, pero arden encaso de que se polaricen inversamente.

• Condensador de poliéster. Está forma-do por láminas delgadas de poliéstersobre las que se deposita aluminio, queforma las armaduras. Se apilan estasláminas y se conectan por los extremos.Del mismo modo, también se encuen-tran condensadores de policarbonato ypolipropileno.



• Condensador Styroflex. Otro tipo decondensadores de plástico, muy utiliza-do en radio, por responder bien en altasfrecuencias y ser uno de los primerostipos de condensador de plástico.Suelen llegar hasta 1000 pF, con un 5%de tolerancia.

• Condensador cerámico. Utiliza cerámi-cas de varios tipos para formar el dieléc-trico. Existen tipos formados por unasola lámina de dieléctrico, pero tambiénlos hay formados por láminas apiladas.Dependiendo del tipo, funcionan a dis-tintas frecuencias, llegando hasta lasmicroondas.

• Condensador variable. Este tipo decondensador tiene una armadura móvilque gira en torno a un eje, permitiendoque se introduzca más o menos dentrode la otra. El perfil de la armadura sueleser tal que la variación de capacidad esproporcional al logaritmo del ángulo quegira el eje.

• Condensador de ajuste. Son tiposespeciales de condensadores variables.Las armaduras son semicirculares,pudiendo girar una de ellas en torno alcentro, variando así la capacidad. Otrotipo se basa en acercar las armaduras,mediante un tornillo que las aprieta.

Código de colores de los condensadores

Hemos visto que algunos tipos de con-densadores llevan sus datos impresoscodificados con unas bandas de color. Estaforma de codificación es muy similar a laempleada en las resistencias, en este casosabiendo que el valor queda expresado enpicofaradios (pF). Las bandas de color soncomo se observa en esta figura:

En el condensador de la izquierda apare-cen los siguientes datos:

Verde-azul-naranja = 56000 pF = 56 nF(recordemos que el "56000" está expresadoen pF).

El color negro indica una tolerancia del20%, tal como veremos en la tabla de abajoy el color rojo indica una tensión máxima detrabajo de 250v.

En el de la derecha vemos:

Amarillo-violeta-rojo = 4700 pF = 4.7 nF.En los de este tipo no suele aparecer infor-mación acerca de la tensión ni la tolerancia.

Condensadores


COLORES Banda 1 Banda 2 Multiplicador Tensión

Negro -- 0 x 1

Marrón 1 1 x 10 100 V.

Rojo 2 2 x 100 250 V.

Naranja 3 3 x 1000

Amarillo 4 4 x 104 400 V.

Verde 5 5 x 105

Azul 6 6 x 106 630 V.

Violeta 7 7

Gris 8 8

Blanco 9 9

Código de colores en los condensadores


Condensadores

Codificación mediante letras

Este es otro sistema de inscripción delvalor de los condensadores sobre su cuer-po. En lugar de pintar unas bandas de colorse recurre también a la escritura de diferen-tes códigos mediante letras impresas.

A veces aparece impresa en los conden-sadores la letra "K" a continuación de lasletras; en este caso no se traduce por"kilo", o sea, 1000 sino que significa cerá-mico si se halla en un condensador de tuboo disco.

Si el componente es un condensador dedieléctrico plástico (en forma de paralelepí-pedo), "K" significa tolerancia del 10%sobre el valor de la capacidad, en tanto que"M" corresponde a tolerancia del 20% y"J", tolerancia del 5%.

LETRA Tolerancia

"M" +/- 20%

"K" +/- 10%

"J" +/- 5%

Detrás de estas letras figura la tensiónde trabajo y delante de las mismas el valorde la capacidad indicado con cifras. Paraexpresar este valor se puede recurrir a lacolocación de un punto entre las cifras (convalor cero), refiriéndose en este caso a launidad microfaradio (µF) o bien al empleodel prefijo "n" (nanofaradio = 1000 pF).

Ejemplo: un condensador marcado con 0,047J 630 tiene un valor de 47000 pF = 47 nF, tole-rancia del 5% sobre dicho valor y tensiónmáxima de trabajo de 630 v. También sepodría haber marcado de las siguientes mane-ras: 4,7n J 630, o 4n7 J 630.

Código "101" de los condensadores

Por último, vamos a mencionar el código101 utilizado en los condensadores cerámi-cos como alternativa al código de colores.De acuerdo con este sistema se imprimen 3cifras, dos de ellas son las significativas y laúltima de ellas indica el número de ceros quese deben añadir a las precedentes. El resul-tado debe expresarse siempre en picofara-dios pF.

Así, 561 significa 560 pF, 564 significa560000 pF = 560 nF, y en el ejemplo de lafigura de la derecha, 403 significa 40000 pF= 40 nF.


COLORES Tolerancia (C > 10 pF) Tolerancia (C < 10 pF)

Negro +/- 20% +/- 1 pF

Blanco +/- 10% +/- 1 pF

Verde +/- 5% +/- 0.5 pF

Rojo +/- 2% +/- 0.25 pF

Marrón +/- 1% +/- 0.1 pF

Código de colores en los condensadores

VEAMOS ALGUNOS EJEM-PLOS DE IDENTIFICACIÓNDE CONDENSADORES.


Condensadores


0,047 J 630C=47 nF 5%V=630

0,068 J 250C =68 nF 5%V =250 V. V.

22JC =22 pF 5%

10K +/-10% 400 VC =10 nF 10%V =400 V

amarillo-violeta-naranja-negroC =47 nF 20%

n47 J

C =470 pF 5%

verde-azul-naranja-negro-rojoC =56 nF 20%V =250 V.

22K 250 VC=22 nFV=250 V.

330K 250VC =0.33 µFV =250 V.

0,1 J 250C =0.1 µF 5%V =250 V.

µ1 250C =0.1 µFV =250 V.

n15 KC =150 pF 10%

azul-gris-rojo y marrón-negro-naranjaC1=8.2 nFC2=10 nF

amarillo-violeta-rojo

C =4.7 nF

403C=40 nF

47pC =47 pF

2200C =2.2 nF

3300/10 400 VC =3.3 nF 10%V =400 V.

0.2 µF 50VC =20 nF V =50 V.

amarillo-violeta-marrónrojo-negro-marrón y amarillo-violeta-marrónC1=4.7 nFC2=200 pFC3=470 pF

Identificación de condensadores.


VAMOS A HABLAR DE LINTERNAS

No por capricho, sino porque nos servi-rá para fijar todo lo comentado hasta aquí.

Describiremos una, recientemente apa-recida en el mercado, y que se vende encasi todas las gasolineras, por lo menos enlas situadas en Aragón y Navarra.

Tiene el aspecto que aparece en la foto-grafía y se carga…¡agitándola!

30 segundos de movimiento alternativonos proporcionarán varios minutos de unaluminosidad curiosa porque no parece muyintensa a la luz del sol, pero no nos enga-ñemos, porque de noche puede verse a unkilómetro.

¿Cómo funciona?

En su cuerpo transparente se apreciauna bobina, destacándose el color caracte-rístico del cobre del bobinado (Fig. 1).

A la izquierda se observa un cilindro unpoco más oscuro que es un potente imán,que es el se desplaza al agitarla y, al pasaralternativamente de un lado a otro (llevaunos topes de goma, para que no se dañe)a través de la bobina, genera en esta unatensión alterna, que no sabemos quéaspecto tiene pero imaginamos que puedeser sinusoidal.

Lo más sorprendente es que el disposi-tivo que se carga es un condensador quetiene un valor de:

0,33 F5,5 V

¡Curioso!

Porque hablamos ahora de faradios.

En la foto 2 se aprecia cómo es.

La fuente de luz es un potente Led.

Cómo sabremos (el las páginas dedica-das a este semiconductor) el diodo Ledestá polarizado, por lo tanto debe existir unrectificador.

En la foto 3 se aprecia un puente rectifi-cador (que más adelante se describe) paraeste menester.


1

2

3


Los componentes activos que se estu-diarán en los siguientes apartados son eldiodo de unión PN, el transistor bipolar, y eltransistor MOS, entre otros.

Todos ellos se fabrican con materialessemiconductores, por lo que es impres-cindible iniciar su estudio con una brevedescripción de las principales característi-cas de la conducción eléctrica en dichosmateriales.

Sabemos que en la naturaleza existenmateriales conductores y aislantes, debidoa que la estructura de los mismos difierenotablemente de unos a otros, porque notodos los cuerpos permiten el paso de lacorriente eléctrica con la misma facilidad.

A los que menor oposición presentan seles denomina materiales conductores.

Entre ellos, destacan el oro y la plata, perosu elevado precio hace que sólo se empleenen aparatos electrónicos de precisión.

Los materiales comúnmente empleadosson el cobre y el aluminio.

Son peores conductores pero muchísi-mo más económicos.

Un buen conductor tiene una estructuraatómica del estilo de la siguiente, pertene-ciente al cobre:

¿Cómo es la materia?

Actualmente sabemos que la materia seencuentra compuesta de átomos.

Estos átomos poseen una determinadaestructura, como se puede observar en laimagen.

En el núcleo se encuentran los protonesy neutrones.

Los protones poseen carga eléctricapositiva, mientras que los neutrones no tie-nen carga.

De estos últimos no vamos a hablar, por-que no es la intención de este trabajo.

En la corteza se encuentran los electro-nes, orbitando en torno al núcleo y poseencarga eléctrica igual a la de los protonespero de signo negativo.

Es destacable la capa de valencia quedetermina las propiedades químicas de uncuerpo.

Los átomos de los distintos elementosse diferencian en el número de las partícu-las que contienen, y por ello se utiliza paradescribir su estructura el concepto de:

Nº Atómico y Nº Másico

El nº atómico es el nº de protones quehay en el núcleo de dicho átomo.

El nº másico es la suma de protones yneutrones que contiene el núcleo delátomo.

Estructura de la materia y el diodo semiconductor


ESTRUCTURA DE LA MATERIA Y EL DIODO SEMICONDUCTOR

e- de valencia

órbita de valencia

e- = electrón



Debido a la neutralidad eléctrica delátomo, el nº atómico también nos indicaráel nº de electrones que se encuentran en lacorteza.

Por último, un átomo puede perder oganar electrones, transformándose en unión (especie química con carga eléctrica).

Si el átomo pierde electrones se convier-te en un ión positivo: catión.

Si el átomo gana electrones se convierteen un ión negativo: anión.

Niveles de energía

En un átomo, los electrones están giran-do alrededor del núcleo formando capas.

En cada una de ellas, la energía queposee el electrón es distinta.

En efecto, ya que en las capas muy pró-ximas al núcleo la fuerza de atracción entreéste y los electrones es muy fuerte, por loque estarán fuertemente ligados.

Ocurre lo contrario en las capas alejadas,en las que los electrones se encuentrandébilmente ligados, por lo que resultará másfácil realizar intercambios electrónicos en lasúltimas capas.

El hecho claro, de que los electrones deun átomo tengan diferentes niveles de ener-gía, nos lleva a clasificarlos por el nivelenergético (o banda energética) en el quese encuentra cada uno de ellos.

Las energías las representaremos gráfi-camente de esta manera:

Los niveles que nos interesan a nosotrospara entender mejor el comportamiento delátomo son los que demarcan:

La Banda de Valencia y la Banda deConducción.

a) La Banda de Valencia es un nivel deenergía en el que se realizan las combina-ciones químicas.

Los electrones situados en ella puedentransferirse de un átomo a otro, formandoiones que se atraerán debido a su diferentecarga, o serán compartidos por varios áto-mos, formando moléculas.

Ponemos un ejemplo de dos elementosquímicos muy conocidos por todos:

El átomo de Sodio (Na) tiene 11 electro-nes, 2 en la primera capa, 8 en la segunday 1 en la tercera, y el Cloro (Cl) tiene 17electrones, 2 en la primera, 8 en la segunday 7 en la tercera.

Debido a que todos los átomos tiendena tener 8 electrones en la última capa (regladel octete):

El Sodio cederá 1 electrón al Cloro conlo que el primero se quedará con 8 electro-nes en su ahora última capa, en cambio elCloro aceptará ese electrón pasando suúltima capa de tener 7 electrones a 8.

Por lo tanto el átomo de Sodio que haperdido un electrón se ha transformado enun ión positivo:

Na -> Na+

Y el Cloro que lo ha ganado se transfor-ma en un ión negativo:

Cl -> Cl-


Borde del núcleo

Átomo de Sodio (Na) Ión Sodio (Na+)

Átomo de Cloro (Cl) Ión Cloruro (Cl-)


Ambos se atraerán y formarán la molé-cula de Cloruro Sódico o Sal común (Cl Na).

b) La Banda de Conducción es un nivelde energía en el cual los electrones estánaún más desligados del núcleo, de tal formaque, en cierto modo, todos los electrones(pertenecientes a esa banda) están com-partidos por todos los átomos del sólido, ypueden desplazarse por este formando unanube electrónica.

Cuando un electrón situado en la bandade valencia se le comunica exteriormenteenergía, bien sea eléctricamente, por tem-peratura, luz, etc. puede (al ganar energía)saltar a la banda de conducción, quedandoen situación de poder desplazarse por elsólido.

Teoría de las bandas de energía

En un átomo aislado los electrones pue-den ocupar determinados niveles energéti-cos pero cuando los átomos se unen paraformar un cristal, las interacciones entreellos modifican su energía, de tal maneraque cada nivel inicial se desdobla en nume-rosos niveles, que constituyen una banda,existiendo entre ellas espacios, llamadosbandas energéticas prohibidas, que sólopueden salvar los electrones en caso deque se les comunique la energía suficiente.(Ver figura).

En los aislantes la banda inferior, menosenergética (banda de valencia) está com-pleta con los e- más internos de los áto-mos, pero la superior (banda de conduc-ción) está vacía y separada por una bandaprohibida muy ancha (~ 10 eV), imposiblede atravesar por un e-. En el caso de los

conductores las bandas de conducción yde valencia se encuentran superpuestas,por lo que cualquier aporte de energía essuficiente para producir un desplazamientode los electrones.

Entre ambos casos se encuentran lossemiconductores, cuya estructura de ban-das es muy semejante a los aislantes, perocon la diferencia de que la anchura de labanda prohibida es bastante pequeña.

Los semiconductores son, por lo tanto,aislantes en condiciones normales, pero unaelevación de temperatura proporciona lasuficiente energía a los electrones para que,saltando la banda prohibida, pasen a la deconducción, dejando en la banda de valen-cia el hueco correspondiente. (Ver figura).

¿Qué es un electrón voltio (eV)?

El electrón-voltio (eV) es la energíaadquirida por una unidad de carga (electró-nica) al ser acelerada a través de un poten-cial de un voltio y es igual a:

1 eV = 1.602 X 10-12 ergios

El electrón-voltio se usa para expresar laenergía atómica y nuclear.

En el caso de los diodos Led los electro-nes consiguen saltar fuera de la estructuraen forma de radiación que percibimoscomo luz (fotones) (ver figura).



a) Aislante b) Conductor c) Semiconductor

1 átomo de Silicio.



Estructura cristalina de los conductores

Los semiconductores son materialesque ocupan una posición intermedia entrelos aislantes y los conductores.

Los primeros poseen muy pocos electro-nes móviles y, en consecuencia, presentanuna resistencia muy alta al paso de lacorriente (idealmente una resistencia infinita).

La resistencia eléctrica que presentanlos segundos es muy baja (idealmente cero)debido a su riqueza en dichas cargas.

Los semiconductores suelen ser aislan-tes a cero grados Kelvin, y permiten el pasode corriente a la temperatura ambiente.

Esta capacidad de conducir corrientepuede ser controlada mediante la introduc-ción en el material de átomos diferentes al delsemiconductor, denominados impurezas.

Cuando un semiconductor posee impu-rezas se dice que está dopado.

El material semiconductor más utilizadoen la tecnología actual es el silicio (Si).

El germanio también se utiliza para apli-caciones muy concretas como puede seren los hornos microondas.

También se utilizan para aplicacionesespeciales (optoelectrónica, conmutación amuy alta velocidad,...) otros semiconducto-res, denominados binarios, por estar cons-tituidos por dos cuerpos simples, como elarseniuro de galio (AsGa), y otros, comoantimoniuro de indio y fosfuro de indio.

Teoría y tecnología de dispositivos semi-conductores

Debido a la utilización destacada del sili-cio, lo consideraremos a partir de ahoracomo el semiconductor de referencia.

Según el grado de ordenación de susátomos, los sólidos se clasifican en:

• Amorfos: cuando no hay ninguna orde-nación.

• Monocristalinos: si todos sus átomosestán perfectamente ordenados.

• Policristalinos: cuando el sólido estáformado por una agrupación de mono-cristales.

Los dispositivos electrónicos que estu-diaremos en este capítulo se fabrican nor-malmente en un semiconductor monocris-talino.

Estructura cristalina del silicio

El átomo de silicio posee catorce elec-trones:

De éstos, los cuatro más alejados delnúcleo son los electrones de valencia queparticipan en los enlaces con otros átomosy son los que determinan las propiedadesquímicas de un cuerpo.

El silicio presenta, por tanto, un átomotetravalente.

El silicio que se utiliza para fabricar dis-positivos electrónicos es un monocristalcuya estructura cristalina se denominacúbica (ver figura).

Cada átomo de silicio está unido a otroscuatro mediante enlaces covalentes.

Un enlace covalente se forma entre dosátomos que comparten dos electrones.


Átomo de germanio aislado Átomo de silicio aislado


Cada uno de los electrones del enlace esaportado por un átomo diferente.

Tal como se indica en la figura, la célulabásica del cristal es un cubo de 5,43Ángstrom de arista.

Ángstrom: Unidad de medida equivalen-te a la diez mil millonésima parte del metro,0.000, 000, 000,1 metros, cuyo símbolo esÅ, utilizada principalmente para indicar laslongitudes de onda de la luz visible.

En un centímetro caben 10 millones deángstrom:

1 Ángstrom = 1 Å = 10–10 m

Resulta muy engorroso trabajar con larepresentación cristalina tridimensional quese ha descrito.

Por ello suele recurrirse a un esquemabidimensional, denominado modelo deenlaces, en el que se representa la caracte-rística esencial de la estructura cristalina:cada átomo está unido a cuatro átomosvecinos mediante enlaces covalentes.

En este modelo cada átomo dedica suscuatro electrones de valencia a constituircuatro enlaces covalentes.

Modelo bidimensional de enlaces para el silicio.

Los círculos grandes representan elnúcleo y los electrones internos.

Nótese que la carga total de cada átomoes nula, ya que la carga "+4" es neutraliza-da por los cuatro electrones de valenciaque completan la envoltura electrónica.

El enlace entre dos átomos está consti-tuido por un enlace covalente, formado pordos electrones de valencia que son com-partidos por los dos átomos.

Cada electrón del enlace es aportadopor uno de los átomos

Otra forma de representar lo comentadoes la siguiente:

Cada átomo de silicio comparte sus 4electrones de valencia con los átomos veci-nos, de manera que tiene 8 electrones en laórbita de valencia, como se ve en la figura.

La fuerza del enlace covalente es tangrande porque son 8 los electrones que que-dan (aunque sean compartidos) con cadaátomo, gracias a esta característica los enla-ces covalentes son de una gran solidez.

Los 8 electrones de valencia se llamanelectrones ligados por estar fuertementeunidos en los átomos.

El aumento de la temperatura hace quelos átomos en un cristal de silicio vibrendentro de él, a mayor temperatura mayorserá la vibración.

Con lo que un electrón se puede liberarde su órbita, lo que deja un hueco, que a suvez atraerá otro electrón, etc.



Realmente los átomos externos serían así:



Dopado de un semiconductor

Para aumentar la conductividad, se sueledopar o añadir átomos de impurezas a unsemiconductor intrínseco, por lo que se con-vierte en un semiconductor extrínseco.

a) 1ª posibilidad:

Incorporamos impurezas de valencia 5(Arsénico, Antimonio, Fósforo).

Obtenemos un cristal de Silicio dopadocon átomos de valencia 5.

Los átomos de valencia 5 tienen un elec-trón de más, así con una temperatura nomuy elevada (a temperatura ambiente porejemplo), el 5º electrón se vuelve electrónlibre.

Siguen dándose las reacciones anterio-res.

Si introducimos 1000 átomos de impure-zas tendremos 1000 electrones más los quese hagan libres por generación térmica(muy pocos).

A estas impurezas se les llama"Impurezas Donadoras". El número deelectrones libres se llama n (electroneslibres/m3).

b) 2ª posibilidad:

Incorporamos impurezas de valencia 3(Aluminio, Boro, Galio).

Conseguimos un cristal de Silicio dopa-do con átomos de valencia 3.

Los átomos de valencia 3 tienen un elec-trón de menos y al faltarnos un electrón seforma un hueco (una ausencia).

Observemos cómo ese átomo trivalentetiene 7 electrones en la orbita de valencia.

Al átomo de valencia 3 se le llama"átomo trivalente" o "Aceptador".

A estas impurezas se les llama"Impurezas Aceptadoras".

Hay tantos huecos como impurezas devalencia 3 y sigue habiendo huecos degeneración térmica (muy pocos).

El número de huecos se llama p (hue-cos/m3).


Sólo puede haber 8 electrones enla órbita de valencia por eso, elátomo pentavalente suelta unelectrón que estará libre.




RESUMEN

Semiconductores extrínsecos:

Son los semiconductores que están dopados, esto es, que tienen impurezas. Hay dos tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:

Semiconductor tipo n

Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pen-tavalentes.

Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, recibenel nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se lesdenomina "portadores minoritarios".

Semiconductor tipo:

Es el que está impurificado con impurezas "Aceptadoras", que son impurezas tri-valentes.

Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecosson los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.




PROCEDIMIENTO PARA OBTENER SILICIO MONOCRISTALINO

• Se coloca el Si policristalino en el crisol y el horno se calienta hasta fundirlo.

• Se añaden impurezas del tipo necesario para formar un semiconductor tipo N(Fósforo, Arsénico, Antimonio) o P (Boro, Aluminio, Galio) con el dopado dese-ado.

• Se introduce la semilla en el fundido (muestra pequeña del cristal que se quie-re crecer).

• Se levanta lentamente la semilla (se gira la semilla en un sentido y el crisol enel contrario).

• El progresivo enfriamiento en la interface sólido-líquido proporciona un Simonocristalino con la misma orintación cristalina que la semilla pero de mayordiámetro.


Vamos a estudiar en esta ocasión un dis-positivo muy utilizado y a la vez poco cono-cido. Se trata del diodo semiconductor.

Su antepasado es la válvula de dos elec-trodos, que como ya dijimos debe su naci-miento a Edison.

No vamos a insistir en ella porque perte-nece al pasado.

En este momento podemos dar con ellaen un museo.

El diodo es el dispositivo semiconductormás sencillo.

Si unimos un semiconductor tipo "P"con uno tipo "N", obtendremos un"DIODO".

Polarización directa y polarización inver-sa de un diodo rectificador

A. Polarización direc-ta. El positivo de labatería va al ánodo y elnegativo al cátodo. Eldiodo conduce mante-niendo en sus extremosuna caída de tensión de0.7 voltios.

B. Polarización inver-sa. El positivo de labatería va al cátodo y elnegativo al ánodo. Eldiodo no conduce. Todala tensión cae en él.

Puede existir una pequeña corriente defuga del orden de microamperios.

Existen los siguientes tipos de Diodos.

Diodo rectificador

Estos diodos tienen su principal aplica-ción en la conversión de corriente alternaAC, en corriente continua DC.

A significa Ánodo (+) y la K significaCátodo (-). En la imagen de su aspecto físi-co observamos una franja blanca, estarepresenta al cátodo.

Puente rectificador

Debido al gran consumo a nivel mundialde diodos que más tarde son empleados enmontajes puente, los fabricantes decidie-ron, en un determinado momento, realizarellos mismos esta disposición, uniendo enfábrica los cuatro diodos y cubriéndoloscon un encapsulado común.

Esto dio lugar a la aparición de diversosmodelos de puentes de diodos con diferen-tes intensidades máximas de corriente y,por lo tanto, con disipaciones de potenciamás o menos elevadas, en la misma formaque los diodos simples.

En los tipos de mayor disipación, la cáp-sula del puente es metálica y está prepara-da para ser montada sobre un radiador.

Se conoce también con el nombre dePUENTE DE GRAETZ.

Los diodos


LOS DIODOS

Símbolo Aspecto físico



Los diodos

Observamos en el símbolo dos terminalesde entrada de corriente alterna y dos desalida de corriente continua.

Los terminales del puente rectificadorpueden cambiar, dependiendo del fabrican-te. Vemos que pueden tener distintosaspectos, que dependen sobre todo de lapotencia que sea necesaria en el circuito alque van destinados.

Aplicaciones

Se utilizan en fuentes de alimentaciónconectados a la salida de un transformadorpara poder obtener en su salida, indicadapor las patillas + y -, una corriente continua.

Diodo de Germanio

Este tipo de diodo se utiliza para ladetección de pequeñas señales, o señalesdébiles, por lo que trabaja con pequeñascorrientes.

La tensión Umbral, o tensión a partir dela cual el diodo, polarizado directamente,comienza a conducir, suele ser inferior a ladel diodo rectificador.

O sea, la tensión umbral es aproximada-mente 0,3 voltios.

El material semiconductor suele ser elGermanio.

Aplicaciones

Se emplean, sobre todo el la detecciónde señales de Radio Frecuencia (RF).

Se utilizan en etapas moduladoras,demoduladoras, mezcla y limitación deseñales.

Este diodo tiene aplicaciones en circui-tos donde utilizan frecuencias muy altascomo VHF, UHF y circuitos de microondas.

Diodo PIN

El diodo PIN es un diodo que presentauna región P fuertemente dopada y otraregión N también fuertemente dopada,separadas por una región de material quees casi intrínseco.

Este tipo de diodos se utiliza en frecuen-cias de microondas, es decir, frecuenciasque exceden de 1 GHz, puesto que inclusoen estas frecuencias el diodo tiene unaimpedancia muy alta cuando está inversa-mente polarizado y muy baja cuando estapolarizado en sentido directo.

Además, las tensiones de ruptura estáncomprendidas en el margen de 100 a 1000 V.

En virtud de las características del diodoPIN se le puede utilizar como interruptor ocomo modulador de amplitud en frecuen-cias de microondas ya que para todos lospropósitos se le puede presentar como uncortocircuito en sentido directo y como uncircuito abierto en sentido inverso.

También se le puede utilizar para con-mutar corrientes muy intensas y/o tensio-nes muy grandes.

Diodo Schottky

El diodo Schottky es un tipo de diodocuya construcción se basa en la uniónmetal conductor.

Fue desarrollado por la Hewlett-Packarden USA, a principios de la década de los 70.

La conexión se establece entre un metaly un material semiconductor con gran con-centración de impurezas, de forma que soloexistirá un movimiento de electrones, ya





que son los únicos portadores mayoritariosen ambos materiales.

Al igual que el de germanio, y por lamisma razón, la tensión de umbral cuandoalcanza la conducción es de 0,2 a 0,3V.

Igualmente tienen una respuesta notablea altas frecuencias, encontrando en estecampo sus aplicaciones más frecuentes.

Un inconveniente de esto tipo de diodosse refiere a la poca intensidad que es capazde soportar entre sus extremos.

Diodo Túnel

En 1958, el físico japonés Esaki, descu-brió que los diodos semiconductores obte-nidos con un grado de contaminación delmaterial básico mucho más elevado que lohabitual exhiben una característica tensión-corriente muy particular.

La corriente comienza por aumentar demodo casi proporcional a la tensión aplica-da hasta alcanzar un valor máximo, deno-minado corriente de cresta.

A partir de este punto, si se sigue aumen-tando la tensión aplicada, la corrientecomienza a disminuir y lo sigue haciendohasta alcanzar un mínimo, llamado corrientede valle, desde el cual de nuevo aumenta.

Pero el nuevo crecimiento de la corrien-te es al principio lento, y luego se hace cadavez más rápido hasta llegar a destruir eldiodo si no se lo limita de alguna manera.

Este comportamiento particular de losdiodos muy contaminados se debe a lo quelos físicos denominan efecto túnel.

Para las aplicaciones prácticas del diodotúnel, la parte mas interesante de su curvacaracterística es la comprendida entre lacresta y el valle.

En esta parte de la curva a un aumentode la tensión aplicada corresponde una dis-minución de la corriente.

En otros términos, la relación entre unincremento de la tensión y el incrementoresultante de la corriente es negativa y sedice entonces que esta parte de la curvarepresenta una "resistencia incrementalnegativa".

Una resistencia negativa puede com-pensar total o parcialmente una resistenciapositiva. Así, por ejemplo, las pérdidas quese producen en un circuito resonante acausa de la presencia siempre inevitable decierta resistencia en él se compensa aso-ciando al circuito una resistencia negativade valor numérico conveniente y realizada,por ejemplo, mediante un diodo túnel.

En tal caso el circuito oscilante se trans-forma en un oscilador.

Un símil mecánico puede ayudarnos acomprender lo expuesto.

Imaginemos un pulsador que enciendela luz mientras está pulsado y la apagacuando está suelto.

Al principio se empieza a hacer presiónen el pulsador y éste se va desplazando len-tamente, sin que se encienda la luz, hastaque llega un momento en que su mecanismose dispara, y avanza repentinamente sinesfuerzo (zona de resistencia negativa deldiodo túnel) y la luz se enciende.

Si soltamos lentamente, al principio la luzsigue encendida hasta que llega un momen-to en que cambia de estado y se apaga.

La gracia del diodo túnel es que esaconmutación entre los dos estados se pro-duce rapidísimamente y por eso una ondasenoidal se convierte en una onda cuadra-da muy abrupta.

Un diodo túnel corriente conmuta en600ps mientras que un túnel rápido lo haceen menos de 20 ps.

Los diodos


Símbolo Curva característica

Símbolo Curva característica


Los diodos


Diodo Zener

El diodo Zener sirve para regular o esta-bilizar el voltaje en un circuito.

Esto quiere decir que tiene la propiedadde mantener en sus extremos una tensiónconstante gracias a que aumenta la corrien-te que circula por el.

El funcionamiento de este diodo, a gran-des rasgos es la siguiente:

En la zona directa lo podemos conside-rar como un generador de tensión continua(tensión de codo).

En la zona de ruptura, entre la tensión decodo y la tensión Zener (Vz nom) lo podemosconsiderar un circuito abierto.

Cuando trabaja en la zona de ruptura sepuede considerar como un generador detensión de valor Vf = -Vz.

El Zener se usa principalmente en laestabilidad de tensión trabajando en la zonade ruptura.

Podemos distinguir:

1. Vz nom: Tensión nominal del Zener (tensiónen cuyo entorno trabaja adecuadamenteel Zener).

2. Iz min: Mínima corriente inversa que tieneque atravesar al diodo a partir de la cualse garantiza el adecuado funcionamien-to en la zona de disrupción (Vz min).

3. Iz max: Máxima corriente inversa que puedeatravesar el diodo a partir de la cual eldispositivo se destruye (Vz max).

4. Pz: Potencia nominal que no debe sobre-pasar el componente.

Aproximadamente se corresponde conel producto de Vz nom y Iz max.

Cuando usamos un diodo Zener en uncircuito se deben tener en cuenta lassiguientes consideraciones (a partir de lashojas de características suministradas porel fabricante):

1. Para un correcto funcionamiento, por elZener debe circular una corriente inversamayor o igual a Iz min.

2. La corriente máxima en sentido inversoha de ser siempre menor que Iz max.

3. La potencia nominal Pz que puede disiparel Zener ha de ser mayor (del orden deldoble) que la máxima que este va asoportar en el circuito.

En el cuerpo del diodo suele venir indica-da la tensión a la que estabiliza, ejemplos:

5V1

Diodo Zener que estabiliza a 5,1 voltios.

6V2

Diodo Zener que estabiliza a 6,2 voltios.

Según el código de identificación euro-peo será:

Ejemplo: B Z Y 79 - C 15

• BZY79: Indica el tipo de diodo Zener.

• C: Indica la tolerancia, A = 1%, B = 2%,C = 5%, D = 10%, E = 15%

• 15: Indica que el Zener estabiliza a 15voltios

Circuito ejemplo:

El diodo Zener se utiliza en los circuitos,con polarización inversa, es decir positivoen el cátodo y negativo en el ánodo.


Curva característica de un Diodo Zener


Diodo Varicap

Este dispositivo se fabrica con la finali-dad de obtener un condensador electrónicocompuesto a base de semiconductores.

Se construyen buscando acentuar almáximo la propiedad que presente la uniónP-N de comportarse de una forma análogaa un condensador, cuando se la polarizainversamente.

La capacidad resultante es, además,variable con la tensión aplicada; lo cual per-mite disponer de una forma muy simple decondensadores variables, controlados poruna diferencia de potencial.

Se utiliza con polarización inversa.

Al aplicarle una tensión en sus extremosse almacena una carga eléctrica como enun condensador.

Cuanto mayor sea el voltaje aplicado,menor será la capacidad.

Aplicaciones

La aplicación mas importante es en lossintonizadores de canales, utilizados tantoen videos, como en los televisores actuales.

Las bandas que se pueden sintonizar son:

• BANDA I o VL. Canales bajos de VHFDE 47 A 68 MHZ

• BANDA III o VHF. Canales altos de VHFDE 174 A 230 MHZ

• BANDA V o UHF. Canales altosDE 470 A 854 MHZ

Fotodiodo

Es un dispositivo que tiene la propiedadde que estando polarizado directamente,conduce cuando recibe luz.

Aplicaciones

Se utiliza en televisores, videos, y equi-pos de música como sensor de los mandosa distancia que utilizan diodos emisores derayos infrarrojos.

Diodo Led

Es un diodo que realiza la función con-traria al fotodiodo.

Cuando se le aplica tensión, polarizadodirectamente, emite luz.

Se fabrica con un compuesto formadopor Galio, Arsénico y Fósforo.

El diodo LED presenta un comporta-miento análogo al diodo rectificador (diodosemiconductor p-n), sin embargo, su ten-sión de codo tiene un valor mayor, normal-mente entre 1.2-1.5 V.

Según el material y la tecnología defabricación estos diodos pueden emitir enel infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, ama-rillo y verde, dependiendo de cual sea lalongitud de onda en torno a la cual emitael LED.

La zona plana, donde comienza una delas patillas, indica el cátodo y además unade las patillas es más larga que la otra.

Los diodos


Símbolo

Símbolo



Los diodos

Aplicaciones

Se emplean, en aparatos electrónicoscomo indicadores luminosos, por ejemplo:televisores, videos, mandos, etc.

Los diferentes colores dependen delmaterial con que hayan sido fabricados,teniendo cada uno de ellos las siguientescaracterísticas:

LONGITUD DE ONDA VOLTAJEen mm en voltios

565 VERDE 2,2 - 3,0

590 AMARILLO 2,2 - 3,0

615 NARANJA 1,8 - 2,7

640 ROJO 1,6 - 2,0

690 ROJO 2,2 - 3,0

880 INFRARROJO 2,0 - 2,5



A los diodos hay que conectarles unaresistencia para limitar la intensidad y evitarsu destrucción.

La resistencia de limitación de la figurapuede calcularse a partir de la fórmula:

Si expresamos V en voltios e I en miliam-perios el valor de la resistencia vendrádirectamente expresado en KΩ.

También hay que tener en cuenta el calordisipado por en la resistencia, se calculapor la Ley de Joule.

Ejemplo

Supongamos que la tensión de alimen-tación es de 12 voltios y vamos a utilizar undiodo Led de 1,3 voltios por el que circula-rá una corriente de 5 mA.

La resistencia limitadora será:

Utilizaremos un resistencia normalizada(ver lista normalizada) de valor 2K2, conesta resistencia la intensidad real que circu-lará es de 4,86 mA. Valor lo más próximo alteórico.

El cálculo de la potencia lo vamos a rea-lizar con la Ley de joule con lo que resulta-do queda P = 0.055 W, es decir, 55 mW; portanto, basta con utilizar una resistencia de1/4 de vatio (250 mW) de 2K2 en serie conel diodo Led.

¿Cómo podemos conectar un diodoLed en corriente alterna?

Si queremos conectar un Led a un circui-to en alterna tendremos que tener en cuentaque en la corriente alterna existen tensionespositivas y negativas que se van alternadoen una duración que será la mitad de la fre-cuencia, este punto es importante debido aque los diodos tienen una tensión de funcio-namiento en polarización directa y otra en la


Inexplicablemente:

Resulta difícil distinguir, por purainspección visual, el modelo delLED así como el fabricante.

Tampoco se detallan los valoresmáximos de tensión y corrienteque puede soportar.

Por esto, cuando se utilice undiodo LED en un circuito, se reco-mienda que la intensidad que loatraviese no supere los 20 mA,precaución de carácter generalque resulta muy válida.

V - V led

IR =

12 - 1 ,35

R = = 2,14 KΩ


inversa y no debemos sobrepasarla para nodestruir la unión semiconductora.

Para ello tenemos dos opciones:

1ª Solución

Consiste en colocar un diodo en oposi-ción al Led, de forma que cuando no con-duzca el Led conduzca el diodo, y a lainversa, lo que supone una caída de tensiónde 0,7 voltios en el diodo, no superando los3 voltios de ruptura del Led.

Con esto evitamos la destrucción cuan-do está polarizado inversamente pero ten-dremos que limitar la tensión y eso lopodremos conseguir con una resistencia enserie que calcularemos con la fórmula queutilizamos en el apartado circuito básico encontinua.

La potencia podremos calcularla con laLey de Joule.

Vamos a realizar un pequeño ejemplopráctico:

Sea un diodo Led con una caída de ten-sión de 1,2 voltios y una intensidad máximade 10 mA, que se desea conectar a unatensión alterna de 230 voltios.

La potencia de

P1 = VR1 x Il1 = (230 -1,2) x 10 ≈ 3W

Un inconveniente de esta solución esque la resistencia será muy voluminosa altener una potencia considerable.

2ª Solución

Para evitar poner una resistencia de 3Wpodremos colocar un condensador que secomportará como una resistencia al estarfrente a una tensión alterna.

Al igual que en el circuito anterior ten-dremos que limitar la intensidad del circui-to, como ejemplo vamos a utilizar los datosanteriores.

En este caso Rs nos sirve para limitar laintensidad cuando el condensador estádescargado ya que se produciría un picoconsiderable que no soportaría el Led,como valor máximo de pico que puedesoportar el Led tenemos:

Ipico = 230 / 1 ≈ 230 mA

Por tanto el valor de la resistencia será:

VRS = 1K x 10 mA = 10V

RS = 1KΩ - 1/4 W

Para calcular el valor del condensadorse tendrá en cuenta que la tensión en elcondensador está desfasada 90º con res-pecto a la tensión en la resistencia y en eldiodo así que aplicando el Teorema dePitágoras tendremos que:

VC = 2302 - (VR + VLED)2 =

2302 - (11,2)2 ≈ 229,72 V

Siendo la intensidad del condensador:Ic = 10 mA.

Los diodos


230 - V dl1

Idl1

R =

230230 mA

RS =

230 - 1 ,210

R = ≈ 22 KΩ

= 1 KΩ


Los diodos

La resistencia capacitiva será:

Tomando un valor normalizado:Xc = 22 KΩ

La capacidad del condensador será:

Podemos ver que con esta soluciónreducimos el valor de la resistencia sustitu-yéndola por un condensador de 150 nF quetenga una tensión de trabajo de 400V al serlos 230 eficaces.

Como ventaja tenemos que no es tanvoluminoso y al haber sustituido la resisten-cia de 3W no tendremos una disipación decalor tan grande.

¿Se pueden utilizar los diodos para ilu-minar en serio?

Los diodos de color blanco están revolu-cionando la iluminación; realmente lo estánhaciendo también los azules, rojos y azules.

Se están consiguiendo unos niveles deeficacia luminosa muy altos lo que permiti-rá su utilización a gran escala, por rendi-miento, y duración.

Características técnicas del diodo

Curva característica del diodo

Imaginemos el circuito de la figura:

Si se van dando distintos valores a la pilay se miden las tensiones y corrientes por eldiodo, tanto en directa como en inversa(variando la polarización de la pila)…

Obtenemos una tabla que al ponerla deforma gráfica sale algo así:

Pero veamos qué ocurre a la izquierda,en la zona que el diodo aparentemente noconduce…

El funcionamiento de este diodo, a gran-des rasgos es la siguiente:

En la zona directa se puede considerarcomo un generador de tensión continua,tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y0.2-0.4 V para el germanio).

Cuando se polariza en inversa se puedeconsiderar como un circuito abierto.


229,7 V10 mA

XC = = 22,97 KΩ

12πf x XC

C = =1

100π x 22.103= 150 nF


Cuando se alcanza la tensión inversa deruptura (zona inversa) se produce unaumento drástico de la corriente que puedellegar a destruir al dispositivo.

Y la figura anterior se ha completado contodo lo que ocurre.

Como todos los componentes electróni-cos, los diodos poseen propiedades que lesdiferencia de los demás semiconductores.

Es necesario conocer estas, pues loslibros de características y las necesidadesde diseño así lo requieren.

A continuación vamos a ir viendo lascaracterísticas más importantes del diodo,que podemos agrupar de la siguienteforma:

1. Características estáticas:

Parámetros en bloqueo (polarizacióninversa).

Parámetros en conducción.

Modelo estático.

2. Características dinámicas:

Tiempo de recuperación inverso (trr).

Influencia del trr en la conmutación.

Tiempo de recuperación directo.

3. Potencias:

Potencia máxima disipable.

Potencia media disipada.

Potencia inversa de pico repetitivo.

Potencia inversa de pico no repetitivo.

4. Características térmicas.

5. Protección contra sobreintensidades.

1. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS

Parámetros en bloqueo

• Tensión inversa de pico de trabajo(VRWM): es la que puede ser soportadapor el dispositivo de forma continuada,sin peligro de entrar en ruptura por ava-lancha.

• Tensión inversa de pico repetitivo(VRRM): es la que puede ser soportadaen picos de 1 ms, repetidos cada 10 msde forma continuada.

• Tensión inversa de pico no repetitiva(VRSM): es aquella que puede ser sopor-tada una sola vez durante 10ms cada 10minutos o más.

• Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza,aunque sea una sola vez, durante 10 msel diodo puede destruirse o degradar lascaracterísticas del mismo.

• Tensión inversa continua (VR): es la ten-sión continua que soporta el diodo enestado de bloqueo.

Parámetros en conducción

• Intensidad media nominal (AV): es elvalor medio de la máxima intensidad deimpulsos sinusoidales de 180º que eldiodo puede soportar.

• Intensidad de pico repetitivo (IFRM): esaquélla que puede ser soportada cada20 ms, con una duración de pico a 1 ms,a una determinada temperatura de lacápsula (normalmente 25º).

• Intensidad directa de pico no repetitiva(IFSM): es el máximo pico de intensidadaplicable, una vez cada 10 minutos, conuna duración de 10 ms.

Los diodos


Curva característica típica de un diodo.


Los diodos

• Intensidad directa (IF): es la corrienteque circula por el diodo cuando seencuentra en el estado de conducción.

Modelos estáticos del diodo

Los distintos modelos del diodo en suregión directa (modelos estáticos) se repre-sentan en la figura superior.

Estos modelos facilitan los cálculos arealizar, para lo cual debemos escoger elmodelo adecuado según el nivel de preci-sión que necesitemos.

2. CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS

Tiempo de recuperación inverso

El paso del estado de conducción al debloqueo en el diodo no se efectúa instantá-neamente.

Si un diodo se encuentra conduciendouna intensidad IF, la zona central de la uniónP-N está saturada de portadores mayorita-rios con tanta mayor densidad de éstoscuanto mayor sea IF.

Si mediante la aplicación de una tensióninversa forzamos la anulación de la corrien-te con cierta velocidad di/dt, resultará quedespués del paso por cero de la corrienteexiste cierta cantidad de portadores quecambian su sentido de movimiento y permi-ten que el diodo conduzca en sentido con-trario durante un instante.

La tensión inversa entre ánodo y cátodono se establece hasta después del tiempota llamado tiempo de almacenamiento, enel que los portadores empiezan a escaseary aparece en la unión la zona de cargaespacial.

La intensidad todavía tarda un tiempo tb(llamado tiempo de caída) en pasar de un

valor de pico negativo (IRRM) a un valordespreciable mientras van desapareciendoel exceso de portadores.

• ta (tiempo de almacenamiento): es eltiempo que transcurre desde el paso porcero de la intensidad hasta llegar al piconegativo.

• tb (tiempo de caída): es el tiempo trans-currido desde el pico negativo de inten-sidad hasta que ésta se anula, y es debi-do a la descarga de la capacidad de launión polarizada en inverso. En la prácti-ca se suele medir desde el valor de piconegativo de la intensidad hasta el 10 %de éste.

• trr (tiempo de recuperación inversa): esla suma de ta y tb.

• Qrr: se define como la carga eléctricadesplazada, y representa el área negati-va de la característica de recuperacióninversa del diodo.

• di/dt: es el pico negativo de la intensi-dad.

• Irr: es el pico negativo de la intensidad.

La relación entre tb/ta es conocida comofactor de suavizado "SF".

Si observamos la gráfica podemos con-siderar Qrr por el área de un triángulo:

De donde:

Influencia del trr en la conmutación

Si el tiempo que tarda el diodo en con-mutar no es despreciable:

• Se limita la frecuencia de funcionamiento.

• Existe una disipación de potencia duran-te el tiempo de recuperación inversa.


Recuperación inversa del diodo.

trr = ta + tb

12

Qrr = trr x lRRM

dIF

dtlRRM = x ta[ ]


Para altas frecuencias, por tanto, debe-mos usar diodos de recuperación rápida.

Factores de los que depende trr:

• A mayor IRRM menor trr.

• Cuanta mayor sea la intensidad principalque atraviesa el diodo mayor será lacapacidad almacenada, y por tantomayor será trr.

Tiempo de recuperación directo

• tfr (tiempo de recuperación directo): es eltiempo que transcurre entre el instanteen que la tensión ánodo-cátodo se hacepositiva y el instante en que dicha ten-sión se estabiliza en el valor VF.

Este tiempo es bastante menor que el derecuperación inversa y no suele producirpérdidas de potencia apreciables.

3. DISIPACIÓN DE POTENCIA

Potencia máxima disipable: (Pmáx)

Es un valor de potencia que el dispositi-vo puede disipar, pero no debemos confun-dirlo con la potencia que disipa el diododurante el funcionamiento, llamada éstapotencia de trabajo.

Potencia media disipada: (PAV)

Es la disipación de potencia resultantecuando el dispositivo se encuentra en esta-do de conducción, si se desprecia la poten-cia disipada debida a la corriente de fugas.

Generalmente el fabricante integra en lashojas de características tablas que indican

la potencia disipada por el elemento parauna intensidad conocida.

Otro dato que puede dar el fabricante escurvas que relacionen la potencia mediacon la intensidad media y el factor de forma(ya que el factor de forma es la intensidadeficaz dividida entre la intensidad media).

Potencia inversa de pico repetitiva:(PRRM)

Es la máxima potencia que puede disi-par el dispositivo en estado de bloqueo.

Potencia inversa de pico no repetitiva:(PRSM)

Similar a la anterior, pero dada para unpulso único.

4. CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS

Temperatura de la unión (Tjmáx)

Es el límite superior de temperatura quenunca debemos hacer sobrepasar a launión del dispositivo si queremos evitar suinmediata destrucción.

En ocasiones, en lugar de la temperaturade la unión se nos da la "operating tempera-ture range" (margen de temperatura de fun-cionamiento), que significa que el dispositivose ha fabricado para funcionar en un interva-lo de temperaturas comprendidas entre dosvalores, uno mínimo y otro máximo.

Temperatura de almacenamiento (Tstg)

Es la temperatura a la que se encuentrael dispositivo cuando no se le aplica ningu-na potencia. El fabricante suele dar un mar-gen de valores para esta temperatura.

Resistencia térmica unión-contenedor(caja) (Rjc)

Es la resistencia entre la unión del semi-conductor y el encapsulado del dispositivo.En caso de no dar este dato el fabricante sepuede calcular mediante la fórmula:

Rjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx

Siendo Tc la temperatura del contenedor(caja) y Pmáx la potencia máxima disipable.

Los diodos



Los diodos

Resistencia térmica contenedor-disipa-dor (Rcd)

Es la resistencia existente entre el conte-nedor del dispositivo y el disipador (aletarefrigeradora). Se supone que la propaga-ción se efectúa directamente sin pasar porotro medio (como mica aislante, etc).

5. PROTECCIÓN CONTRA SOBREIN-TENSIDADES

Principales causas de sobreintensidades

La causa principal de sobreintensidad es,naturalmente, la presencia de un cortocircui-to en la carga, debido a cualquier causa.

De todos modos, pueden aparecer picosde corriente en el caso de alimentación demotores, carga de condensadores, utiliza-ción en régimen de soldadura, etc.

Estas sobrecargas se traducen en unaelevación de temperatura enorme en launión, que es incapaz de evacuar las calo-rías generadas, pasando de forma casi ins-tantánea al estado de cortocircuito (avalan-cha térmica).

Órganos de protección

Los dispositivos de protección que ase-guran una eficacia elevada o total son poconumerosos y por eso los más empleadosactualmente siguen siendo los fusibles, deltipo "ultrarrápidos" en la mayoría de loscasos y también se conocen como silized(compañeros de los diazed y neozed).

Los fusibles, como su nombre indica,actúan por la fusión del metal de que estáncompuestos y tienen sus característicasindicadas en función de la potencia que pue-den manejar; por esto el calibre de un fusibleno se da sólo con su valor eficaz de corrien-te, sino incluso con su I2t y su tensión.

Parámetro I2t

La I2t de un fusible es la característica defusión del cartucho; el intervalo de tiempo tse indica en segundos y la corriente I enamperios.

Debemos escoger un fusible de valor I2tinferior al del diodo, ya que así será el fusi-ble el que se destruya y no el diodo.

Estas características deberán ser tenidasen cuenta en el momento de la elección delmodelo más adecuado para cada aplica-ción, procurando no ajustarse demasiado alos valores límites, ya que ello acortaríaexcesivamente la duración del componente.

Vamos a analizar las características deun diodo muy utilizado.

Estudiaremos la hoja de característicasdel diodo 1N4001, un diodo rectificadorempleado en fuentes de alimentación (cir-cuitos que convierten una tensión alternaen una tensión continua).

Características del diodo 1N4001

En la serie de diodos del 1N4001 al1N4007 hay siete diodos que tienen lasmismas características con polarizacióndirecta, pero en polarización inversa suscaracterísticas son distintas.

Primeramente analizaremos las "Limita-ciones máximas" que son éstas:

Estos tres valores especifican la rupturaen ciertas condiciones de funcionamiento.

Lo importante es saber que la tensión deruptura para el diodo es de 50 V, indepen-dientemente de cómo se use el diodo.

Esta ruptura se produce por la avalanchay en el 1N4001 esta ruptura es normalmen-te destructiva.


Tensión inversa Vrrm 50 Vrepetitiva de pico

Tensión inversa de pico Vrwm 50 Vde funcionamiento

Tensión de bloqueo en cc Vr 50 V

Símbolo 1N4001


RESUMEN DE LO MÁS IMPORTANTE

Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideracio-nes (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):

1. La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (VRRR máx o VR máx, respec-tivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que este va a soportar.

2. La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no(IFRM máx e IF máx respectivamente), ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que esteva a soportar.

3. La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (delorden del doble) que la máxima que este va a soportar.

Corriente máxima con polarizacióndirecta:

Un dato interesante es la corriente mediacon polarización directa, que aparece así enla hoja de características:

Indica que el 1N4001 puede soportarhasta 1 A con polarización directa cuandose le emplea como rectificador.

Esto es, 1 A es el nivel de corriente conpolarización directa para el cual el diodo sequema debido a una disipación excesiva depotencia.

Un diseño fiable, con factor de seguri-dad 1, debe garantizar que la corriente conpolarización directa sea menor de 0,5 A encualquier condición de funcionamiento.

Los estudios de las averías de los dispo-sitivos muestran que la vida de éstos estanto más corta cuanto más cerca trabajende las limitaciones máximas.

Por esta razón, algunos diseñadoresemplean factores de seguridad hasta de10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos.

Caída de tensión con polarización directa

Otro dato importante es la caída de ten-sión con polarización directa.

Estos valores están medidos en alterna,y por ello aparece la palabra instantáneo enla especificación.

El 1N4001 tiene una caída de tensióntípica con polarización directa de 0,93 Vcuando la corriente es de 1 A y la tempera-tura de la unión es de 25 º C.

Corriente inversa máxima

En esta tabla esta la corriente con pola-rización inversa a la tensión continua indi-cada (50 V para un 1N4001).

Esta corriente inversa incluye la corrien-te producida térmicamente y la corriente defugas superficial.

De esto deducimos que la temperaturapuede ser importante a la hora del diseño,ya que un diseño basado en una corrienteinversa de 0,05 mA trabajará muy bien a25 º C con un 1N4001 típico, pero puedefallar si tiene que funcionar en mediosdonde la temperatura de la unión alcancelos 100 º C.

Los diodos


Corriente rectificada media IO 1 Acon polarización directa(monofásica, carga resistiva,60 Hz, Ta = 75°C)

Símbolo VALOR

Caída de tensión VF 0,93 V 1,1 Vmáxima instantáneacon polarización directa(if = 1,0 A, Tj = 25 °C)

Símbolo Valores Valores típicos máximos

Corriente inversamáximaTj = 25 °C IR 0,05 µA 10 µATj = 100 °C IR 1,0 µA 50 µA

Símbolo Valores Valores típicos máximos


Los diodos


LOS AUTODIODOS

Al aparecer los alternadores en los vehículos, sustituyendo a las dínamos, fue nece-sario desarrollar un mecanismo de rectificación.

En la mayoría de los alternadores, el equipo rectificador esta formada por una placasoporte, en forma de herradura, en cuyo interior se encuentran montados seis o nuevediodos, unidos y formando un puente rectificador hexadiodo o nanodiodo.

Estos diodos son un tanto singulares, ya que tienen una forma especial para poderembutirlos en esa herradura.

Se suele utilizar un multímetro para verificar la salud de los diodos, debiendo estar elpuente rectificador desconectado del estator.

Para la comprobación de los diodos se tiene en cuenta la característica constructivade los mismos y es que según se polaricen dejan pasar la corriente o no la dejen pasar.

El diodo conduce

El diodo no conduce

Despiece de un alternador.

Correspondencia de las conexiones del esquema eléctrico con el esquema físico del puente de diodos.

Comprobación del puente rectificador hexadiodo.


Componentes de una fuente de alimen-tación

La función de una fuente de alimentaciónes convertir la tensión alterna en una tensióncontinua y lo más estable posible, para ellose usan los siguientes componentes:

1. Transformador de entrada.

2. Rectificador a diodos.

3. Filtro para el rizado.

4. Regulador (o estabilizador) lineal.

Este último es importante pero no esimprescindible.

1. TRANSFORMADOR DE ENTRADA

El trasformador de entrada reduce latensión de red (generalmente 230V) a otratensión mas adecuada para ser tratada.

Sólo es capaz de trabajar con corrientesalternas.

Significa que la tensión de entrada seráalterna y la de salida también.

Consta de dos arrollamientos sobre unmismo núcleo de hierro, primario y secun-dario, que son completamente indepen-dientes y la energía eléctrica se transmitedel primario al secundario en forma deenergía magnética a través del núcleo.

El esquema de un transformador simpli-ficado es el siguiente:

La corriente que circula por el bobinadoprimario (que está conectado a la red)genera una circulación de corriente magné-tica por el núcleo del transformador.

Esta corriente magnética será más fuer-te cuantas mas espiras (vueltas) tenga elbobinado primario.

Si se acerca un imán a un transformadoren funcionamiento se notará que el imánvibra, debido a que la corriente magnéticadel núcleo es alterna, igual que la corrientepor los arrollamientos del transformador.

En el arrollamiento secundario ocurre elproceso inverso, la corriente magnética quecircula por el núcleo genera una tensión

Fuentes de alimentación


FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Por ser una etapa muy importanteen cualquier circuito electrónicodedicamos el espacio necesario aeste conjunto.

A través de su estudio iremos con-solidando las ideas que sobre loscomponentes que intervienenhemos venido desarrollando.

Red

Transformador entrada

Rectificador a diodos

Filtro

Regulador lineal

Salida continua



que será tanto mayor cuanto mayor sea elnúmero de espiras del secundario y cuantomayor sea la corriente magnética que circu-la por el núcleo (que depende del númerode espiras del primario).

Por lo tanto, la tensión de salida depen-de de la tensión de entrada y del número deespiras de primario y secundario.

Existe un concepto que nos puede ayu-dar a entender mejor un transformador yque debemos tener siempre presente:

La potencia del primario es igual a lapotencia del secundario más…pérdidas.Como el rendimiento suele ser alto pode-mos igualar, con bastante aproximaciónambas potencias.

La fórmula general dice que:

V1 = V2 x (N1/N2)

Donde N1 y N2 son el número de espirasdel primario y el del secundario respectiva-mente.

Así por ejemplo podemos tener un trans-formador con una relación de transforma-ción de 230V a 12V, y no podemos sabercuantas espiras tiene el primario y cuantasel secundario pero si podemos conocer surelación de espiras:

N1/N2 = V1/V2

N1/N2 = 230/12 = 19,16

Este dato es útil si queremos saber quetensión nos dará este mismo transformadorsi lo conectamos a 120V en lugar de 230V,la tensión V2 que dará a 120V será:

120 = V2 x 19,16

V2 = 120/19,16 = 6,26 V

Por el primario y el secundario pasancorrientes distintas, la relación de corrien-tes también depende de la relación de espi-ras pero al revés, de la siguiente forma:

I2 = I1 x (N1/N2)

Donde I1 e I2 son las corrientes de pri-mario y secundario respectivamente.

Esto nos sirve para saber qué corrientetiene que soportar el fusible que pongamosa la entrada del transformador, por ejemplo,supongamos que el transformador anteriores de 0,4 Amperios.

Esta corriente es la corriente máxima delsecundario I2, pero nosotros queremossaber que corriente habrá en el primario (I1)para poner allí el fusible.

Entonces aplicamos la fórmula:

I2 = I1 x (N1/N2)

0,4 = I1 x 19,16

I1 = 0,4 / 19,16 = 20,87 mA

Para asegurarnos de que el fusible nosaltará cuando no debe, por ejemplo en elinstante de la conexión, se tomará un valormayor que este, por lo menos un 30%mayor.

2. RECTIFICADOR A DIODOS

El rectificador es el que se encarga deconvertir la tensión alterna que sale deltransformador en tensión continua.

Para ello se utilizan diodos.

Lo hemos comentado repetidamente enpáginas anteriores.

Un diodo conduce cuando la tensión desu ánodo es mayor que la de su cátodo.

Es como un interruptor que se abre y secierra según la tensión de sus terminales:



El rectificador se conecta después deltransformador, por lo tanto le entra tensiónalterna y tendrá que sacar tensión continua,es decir, un polo positivo y otro negativo:

La tensión Vi es alterna y senoidal, estoquiere decir que a veces es positiva y otrasnegativa.

En un osciloscopio veríamos esto:

La tensión máxima a la que llega Vi se lellama tensión de pico y en la gráfica figuracomo Vmax.

La tensión de pico no es lo mismo que latensión eficaz pero están relacionadas.

Por ejemplo, si compramos un transfor-mador de 6 voltios son 6 voltios eficaces,estamos hablando de Vi y la tensión depico Vmax vendrá dada por la ecuación:

Vmax = Vi x 1, 4142

Vmax = 6 x 1, 4142 = 8, 48 V

Rectificador a un diodo

El rectificador más sencillo es el que uti-liza solamente un diodo, su esquema eseste:

Cuando Vi sea positiva la tensión delánodo será mayor que la del cátodo, por loque el diodo conducirá: en Vo veremos lomismo que en Vi

Mientras que cuando Vi sea negativa latensión del ánodo será menor que la delcátodo y el diodo no podrá conducir, la ten-sión Vo (tensión rectificada) será cero.

Según lo que acabamos de decir la ten-sión Vo tendrá esta forma:

Como se puede comprobar la tensiónque obtenemos con este rectificador no separece mucho a la de una batería, pero unacosa es cierta, hemos conseguido rectificar(“planchar”) la tensión de entrada ya que Voes siempre positiva.

Aunque posteriormente podamos filtraresta señal y conseguir mejor calidad estemontaje no se suele usar demasiado.

Rectificador puente, conocido como yahemos leído como puente de Graetz.

El rectificador más usado es el llamadorectificador puente, su esquema es elsiguiente:

Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3conducen (para entenderlo basta conseguir la dirección de sus flechas y a travésde la carga), siendo la salida Vo igual que laentrada Vi.

Cuando Vi es negativa los diodos D1 yD4 conducen (seguir la dirección de sus fle-chas), de tal forma que se invierte la tensiónde entrada Vi haciendo que la salida vuelvaa ser positiva.





El resultado es el siguiente:

Vemos en la figura que todavía nohemos conseguido una tensión de salidademasiado estable (plana), por ello, seránecesario filtrarla después.

Es tan común usar este tipo de rectifica-dores que se venden ya preparados loscuatro diodos en un solo componente.

Suele ser recomendable usar estospuentes rectificadores, ocupan menos queponer los cuatro diodos y para corrientesgrandes vienen ya preparados para sermontados en un radiador.

Este es el aspecto de la mayoría deellos:

Tienen cuatro terminales, dos para laentrada en alterna del transformador, uno lasalida positiva y otro la negativa o masa.

Las marcas en el encapsulado suelenser:

~ Para las entradas en alterna

+ Para la salida positiva

- Para la salida negativa o masa.

Rectificador a dos diodos

La forma de la onda de salida es idénticaa la del rectificador en puente, sin embargoeste rectificador precisa de un transformadorcon toma media en el secundario.

Un transformador de este tipo tiene unaconexión suplementaria en la mitad delarrollamiento secundario:

Normalmente se suele tomar como refe-rencia o masa la toma intermedia, de estaforma se obtienen dos señales senoidalesen oposición de fase.

Dos señales de este tipo tienen lasiguiente forma:

El esquema del rectificador con dos dio-dos es el siguiente:

Tal y como son las tensiones en A y en Bnunca podrán conducir ambos diodos a lavez. Cuando A sea positiva (B negativa) elánodo de D1 estará a mayor tensión que sucátodo, provocando que D1 conduzca.

Cuando B sea positiva (A negativa) elánodo de D2 estará a mayor tensión que sucátodo, provocando que D2 conduzca.

Obteniéndose la misma forma de Vo quecon el puente rectificador:



La ventaja de este montaje es que sóloutiliza dos diodos y sólo conduce uno cadavez.

Caída de tensión en los diodos:

Cuando hablábamos de los diodos decía-mos que eran como interruptores que seabren y se cierran según la tensión de susterminales.

Esto no es del todo correcto, cuando undiodo está cerrado tiene una caída de ten-sión de entre 0,7 voltios y 1 voltio (se trata,como ya vimos, de la tensión umbral)dependiendo de la corriente que este con-duciendo esta caída puede ser mayor.

Esto quiere decir que por cada diodoque este conduciendo en un momentodeterminado se "pierde" un voltio aproxi-madamente.

En el rectificador de un diodo conducesolamente un diodo a la vez, por lo tanto latensión de pico Vmax de la salida será unvoltio inferior a la de la Vmax de entrada.

Por ejemplo: Imaginemos que tenemosun transformador de 6 V y queremos saberla tensión de pico que queda cuando utili-zamos un rectificador de un diodo.

La tensión de salida de pico Vmax serála siguiente:

Vmax = 6 x 1.4142 - 1 = 7,5 V

En el rectificador en puente conducensiempre dos diodos a la vez, se dice queconducen dos a dos, por lo tanto la tensiónde pico de la salida Vmax será dos voltiosinferior a la Vmax de entrada.

Por ejemplo: supongamos el mismotransformador de 6 voltios y queremossaber la tensión de pico que queda alponerle un rectificador en puente, la tensiónde salida de pico Vmax será la siguiente:

Vmax = 6 X 1.4142 - 2 = 6,5 V

Quizás extrañe que el rectificador enpuente sea el más usado pese a que "pier-de" más voltios.

Pero hay que tener en cuenta que laforma de onda del rectificador de un sólo

diodo y el rectificador puente no son igua-les y al final acaba rindiendo mucho más elpuente de diodos.

3. EL FILTRO

La tensión en la carga que se obtiene deun rectificador es en forma de pulsos.

En un ciclo de salida completo, la tensiónen la carga aumenta de cero a un valor depico, para caer después de nuevo a cero.

Esta no es la clase de tensión continuaque precisan la mayor parte de circuitoselectrónicos.

Lo que se necesita es una tensión cons-tante, similar a la que produce una batería.

Para obtener este tipo de tensión rectifi-cada en la carga es necesario emplear unfiltro.

El tipo más común de filtro es el del con-densador a la entrada, en la mayoría de loscasos perfectamente válido.

Sin embargo en algunos casos puede noser suficiente y tendremos que echar manode algunos componentes adicionales.

Filtro con condensador a la entrada:

Este es el filtro mas común y seguro quese conoce, basta con añadir un condensa-dor en paralelo con la carga (RL), de estaforma:

Todo lo que digamos en este apartadoserá aplicable también en el caso de usar elfiltro en un rectificador en puente.

Cuando el diodo conduce el condensa-dor se carga a la tensión de pico Vmax.

Una vez rebasado el pico positivo elcondensador se descarga.

¿Por que? debido a que el condensadortiene una tensión Vmax entre sus extremos,como la tensión en el secundario del trans-formador es un poco menor que Vmax el





cátodo del diodo esta a más tensión que elánodo.

Con el diodo ahora abierto el condensa-dor se descarga a través de la carga.

Durante este tiempo que el diodo noconduce el condensador tiene que "mante-ner el tipo" y hacer que la tensión en lacarga no baje de Vmax.

Esto es prácticamente imposible ya queal descargarse un condensador se reducela tensión en sus extremos.

Cuando la tensión de la fuente alcanzade nuevo su pico el diodo conduce breve-mente recargando el condensador a la ten-sión de pico.

En otras palabras, la tensión del conden-sador es aproximadamente igual a la tensiónde pico del secundario del transformador(hay que tener en cuenta la caída en el diodo).

La tensión Vo quedará de la siguienteforma:

La tensión en la carga es ahora casi unatensión ideal.

Solo nos queda un pequeño rizado origi-nado por la carga y descarga del conden-sador. Para reducir este rizado podemosoptar por construir un rectificador en puen-te: el condensador se cargaría el doble deveces en el mismo intervalo teniendo asímenos tiempo para descargarse, en conse-cuencia el rizado es menor y la tensión desalida es más cercana a Vmax.

Otra forma de reducir el rizado es ponerun condensador mayor, pero siempre tene-mos que tener cuidado en no pasarnos yaque un condensador demasiado grande ori-gina problemas de conducción de corrientepor el diodo y, por lo tanto, en el secunda-rio del transformador (la corriente que con-duce el diodo es la misma que conduce eltransformador).

Efecto del condensador en la conduc-ción del diodo:

Como venimos diciendo hasta ahora, eldiodo solo conduce cuando el condensa-dor se carga.

Cuando el condensador se cargaaumenta la tensión en la salida, y cuando sedescarga disminuye, por ello podemos dis-tinguir perfectamente en el gráfico cuandoel diodo conduce y cuando no.

En la siguiente figura se ha representa-do la corriente que circula por el diodo,que es la misma que circula por el trans-formador:

La corriente por el diodo es a pulsos,aquí mostrados como rectángulos parasimplificar. Los pulsos tienen que aportarsuficiente carga al condensador para quepueda mantener la corriente de salidaconstante durante la no conducción deldiodo.

Esto quiere decir que el diodo tiene queconducir "de vez" todo lo que no puedeconducir durante el resto del ciclo.

Es muy normal, entonces, que tengamosuna fuente de 1 amperio y esos pulsos lle-guen hasta 10 amperios o más.

Esto no quiere decir que tengamos queponer un diodo de 10 amperios, un 1N4001aguanta 1 amperio de corriente media ypulsos de hasta 30 amperios.

Si ponemos un condensador mayorreducimos el rizado, pero al hacer esto tam-bién reducimos el tiempo de conduccióndel diodo.

Como la corriente media que pasa porlos diodos será la misma (e igual a lacorriente de carga) los pulsos de corrientese hacen mayores:



Y esto no solo afecta al diodo, al trans-formador también, ya que a medida que lospulsos de corriente se hacen más estrechos(y más altos a su vez) la corriente eficazaumenta.

Si nos pasamos con el condensadorpodríamos encontrarnos con que tenemosun transformador de 0,5 A y no podemossuministrar más de 0,2 A a la carga (porponer un ejemplo).

Valores recomendables para el conden-sador en un rectificador en puente:

Si queremos ajustar el valor del conden-sador al menor posible esta fórmula nosdará el valor del condensador para que elrizado sea de un 10% de Vo (regla del 10%):

C = (5 x I) / (F x Vmax)

En donde:

• C: Capacidad del condensador del filtroen faradios

• I: Corriente que suministrará la fuente

• F: frecuencia de la red

• Vmax: tensión de pico de salida delpuente (aproximadamente Vo)

Si se quiere conseguir un rizado del 7%podemos multiplicar el resultado anterior por1,4, y si queremos un rizado menor resultamás recomendable que se use otro tipo defiltro o que se ponga un estabilizador.

Ejemplo práctico:

Se desea diseñar una fuente de alimen-tación para un circuito que consume 150mA a 12V.

El rizado deberá ser inferior al 10%.

Para ello se dispone de un transforma-dor de 10 V y 2,5 VA y de un rectificador enpuente.

Elijamos el valor del Condensador:

1. Calculamos la corriente que es capaz desuministrar el transformador para determi-nar si será suficiente, esta corriente tendráque ser superior a la corriente que consu-me el circuito que vamos a alimentar.

It = 2,5 / 10 = 250 mA

Parece que sirve y como calcularloresulta bastante mas complicado nosfiaremos de nuestra intuición.

Tengamos en cuenta siempre que eltransformador debe proporcionar máscorriente de la que se quiere obtener enla carga.

2. Calculamos la Vmax de salida del puen-te rectificador teniendo en cuenta lacaída de tensión en los diodos (condu-cen dos a dos).

Vmax = 10 x 1,4142 - 2 = 12,14 V

Esta será aproximadamente la tensiónde salida de la fuente.

3. Calculamos el valor del condensadorsegún la fórmula del 10%, la I es de 150mA la f es 50 Hz y la Vmax es 12,14 V:

C = (5 x 0,15) / (50 x 12,14) = 0,0012355 F

C = 1235,5 µF

Tomaremos el valor mas aproximado porencima.

Filtros Pasivos RC y LC:

Con la regla del 10 por 100 se obtieneuna tensión continua en la carga de aproxi-madamente el 10%.

Antes de los años setenta se conecta-ban filtros pasivos entre el condensador delfiltro y la carga para reducir el rizado amenos del 1%.

La intención era obtener una tensióncontinua casi perfecta, similar a la que pro-porciona una pila.

En la actualidad es muy raro ver filtrospasivos en diseños de circuitos nuevos, esmás común usar circuitos estabilizadoresde tensión.

Sin embargo estos estabilizadores tienensus limitaciones y es posible que no quedemás remedio que usar un filtro pasivo.





Filtro RC:

La figura muestra dos filtros RC entre elcondensador de entrada y la resistencia decarga.

El rizado aparece en las resistencias enserie en lugar de hacerlo en la carga.

Unos buenos valores para las resisten-cias y los condensadores serían:

• R = 6,8 Ω

• C = 1000 µF

Con estos valores cada sección atenúael rizado en un factor de 10, se puede poneruna, dos, tres secciones.

No creemos que hagan falta más.

La desventaja principal del filtro RC es lapérdida de tensión en cada resistencia.

Esto quiere decir que el filtro RC es ade-cuado solamente para cargas pequeñas.

Es muy útil cuando se tiene un circuitodigital controlando relés, en ocasionesestos relés crean ruidos en la alimentaciónprovocando el mal funcionamiento del cir-cuito digital, con una sección de este filtropara la alimentación digital queda solucio-nado el problema.

La caída de tensión en cada resistenciaviene dada por la ley de Ohm:

V = I X R

Donde I es la corriente de salida de lafuente y R la resistencia en serie con lacarga.

Filtro LC:

Cuando la corriente por la carga es gran-de, los filtros LC de la figura presentan unamejora con respecto a los filtros RC.

De nuevo, la idea es hacer que el rizadoaparezca en los componentes en serie, lasbobinas en este caso.

Además, la caída de tensión continua enlas bobinas es mucho menor porque solointervienen la resistencia de los arrolla-mientos.

Los condensadores pueden ser de 1000µF y las bobinas cuanto más grandes mejor.Normalmente estas últimas suelen ocuparcasi tanto como el transformador y, dehecho, parecen transformadores, menosmal que con una sola sección ya podemosreducir el rizado hasta niveles bajísimos.

4. EL REGULADOR

Un regulador o estabilizador es un circui-to que se encarga de reducir el rizado y deproporcionar una tensión de salida de latensión exacta que queramos.

Sólo nos centraremos en los reguladoresintegrados de tres terminales que son losmás sencillos y baratos que hay y en lamayoría de los casos la mejor opción.

Este es el esquema de una fuente de ali-mentación regulada con uno de estos regu-ladores:

Si se ha seguido las explicaciones hastaahora no costará trabajo distinguir el trans-formador, el puente rectificador y el filtrocon condensador a la entrada.

Suele ser muy normal ajustar el conden-sador según la regla del 10%.



Las ideas básicas de funcionamiento deun regulador de este tipo son:

• La tensión entre los terminales Vout yGND es de un valor fijo, no variable, quedependerá del modelo de regulador quese utilice.

• La corriente que entra o sale por el ter-minal GND es prácticamente nula y nose tiene en cuenta para analizar el circui-to de forma aproximada.

Funciona simplemente como referenciapara el regulador.

• La tensión de entrada Vin deberá sersiempre unos 2 o 3 V superior a la deVout para asegurarnos el correcto funcio-namiento.

Reguladores de la serie 78XX:

Este es el aspecto de un regulador de laserie 78XX.

Su característica principal es que la ten-sión entre los terminales Vout y GND es deXX voltios y una corriente máxima de 1A.

Por ejemplo: el 7805 es de 5V, el 7812 esde 12V... y todos con una corriente máximade 1 Amperio.

Se suelen usar como reguladores fijos.

Existen reguladores de esta serie paralas siguientes tensiones: 5, 6, 8, 9, 10, 12,15, 18 y 24 voltios.

Se ponen siguiendo las indicaciones dela página anterior y ya esta, obtenemos unaVout de XX Voltios y sin rizado.

Es posible que se tenga que montar elregulador sobre un radiador para que disipebien el calor, pero de eso ya nos ocupare-mos mas adelante.

Reguladores de la serie 79XX:

El aspecto es como el anterior, sinembargo este se suele usar en combinacióncon el 78XX para suministrar tensionessimétricas.

La tensión entre Vout y GND es de - XXvoltios, por eso se dice que este es un regu-lador de tensión negativa.

La forma de llamarlos es la misma: el7905 es de 5V, el 7912 es de 12V. Pero paratensiones negativas.

Una fuente simétrica es aquella quesuministra una tensión de + XX voltios yotra de - XX voltios respecto a masa.

Para ello hay que usar un transformadorcon doble secundario, mas conocido como"transformador de toma media" o "transfor-mador con doble devanado".

En el siguiente ejemplo se ha empleadoun transformador de 12v + 12v para obte-ner una salida simétrica de ± 12v:

El valor de C se puede ajustar mediantela regla del 10%.



Es muy corriente encontrarse conreguladores que reducen el rizadoen 10000 veces (80 dB), esto sig-nifica que si se usa la regla del10% el rizado de salida será del0.001%, es decir, inapreciable.

1. Input 2. GND 3. Output.

1. GND 2. Input 3. Output.



Regulador ajustable LM317:

Este regulador de tensión proporcionauna tensión de salida variable sin más queañadir una resistencia y un potenciómetro.

Se puede usar el mismo esquema paraun regulador de la serie 78XX pero el LM317tiene mejores características eléctricas.

El aspecto es el mismo que los anterio-res, pero este soporta 1,5A.

El esquema a seguir es el siguiente:

En este regulador, como es ajustable, alterminal GND se le llama ADJ, es lo mismo.

La tensión entre los terminales Vout yADJ es de 1,25 voltios, por lo tanto pode-mos calcular inmediatamente la corriente I1que pasa por R1:

I1 = 1,25 / R1

Por otra parte podemos calcular I2como:

I2 = (Vout - 1,25) / R2

Como la corriente que entra por el terminalADJ la consideramos despreciable toda lacorriente I1 pasará por el potenciómetro R2.

Es decir:

I1 = I2

1,25 / R1 = (Vout - 1,25) / R2

Que despejando Vout queda:

Vout = 1,25 x (1 + R2/R1)

Si se consulta la hoja de característicasdel LM317 se verá que la fórmula obtenidano es exactamente esta.

Ello es debido a que tiene en cuenta lacorriente del terminal ADJ.

El error cometido con esta aproximaciónno es muy grande pero si se puede usar lafórmula exacta.

Observando la fórmula obtenida se pue-den sacar algunas conclusiones: cuando seajuste el potenciómetro al valor mínimo (R2= 0 Ω) la tensión de salida será de 1,25 V.

Cuando se vaya aumentando el valor delpotenciómetro la tensión en la salida iráaumentando hasta que llegue al valor máxi-mo del potenciómetro.

Por lo tanto ya sabemos que podemosajustar la salida desde 1,25 en adelante.

En realidad el fabricante nos avisa queno pasemos de 30V.

Cálculo de R1 y R2:

Los valores de R1 y R2 dependerán de latensión de salida máxima que queramosobtener.

Como sólo disponemos de una ecuaciónpara calcular las 2 resistencias tendremos quedar un valor a una de ellas y calcular la otra.

Lo más recomendable es dar un valor de240 Ω a R1 y despejar de la última ecuaciónel valor de R2 (el potenciómetro).

La ecuación queda de la siguiente manera:

R2 = (Vout - 1,25) x (R1/1,25)

Por ejemplo:

Queremos diseñar una fuente de alimen-tación variable de 1,25 a 12v.

Ponemos que R1 = 240 Ω.

Sólo tenemos que aplicar la última fór-mula con Vout = 12 y obtenemos R2:

R2 = (12 - 1,25) x (240 / 1,25) = 2064 Ω

El valor mas próximo es el de 2 K Ω, yatendríamos diseñada la fuente de alimenta-ción con un potenciómetro R2 de 2 KΩ yuna resistencia R1 de 240 Ω.

En teoría podemos dar cualquier valor aR1 pero son preferibles valores entre 100 Ωy 330 Ω.



Regulador Ajustable de potencia LM350:

El LM317 es muy útil para conseguirtensiones variables, sin embargo no escapaz de suministrar más de 1,5A a lacarga.

El LM350 es otro regulador variable quefunciona exactamente igual que el LM317,con la diferencia de que este es capaz porsi solo de suministrar 3A.

Para conseguir más de 3 A podemosacudir al siguiente esquema que utiliza untransistor de paso para ampliar la corriente:

En este circuito, la resistencia de 0,6 Ωse usa para detectar la máxima corrienteque pasará por el regulador.

Cuando la corriente es menor de 1 A, latensión en bornas de los 0,6 Ω es menorque 0,6 V y el transistor está cortado.

En este caso el regulador de tensión tra-baja solo.

Cuando la corriente de carga es mayorde 1 A, la tensión en bornas de los 0,6 Ω esmayor de 0,6 V y el transistor entra en con-ducción.

Este transistor exterior suministra lacorriente de carga extra superior a 1 A.

En definitiva, el regulador solamenteconducirá una corriente poco superior a 1 A

mientras que el transistor conducirá elresto, por ello podríamos cambiar tranquila-mente en este circuito el LM350 por unLM317.

La resistencia de 0,6 Ω será de 3 o 4 Wdependiendo del transistor empleado.

Si montamos el circuito con un transistorTIP32 podremos obtener 4 A, ya que elTIP32 soporta una corriente máxima de 3A.

Y si lo montamos con un MJ15016podemos llegar hasta 16A.

Se puede usar cualquier otro transistorde potencia PNP.

Disipación de potencia en los regulado-res:

Cuando un regulador esta funcionandose calienta.

Esto es debido a que parte de la poten-cia tomada del rectificador es disipada en elregulador.

La potencia disipada depende de lacorriente que se esté entregando a la cargay de la caída de tensión que haya en elregulador.

La figura muestra un regulador funcio-nando.

La corriente que lo atraviesa es lacorriente de la carga IL.

Recordemos también que para que unregulador funcione correctamente la ten-sión de entrada Vin tenia que ser mayor quela tensión de salida Vout.

Por lo tanto la caída de tensión en elregulador Vr será:

Vr = Vin - Vout



1. Adj 2. Output 3. Input.



Y la potencia disipada vendrá dada porla la siguiente ecuación:

PD = Vr x IL

Los reguladores que hemos visto soncapaces de disipar una potencia de 2 o 3 Wcomo mucho por si solos.

Si se llega a esta potencia es necesariomontarlos sobre unos radiadores adecua-dos, que serán más grandes cuanta máspotencia queramos disipar.

Para evitar que la potencia disipada sealo menor posible tendremos que procurarque Vin no sea mucho mayor que Vout.

Ejemplo 1:

Tenemos una fuente de alimentaciónvariable desde 1,25 V a 15 V y 0,5A con unLM317.

Como la tensión máxima de salida es15v, la tensión de entrada al regulador ten-drá que ser de 18v más o menos.

Vamos a calcular la potencia que disipael regulador cuando ajustamos la fuente a15 V, 4 V y 2 V.

En todos los casos la corriente de salidaserá 0,5A.

A 15 V la caída de tensión en el regula-dor será de 18 - 15 = 3V, la corriente es 0,5A luego:

PD = 3 x 0,5 = 1,5 W

A 4 V la caída de tensión en el reguladorserá de 18 - 4 = 14 V, la corriente es 0,5Aluego:

PD = 14 x 0,5 = 7 W

A 2 V la caída de tensión en el reguladorserá de 18 - 2 = 16v, la corriente es 0,5Aluego:

PD = 16 x 0,5 = 8 W

Fijémonos que hemos hecho los cálcu-los para el mejor de los casos en el que noshemos preocupado de que la tensión deentrada al regulador no sea mas de la nece-saria, aun así tenemos que poner un radia-dor que pueda disipar poco más de 8W.

Es un radiador bastante grande para unafuente de medio amperio nada más.

Este es un problema que surge cuandoqueremos diseñar una fuente con un altorango de tensiones de salida.

Verificamos que al hacer el cálculo parauna fuente variable hasta 30v y 1A, salenmás de 30 W.

Ejemplo 2:

Queremos una fuente fija con una sali-da de 5V y 0.5A, vamos a calcular lapotencia que se disipa en el reguladorusando un transformador de 7 voltios yotro de 12 voltios.

Para el transformador de 7 voltios: LaVmax de salida del transformador será 7 X1,4142 = 9,9 V descontando la caída en losdiodos del puente serán 7,9v a la entradadel regulador.

Como la salida es de 5 V la potencia disi-pada PD será:

PD = (7,9 - 5) x 0,5 = 1,45 W

Para el transformador de 12 voltios: LaVmax de salida del transformador será 12 x1,4142 = 16,9 V, descontando la caída enlos diodos del puente serán 14,9v a laentrada del regulador.

Como la salida es de 5 V la potencia disi-pada PD será:

PD = (14,9 - 5) x 0,5 = 4,95 W





ASPECTO DE ALGUNOS DIODOS DE PEQUEÑO TAMAÑO.

En esta tabla no están todos los encapsulados en los que se fabrican los diodos, pero si están los más importantes.

DO-5 DO-35 DO-41 TO-220AC

TO-3 PWRTAB PWRTABS SOT-223

SMA SMB SMC D618sl

D2pak Dpak TO-200AB TO-200ACPuentes rectificadores

B380C1000G(GS) KBPC(D46) KBB(D37) GBL

GBU (IR) GBPC(D34) (IR) IN LINE 5S2(FAGOR) POWER-L(FAGOR)

DF8(D71) DF(D70)




ASPECTO Y CARACTERÍSTICAS DE DIODOS DE MAYOR TAMAÑO.

IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas)

3 A 6,7 A

IFAV (SIN 180 - T = 45° C

1,15 A 1,8 A

VRSM

VRRM

V

Cmax µF Rmin Ω Ref.: Cmax µF Rmin Ω Ref.:

1200 400 6 SK1/12 1600 2 SK3/12

1600 200 10 SK1/16 - - -

V(BR) min TIPO AVALANCHA

1700 200 10 SKA1/17 800 4 SKA3/17


5 A 10 A

IFAV (SIN 180 - T = 45° C

2,5 A 5 A

VRSM

VRRM

V

VRSM

VRRM

V

1200 referencia SK2.5/12 referencia -

V(BR) min TIPO AVALANCHA

1700 referencia SKNA2/17 referencia SKNA4/17

IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas) 40 A

IFAV (SIN 180 - T case = 100° C) 25 A

SKN20/12 SKR20/12 SKN26/12 SKR26/121200






80 A 150 A

IFAV (SIN 180 - T case = 100° C) 25 A

50 A (118°C) 95 A (100°C)

SKN45/12 SKR45/12 SKN70/12 SKR70/12

SKN320/08 -


200 A 260 A 500 A

IFAV (SIN 180 - T case =100º C) 25 A

125 A 165 A 320 A

SKN100/12 SKR100/12 SKN130/12 SKR130/12 SKN240/12 SKR140/12


700 A

IFAV (SIN 180 - T case =100º C)

420 A (118º C)

VRSM

VRRM

V

800





ID (Tamb=45ºC) 2,5 AVRSM

V

500

VRSM

VRRM

V

1200

Cmax µF Rmin Ω REFERENCIA

500 6 SKB2/12

ID (Tcase=...) 17 AVRSM

VRRM

V

1200

1600

ID (Tamb=45ºC - 5,3 A)

SKB25/12

SKB25/16

ID (Tamb=45ºC) 5 AVRSM

V

VRSM

VRRM

V Cmax µF REFERENCIA

ID (Tamb=117ºC) 15 A

Rmin Ω REFERENCIA

400 125 0,5 SKBB70/70A - -

1200 380 2 SKBB50/445 0,75 SKB15/12

VRSM

VRRM

V Rmin Ω REFERENCIA Rmin Ω REFERENCIA Rmin Ω REFERENCIA

1200

1600

ID (Tamb=45ºC) 5 A

0,75 SKB30/12 0,60 SKB50/12 SKB60/12

1 SKB30/16


1. Nos percatamos de que existen diodosde gran tamaño y que llevan una rosca,normalmente para fijarlos a un radiadorcomo el de la figura.

2. Para el montaje de estos diodos en unpuente, monofásico o trifásico, es nece-sario disponer de diodos directos 2/3(según sea el puente monofásico o trifá-sico) y de diodos inversos 2/3 (puentemonofásico o trifásico).

3. Un diodo directo será, por ejemplo, elque tenga el ánodo en la rosca.

4. Un diodo inverso tendrá el cátodo en larosca.

5. Otro detalle importante, que nos debepreocupar, es la temperatura de la uniónn-p (que se relaciona con T case) y paradetectarla existe un orificio en el cuerpode los diodos de gran tamaño, que nospermite la introducción del termopar deun termómetro.

6. ¿Seriamos capaces de dibujar un puen-te de diodos, en frío, basándonos en sufuncionamiento?

Es muy fácil:

Para terminar este apartado sobre dio-dos, vamos a descubrir una aplicaciónimportante y que nos puede ser de granayuda.

Imaginemos que disponemos de unafuente de tensión continua, una batería de12 voltios, que podemos cargarla porquedisponemos de una fuente de alimentaciónpara ese menester.

La utilizamos para receptores de esa ten-sión, 12 V pero imaginemos que necesitá-semos menos tensión, por ejemplo en tornoa los 10 V ¿Cómo lo solucionaríamos?

Muy fácil, disponiendo dos diodos sol-dados en serie en el terminal positivo de labatería:



Del análisis de las tablas anterio-res se desprenden varias conse-cuencias de las que aún no había-mos hablado:

Carga Carga




DIVERSOS MODELOS DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN REGULABLES


Una de las causas más frecuentes de lasaverías en nuestros ordenadores son lassubidas de tensión de la red eléctrica, debi-das a fenómenos transitorios, de ahí quenos planteemos muchas veces el adquiriralgún tipo de dispositivo para protegernuestros equipos.

Puede ser habitual la llegada por la red depicos de tensión provocados por arranquede motores, variadores de velocidad, dispa-ro de protecciones o soldadura eléctrica.

Estos picos hacen sufrir la fuente de ali-mentación de los dispositivos electrónicosque tengamos instalados.

Hay otro tipo de subidas, de enormemagnitud, inesperadas, y que se producencuando el neutro se desplaza hacia unafase activa, provocadas por alguna repara-ción externa de las líneas y la instalacióneléctrica de nuestras casas se ve afectadacon nada menos que 400 voltios.

Se conoce como caída del neutro.

Las fuentes de alimentación de los orde-nadores aguantan, casi todas, con bastan-te seguridad hasta los 250 V, pero ni muchomenos 400V como se da en el supuestomencionado.

En este artículo abordamos cómo reali-zar una económica, pero eficaz, protecciónpara ambos casos, pero vamos a centrar-nos en la protección del ordenador única-mente, siendo válido lo que se describapara el otro tipo de protección que la lleva-remos a cabo si sospechamos que la caídadel neutro puede llegar a darse.

Advertimos que existen muy pocos dis-positivos en el mercado que protejan de ladesaparición momentánea del neutro.

Empecemos el montaje.

Se trata de montar unos varistores enparalelo con los cables que alimentan nues-tro ordenador.

Pequeña explicación teórica

Los varistores proporcionan una protec-ción fiable y económica contra transitoriosde alto voltaje que pueden ser producidos,por ejemplo, por relámpagos, conmutacio-nes o ruido eléctrico en líneas de potenciade CC o CORRIENTE ALTERNA.

Los varistores tienen la ventaja sobre losdiodos (supresores de transitorios) que, aligual que ellos pueden absorber energíastransitorias (incluso más altas) pero ademáspueden suprimir los transitorios positivos ynegativos (recordemos la direccionalidadúnica de los diodos).

Cuando aparece un transitorio, el varis-tor cambia su resistencia de un valor alto aotro valor muy bajo.

Cómo fabricar un protector contra subidas de tensión


CÓMO FABRICAR UN PROTECTOR CONTRA SUBIDAS DE TENSIÓN

Planteamos un ejercicio interesan-te que tiene que ver con las varia-ciones bruscas de tensión, picos,espúreos, o con la caída del neu-tro de una acometida trifásica.



El transitorio es absorbido por el varistor,protegiendo de esa manera los componen-tes sensibles del circuito.

Los varistores se fabrican con un mate-rial no-homogéneo. (Carburo de silicio).

Características

• Amplia gama de voltajes - desde 14 V a550 V (RMS).

• Esto permite una selección fácil delcomponente correcto para una aplica-ción específica.

• Alta capacidad de absorción de energíarespecto a las dimensiones del compo-nente.

• Tiempo de respuesta de menos de 20ns, absorbiendo el transitorio en el ins-tante que ocurre.

• Bajo consumo (en stand-by) - virtual-mente nada.

• Valores bajos de capacidad, lo que haceal varistor apropiado para la protecciónde circuitería en conmutación digital.

• Alto grado de aislamiento.

Insistimos en que son componentescuya resistencia aumenta cuando disminu-ye el voltaje aplicado en sus extremos.

- VOLTAJE » + RESISTENCIA

+ VOLTAJE » - RESISTENCIA

Aplicaciones de la VDR

• Compensación del valor óhmico cuandovaría la tensión en un circuito.

• Estabilizadores de tensión.

Por tanto, si ponemos entre los cablesde alimentación unos varistores, alimenta-remos nuestro ordenador normalmente,

pero si la tensión se eleva de una formapeligrosa (superior a los 250 V), se haránconductores y cortocircuitarán la fase conel neutro o la fase con la toma de tierra, demanera que harán saltar las proteccionesde nuestra vivienda, cortando la corriente.

Es decir, crearemos un cortocircuitointencionadamente, una "avería eléctricamomentánea" que hará saltar lo que normal-mente llamamos "automático”, pero que téc-nicamente recibe el nombre de interruptormagnetotérmico, que hoy en día es de obli-gada instalación en todas las viviendas.

Material necesario

• Vamos a necesitar 3 varistores de 250 Vy de aproximadamente 50 A.

• Una base múltiple, que será dondeconectaremos el ordenador y sus perifé-ricos.

• Un poco de macarrón termoretráctil.

• Una caja de plástico pequeña, y unaficha de empalme.

• Todos estos componentes los podemosencontrar en cualquier establecimientode componentes electrónicos a unosprecios muy asequibles.

• Los varistores vienen a salir por 1 € launidad, la cajita unos 2,40 €, el maca-rrón termoretráctil 1,20 € un metro, y labase múltiple la podemos encontrar,según sea el lugar donde la compremos,desde 1 a 3 €.

• Para este montaje hemos aprovechadouna base múltiple simple, pero aconseja-mos una con interruptor de corte bipolary piloto incorporado.




Primeros pasos y más teoría

Preparación de la caja: no tiene mayordificultad, simplemente perforaremos porlos dos extremos para que pueda pasar lamanguera de alimentación (7,5 mm aprox.)y realizar las conexiones dentro de la caja.

Después abriremos la manguera dejan-do a la vista los tres conductores internos(con mucho cuidado de no dañar el aislan-te de los mismos), y pelaremos sus puntasdejando el alambre al desnudo, una longi-tud suficiente para realizar las conexionesen la ficha de empalme.

Los tres cables conductores que apre-ciamos en la fotografía son:

• La fase activa (cable marrón, negro ogris en algunas ocasiones), esta fase esla que lleva los 230 V de tensión alterna,es decir que entre esta fase y el neutro otierra, están presentes 230 V.

Esta aclaración nos sirve para cualquieraparato, o caja de conexiones eléctrica.

• El neutro (siempre de color azul) es elconductor de tensión 0 Voltios (o aproxi-mada), es decir, es el que crea la dife-rencia de potencial con la fase para quecirculen entre ellos los 230 V.

Con éste no hay que tener tantos mira-mientos (tocarlo o no) pues, al no llevartensión, no nos dará calambre "casinunca".

(Por si acaso hay que ser prudentes,pues en ciertas instalaciones no sabe-mos lo que podemos encontrarnos, nisabemos si se ha respetado el códigode colores.)

• El conector de tierra (siempre de ama-rillo y verde), es el conductor para des-cargar la tensión que puede llegar a cir-cular cuando hay una fuga debido a unaavería.

Es una buena conexión a 0 V, pues aun-que tocásemos el aparato averiado, la ten-sión de fuga que tuviera se iría por el con-ductor de tierra, evitándonos unadesagradable y peligrosa descarga.

En la entrada de nuestras viviendas, enel cuadro de control y protección tenemosun interruptor diferencial, y por lo menos uninterruptor magnetotérmico.

El diferencial dispone de una palanquitapara activarlo de nuevo y un botón de test,y el magnetotérmico simplemente de unapalanca que se sube para conectar y bajacuando salta o lo desconectamos.

De esta forma si se produce un cortocir-cuito (la unión de los hilos marrón y azul)habría un consumo excesivo y el magneto-térmico saltaría.

¿Inconvenientes?

Que en el hipotético supuesto de que sesobrepase el límite de tensión, tendremosun momentáneo apagón en toda la casa,pero salvaremos nuestro equipo de modorápido de una sobretension que podríadañarlo más que un corte de corriente y unScandisk al arrancar de nuevo.

Otra forma sería que el neutro (azul) o lafase (marrón) hiciesen contacto con elconector de tierra (amarillo-verde), en estecaso entraría en funcionamiento el inte-rruptor diferencial o "salvavidas".

Esta protección hoy en día es de obliga-do montaje en cualquier tipo de instalacióneléctrica de baja tensión.





¿Cómo funciona?

Es el vigilante de la seguridad de la casa,que constantemente verifica que la corrien-te que sale por la fase (marrón), regresa porel neutro (azul).

Cuando hay una pérdida de corrientepor cualquier motivo (una descarga a unapersona, o a tierra, por avería), salta auto-máticamente y no se puede activar hastaque no cese la pérdida.

Son tan sensibles que algunas veces, eninstalaciones viejas, llegan a saltar por lalluvia, ya que la humedad produce fugas decorriente.

Pero lo importante es que si por cual-quier motivo, alguno de nosotros recibiése-mos una descarga eléctrica, el diferencialsaltaría salvándonos seguramente la vida.

De esta manera vamos a aprovechareste valioso aparato casero para hacerlosaltar si sube la tensión.

El montaje en sí

No nos olvidemos antes de continuar, elasegurar la manguera eléctrica con dos bri-das de plástico para proteger la conexión deposibles tirones involuntarios, que pudiesenproducir daños en nuestro montaje.

Si conectamos un varistor entre la fase yel conductor de tierra (marrón con verde-amarillo) y otro entre neutro y tierra (azul yverde-amarillo), cuando suba la tensión porencima de 250 V, conducirá el varistor ycreará una perdida de corriente a través delconductor de tierra que hará saltar el inte-rruptor diferencial de la vivienda.

Así cortará la corriente y salvaremosnuestro ordenador de una descarga.

NOTA: Si nuestra instalación no disponede toma de tierra, utilizaremos un únicovaristor entre los cables de la fase activa(marrón) y el neutro (azul).

La protección será igualmente eficazpues saltará el magnetotérmico en caso desubida excesiva de tensión.

A continuación, montamos los tresvaristores: simplemente intercalamos unvaristor entre fase y neutro (marrón-azul),otro entre fase y tierra (marrón-verde/amari-llo), y otro entre neutro y tierra (azul-verde/amarillo).

El montaje está terminado y listo paraconectar.

NOTAS:

Este montaje es perfectamente válidopara casi cualquier electrodoméstico demediano consumo (hay varistores de 50amperios que a 230 V serian capaces desoportar 11.000 vatios aprox.), así que pode-mos utilizarlo para proteger nuestro graba-dor de video, equipo de música, TV, etc.,


Bridas.


protegiéndonos de las clásicas descargasque se producen cuando estamos fuera delhogar y que pueden quemar aparatos comoel vídeo (recordemos que el vídeo no se des-conecta nunca de la red, está siempre enespera hasta que lo hacemos funcionar nos-otros.

Muchos fabricantes de equipos electróni-cos incluyen varistores dentro de sus apara-tos para protegerlos de subidas de tensión,es más, estos componentes se utilizan casien exclusiva como fusibles de protecciónpara equipos o instalaciones profesionales.

Si un aparato electrónico, que incluyaeste dispositivo, se nos avería y tenemosfácil acceso a la fuente, siempre podremosverificar si quien provoca el disparo del limi-tador es un varistor dañado (ver "averías").

Cuando una subida de tensión haga sal-tar el magnetotérmico o el diferencial:

Esperaremos un rato.

Verificaremos en la vecindad si tienen luz.

Porque si no tienen…, puede tratarse dela otra posibilidad, ya comentada, de lacaída del neutro y eso afecta a todos losvecinos.

Y conviene esperar a que arreglen laavería que habrá destrozado la mayor partede los electrodomésticos del edificio (ennuestra vivienda posiblemente se hayansalvado).

Desenchufaremos la regleta protegidade la red, y a continuación restauramos a suposición normal el diferencial, el magneto-térmico o ambos.

Seguidamente volveremos a enchufarnuestra regleta protegida y a trabajar denuevo.

Posibles averías y conclusión

Como nuestro protector podría averiarsey tendremos que repararlo, vamos a vercomo solucionarlo.

¿Qué pasa si al conectar la regleta alenchufe, sigue saltando el diferencial o ellimitador y el resto de la comunidad dispo-ne de fluido?

Posiblemente la última subida fue tangrande, o fue la postrera de repetidas subi-das, que uno o varios de nuestros varisto-res, no han podido aguantar y se han que-mado, se han quedado en cortocircuito yestán comunicadas permanentemente suspatillas.

Si lo que salta es el magnetotérmico, sinduda alguna se ha deteriorado el varistorque comunica la fase con el neutro (marrón-azul), la solución es simplemente sustituirlopor uno nuevo.

Si por el contrario es el diferencial el quesalta, sin duda se habrá ido alguno de losotros dos varistores. ¿Solución? Sustituirlos.

Como consejo, sustituir siempre los tresvaristores, son económicos y no merece lapena mantenerlos cuando ha fallado uno.

Si disponemos de un polímetro, y ajusta-mos la medida a realizar en la escala deresistencias o continuidad, al conectarentre las patillas del varistor las bananas demedida nos marcará una resistencia infinita,si el varistor está en buen estado.

Si el varistor está averiado, conducirá, elpolímetro pitará (si dispone de esa función)y se pondrá el display a cero Ohmios y enese caso habrá que sustituirlo.





SI NOS QUEDAMOS A OSCURAS...


ADIOS AMIGOS, HASTA LA PRÓXIMA ENTREGA

HASTA LA PRÓXIMAENTREGA

(( RECORDAD INTERCALAR EL ÍNDICE DEFINITIVO ))


EL MUNDO DEL AUTOMATISMO ELECTRÓNICO · vula termoiónica o diodo, por parte del físi-co...

Documents

Transcript of EL MUNDO DEL AUTOMATISMO ELECTRÓNICO · vula termoiónica o diodo, por parte del físi-co...