Cualquier ciudadano del Siglo XXI, está obligado a conocer lo más básico de los conocimientos científicos y tecnológicos. Dado que muchos de los artículos, Cuentos y Novelas sitos en las páginas de KAOS QUÁNTICO están plagados de referencias técnicas, a continuación damos unas pequeñas reseñas, desde lo más básico de la electricidad hasta el acoplamiento entre amplificadores transistorizados, su realimentación y comportamiento ante las diferentes frecuencias. Esperamos que pueda ser de utilidad al lector en su presente Aventura Literaria.
1.- ¿Qué es la Electricidad?
Se conoce como electricidad a la energía primaria que se produce al conectar dos partículas, de las cuales, una de ellas está desequilibrada con un exceso de electrones y la otra con una falta de estos. Cuanto mayor sea la diferencia, mayores serán los efectos que se produzcan al ser unidas por algún medio conductor.
a) Todas las moléculas del Universo, orgánicas e inorgánicas, están constituidas por partículas más pequeñas a las que se ha venido a denominar como átomos. Al principio, se pensaba que el átomo era una partícula indivisible; pero hoy sabemos que está constituido de otras subpartículas que también se pueden dividir y que es materia de estudio de la Física Cuántica.
b) Los átomos son tan minúsculos que no pueden ser estudiados, como las moléculas, a través de algún tipo de microscopio; pero por sus efectos, deducidos en el Laboratorio, se ha venido a interpretar que el átomo está constituido de forma similar a un diminuto sistema solar, en el que el Núcleo del átomo vendría a ser el Sol y los Electrones que orbitan, elípticamente a su alrededor serían los Planetas.
c) El núcleo está constituido, principalmente, por Neutrones que solo aportan masa y los Protones, que aún sin poseer movilidad, lo mismo que los Neutrones, sin embargo poseen una carga que convencionalmente se ha denominado positiva.
d) Los Protones son los responsables de que los electrones (del mismo número) y que orbitan alrededor del Núcleo, no se escapen a causa de la fuerza centrifuga de su movimiento elíptico ya que la polaridad positiva del Protón mantiene una permanente atracción del Electrón.
e) Un Ion Positivo o catión, no es más que un átomo al que por cualquier medio, sea accidental o artificial, se le ha arrancado algún o algunos electrones. A este desequilibrio del Átomo producido por la falta de electrones es a lo que se denomina Carga Eléctrica Positiva. Cuando un átomo tiene un exceso de electrones, se habla de ion negativo o anion ya que en las antiguas válvulas termo-ionicas, por movimiento electrotérmico, se producían en el cátodo para dirigirse al ánodo positivo
2.- Materiales Eléctricos
a) Los electrones apenas poseen masa y su carga eléctrica se ha venido a llamar negativa. Son las únicas partículas subatómicas que poseen movilidad sin necesidad de ejercer alguna fuerza externa al átomo. Asimismo, la Fuerza de cohesión que les une al Núcleo, en su órbita más externa, es fácil de romper en algunos átomos, y son los que constituyen las moléculas de los elementos conocidos como conductores de la electricidad a los que pertenecen el Platino, el Oro, el Cobre y el Aluminio entre otros.
b) Los electrones que se escapan de sus átomos son los responsables de la corriente eléctrica. Por el contrario, si la fuerza de cohesión del átomo es muy elevada e impide el movimiento de sus electrones más externos, el elemento en cuestión se conoce como aislante. A este grupo pertenecen tanto la porcelana como la mica, goma, plásticos, etc., etc...
c) Los materiales intermedios, que podrían ser considerados como malos conductores por convertirse en elementos aislantes bajo determinadas condiciones producidas por contaminación de impurezas externas, son conocidos como Semiconductores, tales como la Galena el Germanio y el Silicio.
d) Los elementos conductores son los encargados de transmitir o conducir físicamente la Energía eléctrica así como los aislantes son utilizados para impedir la circulación de la electricidad. No obstante, los materiales conductores, en su diversidad, poseen índices diferentes de conductividad y aprovechando esa mayor o menor capacidad de conducir, por sus átomos la corriente electrónica, son utilizados en la construcción de Resistencias.
e) La Resistencia es un conductor que frena en un determinado grado la circulación de la electricidad transformando el resto de la energía en Calor.
f) Pueden considerarse como elementos resistivos tanto el tungsteno como el grafito.
g) El valor de la resistencia de un determinado elemento, se saca multiplicando su resistividad (coeficiente del material) r en Wmm/m por la longitud del conductor en metros y dividido entre la sección del conductor en mm2 ; que en el caso de ser circular sería p*r2 , si fuese un cuadrado o un rectángulo sería l*l o l2 y en el caso del triángulo b*a es decir: R=r*l/s; por lo tanto, mayor será la resistencia cuanto más elevados sean el valor de la resistividad y de la longitud y será menor cuanto mayor sea la sección del elemento conductor.
METAL | r=Wmm/m |
Plata | 0.015 |
Cobre | 0.0175 |
Aluminio | 0.026 |
Hierro | 0.1 |
Mercurio | 0.94 |
h) El valor resultante se da en Ohmios. Otra característica importante de las resistencias, es que varían con la temperatura, elevándose a mayor temperatura y disminuyendo cuanto más baja sea. Según la ecuación siguiente: Rc=Rf*(1+d*(t1-t2)), donde Rc es la resistencia en caliente, Rf la resistencia en frío, Delta el coeficiente de variación de temperatura y t1 y t2 las temperaturas inicial y final.
i) Los semiconductores serán utilizados por sus particulares características para convertirlos en interruptores eléctricos, no mecánicos, según la voluntad y programación del diseñador de circuitos electrónicos.
j) Los elementos semiconductores han dado lugar a los diodos y transistores (Bipolares y de efecto de campo) primero, así como a los circuitos integrados, en todas sus variedades, después.
3.- Corriente Eléctrica “Ley de Coulomb”
a) Para que pueda existir una corriente electrónica utilizable, debe existir una diferencia de cargas entre dos elementos. La unión de dichos cuerpos por medio de un material conductor, que incluso puede ser el aire si se acercan lo suficiente hasta producirse un arco o descarga eléctrica, tenderá a nivelar las cargas entre ellos, conduciendo los electrones sobrantes del cuerpo cargado negativamente hacia el elemento con huecos o falto de electrones hasta restablecer el equilibrio eléctrico natural.
b) Conociendo la Velocidad de la electricidad, que es cercana a la de la Luz, es fácil comprender que esta nivelación se producirá rápidamente si no se mantienen las diferencias de Carga o Potencial, de una forma artificial.
c) Hacer mención de que la corriente electrónica es más parecida a una carrera de relevos o al juego del sigue la bola que a una corriente continua de agua, ya que los electrones van saltando de un átomo a otro traspasando la carga negativa que hace que el átomo contaminado despida de su órbita otro electrón y así sucesivamente hasta llegar a la partícula positiva. Los electrones solo se desplazan unos metros por segundo.
La Ley de Coulomb dice que la Fuerza (F) de atracción o repulsión de dos cuerpos depende de la constante de proporcionalidad del medio(K) y del valor de las cargas (Q). Esa Fuerza es inversamente proporcional a la distancia (d) que las separa.
d) La electricidad puede ser manipulada para producir diferentes efectos o energías secundarias tales como: Las energías térmica, química, luminosa o magnética. Térmica es la producida por los calefactores eléctricos. Química es la electrólisis o la propia carga de los acumuladores. Luminosa cuando se hace pasar por el filamento de una lámpara de vacío o por los filamentos de las lámparas de descarga en gas. La magnética es la que hace funcionar a los motores eléctricos.
e) Los generadores eléctricos, tanto sean mecánicos como los alternadores y dinamos como de origen químico las pilas o los acumuladores que forman las baterías, son los responsables de mantener esa D.d.p. (U) Diferencia de potencial entre las Cargas positivas y las Cargas negativas para así poder utilizar la Corriente eléctrica.
f) La Corriente que circula por un conductor en una unidad de tiempo se conoce como (I) Intensidad eléctrica y es la Carga Eléctrica (Q) en Culombios (C) Un Culombio viene a ser seis trillones 6.23*1018 electrones que pasan por un determinado punto en la Unidad de Tiempo (t) que se da en segundos (s): I=Q/t La Unidad de Intensidad Eléctrica se conoce como Amperio (A). Es decir, 1A=1C/1s, también: Un Amperio son 6.23*1018electrones (Un Culombio) que pasan por un punto, de un medio conductor, en un segundo.
g) La intensidad se mide con el amperímetro, que es un microamperímetro con una resistencia muy pequeña conectada en shunt o paralelo para impedir que toda la corriente pase por el instrumento de medida y lo destruya. La conexión del amperímetro es en serie con el circuito o elemento del que queramos conocer la intensidad que circula a través de él. En corriente continua, la punta positiva del amperímetro deberá estar conectada a la parte más positiva del elemento a medir.
4.- Fuerza Electromotriz, Diferencia de Potencial. Ley de Ohm
a) La D.d.p. (U) Tensión eléctrica necesaria para producir una corriente eléctrica mide la diferencia de Carga entre los dos Bornes o elementos que conforman el Generador; siendo la f.e.m. (E) Fuerza Electromotriz la Tensión que se mediría en vacío, sin ninguna carga o componente resistivo conectado.
b) Ya que todo movimiento electrónico lleva consigo pérdidas resistivas inherentes a los componentes conductores de la electricidad el Generador consume parte de la Electricidad que Genera en compensar dichas pérdidas. Es decir, La Tensión en Bornes de un generador conectado a un circuito será la Fuerza electromotriz menos la (U)ri perdida en la resistencia interna del propio generador.
c) En un Generador trabajando en vacío, la D.d.p. (U) es igual a la f.e.m. (E). De otro modo U=E-Uri. La resistencia interna siempre se considerará en serie con la fuente de tensión.
d) La tensión se mide con el voltímetro. Aparato de medida constituido por un miliamperímetro con una resistencia en serie muy elevada. La conexión del voltímetro con el elemento del circuito que queremos conocer su tensión es en paralelo.
e) En todo Circuito Eléctrico cerrado tenemos un Generador, los conductores que llevan la Tensión eléctrica a la Carga o resistencia y la propia carga que es la responsable de una mayor o menor circulación de corriente eléctrica. De aquí se deduce la LEY DE OHM:
La Intensidad que circula por un circuito eléctrico, es siempre directamente proporcional a la tensión o D.d.p. (U)que se encuentra en bornes del generador e inversamente proporcional al valor de la resistencia que se opone a su circulación.
f) La D.d.p o Tensión U o V se mide en Voltios (V) igual que la f.e.m. (E) y la Resistencia R en Ohmios.(W). Por lo tanto, la Intensidad I será igual a la Tensión U dividida por el valor de la Resistencia R. De otro modoI=U/R y en sus unidades de medida 1A=1V/1W que quiere decir que para que se produzca una circulación de un Amperio o Culombio por segundo es necesaria una diferencia de potencial o de Tensión eléctrica de un Voltio en un circuito que posea una resistencia de un Ohmio.
5.- Circuitos Eléctricos y Leyes de Kirchoff
a) Hay dos formas básicas de conexión de circuitos eléctricos: En Serie o en Paralelo, de las que se derivan una tercera conocida como mixta, que incluye tanto las conexiones en Serie como en paralelo.
b) El voltaje de varios generadores conectados en serie se suman, siempre que los bornes estén unidos polo positivo con negativo y polo negativo con positivo. En el caso de que algún generador esté conectado con polaridad opuesta, deberá restarse del mayor valor el menor y el sentido de la corriente eléctrica será el de mayor valor desde el Polo negativo. (Corriente electrónica).
(Ut=Ua+Ub+Uc+...)
c) En el caso de generadores conectados en paralelo, siempre deberán conectarse positivo con positivo y negativo con negativo. La duración de la carga (Potencia) se multiplicará por los generadores conectados; pero el voltaje permanecerá invariable.
Ut=U1=U2=U3=...
d) Las resistencias conectadas en serie siempre se suman, (Rt=R1+R2+R3+...), mientras que las conectadas en paralelo darán como valor la inversa de la suma de las inversas de sus valores individuales
Rt=1/(1/R1+1/R2+1/R3+....)
e) En un Circuito mixto se resolverán primero los grupos serie y los grupos paralelo por separado para conseguir como valor, una resistencia total equivalente .
Rt=R1+R2+R3...+1/(1/Ra+1/Rb+1/Rc+...)
f) La resistencia se mide con el ohmetro que es un miliamperímetro con su propia fuente de tensión y una resistencia variable en serie para ajustar el aparato por las pérdidas de tensión producidas en la pila por el uso o el tiempo. La medida del componente, debe realizarse sin tensión externa y con al menos uno de los terminales separado del circuito al que se encuentre conectado.
g) En un circuito Serie o divisor de tensión, la tensión total es la suma de las tensiones individuales que pueden medirse en los terminales de cada elemento y la intensidad es la misma en todos ellos, ya que atraviesa a todas las resistencias.
It=I1=I2=I3=...
Ut=U1+U2+U3+...
En relación con los circuitos Serie, la 2ª Ley de Kirchoff dice que en una malla la suma de las tensiones individuales es igual a la tensión del generador. De otro modo: La suma de todas las tensiones, parciales y total es igual a cero.
Ut-(U1+U2+U3+...)=0
h) En un circuito paralelo o divisor de intensidad, la intensidad total es la suma de las intensidades parciales y la tensión es la misma en todas ellas, ya que sus resistencias se encuentran conectadas a los mismos bornes.
Ut=U1=U2=U3=...
It=I1+I2+I3+...
Con relación a los circuitos en paralelo, la 1ª Ley de Kirchoff dice que en un nudo la suma de las intensidades que entran es igual a las parciales que salen. De otro modo: La suma de todas las intensidades tanto entrantes como salientes es igual a cero.
It-(I1+I2+I3+...)=0
i) La mayor parte de la energía eléctrica, con los medios actuales, se transforma en energía calorífica desaprovechable.
j) La electricidad natural, sea por rozamiento o producida en la atmósfera es estática y sus efectos son instantáneos. Esta electricidad es estudiada por la electrostática y no tiene apenas aprovechamiento industrial, salvo excepciones como en los trenes de pintura de las fábricas de automóviles.
k) La electricidad también sirve como vehículo para transmitir impulsos que contienen información a través de los hilos del telégrafo o del teléfono; así como, para modular las frecuencias Hertzianas o para producir las señales digitales de los ordenadores, que son responsables de las telecomunicaciones en general, y que pertenecen al estudio de la ciencia electrónica.
l) La electricidad también es la que produce los fotones que son emitidos y recibidos por elementos semiconductores fotosensibles a través de la fibra óptica, y cuyo fascinante estudio corresponde a la incipiente ciencia de la Electrónica Cuántica.
6.- Potencia eléctrica
a) Potencia P, es el trabajo que realiza una corriente eléctrica en la unidad de tiempo. También: El resultado de hacer pasar una corriente electrónica por la carga de un circuito eléctrico bajo los efectos de una diferencia de potencial o tensión eléctrica.
La unidad de potencia es el vatio W. De la fórmula P=U*I, se deduce que conociendo dos de cualquiera de las expresiones matemáticas de la Ley de Ohm, despejando podemos hallar la potencia eléctrica P=U2/R=I2*R y donde R= r*l/p*r2
b) Sin entrar en complicadas cuestiones físico matemáticas, se puede decir que el concepto de potencia y energía se encuentran implícitos en los planteamientos que unen las leyes de Coulomb con la Ley de Ohm. Veamos:
F=K*(Q1*Q2/d2)
Pasamos el concepto Fuerza a Potencia
PF=(K*(Q1*Q2/d2))/1 segundo
El concepto de Potencia a Energía
EF=((K*(Q1*Q2/d2))/1segundo)*t
c) Siendo F, la fuerza de atracción o repulsión de ambas cargas Q. K el factor medioambiental y de unidad de medida y d2 la distancia al cuadrado que separa ambas cargas.
d) Aquí podemos comprobar que se encuentran implícitas tanto la diferencia de potencial entre las cargas, reflejada en su producto y que se expresa en Culombios. La intensidad en la Carga partida por el tiempo y la resistencia del medio por la constante K y d que se corresponden con r y l/s de la resistencia de un conductor.
e) La Energía Eléctrica, es la capacidad de producir trabajo; de hecho, es un sinónimo de Trabajo. Es decir: la Potencia por el tiempo es igual a la Energía.
E=P*t
La energía se expresa en (Vatios por segundo) julios. Decir también que 1 Caballo de vapor CV= 736 Julios.
f) Ya que V= Energía (E)/Carga (Q) e I=Q/Tiempo (t), tenemos que P=V*I=(E/Q)*(Q/t) y por eliminación E/t o en sus unidades W*s/ts
7.- Costo de la Energía Eléctrica
a) Para calcular el coste de la energía eléctrica, debemos pasar la potencia del elemento de consumo de vatios a kilovatios hora; para lo cual, dividiremos los vatios entre mil para conocer los kilovatios W/1000=KW y multiplicar el resultado por las horas de funcionamiento KW*t (horas)= KW/h. Conociendo los KW/h, solo resta multiplicarlos por el precio de la electricidad para conocer su costo.
8.- Rendimiento Eléctrico
a) Rendimiento es la fracción o porcentaje resultado de dividir la energía o potencia útil de un elemento de consumo entre la energía total absorbida, incluida la que se desperdicia en calor por el efecto Joule.
r= Potencia útil/Potencia absorbida
b) El rendimiento siempre será un número inferior a uno que multiplicado por cien, queda transformado en un porcentaje. Conociendo el rendimiento de un aparato eléctrico y conociendo el valor de la potencia útil o de consumo, podremos hallar la potencia perdida en calor, necesaria para calcular las dimensiones y materiales de los disipadores para evitar que los componentes se destruyan por efecto térmico.
c) La potencia se mide con el vatímetro que no es más que un amperímetro y un voltímetro unidos en un mismo instrumento; el cual, está constituido por dos resistencias. La voltimétrica de un valor muy elevado en serie con el instrumento y la carga. La amperimétrica de un valor minúsculo y que siempre va conectada en shunt con la bobina del instrumento y con la carga. El vatímetro no debe confundirse con el contador, ya que solo mide la potencia instantánea en Vatios o Kilovatios.
9.- Transferencia máxima de Potencia
a) Se conoce como Transferencia máxima de potencia o resonancia entre generador y carga; cuando el elemento generador, es capaz de transmitir al elemento resistivo conectado a él su máximo valor de carga. Esto solo se consigue cuando el valor ohmico de la resistencia de carga es idéntico al de la resistencia interna de la batería o generador. El inconveniente supone que la potencia disipada del elemento de consumo es gemela de la que consume la resistencia del generador.
b) En la práctica, se suele poner como resistencia de carga, un valor muy elevado para que la mayor disipación recaiga sobre esta y no sobre la resistencia del generador.
c) A la hora de interconectar circuitos electrónicos o los amplificadores de las emisoras con sus antenas, es importante acercarse a este punto de máxima transferencia de potencia; Ya que se busca, igualar las Resistencias Z de salida y de entrada de los elementos acoplados entre sí. Una Z (Impedancia) no es sino la unión de una resistencia ohmica, una reactiva y otra capacitiva, y que se dan bajo los efectos de una corriente alterna.
10.- Efecto Joule
a) Se conoce como Efecto Joule, al calentamiento producido en un conductor por el rozamiento electrónico de una corriente eléctrica. Es decir: La Energía eléctrica transformada en calorífica. Ya que P=R*I2, Pr(Calor producido por un conductor)=r*I2, tenemos que E perdida =P*t o r*I2*t, y ya que 1Julio=0.24Calorías,entonces tenemos que el Calor desprendido = 0.24*P*t =0.24*r*I2*t, donde r es la resistencia del conductor.
CONDENSADORES
1.- Concepto de Capacidad
a) Se conoce como Capacidad eléctrica, a la relación que existe entre la carga que se suministra a un cuerpo y el potencial eléctrico que adquiere:
C=Q/U
b) Dándose C (Capacidad) en Faradios (F), Q la Carga eléctrica en Culómbios ( C ) y U la Tensión eléctrica en Voltios (V). También podemos hallar la capacidad de otro modo: C=K.(s/e); donde C sigue siendo la Capacidad en Faradios, K la constante del dieléctrico o aislante que separa la armadura metálica del condensador, s la superficie de las placas y e el espesor existente entre aquellas.
2.- Que es un Condensador
a) Un condensador es un componente eléctrico que está constituido de dos placas metálicas conocidas como armadura, separadas por un aislante llamado dieléctrico. La Unidad de medida de la Capacidad es el Faradio, cuyo valor es demasiado elevado por lo que se utilizan el mf Microfaradio, millonésima parte del Faradio, el nf nanofaradio o milésima parte del Microfaradio y el pf picofaradio que es la milésima parte del nanofaradio y la millonésima parte del microfaradio.
b) Los condensadores se pueden clasificar por su forma o por la constitución de su dieléctrico.
Por su Forma: Planos, Cilíndricos, Tubulares, Lenteja, Lágrima, etc...
Por su Dieléctrico: De Aire, Papel, Mica, Cerámica, Plásticos (Styroflex, Poliester), Electrolíticos y de Tántalo.
3.- Asociación de Condensadores
a) En Serie: En un Circuito de Condensadores en Serie, ya que la I=Q/t. La Carga que suministra el Generador, se encuentra en todos los componentes conectados; y considerando, que en cualquier circuito Serie, la suma de sus tensiones es igual a la total Vt=V1+V2+V3+..., tenemos que C=Q/U y ya que U=Q/C, entonces V1=Q1/C1, V2=Q2/C2 y Vt=(Q1/C1)+(Q2/C2)= (Qt/Ct) y como sabemos que las cargas son iguales, entonces 1/C1+1/C2=1/Ct y por fin Ct= 1/(1/C1+1/C2+1/C3+...). En un circuito Serie de Condensadores, la Capacidad total resultante es igual a la inversa de la suma de las inversas de las capacidades parciales.
También, al igual que las resistencias en paralelo, la Capacidad total se puede hallar de dos en dos Ct=(C1*C2)/(C1+C2), resultando la capacidad total inferior, siempre, a cualquiera de las parciales.
b) En Paralelo: En un circuito conectado a un generador, sabemos que la Ut=U1=U2=U3... y también conocemos que la Qt=Q1+Q2+Q3+...
De la fórmula C=Q/V, despejando tenemos que Q=C*U; luego entonces, (C1*V1)+(C2*V2)+(C3*V3)=Ct*Vt. Y ya que V1=V2=V3=Vt, resulta que (C1*1)+(C2*1)+(C3*1)=Ct*1 y Ct= C1+C2+C3+...
4.- Carga de un Condensador
a) Inicialmente, estando el circuito eléctrico abierto, la Carga del condensador es nula; pero al cerrarse, aquel se va cargando hasta conseguir la tensión que hay en bornes del generador. Momento en que el condensador se encontrará cargado. Y ya que las tensiones del generador y del condensador se encuentran niveladas y de signo opuesto, dejará de circular corriente por el circuito.
La corriente en un circuito eléctrico con condensador, siempre circula entre placas del condensador a través del generador nunca atraviesa el dieléctrico del condensador; si lo hiciera, el condensador se volvería inservible pues estaría en corto circuito.
b) La carga y descarga de un condensador siempre se realiza a través de una resistencia que viene a funcionar a modo de grifo, limitando la corriente y el tiempo de carga.
Sea un circuito R.C. Serie, donde sabemos que Ur+Uc=U y del que conocemos que Vc depende del TiempoVc(t). Vr también depende del tiempo Vr(t) así como la Intensidad que circule por el circuito I(t).
Sabemos que las condiciones iniciales en t=0, momento justo en que se cierre el circuito son Vc=0, Vr=V (El condensador se encuentra descargado) y ya que según la Ley de Ohm I=U/R deducimos que por el circuito circulará la máxima corriente eléctrica.
Durante el proceso de Carga, Vc va aumentando así como Vr disminuye. Por otro lado, la Intensidad va disminuyendo hasta desaparecer por completo en el instante en que el condensador se encuentre a plena carga, donde se darán las condiciones finales Vc=V, Vr=0 e I=0. (Durante todo el proceso, hay que recordar que se da un Tiempo t=(tC) o tiempo de Carga).
PROCESO
CONDICIONES INICIALES t=0 | CONDICIONES FINALES t*5 |
Vc=0 | Vc=V |
Vr=V | Vr=0 |
I=U/R | I=0 |
c) La Carga de un condensador se produce de forma exponencial. Es decir, muy rápido al principio para ir disminuyendo paulatinamente durante la mayor parte del proceso.
d) Se conoce como Constante de Tiempo t al tiempo que tarda un condensador en alcanzar el 63% de su máximo valor de Carga eléctrica y es el producto de multiplicar el valor de la resistencia de carga, en ohmios, por el valor de la capacidad del condensador en Faradios.Siendo la unidad de medida de t el segundo.
e) Se conoce como Tc Tiempo de Carga al producto de multiplicar la Constante t por cinco t*5; luego (Tc)=(5*t).
f) En corriente continua, los condensadores se utilizan, principalmente, en los circuitos eléctricos para controlar y regular tiempos, independientemente de la tensión U o V que se utilice ya que el tiempo de carga, como hemos visto, solo depende de los valores de R y C.
5.- Descarga de un Condensador
a) Para descargar un condensador, lo primero que hay que realizar es anular o eliminar el generador, así como cerrar el circuito con una resistencia en serie, y que será la resistencia de descarga.
b) Las condiciones iniciales serían las contrarias que para la carga, ya que el condensador se encuentra a plena carga. En t=0, Vc=V y Vr=Vc. La resistencia de descarga se encuentra en paralelo con el condensador, ya que se eliminó el generador y consideramos que ......: I=-(V/R) ya que la corriente eléctrica circula en sentido contrario a la corriente de carga; siendo las condiciones finales en t=TD (Tiempo de descarga) C=0Q, Vc=0,Vr=0 e I=0. En donde el tiempo de descarga será TD=5*t y donde t, como sabemos, es t=R*C.
CONDICIONES INICIALES en t=0 | CONDICIONES FINALES en 5*t |
Vc=-V | Vc=0 |
Vr=Vc | Vr=0 |
I=Vc/R | I=0 |
c) Otra de las funciones principales de un condensador en un circuito eléctrico, es permitir el paso de la corriente alterna e impedir la circulación de la corriente continua, con la que se comporta, una vez cargado, como un circuito abierto.
CORRIENTE CONTINUA (D.C.), Y CORRIENTE ALTERNA (A.C.)
1.- Corriente Continua
a) Se conoce como Corriente eléctrica continua, a aquella que no cambia de signo su polaridad con el paso del tiempo.
b) Se conoce como corriente continua constante, a aquella que además de lo anteriormente expuesto es constante en su valor.
c) Se conoce como corriente continua variable, a aquella que a pesar de no cambiar de signo su polaridad, no obstante, si cambia su valor. Pueden ser según la forma de su amplitud o valores: sinusoidales, triangulares, en diente de sierra o cuadradas. Las comúnmente utilizadas en electrónica digital son las últimas.
2.- Corriente Alterna
a) Es alterna, cualquier corriente o tensión que cambia de signo su polaridad con el transcurso del tiempo.Las ondas de Corriente o tensión alterna suelen ser periódicas y simétricas.Se conoce como periódica a la onda que se repite indefinidamente en el tiempo.
Se dice que una onda es simétrica, cuando tanto la amplitud como la frecuencia de la parte positiva y la negativa, son iguales.
b) Las señales alternas, también pueden ser sinusoidales, triangulares, en diente de sierra o cuadradas; pero las comúnmente utilizadas en electrónica analógica son las primeras.
Estudiando una señal alterna sinusoidal, encontramos que está constituida por ciclos divididos en semiciclos alternos positivos y negativos. El valor máximo de un semiciclo (V.MAX), es la máxima amplitud de la señal partiendo del valor cero del eje de coordenadas. También se conoce como valor de pico(V.P). La distancia o amplitud que separa el valor de pico de dos semiciclos se conoce como valor de pico a pico (V.PP).
c) Para una tensión o corriente sinusoidal, se conoce como valor eficaz al punto de amplitud de la Onda que se correspondería, en utilidad, con una corriente continua. También se conoce como R.M.S. Vef=Vmax/√2, también Vmax/1.41 o Vmax*0.707 o Vmax*0.7. En alterna, es imprescindible conocer de que tipo de valor se trata, excepto en la tensión de red o en los transformadores, ya que se sobreentiende que se trata de valores eficaces.
d) Los polímetros, en corriente alterna, solo miden tensiones y corrientes eficaces; al contrario que el osciloscopio que solo nos da los valores de pico(V.p) o de pico a pico (V.p.p). Al contrario de la Amplitud, que se mide en el eje vertical o de valores, el tiempo se mide, en corriente alterna, en la escala horizontal. El tiempo transcurrido durante la formación de un Ciclo se conoce como Periodo (T) y se mide en segundos(s).
e) La Frecuencia (f) es el número de ciclos que se producen por la unidad de tiempo (s). Siendo f=1/T; donde la frecuencia se da en c/s ciclos partidos por segundo o también Hertzios (Hz). Para definir una corriente o tensión alterna, siempre hay que aportar dos valores, el de la tensión o intensidad en cualquiera de sus formas y sobre todo su frecuencia. Donde el Periodo T=1/f.
1.- Magnetismo
a) Se conoce como magnetismo al estudio de los cuerpos magnéticos o imanes.
Los imanes pueden ser naturales (Magnetita) o artificiales.
Los Imanes artificiales pueden subdividirse en temporales donde es posible controlar el tiempo de imantación y permanentes, en los que esto último es imposible.
b) Los imanes poseen, siempre, dos polos, denominados Norte y Sur. Donde los polos contrarios se atraen y los iguales se repelen. Las líneas de fuerza, siempre se dirigen del Polo Norte al Polo Sur.
c) Los imanes inducen en su alrededor o campo de acción un Campo Magnético o Campo de Fuerza que depende de la distancia que separa a los polos, de la potencia del elemento magnético y del medio. Se denomina Campo magnético (H) a la zona de influencia que rodea a un imán y en donde se producen los efectos de atracción o repulsión magnética..
Se conoce como Inducción Magnética (B) a la cantidad de magnetismo que puede tomar un cuerpo al ser sometido a las líneas de fuerza de un Campo magnético.
d) Hay materiales que son magnetizables y otros que no. Según su capacidad de aceptar la imantación, se dividen en:
Materiales Diamagnéticos que son aquellos que no se dejan imantar. (Todos los aislantes eléctricos y otros).
Materiales Paramagnéticos que se dejan magnetizar con la misma cantidad que han sido inducidos (Hierro dulce, etc, etc...).
Materiales Ferromagnéticos que son muy magnetizables, hasta el punto de acumular mas magnetismo del recibido y están constituidos por las ferritas, óxidos de hierro, cobalto, cromo, etc...
2.- Electromagnetismo
Se conoce como Electromagnetismo al estudio de la interrelación existente entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos. El electromagnetismo ha sido la herramienta principal que ha permitido el progreso tecnológico actual. Es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos y de los generadores mecánicos de corriente eléctrica.
Definiciones:
1.- Si por un Conductor eléctrico circula una determinada corriente, a su alrededor aparece un Campo Magnético.
2.- El Campo Magnético creado por una Espira de hilo conductor, es perpendicular al plano que contiene la espira y aplicado en el centro de la espira.
3.- El Campo Magnético creado por una Bobina de hilo conductor es la suma de los campos magnéticos de las espiras individuales.
Los núcleos de las bobinas pueden estar constituidos de hierro, aire o ferritas. Los de hierro se utilizan en los transformadores o en las bobinas de baja frecuencia, los de aire y ferritas se utilizan en el campo de la Alta Frecuencia.
El Campo Magnético producido por una Corriente Alterna, cambia de dirección con cada semiciclo y se denomina como Campo Variable; al contrario que en continua donde se conoce como Campo Constante.
4.- Cuando un Campo magnético, bajo ciertas condiciones producidas por su movimiento en torno a un hilo conductor, induce en éste una corriente eléctrica, a dicho efecto se lo conoce como Inducción Electromagnética.
5.- Leyes de Faraday y de Lenz: dicen que si un conductor es afectado por un campo magnético variable, aparece entre sus extremos una d.d.p. Diferencia de Potencial Eléctrico a la que se denomina como f.e.m.Fuerza Electromotriz inducida y por lo tanto, circulará una corriente por el conductor si el circuito es cerrado con un componente resistivo. El sentido de esa corriente es tal, que el Campo magnético que produce el conductor se opone a la variación del Campo magnético Inductor.
3.- Bobinas
a) Las bobinas aportan a los circuitos electrónicos, una autoinducción o inductancia. La Unidad de medida de la autoinducción es el Henrio (H); pero se utilizan los submúltiplos el milihenrio (mH) y el microhenrio (µH).
b) La bobina, no es más que un almacén de energía en forma de Campo Electromagnético que se opone a las variaciones de corriente eléctrica. En el caso de la corriente continua (D.C) constante, ya que no existe variación de la corriente, la bobina se comporta como un hilo conductor ( cortocircuito).
c) Toda Inducción (L), tiene una resistencia ohmica propia del enrollamiento del hilo conductor que la constituye. Una bobina se considera ideal si su resistencia es de cero ohmios. En un circuito D.C., la Inducción debe de considerarse como una simple resistencia ohmica.
d) Asociación de Bobinas:
En Serie: Lt=L1+L2
En Paralelo: Lt=1/(1/L1+1/L2+1/L3....) o también... Lt=1/((L1*L2)/(L1+L2))
No obstante, lo anterior, las bobinas raramente suelen asociarse en la practica.
4.- Comportamiento en Alterna de los Componentes Pasivos (R,l,C)
a) Los componentes denominados pasivos, se distinguen porque son incapaces, por ellos mismos, de controlar la corriente de los circuitos en los que se encuentran presentes.
b) Cuando dos señales alternas comienzan en diferente tiempo, se dice que están desfasadas. En alterna, se pueden comparar no solo valores iguales como tensión con tensión, intensidad con intensidad, etc, etc... sino también, magnitudes diferentes. Por ejemplo, Tensión con Intensidad. Cuando dos señales alternas, aunque tengan diferente amplitud pero su tiempo coincida, se dice que se encuentran en fase.
c) Un Periodo T, con independencia de la magnitud o de su frecuencia, siempre vale 360º o 2π radianes.
d) Todo desfasaje se mide en grados o en radianes, ya que son medidas de ángulos.
e) En las resistencias, circula en alterna, una intensidad de la misma frecuencia que el generador que la produce y de valor directamente proporcional a la amplitud o tensión, e inversamente proporcional a la resistencia del circuito. En un circuito sometido a corriente alterna, la corriente se encuentra en fase con la tensión del generador. Los circuitos puramente resistivos, se comportan idénticamente en D.C. que en A.C.
f) En los condensadores, cuando son sometidos a una tensión alterna, siempre hay corriente entre las placas del condensador ya que está cambiando continuamente de polaridad en cada semiciclo. La corriente que circula por un circuito capacitivo es de la misma frecuencia que la tensión del generador que la produce y de valor: I=U/Xc y donde Xc=1/2*π*f*C. El resultado serán Ohmios cuando la capacidad sea en Faradios y la Frecuencia en Hertzios. En un circuito capacitivo, a mayor frecuencia, la reactancia capacitiva será más baja hasta llegar a convertirse en un cortocircuito; pero cuando la frecuencia baja, aquella puede convertirse en infinita.
g) En los condensadores, la tensión siempre va desfasada, con respecto a la corriente, en 90º. En un circuito capacitivo, convertiremos todos los valores a reactancias y posteriormente se operará con ellas, como si se tratase de un circuito resistivo.
h) En las bobinas o inductancias sometidas a una tensión alterna, circula una corriente de la misma frecuencia que la tensión del generador y de valor I=U/Xl. Siendo el valor de la reactancia inductiva dada en ohmios cuando la frecuencia sé de en Hertzios y el valor de su inductancia en Henrios ya que Xl=2*p*f*L. En continua, las bobinas se comportan como si se tratara de un cortocircuito; pero en alterna, a mayor frecuencia mayor reactancia, hasta convertirse en infinita.
i) En un circuito de alterna, las inductancias producen un desfasaje entre la corriente y la tensión; ya que la primera va retrasada (en 90º) respecto de la segunda o de otro modo: La tensión adelanta en fase (en 90º) a la corriente que genera.
E.L.I.C.E
Donde la Tensión o Fuerza Electromotriz E, en una bobina o inductancia, adelanta en 90º a la corriente ointensidad Eléctrica I, que sin embargo, en un condensador, esta última adelanta en 90º a la tensión E.
Al conjunto de 2*p*f se lo conoce como pulsación ω y Xc=1/(ω*C) y Xl=ω*L
CIRCUITO R.C.L. en Serie.
En un circuito constituido de resistencias ohmicas y de reactancias inductivas y capacitivas, deberemos hallar la Impedancia Z o reactancia común en ohmios para poder trabajar con la Ley de Ohm Generalizada I=U/Z. Siendo en C.C., Z= R+(Xl+(-Xc)) y entonces, I=U/R+(Xl+(-Xc)); pero como en un circuito reactivo y resistivo, en A.C., está constituido por dos o tres vectores de fuerza, como consecuencia de los desfasajes producidos, tendremos que para mayor exactitud y teniendo en cuenta dichos vectores
Z= √(R2+(Xl-Xc)2) o Z=√(R2+Xt2).
5.- Transformadores
a) Un Transformador es una máquina estática que está constituido por dos o más bobinas de hilo conductor devanadas sobre un núcleo común.
b) Según el núcleo, pueden ser de hierro para baja frecuencia B.F., y de aire o de ferrita para alta frecuencia A.F.
c) Si los bobinados se encuentran aislados eléctricamente estaremos hablando de un transformador; pero si se trata de bobinas unidas eléctricamente, estaremos hablando de autotransformadores.
d) Todo transformador consta de un bobinado al que conocemos como primario y otro al que denominamos como secundario. La corriente eléctrica A.C. del primario produce un campo magnético, propio de toda inductancia, que influye sobre las espiras del segundo o segundos bobinados y que son el secundario o secundarios, y que a su vez produce una tensión eléctrica en los bornes de sus espiras.
e) Como ya se vio, el Rendimiento r es la diferencia entre la potencia entregada por una máquina o dispositivo cualquiera y la potencia total consumida, incluidas las pérdidas en energía calorífica. Pues bien, un Dispositivo o transformador ideal es aquel capaz de entregar el mismo valor de la potencia consumida y podremos decir que r=1 o del 100%. En una máquina Real, la Potencia entregada es siempre inferior a la consumida y por lo tanto r será inferior al 100%.
f) Los transformadores que se utilizan en electrónica son reales; pero su rendimiento es cercano al 95% y ya que la tolerancia de los componentes utilizados en electrónica son de alrededor del 5%, puede considerarse a niveles prácticos que se trata de transformadores ideales. Por lo tanto, en electrónica se considera que la potencia entregada P1 es idéntica a la Potencia obtenible del secundario P2.
g) Por lo tanto, si P1=P2, tenemos que V1*I1=V2*I2 y por lo tanto, V1/V2=I2/I1=N1/N2 e igual a m; donde N1= nº de espiras del Primario y N2= nº de espiras del Secundario y m la denominada como Relación de Transformación.
h) Los transformadores, también se utilizan para acoplar Impedancias Z, donde Z1 es la Impedancia del primario y Z2 la Impedancia del secundario y tenemos que Z1=V1/I1 o también (m*V2)/(I2/m)=(m*m)*(V2/I2)= m2*Z2 y por lo tanto tenemos que Z1/Z2=m2
6.- Filtros de Frecuencia Pasivos
a) Los filtros de frecuencia se pueden reconocer por la denominada Frecuencia de Corte, que no es más que el punto gráfico, donde se corta la amplitud del voltaje, en alterna, y la frecuencia donde empieza a funcionar, como atenuador, el filtro.
b) Si solo existe una frecuencia de corte, los filtros pueden ser de paso alto (sí sólo deja pasar las altas frecuencias) o de paso bajo (sí sólo deja pasar las frecuencias bajas). Cuando se confeccionan los filtros con dos frecuencias de corte, tendremos los filtros de paso banda. Si sólo permiten el paso de unas determinadas frecuencias, comprendidas entre los dos puntos de corte, y de banda eliminada si el efecto es justo el contrario (impedir que unas determinadas frecuencias puedan atravesar el filtro).
c) Los Filtros Paso Bajo R.C., se conocen también como integradores y están constituidos, básicamente, por un divisor de tensión formado por una resistencia en serie con un condensador, de cuyos extremos extraeremos la tensión de utilización. También se puede decir que su salida es por condensador. Siempre hablando de A.C., tendremos que si Vi es la Tensión de entrada al filtro, Vo la tensión de salida, Vr la tensión en bornes de la resistencia y Vc la que se puede medir en los bornes del condensador:
Vi=Vr+Vc y por lo tanto Vo=Vc, donde Xc=1/(2*p*f*C)
Por lo tanto, tendremos que a frecuencia cero, D.C. la Xc será infinita y Vo=Vi; Pero si la frecuencia sube, la reactancia Xc bajará, comportándose como una resistencia de bajo valor y Vo caerá. Si la frecuencia sube mucho, Xc se comportará como un cortocircuito, de donde no se podrá tomar tensión alguna y Vo=0.
d) La recta de la gráfica de un filtro producida por la caída de tensión a partir de la frecuencia de corte (el 70% de la máxima tensión) se denomina como pendiente del filtro, cuanto mayor sea dicha pendiente mayor calidad tendrá el filtro, y se utilizará, en el Curso, con profusión. La frecuencia de corte viene dada por la fórmula f=1/(2*p*R*C) La pendiente del filtro se mide en decibelios por octava dB/octava, donde una octava son todas aquellas frecuencias comprendidas entre una dada y su doble.
e) Se conoce como Banda a un conjunto de frecuencias colindantes y como Banda Pasante a todas aquellas comprendidas entre cero Hertzios y la frecuencia de corte. Se denomina Banda Atenuada a aquellas frecuencias comprendidas entre la frecuencia de corte y el infinito.
f) En un filtro paso bajo ideal, su pendiente sería una perpendicular con respecto a la frecuencia; pero no existen.
g) A los Filtros Paso Alto también se los conoce como diferenciadores y su funcionamiento es inverso al filtro paso bajo, dejando pasar solo las frecuencias altas a partir de una determinada frecuencia de corte. La gráfica de un filtro paso bajo tiene una banda paso bajo, una frecuencia de corte, y una banda atenuada; por el contrario, el filtro paso alto se representa con una banda atenuada, una frecuencia de corte y una banda pasante.
h) Los filtros paso altos están constituidos por un condensador en serie con una resistencia, de cuyos bornes tomamos la tensión de utilización.
i) En un filtro paso alto, si la frecuencia a su entrada es igual a cero, la reactancia capacitiva del condensador será infinita y se comportará como un circuito abierto; si por el contrario, la frecuencia sube la reactancia tenderá a bajar y tendremos entre sus bornes, cero voltios subiendo el voltaje en bornes de la resistencia. Si la frecuencia sube mucho, Xc se convertirá en un cortocircuito y la tensión de entrada Vi se encontrará completa en bornes de la resistencia. Por lo tanto Vo=Vi.
j) La frecuencia de corte, en un filtro paso alto vendrá dada por la fórmula fc=1/(2*p*R*C)
k) En un filtro ideal paso alto, tendríamos que la banda atenuada empezaría en 0 Hertzios y terminaría en la frecuencia de corte; a partir de la cual comenzaría la banda pasante hasta el infinito.
l) Los filtros constituidos por resistencias e inductancias R.L., se forman a la inversa que los R.C., es decir, un filtro paso bajo estaría formado por una inducción en serie con una resistencia de cuyos bornes se saca la tensión de utilización y uno de paso alto por una resistencia en serie con una inducción de cuyos bornes sacaríamos la tensión de utilización.
m) En los filtros Paso Banda, se deja pasar un conjunto de frecuencias que estarían comprendidas entre la frecuencia de corte de un filtro paso alto con la frecuencia de corte de un filtro paso bajo. Es decir, si a la salida de un filtro paso alto, conectamos un filtro paso bajo (siendo la frecuencia de corte de este último mayor), obtendremos un filtro Paso Banda. Su gráfica estaría representada por una banda atenuada, una frecuencia de corte, una banda pasante, una frecuencia de corte y una banda atenuada, siendo la frecuencia de corte inferior fci una banda atenuada entre cero Hertzios y la frecuencia de corte primera, el Ancho de Banda B la banda pasante entre las respectivas frecuencias de corte y la frecuencia de corte superior fcs y otra banda atenuada desde la segunda frecuencia de corte y el infinito.
n) Lo habitual, en un filtro paso banda, es que se proporcione la frecuencia central fc del filtro y el ancho de banda, donde fci=fc-(B/2) y fcs=fc+(B/2)
o) Los filtros paso banda más utilizados están constituidos por una inducción en paralelo con un condensador. A esta construcción, se la conoce como circuito L.C. Resonante Paralelo.
p) El Filtro de Banda Eliminada es un circuito inverso al filtro paso banda y solo se pueden construir con circuitos L.C. resonantes Serie, también conocidos en el argot de los técnicos como Circuitos Trampa, ya que suponen una eliminación para las frecuencias en cuestión. La gráfica de un Filtro de Banda Eliminada, está formada por una banda pasante, una frecuencia de corte, una banda atenuada, una frecuencia de corte y una banda pasante.
ELECTRÓNICA BÁSICA
1.- Semiconductores (Teoría)
a) Los electrones de un átomo pueden estar en la órbita externa o en la órbita interna y pueden ser electrones libres o electrones ligados.
b) Los electrones poseen una cantidad de energía que depende de la órbita en donde se encuentren o si permanecen libres.
c) La energía puede ser distributiva o lineal y cuantificada o a saltos, la energía del electrón es cuantificada.
d) Se conoce como energía de Valencia (Banda de Valencia) a la energía que poseen los electrones de la última capa de un átomo.
e) Se conoce como energía de Conducción (Banda de Conducción), a la energía que adquieren los electrones cuando se encuentran libres.
f) Un diagrama de bandas de energía se construye sobre un Eje “No Cartesiano” donde se marcan los niveles de Valencia y de Conducción.
g) El espacio que separa la Banda de Valencia de la Banda de conducción se conoce como Banda Prohibida.
h) Cada elemento tiene un diagrama de bandas único y diferente del de los demás elementos. Por lo tanto, los materiales se pueden identificar y estudiar según sus diagramas de bandas.
2.- Materiales
a) Los conductores, son principalmente los metales y poseen la capacidad intrínseca de liberar sus electrones con gran facilidad y por lo tanto conducirán la electricidad sin dificultad. La Banda de Valencia coincide, en ellos, con la Banda de Conducción.
b) Los Aislantes o Dieléctricos, necesitan una enorme energía externa para que sus electrones puedan liberarse. Hasta tal punto que cuando está cercano ese instante, el material se ha destruido. La Banda de Conducción, gráficamente, está muy separada de la Banda de Valencia.
c) Los Semiconductores tienen una Banda Prohibida (Separación entre las bandas de Valencia y Conducción) muy pequeña; pero en principio no conducen, aunque para que lo hagan, la energía que hay que aportarles es muy pequeña siempre y cuando dicha aportación sea permanente.
d) Tanto el Germanio como el Silicio, son los semiconductores, por excelencia, y poseen en su órbita externa los mismos electrones (4); pero el Germanio posee en total 32 electrones mientras que el Silicio sólo tiene catorce. Por lo tanto, la Fuerza de atracción del Núcleo del Silicio es mayor ya que sus electrones exteriores se encuentran más cercanos a la fuerza de gravedad del Núcleo. En el Germanio, es más fácil liberar los electrones de la órbita exterior ya que sólo se necesita, aproximadamente, la tercera parte de energía que para el Silicio. Pero debido a la temperatura que alcanza el Germanio, lo anteriormente expuesto, es un inconveniente ya que el semiconductor pierde con facilidad el control y conducirá de forma espontanea, al aumentar la temperatura.
e) En los lugares sospechosos de un cierto calentamiento, el Germanio no debería utilizarse. Sin embargo, se utiliza en situaciones muy concretas donde la tensión es muy baja y donde las frecuencias pueden ser elevadas.
f) A los semiconductores puros (Naturales), se les denomina como intrínsecos y electrónicamente hablando, no sirven para nada.
g) Los átomos de los semiconductores, se enlazan por medio de los electrones de su órbita externa, hasta constituir una molécula de semiconductor; donde, es más difícil hacerlo conducir que si se tratase de un átomo individual; pues sus enlaces les convierten en relativamente estables.
h) Cuando a un semiconductor puro se le añaden impurezas de elementos ajenos al elemento principal, poseeremos un semiconductor utilizable.
i) Las impurezas pueden ser donadoras de electrones como el arsénico (As) porque sus átomos poseen en su órbita exterior cinco electrones. En una molécula de semiconductor dopado así, evidentemente, habrá un electrón de más por cada molécula de arsénico que contenga, o aceptadoras de electrones como el aluminio(Al), ya que éste posee sólo tres electrones en su capa superior y una molécula semiconductora con estas características, tendrá de menos un electrón por cada átomo de aluminio que contenga.
j) Los semiconductores dopados, permanecen neutros mientras no se les proporciona un aporte de energía externo.
k) Los semiconductores con impurezas aceptadoras se conocen como de tipo “N”, mientras que si se trata de un semiconductor con impurezas donadoras será denominado como “P”.
l) Por cada átomo de impurezas aceptadoras introducida en el semiconductor, existe un hueco libre (Falta de electrón) y a ese hueco, se le considera como una partícula positiva. Por cada átomo de impurezas donadoras introducida en el semiconductor, existe un electrón de más (sobra un electrón) y a ese electrón, se lo considera como una partícula negativa.
m) Evidentemente, cuando se une una partícula con electrones libres con otra que posea la misma falta de aquellos, se transformará en un elemento Neutro, y a este hecho, se lo denomina “Neutralización”
n) En la práctica, los dopajes sobre semiconductores son dobles con impurezas donadoras y aceptadoras, dependiendo que los elementos ”dopantes” predominantes sean unos u otros tendremos un material tipo (N) o tipo (P).
o) Cuando en el dopaje de un semiconductor, encontramos una mayoría de un elemento contaminante, diremos que es mayoritario; por el contrario, diremos que es minoritario.
p) Se conoce como portador a todo elemento conductor, ya se trate de huecos como de electrones.
q) Entendemos como concentración al número de portadores “Electrones o Huecos” por unidad de volumen que hay en un semiconductor o en la unión de dos de ellos con diferente signo.
r) Consideramos que difusión es el movimiento de portadores desde una mayor concentración hacia un lugar de concentración menor.
3.- Unión P-N Diodo Semiconductor
a) En dos elementos dopados diferentemente y unidos entre sí, se produce lo siguiente:
Por diferencia de concentraciones, se producen dos difusiones: Por un lado de electrones en N hacia P y de otro lado en P de huecos hacia N.
b) Antes de realizarse la unión, las zonas P y N son eléctricamente neutras; pero cuando se produce la difusión, la zona N pierde electrones y se hace positiva mientras que la zona P pierde huecos o gana electrones y se hace más negativa. Se produce una diferencia de potencial B que crece según progresa la difusión, y donde las zonas P y N son lo suficientemente negativas y positivas, respectivamente, como para repeler a los electrones que proceden de la zona opuesta, cesa la difusión. En este punto, se dice que la Unión se encuentra en equilibrio.
c) Al valor de la d.d.p (V) en ese instante, se lo conoce como VB o Potencial de Barrera que en el Silicio viene a estar comprendido entre 0.45 y 0.5 V aproximadamente; mientras que en el Germanio estas cantidades son de 0.15 a 0.17 V aproximadamente.
d) Si se pretende atravesar la Unión P-N, habrá que superar el potencial de VB; pero sólo en un sentido, ya que debido a la difusión, se crea una zona de fuerte neutralización en zonas adyacentes a la Unión.
e) Dicha zona, en la que no existen electrones ni huecos libres, se conoce como Zona de Neutralización, de Despoblamiento o de Carga de Espacio (Z.C.E.). Por lo tanto, la zona de unión se comporta como un aislante por la que sería imposible que circulara una corriente eléctrica si se uniese a un circuito eléctrico por medio de dos cables. Por el contrario, las zonas P y N, cada una por su lado, se comportarían como si de conductores eléctricos se tratase.
f) Toda unión semiconductora, lleva implícito un efecto capacitivo; es decir, todo Diodo posee una capacidad interna de pequeño valor (Parásita), y por lo tanto, indeseable sobre todo trabajando en H.F. alta Frecuencia.
g) Todos los componentes electrónicos pueden funcionar en Corriente Continua; pero sin embargo, no todos pueden hacerlo en Alterna. Los Transistores y los equipos digitales sólo pueden funcionar en D.C.
h) Todos los Componentes electrónicos y sus circuitos, se estudian en D.C. y posteriormente, si procede, se extrapolan en A.C.
i) La conexión de un dispositivo a D.C. se conoce como Polarización. Cuando se conoce dicha polarización, se dice que se conoce su funcionamiento en D.C.. También se dice que polarizar un componente es arrancarlo.
j) Un Diodo se polariza directamente, cuando el ánodo se encuentra unido a una tensión positiva más elevada que el cátodo y se dice que Vak es mayor que 0, Entonces se dice que el Diodo se encuentra en Modo Directo. Por el contrario, si el cátodo es más positivo que el ánodo, la Polarización es inversa y se dice que se encuentra en Modo Inverso y Vak es menor que 0.
k) En el modo Directo, en cuanto se supera la Tensión de Umbral VB del Semiconductor, entrará en conducción como si se tratara de un corto circuito. Mientras que en Modo Inverso, habría que elevar enormemente la Tensión, lo que daría lugar a la destrucción del elemento. Por lo tanto, en este último caso, el Diodo se comportaría como si de un dieléctrico o aislante se tratara.
l) La Curva Característica de un Diodo, puede descomponerse en varias partes:
1 En modo inverso, tendría el valor cero hasta el punto de ruptura del Diodo.
2 En modo Directo, habría una parte de valor Vak de valor cero, o de no-conducción, que correspondería a la tensión de Umbral, un codo de la característica, que debe evitarse, y que corresponde con el punto en que el diodo empieza a conducir y una zona lineal o zona de funcionamiento normal del diodo que se comporta como si de una resistencia de muy bajo valor se tratase.
m) Cuando un Diodo conduce, se comporta, como ya hemos visto, prácticamente como un cortocircuito y entre sus extremos no habrá más de 0.6 o 0.7 V, para el Silicio, independientemente de la intensidad de la corriente que le atraviese. Mienta que para el Germanio, ese valor cae hasta los 0.2 V. Si esta tensión superase 1 voltio, el diodo estaría abierto, roto.
n) Cuando un Diodo se encuentra polarizado en Modo Inverso, puede existir una pequeña corriente de minoritarios a la que se conoce como corriente de fuga, la cual es indeseable, y debe ser lo más diminuta posible. Mientras que la corriente de fuga en el silicio, es prácticamente despreciable, en el germanio aumenta con la temperatura.
o) Podemos resumir que un diodo polarizado Directamente conduce; mientras que si la polarización es Inversa, no conducirá y dependerá, igualmente, de la amplitud de la tensión que se aplique a los terminales del diodo.
p) Para comprobar un diodo con el polímero se situará la escala de Ohmios en X10 y aplicaremos sus puntas del siguiente modo: La punta negra en el terminal del ánodo y la roja (Negativo de la fuente de alimentación del instrumento) en el cátodo, lo que nos dará una cierta resistencia. Al invertir el conexionado, la resistencia pasará a ser infinita lo que nos indicará que el diodo está bien; por el contrario, se encontraría en corto.
q) Las limitaciones de un diodo dependen del material con el que esté fabricado, de la Intensidad máxima I max “Según Características del fabricante” y de la tensión de ruptura Vr “También proporcionada por el fabricante”.
r) Todo diodo, al ser conectado en modo inverso, soporta una determinada tensión hasta la denominada Tensión de ruptura Vr, momento en el cual se produce el conocido efecto avalancha V Ruptura o V disrupción. Punto en el que el diodo pasa a conducir y que invariablemente producirá la muerte del componente, excepto en el atípico caso del efecto Zener.
s) En todo circuito eléctrico, donde se encuentren conectados diodos, la Carga o resistencia del circuito será responsable de la intensidad que circule por el circuito y además habrá que tener en consideración la caída de tensión del tipo de diodo, 0.7 V para el Silicio y 0.2 para el Germanio. En dichos circuitos, también habrá que considerar que todo componente que se encuentre en serie con un diodo polarizado en modo inverso resultará equivalente a un circuito abierto y por lo tanto, no será considerado a efectos de cálculo.
4.- Aplicaciones de los Diodos
a) Rectificadores:
Rectificar, es convertir corriente alterna en corriente continua y ello es necesario, porque como ya hemos podido ver, los transistores y circuitos integrados necesitan D.C. para poder polarizarse en continua.
b) Los tipos de rectificadores pueden ser de Media Onda (R.M.O.) en donde sólo será necesario utilizar un diodo “Poco utilizados en la actualidad” y de Onda Completa, en donde habrá que utilizar dos diodos y un transformador con toma intermedia “Cada vez se utilizan menos” o un puente de cuatro diodos que a su vez puede construirse con componentes discretos “Diodos individuales” o de forma integrada o monolítica en un solo componente.
c) En un rectificador de media onda, el diodo se conecta en serie con la carga y para los cálculos, es muy importante tener en cuenta la tensión de pico Vmax en la entrada Vi del circuito o salida del transformador “Es lo mismo”. Sabemos que conociendo el valor eficaz, medido por el polímetro y suministrado por el fabricante, podemos calcular dicha tensión Vp o Vmax del siguiente modo: ya que Vef=Vmax*0.7 tenemos que Vmax=Vef/0.7 y también = Vef*1.41.
d) En un rectificador de las características arriba mencionadas, sólo será utilizable media onda de la corriente alterna. El resto se pierde y es por ello que supone un rectificador de muy bajo rendimiento y que solo se utiliza en equipos de bajo costo o en reparaciones para salir del paso. A este tipo de D.C se la denomina como D.C. Variable pulsante o pulsatoria. De esta D.C., la tensión utilizable se denomina comoVcc o Nivel de Continua Constante Equivalente y que se halla del siguiente modo Vcc=Vmax/p
e) La forma de conducción de este tipo de rectificador es la siguiente: Cuando la componente alterna se encuentre polarizando el diodo de modo directo, este conducirá y se aprovechará la semi-onda que deje pasar. En el siguiente semiciclo, lógicamente, el diodo será polarizado en modo inverso y dicha componente se perderá; pero a la siguiente volverá a conducir y así indefinidamente. Por lo tanto, si Vi es mayor que 0, encontramos que D está en modo directo y conducirá; por lo tanto V0=Vi-Vd, lo que da aproximadamente la tensión de entrada si despreciamos la pequeña caída de tensión en el diodo. En la siguiente semionda Viserá menor que 0 y por lo tanto D estará polarizado en modo inverso y no conducirá por lo tanto V0=0.
f) En los rectificadores de onda completa R.O.C. con transformador de toma intermedia, las salidas se encuentran desfasada en 180º y entonces sucederá lo siguiente: En la primera semionda, si la tensión de salida 1, V01 es mayor que 0 el diodo de dicha rama se encontrará en modo directo y conducirá dejando pasar la semionda; por el contrario la tensión de salida del transformador 2, V02 será menor y el diodo nº 2que se encuentra en posición invertida con respecto al diodo analizado en primer lugar, por lo tanto, estará polarizado en modo inverso y no conducirá. Así tenemos que V0=V01-Vd1 y que si despreciamos la caída de tensión en el diodo tendremos que V0=V01 “Aproximadamente”.
En la siguiente semionda sucederá justo lo contrario ya que V01 será menor que 0 y por lo tanto el diodo de la salida 1 estará polarizado en inverso y el diodo no conducirá; por el contrario, V02 será mayor que 0 y el diodo del ramal 2 quedará en modo directo conduciendo y tendremos que V0=V02-Vd2 y V0=V02 “Siempreaproximadamente”
En este tipo de rectificadores, se aprovechan los dos semiciclos y aunque tenemos igualmente una D.C.Variable pulsatoria, el rendimiento es el doble que de la disposición anterior con un solo diodo y la V mediao Vcc=(2*Vmax)/p. Donde Vcc es el Nivel de D.C. constante a que equivale.
g) Hay otro tipo de rectificador compuesto por cuatro diodos idénticos conocido como Puente de Graetz; en donde los diodos se encuentran en oposición dos a dos. Los terminales de alimentación en alterna van unidos a dichos puntos en oposición y la salida en D.C. se toma de las otras dos uniones de ánodos y cátodos respectivamente. En este tipo de rectificador, se aprovechan las dos semiondas, al igual que en el caso anterior sin necesidad de alguna toma intermedia y donde V en los terminales de la resistencia de carga Vl=Vi-Vd1-Vd4 es aproximadamente Vi si se desprecia la V en los diodos durante el periodo positivo; mientras que durante el periodo negativo ocurrirá a la inversa y Vl=Vi-Vd2-Vd3 que será aproximadamente igual a Vi si, del mismo modo, despreciáramos la caída de tensión en los diodos.
h) El tipo de corriente que se extrae de este tipo de dispositivo es continua Variable pulsatoria, donde cuando los diodos D1 y D4 se encuentran en modo directo conducirán y D2 y D3 al estar en modo inverso no conducirá; no obstante, en el siguiente semiciclo D1 y D4 se encontrarán en inverso y no conducirán y contrariamente D2 y D3 se encontrarán en directo conduciendo y aprovechando esta característica del puente de Graetz, serán útiles las dos semiondas y nos acercaremos a un rendimiento más aceptable. Aquí,Vmed=Vcc=(2*Vmax)/p, igual que en el caso de la toma intermedia en el secundario del transformador.
i) Este último tipo de rectificadores pueden conformarse en forma discreta, con cuatro diodos individuales conectados adecuadamente o en modo integrado o monolítico. Un circuito compuesto por componentes discretos y circuitos integrados es conocido como Híbrido.
5.- Filtros de Alimentación
a) Son también conocidos como Filtros V o de tensión. En todo circuito electrónico alimentado de la red alterna encontraremos un transformador que adecuará el nivel de tensión a valores utilizables, un rectificador de corriente en donde la A.C. se transformará en D.C., un Filtro que se ocupará de nivelar la Vcc hasta hacerla equivalente a la Vmax de la semionda rectificada y así conseguir la máxima optimización o rendimiento en el equipo de carga que utilizará la tensión manipulada.
b) Un filtro se encarga de elevar y mejorar el nivel de Continua y está constituido básicamente por un condensador electrolítico de gran capacidad que se conecta, como vimos, a la salida del rectificador y en paralelo con el circuito de carga.
c) Recordemos que un Condensador se carga durante el tiempo que el diodo rectificador se encuentra en modo directo y donde t=R*C=0 así tendremos que el TC=5*t; luego en teoría la carga, si se desprecia la resistencia del Diodo, es instantánea. Cuando el nivel de tensión disminuye, el condensador restituye su carga y entonces t’=RL*C=//=0y donde el Tiempo de Descarga TD será aproximadamente igual a 5*t’=//=0y como vemos esta descarga se realiza durante un determinado periodo de tiempo. Por lo tanto un filtro proporciona la tensión necesaria durante los periodos de bajada de nivel de la Vi pulsatoria compensándola hasta hacerla casi constante y de valor igual o similar al punto álgido de la cresta.
d) Todo filtro, proporciona una corriente continua constante Vcc y otra más o menos despreciable que es variable y que se denomina como de rizado Vr. La Tensión continua Constante, siempre pasa por el medio de la onda de rizado.
e) Como se puede apreciar, el nivel de continua de un filtro será más constante mientras más elevados sean los valores de la resistencia, Carga, y del propio condensador. Desgraciadamente, el valor de la resistencia de descarga, que es el propio Circuito de utilización, raramente puede ser modificado y por lo tanto, sólo nos queda elevar el valor de la capacidad del condensador; siempre hasta unos valores críticos que dependerán del resto del circuito y de la calidad exigible a este último.
f) La Frecuencia de rizado a la salida de un rectificador de media onda es del mismo valor que la señal alterna de entrada al rectificador; por lo tanto, el periodo también es el mismo. Sin embargo, en un rectificador de onda completa el periodo es la mitad que la de entrada y por lo tanto la frecuencia es el doble.
Si en un RMO Vi/f=50Hz tenemos que Vo/f=50Hz y T=1/50
Si en un ROC Vi/f=50Hz tenemos que Vo/f=100Hz y T=1/100
g) Si en un filtro de alimentación, se aumenta demasiado la capacidad del condensador, se producen picos de corriente durante la carga y la descarga, superando el punto de ruptura inversa del diodo que provocan su destrucción.
Para poder aumentar la Capacidad de filtrado sin destruir el diodo, se utilizan otros métodos.
h) FILTRO EN p: Entre dos condensador de capacidad ajustada, se coloca en serie con el circuito una inductancia, que evita que los picos de corriente del segundo condensador se sumen a los picos del primero, ocasionando la destrucción del rectificador. La bobina también filtra aplanando el rizado ya que toda inductancia se opone a las variaciones de corriente. Este filtro es caro y difícil de conseguir la bobina inductora; pero es excelente.
i) Existe un filtro en pi sucedáneo construido de idéntica forma; pero cambiando la inductancia por una resistencia bobinada de muy bajo valor ohmico. El filtrado no es tan bueno; pero se consigue la finalidad de aumentar la capacidad de filtrado. Estas resistencias se expenden cerámicas o cementadas y vitrificadas para conseguir una disipación óptima del exceso de calor.
j) FILTRO EN L: Se instala una inducción en serie con el circuito de carga antes del condensador, de alta capacidad, de filtrado. La bobina evita que los picos de corriente retornen al rectificador destruyendo el o los diodos.
k) FILTRO EN T: Se coloca una reactancia inductiva, en serie, antes del condensador de filtrado y otra del mismo valor, también en serie con la carga, después del condensador. La primera bobina evita los retornos de picos de corriente y la segunda filtra aplanando la señal.
6.- Diodos Especiales
a) Diodos Led (Diodos emisores de Luz): Son diodos constituidos por uniones P.N de arseniuro de galio As Gao de fosfarseniuro de galio P As Ga, u otros, que al ser polarizados directamente emiten luz. La banda prohibida que separa la BV de la BC de estos elementos semiconductores, viene a ser el triple que la del Silicio y por lo tanto, al conducir, la energía no utilizada se devuelve en forma de fotones (Luz Fría). La curva característica de un diodo LED es idéntica a la de un diodo normal; pero con distintos valores; ya que el codo de comienzo a conducir, donde se produce el efecto cuántico, tiene entre uno coma cinco y dos voltios, sólo que el codo de conducción abarca de 1.5 a 2V, en lugar de los 0.7 del silicio.
b) La luz que proporcionan los Led abarca del rojo al transparente (infrarrojos) pasando por el amarillo (ámbar), el verde hasta llegar al azul y al láser. Los colores son debidos a los materiales de que están constituidos así como de elementos ajenos al propio diodo en sí. El rojo, el ámbar y el verde funcionan hasta 1.5V. Los azules empiezan a funcionar a partir de los 2V. Todos ellos, se pueden encontrar en encapsulados metálicos o de plástico en diferentes formas.
c) Se utilizan como indicadores luminosos, sustituyendo a las bombillas de incandescencia y a los de gas neón. La potencia máxima es aproximadamente de entre 50 y 60 milivatios, donde P=V*I, I=P/V y si en sus bornes debemos tener 2V, por ejemplo, I=50mW/2V=25mA. La intensidad que pueden soportar los diodos Led viene a estar comprendida entre 10 y 20 mA y entre 2 y 3V como máximo. (1.5-2.5V)
d) Para evitar su destrucción, habrá que intercalar en serie con el Led, una resistencia limitadora que habrá que hallar del siguiente modo: Si el diodo solo puede aguantar 2V entre sus extremos, y tenemos una tensión, pongamos, de 12V, es lógico deducir que 10V deben caer en los bornes de la resistencia para evitar la destrucción del diodo. También conocemos la máxima intensidad posible, unos 20mA. Entonces,R=10V/20mA=0.5K=500 Ohmios, cuyo valor en el mercado se correspondería con 470 o 560 ohmios.
e) Los Diodos Zener son todos de Silicio y polarizados en directo se comportan como un diodo normal polarizado a 0.7V; pero cuando se conecta en modo inverso, no conducen hasta que se alcanza el punto de ruptura, donde se produce el efecto Zener o de abalancha y el diodo empieza a conducir, sin destruirse, como si de un cortocircuito se tratara. Una vez que alcanza dicho valor, lo mantiene constante, es decir, estabiliza la tensión, impidiendo las variaciones de ésta, en el circuito que se encuentre conectado, por encima del valor Zener del diodo. Todos los diodos Zener funcionan en inversa.
f) Un diodo Zener puede haber alcanzado la tensión de ruptura o más; pero si la intensidad del circuito es inferior a la mínima que permite el Zener, éste no conducirá. Cuando se adquiere un diodo Zener, hay que conocer la tensión e intensidad máxima o en su defecto la potencia máxima. Los diodos Zener son el componente electrónico con mayor mortandad, por las condiciones tan críticas en que se desarrolla su trabajo. Otra característica propia del Zener es que muere en cortocircuito al contrario que sus primos, que una vez fenecidos permanecen en abierto.
g) Para terminar, decir que el efecto avalancha se produce sin deteriorar el diodo, porque el dopaje del Zener es diferente a un diodo normal. Un diodo Zener jamás podrá funcionar solo, ya que necesita su resistencia de polarización o de Zener en serie, que por otro lado, es quien realmente fija la corriente del diodo.
7.-Transistores
a) Los transistores pueden dividirse en dos grandes familias, los bipolares que son los más extendidos desde el año 1953 y que a su vez se subdividen en NPN y PNP y los transistores Unipolares o de Efecto de Campo, también conocidos como FET. Estos últimos transistores parecidos en su funcionamiento a las antiguas válvulas y de origen incluso anterior al de los transistores bipolares, también se dividen en dos familias, losFET Unión o J.FET que se subdividen en J.FET de Canal N y de Canal P y los FET de Puerta aislada conocidos como IG.FET o (MOS-FET) que a su vez se subdividen en Mos-Fet de Acumulación de (Canal N o de Canal P) y de Deplexión, también de (Canal N y de Canal P).
b) Los transistores bipolares están constituidos por la unión, en sandwich, de dos más uno elementos semiconductores dopados apropiadamente. Pueden ser de tipo NPN y de tipo PNP. Los terminales se denominan Emisor, Base y Colector.
Modos de Funcionamiento de los Transistores Bipolares, según la polarización B-E y B-C:
Hay que considerar, que para un mismo funcionamiento, los componente PNP y NPN tienen las tensiones de polarización invertidas.
Unión B-E | Unión C-B | Mod Funcion | Utilización |
D | I | En Activo (A) | Analógica |
D | D | En Saturación | Digital |
I | I | En Corte | Digital |
I | D | En Inverso (A) | No se utiliza |
c)En polarización en Modo Activa, la tensión más elevada corresponde al Colector, le sigue la tensión de
Base y la más pequeña cae en el Emisor.
d) Hay que considerar que en una polarización en modo de Saturación, entre Colector y Emisor siempre hay cero voltios.
e) Sea un Transistor NPN, en Modo Activa, donde sabemos que la Tensión de Base Emisor(BE) está en Polarización directa y que la Tensión Colector Base (CB) se encuentra en Inversa, tendremos una Intensidad de Emisor, en la que parte de los electrones se neutralizaran en la Base Positiva, otra atravesará la Base y se dirigirá por el terminal correspondiente al positivo de alimentación de polarización. Por otro lado, otra corriente de electrones atravesará los tres elementos saliendo por el terminal de colector y acabando en el positivo de polarización de Colector Base.
f) Por lo tanto, tendremos una IE, la de neutralización se puede despreciar, una IB y una IC, dondeIE=IB+IC. Debe hacerse notar, que cuando se hace referencia a las magnitudes de los transistores, siempre, se utilizan letras mayúsculas.
g) En la construcción de los transistores bipolares, se hace la Base muy delgada y con pocos elementos extraños de dopaje ya que la V-CB es muy superior, en valor, que la tensión V-BE. Es decir: V CB es mucho mayor que V BE.
h) Hemos sacado las siguientes conclusiones: Que la neutralización electrónica en la base puede considerarse nula y que la Corriente de Base es mucho más pequeña que la de colector. Así tenemos queIE=IB+IC y que IB es mucho menor que IC, luego entonces podremos considerar que la IE es prácticamente igual a IC. El transistor así polarizado se comporta como un amplificador, ya que una pequeñisima corriente de Base controla una alta corriente de Colector, por supuesto si IB sube también IC se eleva, por el contrario si IB baja también lo hará IC. Si IB=0 entonces IC=0.
i) Con respecto a los transistores, en general, es muy importante tener en cuenta los datos del fabricante. Se considera como Ganancia de Corriente en Continua b a la relación que existe entre IC e IB También hFE, donde b o hFE=IC/IB. b no tiene unidades y se considera constante para cada transistor.
En un transistor de b=100 y si IB=10mA, tendremos que IC=b*IB=10mA*100=100mA (1A)
j) En un transistor NPN existen dos corrientes , una Intensidad de BE y otra de CE; por el contrario, en un transistor PNP hay una Intensidad EB y otra EC.
k) Existen dos curvas características, principales, del transistor:
Curva de Entrada que relaciona la IB con la V BE, es la del diodo de entrada del transistor, en donde se puede contemplar que con pequeñas variaciones en V BE, aumenta en gran medida la IB.
Curvas de Salida que relacionan la IC con la V CE, donde se puede ver que en Activa, la Corriente de Colector ICes prácticamente independiente de la tensión entre el Colector y el Emisor V CE. Los fabricantes, siempre agrupan varias curvas de salida en un solo gráfico y a las que se denomina como Familia de Curvas.
l) Para el cálculo de la Potencia disipada o consumida por un transistor, sabiendo que P=V*I, tendremos quePQ (Potencia en el transistor) será igual a =V CE*IC.
m) Sea un transistor polarizado en activa, si aumentamos la IB aumentará la IC; pero si seguimos aumentando la intensidad de base, llegará un momento que la intensidad de colector será independiente de la intensidad de base. En este caso se dice que el transistor se ha llevado a SATURACIÓN. Un transistor saturado se caracteriza porque su VCESAT es prácticamente 0.
En saturación, el transistor se comporta como un cortocircuito entre C y E y viniendo a semejarse a un interruptor cerrado y por lo tanto IC ya sólo depende del circuito exterior o Carga.
n) Sabemos que en Activa b=IC/IB y por lo tanto entre VCE habría tensión; pero en Saturación bno puede considerarse y VCE sería 0V por lo que IC sería máxima y hEFSAT=bSAT=b Un transistor polarizado al corte no conduce e IC=0 ya que IB=0 e IE también es igual a cero. En estos casos, el transistor se comporta como si se tratase de un circuito abierto y por lo tanto no existe corriente entre C y E; así en los extremos del colector y del emisor tendremos, al completo, la tensión de alimentación.
8.- Circuitos de Polarización de los Transistores Bipolares
a) Son el conjunto de los componentes que lleva asociados el transistor, normalmente resistencias y que permiten a partir de una única tensión de alimentación (Vcc) obtener los valores adecuados para polarizar correctamente sus uniones. Los ejemplos se verán considerando que la polarización se refiere a Activa ya que son los más utilizados en Electrónica analógica.
b) En un Circuito con resistencia de Base única, la tensión de Emisor es igual a cero ya que se encuentra conectado a masa. La tensión existente entre la Base y el Emisor es la caída de tensión del diodo de entrada del transistor y que como sabemos se trata de 0.7V en el Silicio y 0.2V en el Germanio. La B la proporciona el Fabricante. Resumiendo:
VE=0
VB=VE+VBE=0+VBE=VBE
IB=(VRB/RB)=(Vcc-VB/RB)
IC=b*IB
VC=Vcc-VRC=Vcc-(IC*RC)
Por lo tanto: VCE=VC-VE
c) Este sistema tiene dos importantes inconveniente, primero que necesita una resistencia de base muy alta y este tipo de resistencias tienen mucha inestabilidad debido a las variaciones de tolerancia y sobre todo por efecto térmico. Una resistencia de valor elevado se calienta y al hacerlo baja su valor aumentando la corriente que la atraviesa. Este hecho hace que la resistencia se caliente más.
Esto último es el origen del segundo y más importante inconveniente ya que se trata de lo que se conoce como embalamiento térmico y que no puede evitarse ni con refrigeradores ni con ventilación forzada. Un transistor sometido a este embalamiento está condenado a destruirse ya que en un transistor si la temperatura aumente, la IC también aumenta. El embalamiento térmico es un efecto de bola de nieve que hay que evitar. Para ello se debe estabilizar el transistor frente a la elevación de la temperatura por medio de un correcto diseño eléctrico del circuito.
d) El Segundo circuito, más interesante, utiliza como estabilizador de la corriente de base un divisor de tensión en la base así como una resistencia en el emisor. Así se fija la polarización y se estabiliza el transistor frente a la temperatura.
Hay dos resistencias relacionadas con la base RB1 que está conectada directamente a la Tensión de alimentación Vcc y otra RB2 conectada a masa. De la unión de las dos se saca la alimentación de Base que queda fijada a los valores que determina el divisor de tensión.
e) El proceso para determinar la tensión de salida Vs de un divisor de tensión en una R2 en serie con unaR1 consiste en:
Si sabemos que Vs=VR2 y que según la Ley de Ohm tenemos que VR2=I*R2, también que I=Ve, siendo Vela tensión de entrada en el divisor, Entonces I=Ve/(R1+R2) también tendremos que Vs=(Ve/(R1+R2))*R2=(Ve*R2)/(R1+R2) y como resultado comparativo,en el caso de ser un divisor de tres resistencias, en el que la tensión de salida se toma de los extremos de R2 y R3 vemos que Vs=((Ve*(R2+R3)/(R1+R2+R3).
f) Visto esto último y utilizando en la práctica el método aproximado, que consiste en despreciar la pequeñisima corriente de Base IB, (con lo que ya no es necesaria la b), tenemos que:
VB=((Vcc*RB2)/(RB1+RB2))
VE=VB-VBE
IE=VE/RE
IE=IC
VC=Vcc-VRC y Vcc-(IC*RC)
VCE=VC-VE
g) LOCALIZACIÓN DE LOS TERMINALES DE UN TRANSISTOR BIPOLAR
1º Se buscará el terminal correspondiente a la Base que en un transistor NPN, es el ánodo común de dos diodos, uno Base y Emisor y otro Base y Colector. Conocemos que la punta del polímetro analógico es el negativo de la fuente de alimentación y la negra el positivo, la Base será, ineludiblemente, la patilla que conectada a la punta de prueba negra dé conducción cuando la punta roja se conecte a cualquiera de las otras dos. En el caso de ser un transistor PNP sucede justo al contrario.
2º Para localizar los terminales Colector y Emisor, puentearemos una resistencia de aproximadamente 10K,en su defecto la yema del dedo humedecida, entre la Base, que ya conocemos, y una de las otras patillas. Al mismo tiempo conectaremos el polímetro a los terminales que no conocemos su nomenclatura.
3º Llegados a este punto, tendremos cuatro posibilidades, cambiando alternativamente la resistencia de base a un terminal y de base al otro así como cambiar la polarización de la alimentación intercambiando las pinzas del polímetro. Sólo en una de las posiciones conducirá. Entonces sabremos que el terminal que está unido a la punta negra del polímetro (Positivo de la Pila) es el Colector y el que está unido a la roja (Negativo de la Pila) será el Emisor. Sólo en esta situación pasará una IB a través de la R de 10K “En su defecto el dedo humedecido” y se encontrarán polarizados correctamente tanto el Colector como el Emisor.
9.- Recta de Carga y Punto de Trabajo Q de un Transistor
a) Una vez resuelta la polarización, vemos que queda definida conociendo los valores de Ic y VCE.
b) Tomemos como ejemplo, un transistor alimentado a 20V de Vcc, en donde los valores conocidos son:0.7V de tensión de polarización BE, divisor de tensión de B con resistencias de 90K y 10K a masa y resistencia de colector de 5K.
VB=(20v*10K/90K+10K)=2V; VE=2V-0.7=1.3V
IE=1.3V/1.3K=1mA=Ic
VRC=5K*1mA=5V; VC=20V-5V=15V
VCE=VC-VE=15V-1.3V=13.7V
A estos dos valores subrayados, de IC y de VCE se los conoce como punto de trabajo del transistor Q y su nomenclatura es: ICQ y VCEQ y conociéndolos, podemos hallar el resto de los valores. Veamos: siVRC=5K*1mA=5V y VC=20V-5V=15V y VE=15V-13.7V=1.3V tenemos que VB=1.3+0.7=2V.
c) La ecuación de la malla de Colector se determina del siguiente modo: Si VCC=VRC+VCE+VRE, tendremos que VCC=IC*RC+VCE+RE*IE y con cálculo aproximado tendremos que conociendo que IC es aproximadamente igual a IE, VCC=VCE+IC*RC+IC*RE y sacando factor común, tendremos la ecuación de la recta de Carga VCC=VCE+IC(RC+RE). Con lo cual, vemos que no es necesario, para conocer la recta de carga, el tener los datos de la polarización.
Continuando con el ejemplo anterior, tendremos que Vcc=VCE+(5K+1.3K)*IC y 20V=13.7V+(5K+1.3K)*1mA.
d) La recta de carga representa al conjunto de todos los posibles Puntos de Trabajo que puede tener un transistor en el circuito en que se halle, y varía cambiando el valor de las resistencias o divisor de tensión de Base. De nuevo vemos que la Ecuación de Carga de un transistor es independiente de la polarización de la Base.
e) Conociendo dos puntos de trabajo de un determinado transistor, podremos hallar gráficamente la recta de carga. Sea el punto B, en la misma línea de la coordenada horizontal X, donde se representa VCE. Conocemos que IC representado en la coordenada vertical Y es 0, luego IC=0 y VCC=VCE.B+0*(RC+RE) y Vcc=VCE.B; luego el transistor está trabajando en el punto de corte de polarización; por el contrario, sea el punto A, en el eje Y donde conocemos que VCE.A=0, tendremos que VCC=VCE.A+IC.A*(RC+RE) y que IC.A=VCC/RC+RE, donde vemos que se encuentra en el punto de trabajo de saturación. La línea comprendida entre los dos puntos de trabajo estudiados, nos da la recta de carga y los valores útiles de trabajo de un transistor utilizado en electrónica analógica.
f) Como resumen, vemos que el punto de trabajo es independiente de la recta de carga, aunque se encuentre situado en ella y que nos proporciona información de funcionamiento en AC.
Como ejemplo, calculemos el punto de trabajo y la recta de carga de un circuito de Vcc=10V, un divisor de tensión de Base de 80K y 20K a masa, una resistencia de colector de 4K y una resistencia de Emisor de 1K. Sabemos que el transistor es de Silicio, luego su tensión de Base Emisor será de 0.7V.
Para hallar la recta de carga, no necesitamos polarizar el transistor porque sabemos que el punto correspondiente a VCE=Vcc 10V e IC=10/(4k+1k)=10v/5K=2mA. En el gráfico trazamos una recta y tendremosgráficamente la Recta de Carga.
Pero también queremos hallar el punto de trabajo y para esto, si que hay que polarizar y tendremos que VB=(10V*20K)/(80K+20K)=2V,VE=2V-0.7V=1.3V, IE=IC=1.3V/1K=1.3mA y VRC=1.3mA*4K=5.2V y VC=10V-5.2V=4.8V; Luego tenemos que VCE=VC-VE=4.8V-1.3V=3.5V.
Los dos valores en cursiva, trasladados a sus correspondientes coordenadas nos dan el valor del punto de trabajo sobre la recta de carga.
g) Para finalizar este Tema, apuntar que más del 90% de las averías en los transistores son de DC y que todas las averías de AC están ocasionadas por alguna avería en DC.
10.- Transistor en Alterna (En Señal) Amplificadores, Montajes Básicos
a) La ganancia en tensión Av, es el cociente en tensión entre la señal de salida y la señal de entrada. Av=vo/vi
b) Si vo es mayor que vi, Av será mayor que 1 y nos encontraremos ante un amplificador de tensión. Sivo es igual a vi, Av será igual a 1 y tendremos un seguidor de tensión. Si vo es menor que vi, Av será menor que la unidad y el circuito será un atenuador.
c) La ganancia en corriente Ai, es el cociente entre la intensidad de salida y la intensidad de entrada.Ai=io/ii.
d) La ganancia en potencia Ap, es el cociente entre la potencia de salida y la potencia de entrada.Ap=po/pi, también Ap=Av*Ai.
AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN
Tendremos un Amplificador en Emisor Común, cuando la entrada IN se toma entre B y E o entre B y masa, ya que el emisor se encuentra conectado a ella. La salida, en éste tipo de circuitos, OUT, se saca entre C y Eteniendo en cuenta que E está unido a masa. Vemos que el Emisor del transistor, es común tanto a la entrada como a la salida.
Un amplificador en emisor común, debe ir unido en alterna, al igual que los que se tratarán después y poseen la particularidad que la señal de entrada vi es amplificada pero al mismo tiempo invertida en 180º. La Señal de entrada, entra por el divisor de tensión de base, gracias a un condensador Ci que deja pasar la AC e impide la interacción de la DC de polarización que hay en los circuitos adyacentes. El emisor es llevado a masa, en señal, mediante otro condensador CE y la salida es mediante el colector, también mediante otro condensador Co. A los condensadores mencionados se los conoce como de desacoplo de continua. Estos condensadores, se calculan para que sean lo más parecido a un corto franco paran la señal que se trata de amplificar; por lo tanto,X=1/(2*p*f*C).=0.
APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚN
1ª) Como amplificador de tensión para señales muy pequeñas (Es su utilidad Standard)
2ª) Como inversor de señal (En electrónica digital)
e) Características Cualitativas en Alterna: La ganancia en tensión es alta, entre cien y trescientos, aproximadamente. La ganancia en corriente también es alta, pero no se utiliza como amplificador de corriente porque como ya veremos, hay otros circuitos que desarrollan dicha labor mucho más eficazmente. La impedancia de entrada es baja, del orden de 1K y, sin embargo, la impedancia de salida es alta , del orden de varios K.
A la hora del cálculo, no deben mezclarse valores de impedancia de entrada y de salida.
f) Existe una variante de emisor común conocida como de falso emisor común. Es idéntica a la estudiada con anterioridad, pero se evita el condensador de emisor. Su funcionamiento es análogo y sus aplicaciones son las mismas.
Las características del falso emisor común son: La ganancia en tensión es baja (del orden de unidades de ohmios 2-10); sin embargo es muy estable con la frecuencia. La ganancia en corriente también es baja pero estable con la frecuencia. La impedancia de entrada es alta y es de idéntico valor a la impedancia de salida. Como vemos, se pierde en ganancia: pero por el contrario, se gana en estabilidad.
AMPLIFICADOR EN COLECTOR COMÚN
La entrada IN se realiza entre base y masa y la salida OUT entre el emisor y la masa.
En este tipo de amplificador, el colector va unido a masa en alterna, por medio de la fuente de alimentación Vcc(Una fuente de alimentación en continua, de cara a las señales de alterna, se comporta como un cortocircuito, o como una resistencia de un valor despreciable y que no es más que la resistencia interna de la fuente)
Las características en alterna, como amplificador son: La ganancia en tensión es 1, luego vo=vi (No posee ganancia alguna en tensión) También es conocido como Seguidor de Emisor. La ganancia en corriente es alta. La impedancia de entrada es alta, del orden de unos 100k y la impedancia de salida baja, del orden de los 10-12 ohmios.
APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR EN COLECTOR COMÚN
1ª) Su funcionamiento standard es como amplificador de intensidad. Todos los amplificadores de salida son de este tipo.
2ª) También se utiliza como adaptador de impedancias (DRIVER) o como seguidor de emisor o seguidor a secas.
AMPLIFICADOR EN BASE COMÚN
La base va unida a masa. La entrada IN, se realiza entre emisor y masa y la salida OUT entre colector y masa. En este tipo de circuitos, hay un condensador de base que une, en alterna, la base a masa. Como característica principal, puede decirse que no invierte la señal de entrada.
Su ganancia Av es alta, tanto en calidad como en cantidad. No posee ganancia en corriente Ai y su impedancia de entrada Zi es baja, al contrario que la impedancia de salida Zo que es alta.
APLICACIONES DEL AMPLIFICADOR EN BASE COMÚN
Principalmente como amplificador de tensión, aunque su utilización es mucho menor que la de emisor común, porque la impedancia de entrada es muy baja y carga en exceso la etapa anterior; pero tiene grandes ventajas en relación con el de emisor común, en alta frecuencia por su gran estabilidad.
11.- Modelo de Transistor en Alterna
a) Se considera para baja frecuencia, ya que no se tienen en cuenta las capacidades de unión del transistor. También se considera para baja señal, ya que el transistor se encuentra en activa y su funcionamiento es el habitual en electrónica analógica.
b) Este tipo de circuito equivalente se realiza con parámetros “h” –HIBRIDOS- y se supone, de un lado, entre base y emisor con una resistencia de entrada al transistor en alterna, la cual, es recorrida por una ib. El colector se supone unido al emisor por un generador de corriente ic. Y como sabemos es igual a hfe*ib, siendo hfe=hFE=b
Tipo de Circuito | IN | AV | AI | Zi | Zo | OUT | Aplicaciones |
E común | B | -(hfe*Rc)/hie Alta | -hfe Alta | hie Baja | Rc Alta | C | Amplificador de Tensión e inversor |
Falso emisor | B | -Rc/RE Baja | / Baja | RB=RB1//RB2 @RB Alta | @Rc Alta | C | Amplificación de Tensión e inversor |
C común | B | 1 No tiene | RB/RE Alta | RB Alta | hie/hfe Baja | E | Amplificador de corriente y adaptador de impedancias |
B común | E | (hfe*Rc)/hie Alta | 1 No tiene | hie/hfe Baja | Rc Alta | C | Amplificador de tensión en alta frecuencia |
EJEMPLO DE CALCULOS CON TRANSISTORES
Sea un transistor de Silicio NPN, configurado como amplificador en emisor común y cuyos datos de polarización son los siguientes:
Vcc= 20V, condensador en vi de 1 mF. Resistencias divisoras de tensión de base 70K y 30K a masa. Resistencia de emisor de 2.65K, condensador de desacoplo de emisor 30mF. Resistencia de colector 5K y condensador en vo de 1mF. La resistencia de carga, RL=5K.
Se pide:
1º Calcular el Punto de Trabajo
2º Representar la recta de carga
3º Calcular Av, Zi, y Zo sin carga. RL desconectada
4º Calcular Av, Zi y Zo con carga. RL conectada
5º Calcular Av, Zi y Zo sin carga y eliminando CE.
1º)Vcc=VCE=20V, ICA=20/(5k+2.65)=2.61mA. Con esto, se conforma la recta de carga
2º)VB=(20V*30K)/(70K+30K)=600/100=6V; VE=6V-0.7=5.3V; IE=IC=5.3V/2.65K=2mA
VRC=2mA*5K=10V; VC=20V-10V=10V; VCE=VC-VE=10V-5.3V=4.7V. Con estos dos puntos construimos, gráficamente, el punto de trabajo sobre la recta de carga
3º) Av=-(hfe*Rc)/hie=100*5K/2K=-500/2=250; Zi=hie=2K; Zo=Rc=5K
4º) Zi=2K y Zo=5K; ya que la carga no afecta al valor de las impedancias que son propias de cada transistor; Av=-(hfe*(Rc//RL))/hie=-100*2.5k/2K=250/2K=-125. Es decir, la ganancia viene afectada por el valor de la Carga
5º) Comprobamos que al quitarle el condensador de emisor, lo hemos transformado en un falso emisor y utilizamos las fórmulas propias de dicho circuito.
Av=-Rc/RE=-5K/2.65K=-1.88; Zi=70*30/70+30=21K; Zo=5K
12.- Comportamiento de los transistores con la frecuencia
a) En un amplificador ideal, la curva característica entre ganancia y frecuencia y ganancia es ideal porque no contempla el comportamiento real de los transistores bajo los efectos de los cambios de frecuencia. Por el contrario, no existen los amplificadores ideales.
b) En la curva característica de un amplificador real, se produce una parte recta o de Vmax, comprendida entre una frecuencia de corte inferior fci y una frecuencia de corte superior fcs. No obstante, fci empieza con el 70% de Vmax y fcs termina, también, con el 70% de Vmax. Al espacio comprendido entre las dos frecuencias de corte, se lo conoce como ancho de banda “B” de funcionamiento del circuito amplificador.
c) Por dicha causa, se realizan diferentes tipos de amplificadores y que puedan ser utilizados en diferentes frecuencias o anchos de banda. La B de un amplificador, puede considerarse como el dato más importante ya que si se recorta la ganancia A, puede recuperarse en etapas amplificadoras posteriores; pero si una o unas determinadas frecuencias se recortan al pasar por una etapa amplificadora, la recuperación de aquellas es prácticamente imposible.
d) La pérdida de ganancia A a frecuencias bajas, que se produce en fci, se debe a los condensadores presentes en el circuito amplificador: CI, Co, y CE si lo tuviera; ya que se forman filtros paso altos, parasitarios, al unirse a la Zi y Zo del amplificador, ya que como vimos: fc=1/2*p*f*Ci o Co.
e) La pérdida de ganancia A a frecuencias altas, que se produce en fco, es debida a las capacidades parásitas internas de los propios transistores.
f) Toda unión semiconductora PN, posee una capacidad inherente o asociada a dicha unióny aunque son de valores muy pequeños, del orden de pocos picofaradios, cuando están sometidos a frecuencias de corriente muy bajas; sin embargo, dichas capacidades se convierten en apreciables e importantes cuando la frecuencia se va elevando, ya que el valor de la reactancia de los condensadores, por su magnitud, puede llegar a interferir con el de los demás componentes y a la hora del cálculo habrá que tenerlo en cuenta.
g) El problema de estas capacidades parásitas, es que ofrecen caminos alternativos, no deseados, a la corriente que posee una determinada frecuencia, de gran valor, y es por ello, que los fabricantes aportan en las características de sus fabricados, la (Frecuencia de Transición) fT y que es aquella a la que un determinado transistor deja de amplificar. La máxima frecuencia de utilización de los transistores viene a ser fT/10. Como ejemplo, digamos que para una fT de 1GH, la máxima frecuencia, posible, de amplificación sería de 1GH/10=10014Hz.
h) Por último decir que el producto de la ganancia A por el ancho de banda B, es siempre una constante, ya que si A aumenta B disminuye y si B aumenta A disminuye; luego tenemos que A*B=cte. A la hora de elegir un amplificador es prioritario el ancho de banda sobre la ganancia por motivos obvios.
13.- Amplificadores Multietapa
a) Un amplificador multi-etapa, no es más que un conjunto de amplificadores unidos entre su uno detrás de otro, hasta n número de amplificadores, donde la salida del anterior se une físicamente a la entrada del siguiente.
b) Características generales de un Amplificador multi etapa
La Impedancia total de entrada Zit es igual a la Impedancia de entrada del primer amplificador Zi y la Impedancia total de salida Zot es igual a la Impedancia de salida Zo del último amplificador (última etapa amplificadora). Por el contrario, la Ganancia total At es igual a la multiplicación de las ganancias parciales; luegoAt=A1*A2*A3*...An.
c) Cada etapa amplificadora, está cargada con la Zi de la siguiente etapa menos la última cuya impedancia de carga será la que posea RL.
Según el Teorema de Thevenin, Un amplificador de tensión, a efectos de cálculo, puede sustituirse por un generador de tensión y su resistencia interna Ri en serie con la carga ZL, en la cual debe caer la mayor parte de la tensión de generador. Para que esto se dé, la resistencia interna del generador debe ser prácticamente despreciable en comparación con la impedancia de Carga ZL que debe ser mucho mayor; luego ZL debe ser muy superior en valor a la impedancia interna Z0.
Según el Teorema de Northon, un amplificador de salida (Intensidad), a efectos de cálculo, puede sustituirse por un generador de intensidad con su resistencia interna en shunt y en paralelo con la impedancia de carga ZL, de donde se deduce que para que pase por la carga la máxima intensidad, la resistencia en Shunt debiera ser muy elevada en comparación con la impedancia de carga; luego ZL debe ser muy inferior a Z0 o Shunt.
Se deduce de los anteriores teoremas, que para conseguir un buen amplificador de potencia deberíamos tener un buen amplificador de tensión y un muy buen amplificador de corriente; pero como conseguir las dos cosas es literalmente imposible, se debe llegar a un punto de compromiso y es que ZL o la impedancia de Carga debería ser idéntica a Z0 o impedancia de salida del amplificador de potencia. Esto lo hemos estudiado, anteriormente, como Transferencia máxima de potencia.
De todo lo anterior, se puede sacar la conclusión de que hay que utilizar adaptadores de impedancia para unir los diversos amplificadores; sobre todo, si se utilizan los de emisor común, que por otro lado, son los más utilizados. Para ello se usan amplificadores en colector común.
14.- Tipos de acoplo en amplificadores multietapa
TIPOS DE MULTIETAPAS
TIPO DE ACOPLO | DENOMINACIÓN |
Por Condensador | Multietapas R.C. |
Directo | Acoplo en Continua |
Por Transformador | Están en desuso |
L.C. Inductancia Capacidad | Amplificadores Sintonizados |
Foto Acoplo (Por Luz) | Foto-Acopladores |
a) MULTIETAPAS DE ACOPLO POR CONDENSADOR
Un condensador se encarga de acoplar la señal de alterna entre las diferentes etapas. Se utilizan como amplificadores de tensión y siempre en aplicaciones de baja frecuencia (Hasta varios cientos de Kilohertzios).
VENTAJAS: Como las diferentes etapas, en continua, están aisladas entre sí, la polarización de cada etapa se calcula de forma individual y si una etapa se avería, el fallo no se extiende a las demás etapas, siempre en continua. Por otro lado, son muy fáciles de reparar.
INCONVENIENTES: Los condensadores de acoplo afectan a la frecuencia de corte inferior; por lo que estos amplificadores, no se deben utilizar con frecuencias inferiores a los 10Hz.
UTILIZACIÓN: Se utilizan principalmente en previos o como preamplificadores en TV.
b) MULTIETAPAS DE ACOPLO DIRECTO
No están separadas entre sí por ningún tipo de componente y se utilizan, principalmente, como amplificadores de corriente y en algunos casos de tensión. Se puede considerar a los amplificadores de intensidad como de Potencia. También son ampliamente utilizados en fuentes de alimentación, porque son capaces de amplificar señales de 0Hz DC. Son también conocidos como amplificadores de continua.
INCONVENIENTES: Hay que calcular la polarización de los diferentes circuitos de las etapas como un todo y su reparación es dificultosa. Cuando un componente se avería en continua, la avería repercute en todo el amplificador. Entre un 70 y un 80% de las averías se producen en este tipo de Etapas.
ACOPLO DIRECTO DE TRANSISTORES, MONTAJE DARLINGTON: Se utilizan como transistores de potencia para controlar elevadas corrientes de colector. Está constituido por dos transistrores con el colector común y en el que uno de ellos está unido por medio del emisor al otro por la base. Con lo cual, tenemos una entrada por la base del primer transistor, una salida común por el colector y el emisor del segundo transistor a masa. Este tipo de circuito puede estar formado por componentes discretos o encapsulado en un único componente como un integrado.
Tenemos que Ic/IB=b1, Ic=b*IB y ya que IE=IB+b+Ic=IB+b*IB=IB*(b+1) tenemos que
En Q1=IE1=IB1*(b1+1) y como en el darlington IB2=IE1
En Q2=IE2=IB2*(b2+1)
Luego entonces IE2=IB1*(b1+1)*(b2+1) que se considera como un único transistor y
IED=IBD*(bD+1) Comparando IED=IBD*(bD+1) luego
bD+1=(b1+1)*(b2+1) y tendremos que bD es aproximadamente igual a b1*b2.
c) MULTIETAPAS DE ACOPLO POR CONDENSADOR
Es un antiguo sistema que era utilizado como amplificador de tensión y era utilizado en todo tipo de frecuencias.
VENTAJAS: En continua, las etapas están separadas entre sí y eran muy fáciles de calcular y mantener ya quev1/v2=n, I2/I1=n y Z1/Z2=n2
Los transformadores también cumplían como adaptadores de impedancia, con lo cual, se ahorraban etapas adaptadoras.
DESVENTAJAS: El mantenimiento era dificil porque los transformadores eran de dificil sustitución. También eran voluminosos y caros. Producían perdidas por calor a pesar de haber sido la principal forma de acoplo entre amplificadores durante más de 80 años.
d) MULTIETAPAS DE ACOPLO POR LC (Variante de transformador)
Sigue utilizando el transformador que se menciona en el anterior tipo de acoplo; pero tienen la particularidad de llevar un condensador en paralelo con la bobina del primario, del secundario o de ambos. Este tipo de montaje condensador inductancia se conoce como circuito resonante paralelo. Lo que significa que la frecuencia de resonancia debe ser idéntica tanto en el primario como en el secundario. Son utilizados esclusivamente en circuitos de alta frecuencia, tanto en radio como en televisión.
Dos circuitos que trabajan a la misma frecuencia se dice que están sintonizados y la frecuencia de resonancia se calcula fr=1/2*p//L*C
e) MULTIETAPAS FOTO ACOPLADAS: El acoplo de la señal, entre etapas amplificadoras, se realiza por medio de fotoacopladores que están constituidos por un diodo emisor de luz y un foto diodo o fototransistor, el cual, se encarga de acoplar al circuito siguiente las variaciones o impulsos digitales, que se hayan producido en el diodo emisor de luz como consecuencia de la señal de salida del primer amplificador. No se utilizan con señales analogicas; pero su velocidad de conmutación en circuitos digitales, es enorme. También son muy baratos y prácticamente indestructibles por lo que son de mucha fiabilidad. Su funcionamiento se debe a que los fotodiodos o fototransistores conducen cada vez que el diodo emisor de luz se ilumina.
15.- Realimentación
a) En los circuitos electrónicos, la realimentación es algo tan cotidiano como encontrar peces en el mar u hormigas en el campo. Realimentar un circuito consiste en tomar una porción de la señal, no la componente continua, de salida y reintroducirla en la entrada.
En general, un amplificador puede trabajar de dos formas:
Lazo abierto si no lleva realimentación
Lazo cerrado cuando si la lleva
Los componentes electrónicos que permiten la realimentación, para su estudio teórico, se agrupan en un entorno denominado Red de Realimentación.
b) La realimentación puede ser positiva o negativa.
La realimentación positiva incrementa la inestabilidad del amplificador y su ganancia. Su uso, se limita, estrictamente, al diseño y montaje de Osciladores.
La realimentación negativa se utiliza para estabilizar las características propias del amplificador. Aunque como contraparte, disminuye la ganancia de los amplificadores así realimentados. Su uso es de carácter general.
c) Métodos para reconocer el tipo de Realimentación.
1.- Método de estudio de las fases: Si la señal procedente de la Red de realimentación está en fase con la señal de entrada, la realimentación es positiva; por el contrario, si estuviese desfasada sería negativa. A la realimentación, también se la conoce, en el mundo anglosajón como FEED-BACK (Retroalimentación)
2.- Método de los incrementos: Se supone una variación de la señal de salida con el signo aleatorio; y se estudia dicha variación a través de la Red de realimentación hasta llegar a la entrada y después pasando por el amplificador para regresar, de nuevo, a la salida. Si la variación supuesta, se confirma, la realimentación será positiva; al contrario, sería negativa.
En el ejemplo, supongamos que no varía.
Siendo v0 la tensión de salida, vx la tensión que se mide a la entrada de la Red de realimentación, vy la encontrada a la salida de la Red, tendremos que si v0 aumenta, vx aumenta también, vy lo hace igualmente y por lo tanto, vB también vBE aumenta e IB aumenta, Ic aumenta, VRC también lo hace y Vc baja, luego v0 disminuye.
Según el criterio, anteriormente expuesto, la realimentación es negativa y se opone a las variaciones de tensión. De ahí, que la realimentación negativa se utilice para aprovechar sus efectos estabilizadores.
La ganancia del Lazo T, se haya multiplicando la ganancia del amplificador sin realimentación A (en lazo abierto) por b(Ganancia de la Red de realimentación) T=A*b
Siendo AR la Ganancia del Amplificador realimentado:
Si la Realimentación es – AR=A/(1+A*b)=(A/1+T)
Si la Realimentación es + AR=A/(1-A*b)=(A/1-T)
Si el Amplificador, en estudio, tuviese la A- en la fórmula de AR, no se pone el signo negativo; pero se recupera al final.
Si con realimentación negativa cuando la ganancia de lazo T=(A*b) sea mayor que 1, es interesante ver que:
AR=A/1+A*B=A/A*B=1/B luego la Ganancia de un amplificador en Emisor Común, realimentado, sólo depende del circuito o Lazo de Realimentación.
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