Tema 4. Circuitos electrónicos...

Tema 4. Circuitos electrónicos básicos

Podemos asegurar que la ingeniería eléctrica es el campo de la ingeniería que se ocupa del estudio de la

electricidad, el electromagnetismo y la electrónica. En unidades anteriores se han ido desarrollando los

contenidos relacionados con los dos primeros bloques y en los temas "Semiconductores: diodo, ..." y "Circuitos

electrónicos básicos" de la presente unidad, abordaremos el último de esos bloques, es decir, la electrónica. A

estas alturas ya conoces los componentes electrónicos; pues bien, ha llegado el momento de utilizarlos en circuitos

que son de aplicación en innumerables dispositivos que usamos todos los días: teléfonos, reproductores DVD,

televisiones, ordenadores personales, etc.

Imagen 1: Placa base de un PCFuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons

Imagen 2: Teléfonos móvilesFuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons

En este video puedes ver un ejemplo de cómo influye la electrónica en nuestra vida diaria, dónde la

encontramos sin, muchas veces, ser consciente de ello, cómo ha evolucionado y cómo nos ha hecho

evolucionar también a nosotros.

Unidad 5: Electrónica de potencia e instalaciones eléctricas Tema 4: Circuitos electrónicos básicos

Electrotecnia Página 1 de 39

Video 1: La electrónica parte de la vida diaria.Fuente: Youtube



4.1. Divisores de tensión

Suele ser frecuente en muchos circuitos, que algunos dispositivos funcionen con un valor de tensión inferior al

de alimentación o entrada, en ese caso, y si no queremos que el dispositivo se estropee o vea limitadas sus

horas de funcionamiento, hay que aplicar una tensión inferior al mismo. Como tenemos el impedimento de no

poder reducir la tensión de alimentación del circuito, tenemos que recurrir a los divisores de tensión.

Básicamente, un divisor de tensión resistivo no es más que un par de resistencias puestas en serie, de

forma que la primera provoca una caída de tensión y por lo tanto, la tensión de salida se verá reducida.

Imagen 3: Divisor de tensión resistivo.Fuente: Elaboración propia.

Para el caso que muestra la imagen 3, la resistencia R1 provocará una caída de tensión V1, de forma que el

dispositivo conectado a la salida, tendrá una tensión Vs=Ve-V1

Aplicando la ley de Ohm al circuito tendremos:



Es posible que hayas montado alguna vez un diodo led en un circuito; si es así, sabrás que la tensión de

alimentación de estos diodos es de apenas 2 V y que consumen alrededor de 15 mA. Si el circuito en el que

montamos el diodo es alimentado con 6 V, ¿qué valor tendrá la resistencia que debemos montar en

serie con el diodo?

Imagen 4: Alimentación de un diodo LED.Fuente: Elaboración propia.

Para evitar que nuestro diodo se cortocircuite, debemos colocar una resistencia que provoque una caída de

tensión de 4 V, pues los 2 V restantes estarán aplicados al diodo. Además sabemos, que esa resistencia que

debemos colocar, será recorrida por una intensidad de 15 mA. Si aplicamos la ley de Ohm tendremos:

Este divisor de tensión suele utilizarse en circuitos de corriente continua, aunque podría utilizarse también con

corriente alterna, siempre que se conectaran elementos resistivos puros. La utilidad de este montaje es reducida,

pues sólo funciona correctamente cuando la carga a conectar tiene un consumo de corriente constante; si la carga

aumentara su consumo, también lo haría la tensión a ella aplicada, por lo que su funcionamiento se vería alterado.

Existen otros métodos para estabilizar la tensión, independientemente del consumo de la carga, como por ejemplo

usar un diodo zener como estabilizador de tensión.

Imagen 5: Circuito con regulación de tensión por diodo Zener.Fuente: Elaboración propia.



En el circuito de la imagen 5 nos aparece el ya conocido diodo Zener. Como sabemos, este diodo soporta la tensión

de avalancha para la que ha sido fabricado. Imaginemos que la resistencia R2 es el elemento que queremos

alimentar con una tensión constante; si la tensión de alimentación Ve aumenta, el diodo Zener se hará conductor,

impidiendo que la tensión aumente en la carga, de modo que ésta permanecerá constante durante todo el tiempo de

funcionamiento.

Este tipo de dispositivos se utilizan frecuentemente en fuentes de alimentación y en generadores, tal es el caso de

los alternadores de los automóviles.

Imagen 6: Alternador de automóvil.Fuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons.

Además del ya mencionado divisor de tensión resistivo, podemos conseguir el mismo efecto con un divisor de

tensión capacitivo, en cuyo caso, y como ya imaginarás, utilizaremos dos condensadores.

Imagen 7: Divisor de tensión capacitivo.Fuente: Elaboración propia.

Al igual que en el caso anterior, podemos obtener la tensión de salida en función de la de entrada y de las

capacidades de ambos condensadores; basta con aplicar los conceptos de ley de Ohm y asociación de

condensadores.



4.2. Rectificadores monofásicos

Es sabido que, la producción y transporte de la corriente eléctrica, es de tipo alterna por cuestiones de eficiencia

energética, sin embargo, existen innumerables dispositivos o sistemas electrónicos que necesitan ser alimentados

con un valor de tensión uniforme y continua. Para conseguir que una corriente alterna se convierta en continua, se

utilizan unos dispositivos llamados rectificadores. Básicamente existen dos tipos de rectificadores: de media onda y

de onda completa.

Imagen 8: RectificadorFuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons

Conozcamos más sobre los distintos tipos de rectificadores en los apartados siguientes.



4.2.1. Rectificador monofásico de media onda

Si recordamos el funcionamiento de un generador, sabremos que en cada ciclo de funcionamiento se habrá

producido una semionda positiva y otra negativa; es decir, la corriente va tomando valores positivos y

negativos a intervalos regulares, tal como indica la imagen 9. Si quisiéramos que a una carga se le aplicara

solamente la parte positiva de la corriente, tal y como muestra la imagen 10, nos bastaría con colocar un

diodo en serie con nuestra fuente alterna.

Imagen 9: Onda senoidal completa.Fuente: Elaboración propia.

Imagen 10: Onda senoidal rectificada.Fuente: Elaboración propia.

Lo indicado más arriba queda mucho más claro con el esquema de la imagen 11. Cuando el generador alterno

comience a producir la onda senoidal, el diodo sólo permitirá que pase corriente a la carga R mientras éste sea

polarizado directamente, es decir, cuando al ánodo del diodo se le aplique una polaridad positiva. Durante el

semiperiodo negativo el diodo no conducirá, por lo que la carga no será alimentada, y en ese caso habremos

conseguido una corriente pulsante tal y como se indicó en la imagen 10.



Imagen 11: Rectificador de media onda.Fuente: Elaboración propia.

Recuerda que las ondas senoidales se representan por la función seno:

Y que teníamos los valores medio (Xm) y eficaz (X) en función del valor máximo am

Antes de continuar hablando de los rectificadores, puede ser interesante analizar con detalle el funcionamiento de un

diodo. Partimos de la premisa de que un diodo es, teóricamente, un elemento lineal y que su resistencia en

polarización inversa es infinita. Esto, en rigor, no es exacto, pues cerca del origen de coordenadas en un diagrama

V-I el diodo no muestra esa linealidad de la que antes hablábamos y en polarización inversa hay una pequeña

corriente, casi despreciable, que atraviesa el diodo.

Imagen 12: Gráfica de un diodo ideal.Fuente: Elaboración propia.

Imagen 13: Gráfica de un diodo real ampliada.Fuente: Elaboración propia.

Puesto que, para que un diodo conduzca en polarización directa, se necesitan en torno a 0,7 V, esa tensión deberá

ser restada a la carga y además el tiempo de alimentación de la carga será inferior al de un semiperiodo, pues

debe alcanzarse la tensión de base de 0,7 V. Así mismo, tal y como refleja la gráfica real, existe una corriente

inversa que permanece constante durante el semiperiodo negativo, independientemente de la resistencia de la

carga.



Todas estas consideraciones, a pesar de ser interesantes, pueden despreciarse, pues la resistencia del diodo suele

ser muy pequeña frente a la de la carga y la tensión de base igualmente suele ser insignificante frente a la tensión

de pico de la onda senoidal.

En el tema de Ondas senoidales hablamos de los valores medios y eficaces de una onda, que aplicados al presente

caso nos dará:

Como observarás, dividimos por dos el valor medio porque sólo estamos rectificando media onda. De igual manera

podemos escribir los valores medios para la tensión:

Del mismo modo, podemos calcular los valores eficaces, recordando las expresiones:

Que al sustituirlas en los valores rectificados nos quedará:



4.2.2. Rectificador monofásico de onda completa

Como habrás observado, con el rectificador anterior (media onda) la tensión de alimentación valdrá 0 V durante la

mitad del tiempo, es decir, siempre que se presente el semiperiodo negativo. Para solucionar este problema

podemos disponer de un puente de diodos, en el que se rectifique por un lado el semiperiodo positivo y por otro el

semiperiodo negativo, de forma que la carga siempre esté alimentada. La imagen inferior te muestra el circuito

rectificador:

Imagen 14: Puente rectificador.Fuente: Elaboración propia.

Pulsa sobre la imagen para ampliarla.

Para entender su funcionamiento, consideremos en primer lugar que se está produciendo el semiperiodo positivo, en

ese caso, el flujo de corriente será el que muestra el sentido de las flechas:

Imagen 15: Semiciclo positivo en puente rectificador.Fuente: Elaboración propia.


Si ahora consideramos el semiperiodo negativo, tendremos:

Imagen 16: Semiciclo negativo en puente rectificador.

Fuente: Elaboración propia.Pulsa sobre la imagen para ampliarla.

Si las flechas estáticas de las imágenes anteriores no te sirven para aclararte, tal vez te ayude el siguiente vídeo.

Ten en cuenta que la distribución de los diodos en el esquema no es idéntica, pero el funcionamiento del circuito es

exactamente igual, sólo basta con comprobar el conexionado de las bobinas secundarias a los diodos y el

conexionado de éstos a la resistencia, para comprobar que, en efecto, es el mismo circuito.



Vídeo 2: Funcionamiento de un puente de diodosFuente: Youtube

Habrás observado que la carga siempre recibe positivo por el mismo sitio, independientemente de que sea el

semiperiodo positivo o negativo el que se produce en la secuencia de funcionamiento. Esto significa que la tensión

aplicada sobre la resistencia será como la indicada en la imagen:

Imagen 17: Gráfica de rectificación de onda completa.Fuente: Elaboración propia.

De forma similar a lo que ocurría con el rectificador de media onda, los valores de tensión y de intensidad que

obtendremos serán:

Y en función de los valores eficaces:



En este caso ya no dividimos los valores de Im y Vm por dos, ya que rectificamos la onda completa.

Existe una variante del rectificador de onda completa que puede conseguirse con la mitad de diodos, en ese

caso, se utiliza un transformador con toma intermedia.

La imagen aclara su constitución:

Imagen 18: Rectificador de onda completa en transformador con toma intermedia.Fuente: Elaboración propia.


La toma intermedia en el arrollamiento secundario es una de las salidas de alimentación, mientras que la otra salida

será la formada por la unión de cada extremo, a través de los diodos respectivos D1 y D2. Cuando se produce la

onda positiva, el diodo D1 será conductor; mientras que cuando se produce la semionda negativa es el diodo D2 el

que se vuelve conductor. En ambos casos, la corriente por la carga´, es en el mismo sentido, al igual que ocurría

con el rectificador anterior.

Este montaje, en apariencia más ventajoso por disponer de menos diodos, es en realidad menos utilizado, pues la

toma intermedia dificulta la construcción y los diodos, cuando se polarizan de forma inversa, se ven sometidos a una

tensión doble que cuando lo son de forma directa, hecho éste que debe ser tenido en cuenta para evitar el deterioro

de los diodos.



4.3. Rectificadores trifásicos

Por lo general, los sistemas de producción de corriente eléctrica, suelen ser trifásicos. En ese caso, se

cuenta con la ventaja de que en un periodo se producirán tres ondas, una por cada arrollamiento, desfasadas

120º. Esto supone una mejora en cuanto a la tensión de alimentación de la carga, ya que se consigue una

señal más uniforme.

Del mismo modo que con los rectificadores anteriores, podemos tener rectificadores de media onda y de

onda completa.

En los apartados siguientes veremos con detalle:

Rectificador trifásico de media onda

Rectificador trifásico de onda completa

Pero antes, ¿te atreves a poner a prueba tus conocimientos sobre esta temática? ¡Seguro que sí!

Responde verdadero o falso a las siguientes preguntas:

1. La ingeniería eléctrica se ocupa del estudio de la Electricidad, el Electromagnetismo y la Electrónica.

Verdadero Falso

2. Un divisor de tensión permite obtener una tensión inferior a la de entrada, de manera constante e

inalterable.

Verdadero Falso

3. La tensión de salida en un divisor capacitivo será:

Verdadero Falso

4. Los diodos LED, debido a su bajo consumo, no necesitan montarse con ningún tipo de protección contra



tensiones.

Verdadero Falso

5. El diodo zener permite que la tensión de alimentación de la carga sea constante independientemente del

consumo de la misma.

Verdadero Falso

6. Un circuito rectificador es aquel que convierte una corriente alterna en otra pulsante o continua.

Verdadero Falso

7. Si rectificamos una corriente alterna con un valor pico de 4 V, la tensión de base del diodo se puede

despreciar.

Verdadero Falso

8. Los rectificadores de onda completa para transformadores trifásicos presentan una señal más estable y

uniforme que los rectificadores para transformadores monofásicos.

Verdadero Falso



4.3.1 Rectificador trifásico de media onda

Consisten en conectar un diodo a la salida de cada arrollamiento, que se unirán en un punto común que después

alimentará a la resistencia o carga del circuito. El retorno de la corriente se realiza a través de la línea de neutro. La

imagen inferior nos aclara esta explicación.

Imagen 19: Rectificador trifásico de media onda.Fuente: Elaboración propia.


Es evidente que el arrollamiento secundario está dispuesto en estrella y que de la unión común de las tres bobinas

se saca la línea de neutro. Además, tal y como indica la imagen, cada bobina tendrá, con respecto a neutro, las

tensiones V1, V2 y V3 respectivamente, que se producirán desfasadas 120º.

Imagen 20: Onda trifásica de un transformador sin rectificar.Fuente: Elaboración propia.

Las tensiones V1, V2 y V3 están representadas en la gráfica, por las ondas roja, verde y azul. Pero en realidad, al

haber colocado un diodo a cada salida, el semiciclo negativo de cada onda quedará suprimido, es decir, que la

tensión que le llegue a la carga será la línea ondulada de color gris.



Imagen 21: Onda trifásica de un transformador rectificada.Fuente: Elaboración propia.


Analizando la imagen 21 podemos observar que cada bobina alimentará la carga durante 1/3 del periodo y cada

diodo estará conduciendo durante tanto tiempo como la corriente de su bobina sea superior que la de las demás. La

línea de trazos de la imagen representa la duración de un ciclo, tal y como puede observarse. Como la corriente de

alimentación de la carga la aportan tres bobinas en cada ciclo, esta será más continua.



4.3.2 Rectificador trifásico de onda completa

Si ahora disponemos de un puente hexadiodo, de manera que podamos rectificar el semiperiodo negativo, que

antes quedaba anulado, la tensión producida será aún más continua que en los casos anteriores.

Imagen 22: Rectificador trifásico de onda completa.Fuente: Elaboración propia.


Podemos observar como ahora, nuestro transformador, tiene a la salida de cada bobina dos diodos, de manera que

se rectificará la onda completa. Para aclarar más aún el funcionamiento, vamos a representar las bobinas R, S y T

desfasadas en el espacio 120º, pues constructivamente es como se encuentran. Imaginemos que la producción de

corriente comienza en la bobina R-S (onda roja), siendo el semiperiodo positivo el que se produce a la salida de R.

La corriente por tanto circulará hasta D1 que, por ser positiva, lo atravesará hasta la carga R y retornará por D5

hasta la bobina S. 180º después, se producirá el semiperiodo negativo, por lo que al haber cambiado el sentido de

la corriente, el positivo estará a la salida de la bobina S, atravesará el diodo D2 en dirección a la carga, retornando

por D4 hasta la bobina R.

Imagen 23: Conexionado trifásico en estrella.Fuente: Elaboración propia.

Esta secuencia la repetimos para las bobinas S-T (onda verde), actuando D2 y D6 para el semiperiodo positivo y D3

y D5 para el semiperiodo negativo; y para las bobinas T-R (onda azul), en cuyo caso la secuencia será D3 y D4 para

la semionda positiva y D1 y D6 para la semionda negativa.

Ya sólo queda hacer un matiz, y es que el desfase entre el semiperiodo positivo y negativo es de 180º, mientras que

el desfase entre arrollamientos es de 120º, por lo que antes de que el semiciclo de una de las bobinas haya

finalizado, se estará produciendo la siguiente onda en otro arrollamiento. Esto queda de manifiesto si en la

representación senoidal de un transformador trifásico, se solapan los semiciclos positivos y negativos.



Imagen 24: Rectificador trifásico de onda completa.Fuente: Elaboración propia.


Puede apreciarse como ahora el aporte de tensión es cada 1/6 del periodo, resultando una tensión aún más

continua que en los casos anteriores. Si depuramos las partes de la onda que no afectan a la alimentación de la

carga, resultará una señal como la que muestra la imagen inferior:

Imagen 25: Señal resctificada.Fuente: Elaboración propia.



4.4. Filtro por condensador

Hemos visto en el apartado anterior, como la señal obtenida después de la rectificación, no era exactamente una

señal continua, sino más bien una señal ondulada. Disponer de un transformador monofásico o trifásico hacía que la

señal fuera más uniforme en el segundo caso, del mismo modo que rectificar la onda completa en vez de media

onda mejoraba la señal de salida.

A pesar de esto, la calidad de esa señal no es aceptable para la mayoría de los circuitos, por lo que debemos

añadir elementos que mejoren aún más esa señal. El nombre que damos a esos circuitos es el de filtros y por

defecto los rectificadores los incluyen.

Así pues, la finalidad de un filtro no es otra que la de minimizar el efecto ondulante de esa señal; a esta ondulación,

en la práctica, se la denomina rizado y podemos determinar su valor por medio del factor de rizado; que no es

más que la relación que existe entre el valor eficaz de la ondulación y el valor medio de la misma.

Por otro lado, debemos tener en cuenta que la frecuencia de rizado no coincide con la frecuencia de la señal

alterna; o por ser más precisos, sólo coincidirá para el caso del rectificador de media onda para una fase. En el

caso de una fase y rectificador de onda completa, la frecuencia de rizado será el doble que la de la señal y para los

casos de ondas trifásicas, la frecuencia de rizado será el triple para rectificador de media onda y será seis veces

mayor si la rectificación es de onda completa.

Los filtros que se utilicen deben presentar poca resistencia al paso de la corriente continua y elevada resistencia al

paso de la corriente alterna; además deben almacenar energía cuando la señal de entrada aumente, y cederla

cuando la energía disminuya, para que la señal resulte menos ondulatoria.

Puesto que la energía de la que hablamos es eléctrica, seguro que ya estás pensando en un condensador y en

efecto, los condensadores almacenan energía cuando la tensión aumenta y la ceden cuando disminuye. Pero

además, las bobinas son capaces de almacenar energía cuando la corriente aumenta y cederla cuando disminuye.

Conclusión: utilizaremos condensadores y bobinas como elementos de filtrado de señales ondulantes.

Filtro por condensador: Es el filtro más simple y consiste en colocar un condensador en paralelo con la

carga. Para un rectificador monofásico de onda completa, el esquema de conexión quedaría como muestra

la imagen:

Imagen 26: Esquema de un filtro de condensador.Fuente: Elaboración propia.

El condensador se cargará mientras la tensión de la onda senoidal sea superior a la suya, almacenando energía;

cuando la tensión de la onda sea inferior a la del condensador, éste se descargará sobre la resistencia, hasta que la

señal vuelva a tener una tensión superior a la del condensador, momento en que volverá a cargarse y repetir el

ciclo. Esto puede verse representado por la línea de color azul de la imagen inferior; la línea roja de puntos

representa la señal rectificada.



Imagen 27: Señal rectificada y filtrada.Fuente: Elaboración propia.

En este montaje, la tensión continua en extremos de la carga, viene dada por la expresión:

Imagen 28: Representación de la media y de rizado.Fuente: Elaboración propia.

Y por otro lado sabemos:

Si despejamos Q en ambas expresiones:



Podemos afirmar que la ondulación será menor cuanto menor sea la reactancia del condensador:

Tenemos un rectificador trifásico de onda completa en el que se desea establecer la tensión de rizado en 0,1

V eficaces. Se quiere conocer la capacidad del condensador si la corriente de salida es de 100 mA.

Recuerda que la frecuencia de la corriente que llega a nuestros hogares es de 50 Hz.



4.5. Otros tipos de filtros

El filtro por condensador es uno de los más sencillos y por eso es de los más utilizados. No obstante existen otros

que sólo describiremos brevemente.

Filtro R-C: si colocamos una resistencia en serie con el condensador, conseguiremos un efecto de filtrado

mayor, pues como es sabido, la constante de tiempo de un condensador es t=R·C, con lo que el tiempo de

carga del condensador aumenta y por lo tanto el rizado disminuye.

Imagen 29: Filtro R-C.Fuente: Elaboración propia.

No obstante, la resistencia R del filtro R-C produce cierta caída de tensión y la consiguiente pérdida de energía.

Filtro L-C: se suelen utilizar cuando la corriente por la carga es elevada. En este caso, se conecta en serie

con el condensador una bobina y es la bobina la que proporciona la resistencia para la constante de tiempo,

con la ventaja de que su resistencia es tan baja que apenas produce caída de tensión en continua, porque

sólo interviene la de los arrollamientos.

Imagen 30: Filtro L-C.Fuente: Elaboración propia.

Filtro en Pi: en este caso se montan dos condensadores en paralelo unidos por una bobina. Es el que

mejores resultados da, pero es más voluminoso y costoso que los anteriores.



Imagen 31: Filtro en Pi.Fuente: Elaboración propia.



4.6. Circuitos amplificadores

El nombre asignado a estos circuitos es suficientemente clarificador, aún así diremos que los amplificadores

son dispositivos que tienen por misión amplificar la señal de entrada, de manera que, a la salida del mismo,

ésta haya aumentado de magnitud. Podemos suponer pues, que una señal débil que llegue a la entrada de

un amplificador, será entregada con las mismas características a la salida pero aumentada.

Si nos preguntamos qué tipo de señal podemos ampliar, la respuesta es sencilla: tensiones, intensidades,

potencia, tanto en señales continuas como alternas.

La característica principal de un amplificador es la ganancia, que designaremos por la letra A y que relaciona el

valor de la señal de salida con el de entrada. Si queremos amplificar el voltaje de una señal entonces tendremos

que la ganancia será:

Y de la misma manera tendremos la ganancia si amplificamos intensidad o potencia:

Si sustituimos la potencia por su valor, entonces podremos poner:

Normalmente se han utilizado los amplificadores para amplificar señales de audio, y puesto que el oído humano es

capaz de percibir señales desde 2·10-5

Pa (umbral de audibilidad) hasta 100 Pa (umbral del dolor); lo amplío de

esta gama de presiones, obliga a utilizar una escala más adecuada, tal es el caso de la logarítmica. Esta escala se

expresa en decibel, dB, en honor al inventor estadounidense Alexander Graham Bell.



Seguramente desde pequeño aprendiste algunos de los inventos que marcaron el devenir de las sociedades

de los siglos pasados y por supuesto el nombre de sus inventores. Aunque no es el cometido de este tema

me parece de justicia aclarar una cuestión que viene en cierto modo al caso. Que Graham Bell inventó el

teléfono es algo que no cuestiona casi nadie; pues bien, aquí te topas con alguien que no está de acuerdo.

Te informo que el inventor del teléfono, en realidad debería llamarlo teletrófono, fue Antonio Meucci, y

aunque eso hoy en día ya será muy difícil demostrar, Bell pudo haberle robado la patente. El 11 de junio de

2002 el Congreso de los Estados Unidos aprobó la resolución 269 por la que reconoce a Meucci como

inventor del teléfono, pese a ser Bell estadounidense y Meucci un inmigrante italiano.

Si quieres saber más haz clic en este enlace Antonio Meucci .

Hay otro detalle que debe ser tenido en cuenta cuando se diseñan o usan amplificadores, y no es otro que el hecho

de que la respuesta frecuencial sea estable en un intervalo de frecuencias. La respuesta para frecuencias inferiores

y superiores será atenuada y se indicará por la frecuencia de corte inferior y superior.

Imagen 32: Respuesta frecuencial en amplificadores.Fuente: Elaboración propia.


El rango o intervalo en los que la ganancia se mantiene constante se conoce como ancho de banda. Como se ve

en la gráfica, los límites inferior y superior del ancho de banda vienen marcados por aquellos puntos en los que la

ganancia es inferior a 3 dB.

Calcula el valor de la tensión de salida de un amplificador cuando a la entrada se aplica una tensión de 150

mV; si la ganancia es de 40 dB.

Repasa el concepto de logaritmo.



Tenemos un amplificador de tensión como el de la figura en el que la ganancia de tensión Avo es 120 y un

generador de entrada Vg suministra una tensión máxima de 30 mV, siendo su resistencia interna 500 Ω y la

resistencia de carga R = 3 kΩ. Si la resistencia de entrada es de 8 kΩ y la de salida de 700 Ω; se desea

conocer:

Imagen 33: Amplificador de tensión.Fuente: Elaboración propia.

Pulsa sobre la imagen para ampliarla

Las tensiones e intensidades de entrada y salida.1.

La ganancia de tensión, intensidad y potencia2.

El valor de las ganancias expresadas en dB3.



4.6.1. Amplificador con transistor

Del tema de "Semiconductores..." recordarás que, cuando se habló del transistor, se dijo de él que puede funcionar

como interruptor y como amplificador. No vamos aquí a volver a extendernos con su funcionamiento, sino que nos

vamos a centrar en la última de sus aplicaciones, la amplificación; que básicamente consistía en que por medio de

una corriente de base muy débil (apenas unos miliamperios) podíamos controlar una corriente mucho mayor entre

colector-emisor.

Recuerda que en un transistor había dos relaciones muy significativas:

Beta β de un transistor: relación entre la corriente de colector y de base. En los polímetros nos la

encontramos indicada por las siglas hFE

Esta relación es lo que se conoce como ganancia de un transistor y es la que nos interesa. Su valor suele

rondar 100, aunque puede variar, incluso existen transistores superbeta.

Alfa α de un transistor: es la relación entre la corriente de colector y emisor y su valor es

prácticamente la unidad, ya que Ic≈Ie

Para explicar la función amplificadora de un transistor, vamos a tomar como ejemplo un transistor PNP en montaje

emisor común, tal y como indica la figura. En principio no consideraremos el generador de señal alterna y

procederemos a determinar la recta de carga del transistor.

Imagen 34: Transistor PNP en emisor común con señal alterna en la entrada.Fuente: Elaboración propia.



Podemos representar en una gráfica las corrientes de base Ib sobre unos ejes coordenados, en los que el eje de

abscisas representa las tensiones C-E y el eje de ordenadas la corriente de colector Ic. Esta gráfica representa

varias zonas claramente diferenciadas: la zona de corte (área amarilla en la imagen), donde no se alcanza una

tensión base-emisor suficiente y el transistor se comporta como un circuito abierto y la zona de saturación (área

azul en la imagen), en la que la tensión colector -emisor es cero y la corriente de colector máxima, aquí el transistor

se comporta como un cortocircuito. El resto es lo que se conoce como zona activa o lineal, por ser éste el

comportamiento del transistor, es decir, es la zona en la que el transistor amplifica, siendo controlado por la

intensidad de la base.

Imagen 35: Curvas características de salida en transistor PNP.Fuente: Elaboración propia.

En la gráfica hemos representado ya la recta de carga, que como sabemos, sus puntos se determinan según las

ecuaciones:

Punto de corte en el eje de ordenadas: VCE=0

Punto de corte en el eje de abscisas: ic=0

Si consideramos un punto intermedio de trabajo del transistor, por ejemplo para una corriente de base de 3mA y

ahora introducimos una señal alterna con el generador que hemos incluido en el circuito, que tenga un valor máximo

de 2mA (representada por la onda azul); podemos observar como para una oscilación de la corriente de base de ±2

mA, tendremos una oscilación mucho mayor en la corriente del colector, tal y como indica la imagen inferior.



Imagen 36: Amplificación de la corriente de colector en un transistor PNP.Fuente: Elaboración propia.

Es evidente pues, el efecto amplificador del transistor y como puedes imaginar existen distintas configuraciones

según se trate de un transistor PNP o NPN y si el montaje se realiza en configuración emisor común, como el aquí

explicado o si se realiza en colector y base común. Así mismo, puede darse el caso de que la amplificación

conseguida con un transistor no sea suficiente y se haga necesario utilizar varias etapas amplificadoras.



4.6.2. El amplificador operacional

El amplificador operacional (AO) es un circuito amplificador de ganancia muy elevada, que está basado en

una serie de etapas con transistores, integradas en un mismo encapsulado.

Su nombre se deriva de la época en la que se usaban como circuitos de cálculo analógico, anterior al

desarrollo de las técnicas digitales. El AO podía operar con valores de tensión analógicos para dar lugar a

operaciones de cálculo.

En la actualidad tienen dos grandes campos de aplicación:

Circuitos para el procesamiento de señales analógicas: amplificación, filtrado, comparadores, etc.

Circuitos osciladores y temporizadores.

El AO más común es conocido como 741. Su símbolo viene indicado en la imagen:

Imagen 37: Símbolo de un amplificador operacional.Fuente: Elaboración propia.

En un AO se distinguen las siguientes conexiones:

V+: es la entrada no inversora.

V-: es la entrada inversora.

Vout: aquí obtenemos la tensión de salida.

Vs+: es la alimentación positiva.

Vs-: es la alimentación negativa.

Estos dispositivos necesitan para su funcionamiento ser alimentados con dos tensiones, por lo que hacen necesario

que la fuente de alimentación sea simétrica.

La identificación de las patillas según los encapsulados es la siguiente:



Imagen 38: AO 741 encapsulado MINI-DIP.Fuente: Elaboración propia.

Imagen 39: AO 741 encapsulado metálico.Fuente: Elaboración propia.

Existen otros tipos de encapsulados, pero su estudio queda fuera de los objetivos pretendidos con este tema.

Antes de continuar con el funcionamiento del AO, vamos a mostrar los componentes internos que lo forman y la

complejidad del mismo, quedando patente por qué se le denomina circuito integrado.

Imagen 40: Diagrama electrónico del AO 741.Fuente: Wikipedia. Licencia Creative Commons

El AO puede presentar dos modos de operación: el modo lineal y el modo no-lineal. Para obtener el primero, es

necesario que la configuración del circuito donde conectamos el AO tenga un tipo de realimentación negativa y para

obtener el segundo, podemos dejar el AO sin realimentación o la realimentación debe ser positiva.

La realimentación negativa de un AO tiene unas consecuencias que deben ser tenidas en cuenta, entre ellas la más

importante es que la ganancia del AO sólo va a depender de las características de los elementos conectados al AO

y por lo tanto, la tensión de salida, no será el producto de la ganancia del AO por la diferencia de tensiones entra la

entrada no inversora y la entrada inversora. Esto implicará por lo tanto, que la realimentación negativa hará que

V+=V- .

Existen muchas etapas que se pueden montar con un AO, por ejemplo: comparador diferencial, amplificador,

sumador, restador, etc; pero aquí sólo comentaremos la etapa amplificadora.

Amplificador no inversor: puesto que la realimentación será negativa, esto supone que V+=V-



Imagen 41: AO 741 en etapa No Inversora.Fuente: Elaboración propia.

Desarrollando algunas ecuaciones tendremos:

;

Sustituyendo e igualando obtendremos:

Siendo V0 la tensión de salida y Vi la tensión de entrada. Si representáramos en una gráfica ambas señales,

tendríamos:

Imagen 42: Onda amplificada en etapa no inversora.Fuente: Elaboración propia.

Amplificador inversor: al igual que en el caso anterior, al ser la realimentación negativa, tendremos que

V+=V-



Imagen 43: AO 741 en etapa inversora.Fuente: Elaboración propia.

Si desarrollamos las ecuaciones del circuito tendremos:

Y si igualamos y sustituimos tendremos:

Por último, la representación gráfica de las señales será:

Imagen 44: Onda amplificada en etapa inversora.Fuente: Elaboración propia.



4.7. Circuitos osciladores

Para terminar este tema hablaremos de los osciladores. Antes de entrar en materia puede ser interesante exponer

algunas de las utilidades de estos circuitos, así como de cual es su funcionamiento básico.

Los circuitos osciladores son aquellos circuitos capaces de convertir la energía eléctrica de corriente

continua, en corriente alterna de una determinada frecuencia. Son muy numerosas sus utilidades:

generadores de frecuencia de radio y televisión, generadores de barrido en tubos de rayos catódicos,

osciladores locales en los receptores (telefonía móvil, sistemas digitales de alta velocidad, transmisiones vía

satélite) y en general en todos los sistemas de telecomunicaciones y navegación tanto analógicos como

digitales.

Como ves sus aplicaciones son muchas y hoy en día muy importantes, así pues, comencemos.

La manera más sencilla de entender un circuito oscilador es a partir de un circuito LC, es decir, un circuito con una

bobina y un condensador en paralelo alimentado por una pila.

Imagen 45: Circuito oscilante LC.Fuente: Elaboración propia.

Como puedes deducir, en la posición que indica la figura superior, la corriente pasará por el condensador hasta que

se complete su carga. Llegado este punto, actuamos sobre el conmutador cambiando su posición (imagen inferior),

por lo que el condensador se descargará sobre la bobina. A medida que comienza la descarga sobre la bobina, en

ésta se producirá una tensión por efecto de la autoinducción, opuesta a la causa que la origina y a medida que ésta

va aumentando, la corriente que la recorre irá disminuyendo.




Llegará un momento en que al descargarse el condensador comenzará la descarga de la bobina sobre aquel, pues

el conmutador sigue en la posición que lo habíamos dejado.


Una vez finalizada la carga del condensador, la tensión en la bobina habrá desaparecido, momento en que

comenzará un nuevo ciclo de descarga del condensador sobre la bobina.

Si tratamos de representar como han ido cambiando los valores de la corriente por el circuito y cómo han

evolucionado las tensiones en condensador y bobina observaremos que:

Imagen 48: Representación senoidal de i, Vc y Vl en un circuito oscilante LC.

Fuente: Elaboración propia.

La corriente ha ido oscilando del condensador a la bobina hasta anularse y viceversa, de la bobina al condensador.

Lo mismo ha ocurrido con las tensiones en C y L, con la particularidad ya conocida de que existe un desfase entre

la corriente y la tensión, de manera que la tensión en el condensador va retrasada con respecto a la intensidad y en

la bobina la tensión se adelanta con respecto a la corriente, tal y como queda reflejado en la representación

vectorial de la imagen superior. Es evidente pues, que estamos ante una oscilación eléctrica y de ahí el nombre a

estos circuitos.

No hemos dicho al principio de nuestra exposición, que lo que hemos analizado se trata de un circuito ideal, de

modo que la bobina carece de resistencia óhmmica; esto en la práctica no ocurre, pues por pequeño que sea, su

valor resistivo está ahí y eso supone que en cada ciclo de carga y descarga del condensador, parte de la energía

eléctrica se disipa en forma de calor, por lo que la tensión va disminuyendo paulatinamente, amortiguando el efecto

descrito; tal y como puede apreciarse en la imagen inferior. De otra manera significaría que con una sola carga de

nuestro condensador, conseguiríamos un ciclo perpetuo entre los dos elementos y eso es imposible. De hecho, para

que el ciclo se repita permanentemente, necesitamos el aporte constante de una fuente de alimentación que

compense las pérdidas de energía de la bobina.



Imagen 49: Amortiguación de la onda senoidal en un circuito oscilante LC.Fuente: Elaboración propia.

Si queremos conocer la frecuencia de oscilación del circuito que acabamos de describir, en el que la resistencia

óhmmica es nula, tenemos que recordar el concepto de resonancia.

Decimos que un circuito es resonante, cuando la corriente que circula por él es máxima. Eso sucederá

cuando R = 0 y por lo tanto XL = XC con lo cual una anula a la otra. De aquí deducíamos:

Vemos pues, como la frecuencia de resonancia depende directamente de la inducción de la bobina en

Henrios y de la capacidad del condensador en Faradios, para obtener Hertz.

Se puede pensar que el concepto de resonancia va ligado únicamente a los circuitos eléctricos y nada más lejos de

la realidad. Cualquier material capaz de vibrar genera una frecuencia de oscilación y por lo tanto se puede

manifestar en él el efecto de resonancia. Una cuerda de un instrumento o cualquier tipo de material. Quizá el caso

más famoso sea el derrumbamiento del puente Tacoma; observa y di si no es increíble.



Video 3: Puente sobre el río TacomaFuente: Youtube

Determinar la frecuencia de resonancia de un circuito LC formado por una bobina de 50 mH y un

condensador de 47 µF y una resistencia de 80 Ω. Si el circuito es alimentado con una tensión de 100 V

eficaces, calcular la tensión de resonancia, así como la tensión aplicada en la bobina y el condensador.

Repasa el concepto de resonancia, inductancia y capacitancia.



4.7.1 Circuitos osciladores más utilizados

Hoy en día los circuitos osciladores se montan con componentes electrónicos a base de transistores o

amplificadores operacionales, pues un circuito oscilante no es más que un amplificador con realimentación positiva,

ya que si al circuito oscilante le colocamos un amplificador que amplifique la señal amortiguada reintroduciéndola a

la entrada positivamente, estaremos reponiendo la parte de la señal que se pierde en cada ciclo.

Algunos de los osciladores más utilizados son:

Oscilador Meissner

Oscilador Hartley

Oscilador Colpitis

Oscilador Pierce

Oscilador Vackar

Dado que lo que pretendemos exponer es el concepto de oscilación y éste ha quedado aclarado más arriba,

solamente vamos a explicar aquí, de forma breve, el funcionamiento del oscilador Meissner.

Imagen 50: Oscilador Meissner transistorizado.Fuente: Elaboración propia.

La imagen superior muestra el circuito correspondiente a un oscilador Meissner; cuando el condensador variable se

descarga sobre el primario del transformador, cuyo comienzo de bobina ha sido indicado con un punto, en éste

comienza a generarse una tensión y por lo tanto también se producirá tensión en el secundario. Puesto que esta

tensión es alterna, como ya vimos en el ciclo de oscilación, también será alterna la tensión producida en L2, de

manera que por tratarse de un transistor PNP, cuando la base tenga polaridad negativa y el emisor positiva, se

establecerá paso de corriente entre emisor y colector y se cargará el condensador C, cuando el sentido de la

corriente cambia en L2, ahora deja de pasar corriente entre emisor y colector, repitiéndose el ciclo. El condensador

variable permite cambiar la frecuencia de oscilación.



Tema 4. Circuitos electrónicos...

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