WikiCiencia - Electrónica y Electricidad - Teoría - Introducción a la electrónica

Firenox
PRINCIPALELECTRONICAINFORMATICATECNOLOGIANOTICIASDESTACADOS
 

Introducción a la electrónica

La electrónica puede definirse como el estudio de los electrones de la materia en movimiento y de los fenómenos capaces de influir sobre tales movimientos.

En base a los principios de la electrónica la tecnología desarrolló elementos y dispositivos electrónicos para infinidad de usos prácticos, provocando una verdadera revolución técnica. Este desarrollo ha posibilitado el perfeccionamiento en el ámbito de las comunicaciones. Ejemplo de esto es la radiofonía y la televisión.

También dicha revolución facilitó el desarrollo de la cibernética, lo cual hace posible el procesamiento de datos, el control administrativo, el almacenaje de información, etc.

Por medio de la electrónica se ha permitido la verificación de cálculos muy precisos, lo que contribuyó a facilitar la creación de instrumentos cuya precisión era inimaginable años atrás, tales como medidores térmicos, de pesos, tiempos, etc.

Componentes pasivos

Los componentes pasivos comprenden las resistencias, capacitores, inductores, transformadores, etc.

En este capítulo analizaremos los tres componentes pasivos más importantes: Resistencias, Capacitores e Inductores.

Resistores

La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción de cualquier equipo electrónico, ya que permite distribuir adecuadamente la tensión y corriente eléctrica a todos los puntos necesarios.

El valor de la resistencia se utiliza como unidad de medida el ohm, al cual representamos con el símbolo W.

Las resistencias tienen un código de colores que indica su valor. Este código está compuesto por bandas de colores divididas en dos grupos; el primero consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las primeras dos o tres indican el valor nominal de la resistencia y la última es un multiplicador para obtener la escala. El segundo grupo está compuesto por una sola banda y es la tolerancia expresada como un porcentaje, dicha tolerancia nos da el campo de valores dentro del cual se encuentra el valor correcto de la resistencia, o sea, el rango o margen de error dentro del cual se encuentra el valor real de nuestro resistor.

Dígitos

Multiplicador

Tolerancia

 

Negro

0

 

Plateado

10-2

 

Plateado

± 10 %

 

Marrón

1

 

Dorado

10-1

 

Dorado

± 5 %

 

Rojo

2

 

Negro

100

 

Marrón

± 1 %

 

Naranja

3

 

Marrón

101

 

 

 

 

Amarillo

4

 

Rojo

102

 

 

 

 

Verde

5

 

Naranja

103

 

 

 

 

Azul

6

 

Amarillo

104

 

 

 

 

Violeta

7

 

Verde

105

 

 

 

 

Gris

8

 

Azul

106

 

 

 

 

Blanco

9

 

 

 

 

 

 

De esta forma si tenemos una resistencia cuyo código de colores sea verde, negro, naranja, dorado tendremos una resistencia de 50.000 W y su tolerancia es del ± 5 %.

En el mercado no es posible encontrar todos los valores de resistencia, sino solamente los estandarizados, los cuales son:

1    1,5    2,2    3,3    4,7    6,8    10

1,2    1,8    2,7    3,9    5,6    8,2

1,1    1,3    1,6    2    2,4    3    3,6    4,3    5,1    6,2    7,5    9,1

La primer línea es correspondiente a valores con 20 % de tolerancia.

Las dos primeras corresponden a valores con el 10 % de tolerancia.

La tabla completa representa los valores para las resistencias cuya tolerancia es del 5 %.

Para obtener toda la gama de valores se multiplican los valores anteriores por los multiplicadores ya especificados en la tabla de códigos de colores.

Además de estar las resistencias caracterizadas por su valor y tolerancia, éstas están definidas por su poder de disipación de potencia, los valores más típicos son: 1/8, 1/4, 1/3, 1/2, 1 y 2 W, con tolerancias del 1 %, 2 %, 5 %, 10 % y 20 %.

También existen resistencias de valor variable llamadas resistencias variables o potenciómetros, los cuales son muy utilizados cuando es necesario realizar sobre un circuito algún tipo de ajuste interno. También se usan para hacer correcciones externas, tales como el caso de control de volumen, tono, luminosidad, etc.

Capacitores

Los capacitores tampoco nunca están ausentes en los circuitos electrónicos, éstos consisten básicamente de dos placas metálicas separadas por un material aislante (llamado dieléctrico). Este material dieléctrico puede ser aire, mica, papel, cerámica, etc. 

El valor de un capacitor se determina por la superficie de las placas y por la distancia entre ellas, la que está determinada por el espesor del dieléctrico, dicho valor se expresa en términos de capacidad. La unidad de medida de dicha capacidad es el faradio (F). Los valores de capacidad utilizados en la práctica son mucho más chicos que la unidad, por lo tanto, dichos valores estarán expresados en microfaradios (1 mF = 1 x 10-6 F), nanofaradios (1 hF = 1 x 10-9 F) o picofaradios (1 rF = 1 x 10-12 F).

Cuando se aplica una tensión contínua entre las placas de un capacitor, no habrá circulación de corriente por el mismo, debido a la presencia del dieléctrico, pero se producirá una acumulación de carga eléctrica en las placas, polarizándose el capacitor.

Una vez extraída la tensión aplicada, el capacitor permanecerá cargado debido a la atracción eléctrica entre las caras del mismo, si a continuación se cortocircuitan dichas caras, se producirá la descarga de las mismas, produciendo una corriente de descarga entre ambas.

Si ahora le aplicamos una tensión alterna se someterá al capacitor a una tensión contínua durante medio ciclo y a la misma tensión, pero en sentido inverso, durante la otra mitad del ciclo. El dieléctrico tendrá que soportar esfuerzos alternos que varían de sentido muy rápidamente, y por lo tanto, su polarización deberá cambiar conforme el campo eléctrico cambia su sentido, entonces si aumentamos la frecuencia el dieléctrico ya no podrá seguir estos cambios, produciéndose eventualmente una disminución en la capacidad. En síntesis, la capacidad de un capacitor disminuye conforme lo hace la frecuencia de la tensión aplicada al mismo.

Existe mucha variedad de capacitores a lo que a tipos se refiere. Existen los cerámicos, que están construidos normalmente por una base tubular de dicho material con sus superficies interior y exterior metalizadas con plata, sobre las cuales se encuentran los terminales del mismo. Se aplican tanto en bajas como en altas frecuencias.

Otro tipo es el de plástico, que está fabricado con dos tiras de poliéster metalizado en una cara y arrolladas entre sí. Este tipo de capacitor se emplea a frecuencias bajas o medias. Con este tipo de capacitor se pueden conseguir capacidades elevadas a tensiones de hasta 1.000 V.

También existen capacitores electrolíticos, los cuales presentan la mayor capacidad de todos para un determinado tamaño. Pueden ser de aluminio o de tántalo. Los primeros están formados por una hoja de dicho metal recubierta por una capa de óxido de aluminio que actúa como dieléctrico, sobre el óxido hay una lámina de papel embebido en un líquido conductor llamado electrolito y sobre ella una segunda lámina de aluminio. Son de polaridad fija, es decir que solamente pueden funcionar si se les aplica la tensión continua exterior con el positivo al ánodo correspondiente. Son usados en baja y media frecuencia.

Los capacitores electrolíticos de tántalo son muy similares a los de aluminio.

Inductancias

El paso de corriente por un conductor va acompañado por efectos magnéticos, es decir que se crea un campo magnético por la circulación de corriente.

Cuando a dicho campo magnético se le transfiere energía, la fuente de FEM efectúa trabajo, lo que requiere potencia eléctrica, y esta potencia es igual a la corriente multiplicada por la tensión, entonces deberá haber una caída de tensión en el circuito mientras la energía se almacena en el campo. Esta caída de tensión es producto de una tensión opuesta que es inducida en el circuito mientras el campo varía, cuando este toma valor constante entonces la FEM inducida desaparece. Como la FEM inducida se opone a la aplicada, entonces ésta se opone a las variaciones en el campo magnético.

La amplitud de esta FEM es proporcional a la variación de la corriente y la inductancia del circuito. La inductancia depende de las características físicas del conductor. Si a un conductor se lo enrolla, tendrá una mayor inductancia que cuando no lo estaba, además a medida que aumenta la cantidad de vueltas, aumenta también el valor de la inductancia. Se aumentará mas aún la inductancia cuando el arrollamiento se haga alrededor de un hierro.

La inductancia se mide en henrios (H), y los valores utilizados para las distintas aplicaciones varían ampliamente.

Todos los conductores tienen inductancia, si es de corta longitud su inductancia será pequeña, pero habrá que tenerla en cuenta si la corriente varía rápidamente en el mismo. 

Para el cálculo de la inductancia de un arrollamiento se utiliza la siguiente fórmula:

L (mH) = (d2 * n2) / (18 d + 40 l)

donde

  • L = Inductancia (en microhenrios)

  • d = diámetro de la bobina (en pulgadas)

  • l = longitud de la bobina (en pulgadas)

  • n = número de espiras.

Componentes semiconductores

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.). Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

Los semiconductores son muy importantes en electrónica ya que gracias a ellos contamos hoy con diversos componentes de gran utilidad en electrónica, tales como diodos, transistores, tiristores, triac, etc.

El diodo

El nacimiento del diodo surgió a partir de la necesidad de transformación de corrientes alternas en continua.

La corriente en un diodo presenta un sentido de circulación de cargas positivas que van desde el ánodo al cátodo, no permitiendo la circulación de la corriente en el sentido opuesto, lo cual nos permite la conversión de corriente alterna a continua, procedimiento conocido como rectificación. Esto ocurre porque por el diodo solamente podrá circular corriente cuando el ánodo sea más positivo que el cátodo.

Están compuestos por dos regiones de material semiconductor que se llama unión P-N. Entre las dos partes de la unión P-N, y en la zona de contacto entre ambas, se produce una región denominada de transición, donde se genera una pequeña diferencia de potencial quedando la zona N a mayor tensión que la P. Cuando se le aplica una tensión al diodo con el terminal positivo conectado a la zona P y el negativo a la N se producirá una circulación de corriente entre ambas debido a que una pequeña parte de esta tensión nivelará la diferencia de potencial entre zonas, quedando éstas niveladas en tensión, y el resto de la tensión aplicada producirá una circulación de electrones de la zona N a la P.

Si esa tensión externa se aplica con los bornes intercambiados, es decir el terminal positivo de la fuente conectado a la zona N y el negativo a la región P, no habrá circulación de corriente por el diodo, debido a que por efecto de la tensión aplicada se aumentará la diferencia de potencial existente entre las zonas P y N, impidiendo así la circulación de corriente a través del mismo.

Entre las diversas clases de diodos que se encuentran en el mercado, podemos citar las siguientes: diodos rectificadores (en montaje individual o puente rectificador), diodos de señal, diodos de conmutación, diodos de alta frecuencia, diodos estabilizadores de tensión, diodos especiales.

Transistores

El transistor es un elemento semiconductor que tiene la propiedad de poder gobernar a voluntad la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres terminales (emisor y colector), mediante la circulación de una pequeña corriente aplicada en el tercer terminal (emisor).

Este efecto se conoce con el nombre de amplificación de corriente, y nos permite aplicarle en el emisor una corriente muy pequeña con cualquier forma de variación en el tiempo, y obtener la misma corriente, con la misma variación en el tiempo, pero de mayor amplitud.

Se utilizan fundamentalmente en circuitos que realizan funciones de amplificación, control, proceso de datos, etc.

El funcionamiento interno se puede describir a partir de lo ya explicado para los diodos, con la diferencia de que este último posee dos uniones semiconductoras, esto es: el transistor posee dos zonas semiconductoras, que pueden ser N o P, y entre ambas una muy delgada del tipo P o N respectivamente.

Este conjunto formará dos uniones: una N-P, entre el emisor y la base, y la otra P-N entre la base y el colector (si las dos zonas exteriores son del tipo N y la interior tipo P, es decir un transistor NPN. Si las regiones exteriores son del tipo P y la interior del tipo N el transistor será del tipo PNP).

Si le aplicamos una tensión externa a la unión N-P, de forma que quede polarizada en directa, se producirá una circulación de corriente entre ambas regiones. Aplicando una segunda tensión externa a la otra unión, de modo que ésta quede en inversa (el terminal positivo de la fuente conectado al colector y el negativo a la base), la corriente generada en la otra unión, será atraída por la diferencia de potencial positiva aplicada al colector, generando que prácticamente toda la corriente proveniente del emisor llegue al colector, salvo una pequeña cantidad de corriente que saldrá por la base. Y es justamente esta pequeñísima corriente de base la que nos permite gobernar la corriente circulante desde el emisor al colector.

El sentido de circulación de la corriente adoptado hasta ahora es el de circulación de los electrones, y como la  convención utilizada toma el sentido opuesto entonces en un transistor del tipo NPN la corriente será entrante por el colector y la base, y saliente por el emisor.

Debido a que la corriente de emisor será siempre un múltiplo de la de base obtendremos los resultados deseados de amplificación. Supongamos que dicha corriente de colector (Ic) es 100 veces la corriente de emisor (Ie), entonces si
Ib = 5 mA; Ie = 500 mA. Si ahora Ib = 2 mA; Ie = 200 mA. Donde se puede apreciar que una pequeña variación en la corriente de base (3 mA), produce una gran variación en la de emisor (300 mA). Dicho factor de amplificación es denominado generalmente con la letra griega β (Beta).

Ya hemos hecho notar que existen transistores del tipo NPN y PNP según sean los dopados de las tres regiones, pero entre ambos tipos no existe ninguna diferencia en cuanto a lo funcional, salvo que todos los sentidos de circulación de las corrientes son opuestos en uno y otro, por lo tanto, para polarizar un transistor PNP, de igual manera que uno NPN, se deberán utilizar tensiones opuestas en uno y otro.

Los transistores tienen una característica muy interesante que es la capacidad que tienen éstos de entregar una intensidad de corriente constante a una resistencia, independientemente del valor de ésta, es decir que las variaciones de corriente obtenidas por la acción de la base, producirán en la resistencia una variación de la tensión, la cual será, según la ley de Ohm: V = I x R. Entonces V dependerá del valor de la corriente de base y de la resistencia en el colector, siendo V mayor cuando mayor es R, estando fijado el límite por el valor de la tensión externa aplicada al circuito.

Este efecto resulta en una "amplificación de tensión", que es una de las características mas importante de los transistores y el motivo por el cual son de uso casi imprescindible en los montajes electrónicos. Esta amplificación de tensión se calcula como la relación entre el voltaje en la resistencia de carga y la tensión aplicada entre las junturas base-emisor.

Los transistores, según sea la tecnología de fabricación, se clasifican en grandes grupos con diferentes características: Bipolares, Fet, Mosfes, Uni unión. Hasta el momento nos hemos referido al primer grupo de ellos.

El estudio y análisis de los transistores se realiza mediante el empleo de las "curvas características" del mismo, con las cuales se puede caracterizar completamente el comportamiento o funcionamiento eléctrico del transistor, siendo ésta expresada en relaciones gráficas de las corrientes Ib, Ic e Ie, en función de las tensiones externas y para las distintas configuraciones: Emisor Común (EC), Base Común (BC) y Colector Común (CC).

Las curvas describen el comportamiento de los transistores, pero como estos no se comportan todos de igual manera, las curvas varían según el tipo de transistor, y, si bien difieren de un tipo a otro, son muy semejantes en la forma. Además no se refieren a uno en concreto, sino que son un promedio de un gran número de unidades. Estas gráficas son proporcionadas por el fabricante, y como el montaje más común es la de emisor común, y además éstos nos suministran las curvas basadas en este tipo de configuración, nos centraremos en el análisis de las curvas referidas a este tipo de montaje.

También es importante conocer los valores máx, mín y típico de las características más importantes, para poder emplear, en los cálculos, el valor que resultare más desfavorable a fin de asegurarnos que el funcionamiento de cualquier unidad de la muestra estará dentro de lo estipulado.

Las curvas características mas importantes son las característica de entrada y la de salida. En las de entrada, se expresan las gráficas de la relación entre la corriente de base (Ib) y la tensión base-emisor (Vbe) para la tensión colector-emisor (Vce) constante. A partir de ellas podemos calcular la corriente que circula por la base cuando se aplica una tensión externa entre ésta y el emisor.

Como el transistor en montaje en emisor común tiene comportamiento similar al de un diodo polarizado en directa, las curvas son de igual forma, es decir, que existe una determinada tensión umbral por debajo de la cual la corriente es prácticamente nula (Vd = 0,3 V para transistores de Germanio y 0,6 V para los de Silicio).

También de las características de entrada podemos deducir la resistencia de entrada del transistor, que es la variación de la tensión base-emisor (Vbe) con respecto a la corriente de base (Ib).

En las curvas de salida se grafica la corriente de colector Ic en función de la tensión colector-emisor Vce cuando mantenemos constante Ib. Generalmente se dibuja una familia de curvas para distintas Ib. En esta gráfica se observa que por encima de un valor de tensión colector emisor Vce1 la corriente se mantiene prácticamente constante, independientemente del valor de Vce. Por debajo de este valor sucede todo lo contrario, Ib varía rápidamente con pequeñas variaciones de Vce. Este valor de Vce1 es aproximadamente 0,5 V. A esta zona de funcionamiento donde Ic es cuasi constante, se denomina región activa y es en la que se desea que funcione el transistor cuando se lo usa en amplificadores. En este caso Ic solamente depende de Ib.

De la misma manera que en las características de entrada podemos deducir la resistencia de entrada, en las características de salida podemos deducir la resistencia de salida de la forma: Variación de la tensión Vce con respecto a Ic. Otro factor que podemos deducir es la ganancia de corriente del transistor (b).

De las curvas se deduce, al ser casi horizontal, que la resistencia de salida será muy elevada.

También se definen, y es muy importante tenerlos en cuenta, algunos valore máximos que no hay que sobrepasar:

Tensión máxima colector-emisor cuando Ib = 0. Vceo

Tensión máxima emisor-base Veb

Corriente máxima de colector Ic

Potencia máxima disipada PD o Ttot

Otra familia de transistores muy importante es la de los de efecto de campo, de los cuales es parte el FET. Los mismos realizan la función de control de la corriente mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales.

Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une los dos terminales (Fuente y Drenador), a esta región se la llama canal y sobre ésta existe otra con signo opuesto que se conecta a la puerta, entre ambas se forma una unión PN o NP, según sea su topología. Este conjunto está montado sobre un semiconductor con igual signo al de la puerta. Cuando se aplica una tensión entre Drenador y Fuente, habrá circulación de corriente por el canal.

El control de dicha corriente se hará con una tensión variable que es aplicada a la puerta, ya que, al aplicar dicha tensión, las uniones P-N se polarizan en forma inversa, haciendo que el canal se haga más delgado y, por consiguiente, aumente la resistencia de éste, generando así una variación de la corriente circulante por él.

Como esta corriente de Puerta será extremadamente débil debido a que se trata de una unión polarizada en inversa, será posible variar la corriente que circula por el transistor sin que sea necesario absorber corriente de él.

También la familia de transistores MOS o MOSFET (Metal, Oxido, Semiconductor) es parte de los transistores de efecto de campo.

Este tipo de transistor es fabricado partiendo de un semiconductor tipo P en el que se difunden dos regiones tipo N que forman la fuente y el Drenador, y, encima de la superficie de estos, se aplica una capa de dióxido de silicio (SiO2), que tiene la propiedad de ser muy aislante, sobre la que está situada la Puerta. Entre Fuente y Drenador también existirá un canal similar al del tipo FET, cuya resistencia y anchura será controlada con la tensión de puerta.

En las curvas características de los transistores de efecto de campo se representa la corriente de Drenador (ID) en función de la tensión aplicada entre Drenador y Fuente (VDS). Como en el caso de la transferencia de los transistores bipolares, se traza una curva para cada uno de los valores de VGS deseados. También en estas curvas se observan dos zonas; desde el origen la corriente crece con la tensión, pero alcanzado cierto valor Vp, se hace constante y se forma a partir de allí la segunda zona, a estas dos zonas se las llama región lineal a la primera y región de saturación a la última.

 

WikiCiencia - CC 2000-2008 - Algunos derechos reservados - Términos y Condiciones

Firenox