ELEC TRÓNICA APLICADA C F INSTALACIONES DE TELEC OMUNICAC IONES Antonio Hermosa Donate
ELECTRÓNICA APLICADA C F INSTALAC IONES DE TELEC OMUNICAC IONES Antonio Hermosa Donate
Datos catalográficos
Diseño y maquetación: PAENDE Diseño de la cubierta: NDENU DISSENY
Hermosa, Antonio Electrónica aplicada. CF Instalaciones de Telecomunicaciones Primera Edición Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México ISBN: 978-607-707-404-5 Formato: 21.5 x 27.5 cm Páginas: 496
Electrónica aplicada. CF Instalaciones de Telecomunicaciones Antonio Hermosa Donate ISBN: 978-84-267-1736-8, edición en español publicada por MARCOMBO, S.A., Barcelona, España Derechos reservados © MARCOMBO, S.A. Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, marzo 2013
© 2013 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail:
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ISBN: 978-607-707-404-5 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. Nota importante: La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos, han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele. Edición autorizada para venta en México y todo el continente americano.
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PRESENTAC IÓN Este libro ha sido realizado con especial enfoque hacia el Ciclo Forma tvo Instalaciones de telecomunicaciones, por lo cual se ha procurado la adaptación al contenido y nivel básico de materias de dicho ciclo. El contenido de materias se basa en una importante parte sobre electricidad básica general , el resto de la materia es sobre electrónica básica generalcon una introducción a la electrónica digital (se puede descargar material de ampliación sobre esta materia en la Web del autor). El nivel técnico de exposición de las materias es medio, procurando simplicidad y claridad, pero con un enfoque profesional. Tanto este contenido de materias como su nivel de exposición hacen que el libro pueda ser válido también para otros Ciclos Formatvos, así como para todo aquel interesado en la electricidad-electrónica (para iniciarse o para reciclaje profesional). En el BOE 49 (25-2-10) aparece: El Real Decreto 1632/2009, de 30 de octubre, establece eltulo de Técnico en Instalaciones de Telecomunicaciones y sus enseñanzas mínimas. El Módulo Profesional Electrónica aplicada (código 0359), es un módulo de soporte, de 195 horas (6 h/semana). La formación es de carácter generalista, por lo que el módulo puede ser común en distntos Títulos de la Familia Profesional e incluso servir para Títulos de otras Familias Profesionales que necesiten una formación electrónica de base.
Se ha procurado que el contenido de materias y nivel de exposición del libro sea en base a esta información o ficial; se ha adaptado al temario o ficial, teniendo en cuenta el número de horas del módulo (195 h) y también el nivel inicial y característcas del alumnado. Contenido de materias Electricidad básica general : conceptos básicos y unidades eléctricas, resistencias, circuitos eléctricos básicos, condensadores, electromagnetsmo aplicado, bobinas, producción de la corriente alterna, el transformador, reactancias inductva y capacitva, impedancia, circuitos eléctricos en alterna, etc. Electrónica básica general : Semiconductores. El diodo. Diodos emisores de luz (LED), termistores (NTC-PCT), VDR. Circuitos rectficadores. Transistores; introducción al BJT, FET, MOS, etc. El transistor bipolar (BJT); caracterís tcas y aplicaciones práctcas. Circuitos amplificadores. Circuitos integrados. El CI 555. Amplificadores operacionales; característcas y aplicaciones práctcas. Fuentes de alimentación reguladas; reguladores integrados lineales (78XX, 79XX, LM317/337),
reguladores conmutados (78S40, LM2575). Optoelectrónica: Fotodiodo, fototransistor, displays, optoacopladores. Tiristores; regulación por ángulo de fase. Electrónica de potencia ; Rectficadores trifásicos, rectficación controlada con SCR, control de potencia en con tnua y alterna, choppers, conceptos sobre: Inversores-onduladores, cicloconvertdores, tristores GTO y MCT, transistores
MOSFET y IGBT. Introducción a la electrónica digital : Conceptos y aplicaciones de la electrónica digital. Señales analógicas y digitales.
Unidades de información digital. Procesos digitales. Conversión analógica-digital. El sistema binario. Operaciones en binario. Funciones lógicas básicas. Puertas lógicas. Circuitos integrados digitales de tecnología TTL y CMOS. Principios del álgebra de Boole. Así pues, este libro está enfocado hacia el Ciclo Forma tvo Instalaciones de Telecomunicaciones, pero al tratarse de una materia de tpo general, puede ser también de utlidad en otros cursos donde se imparta electricidad-electrónica, así como para el estudio autodidacta, tanto de inicio como de reciclaje. Las teorías se explican de forma clara y sencilla pero con rigor técnico y profesional, con ejemplos de aplicaciones prác tcas, utlizando componentes reales de fácil adquisición. El libro se adapta a las tendencias actuales de la enseñanza y a las necesidades profesionales; por ello consideramos que puede ser de u tlidad tanto a alumnos como a profesores. Se puede descargar material adicional de ampliación sobre electrónica digital en la Web del autor: hp://www.etpc-hermosa.tk hp://llibreriaha.com/blogs/antonio-hermosa/ hp://www.hermosa-electronica.blogspot.com/
El autor
Índice general
Índice general Unida d 1
Actividades finales.....................................................63
Introduccióna la electricidad .......................1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Introducción.......................................................2 Unidad 5 Generadores d e electricidad ... .................65 Principios fundamentales de la electricidad ..............................................25.1 Introducción.....................................................66 5.2 Generadores mecánicos ...............................66 Estructura del átomo................. ........................4 5.3 Generadores químicos ...................................68 C argas eléctricas. Ley de Coulomb ...............8 5.4 Fuerza electromotriz(f.e.m.)............................ 70 La corriente eléctrica ......................................10 5.5 Resistencia interna ..........................................71 Fuerza electromotriz (f.e.m.)..........................12
1.7 1.8 1.9
Intensidad eléctrica ........................................13 Tensión eléctrica ..............................................14 El circuito eléctrico circulación de la corriente ................................................15 Actividades finales.....................................................18
Unida d 2
5.6 Montaje paralelo serie de generadores ........... ...........74 5.7 Montaje de generadores ...............76 5.8 Montaje serie-paralelo de generadores......77 Actividades finales.....................................................79
Unidad 6
C irc uitos resi stivos básic os: El Circuito eléctrico: Introducción al cálculo de circuitos ..........80 6.1 Ley de Ohm......................................................81 Efectos y medidas ........................................19 Introducción a los circuitos eléctricos ..........20 6.2 Caída de tensión–diferencia de potencial ....................................................84 Elementos fundamentalesde un circuito...... 21 6.3 El circuito serie ....................................... ..........88 Efec tos y aplic ac iones de la corriente eléctrica .................................23 6.4 El circuito paralelo...........................................90 6.5 Circuitos serie–paralelo (mixtos)....................91 2.4 Medidas de la corriente ........94 y tensión eléctrica ...........................................25 6.6 Leyes Kirchhoff ........................................ 6.7 Teorema de Thévenin .....................................98 2.5 El polímetro “Tester”........................................28 Actividades finales...................................................101 Actividades finales.....................................................33 2.1 2.2 2.3
Unida d 3
Unidad 7
Resistencia eléctrica ............... ........... ........34 Condensadores ..........................................103 3.1 3.2 3.3 3.4
Introducción.....................................................35 Resistividad de los conductores....................35 Fusibles............................................ .................... 35 Variación de la resistencia con la temperatura.........................................36 3.5 Resistencias .......................... ...........................37 3.6 Medida de la resistencia (óhmetro) .............42 3.7 Potenciómetros...............................................46 3.8 Montaje de e r sistencias en serie ...................47 3.9 Montaje de resistencias en paralelo.............49 3.10 C ircuitos serie–paralelo (mixtos) ....................51 Actividades finales.....................................................51
Unida d 4
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7
Función que realiza el condensador ..........104 Carga del condensador ..............................105 Descarga del condensador.........................106 Constitución física del condensador ..........107 Constante de tiempo (en la descarga) .....109 Constante de tiempo en la carga ..............112 Características prácticas de los condensadores ..................................115 7.8 Tipos de condensadores ..............................116 7.9 Montaje de condensadores en paralelo ................. ....................................118 7.10 Montaje de condensadores en serie ..........121 7.11 Aplicaciones prácticas de l c ond ensado r.................................... 122 Actividades finales...................................................124
Potencia eléctrica ......................................53 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
Trabajo y potencia eléctrica .........................54 El vatio (W) .......................................................55 Unidad 8 Electromagnetismo. Ejemplos prácticos sobre potencia eléctrica ..........................................56 Aplicac iones prác ticas ....... ...... ...... ...... ....127 Fórmulas prácticas sobre potencia 8.1 El electromagnetismo en la práctica .........128 yEfectos ley de calorí Ohm.......... ........... ...............................58 fico s de la e lectricidad. Ley de J oule .....................................................61 Trabajo eléctrico. C onsumo de energía eléctrica .....................62
8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
Pri ncipios básicos. Bobinas ........... ........... .....128 El magnetismo ............ ............. .............. ........ 130 Elec tromagnetismo .......................................133 Elec troimán ....................................................135 El relé y el contactor .....................................136
vii
Índice general 8.7 El transformador.............................................138 8.8 Grab ac ión magnética de señales .............143 Actividades finales...................................................144
Unida d 13 Introducc ióna los tr ansistores ...................220
13.1 Función que realiza el transistor...................221 13.2 Amplificador ...................................................221 13.3 Aspectos prácticos sobre transistores.........223 La inducc ión electromagnét ica 13.4 El Transistor bipolar (BJT)................................225 13.5 Transistores de efecto de campo (FET) ......225 y susefectos práctic os ..............................145 13.6 Transistores MOS........................ .....................227 9.1 Principios del generador electromagnético .........................................146 13.7 Transistor UJT...................................................227 Actividades finales...................................................230 9.2 Ejemplos prácticosde electromagnetismo .......................................147 9.3 Ley de Lenz....................................................151 Unida d 14 9.4 Ley de Faraday..............................................152 El transistor bipolar. 9.5 Efec to de autoinducción. Inductancia ......153 9.6 Constante de tiempo ...................................155 Principiosy aplicac iones...... ...... ........... ....231 14.1 Introducción al transistor Actividades finales...................................................159 bipolar (BJT) ....................................................232 14.2 El transistor NPN ..............................................232 Unida d 10 14.3 Funcionamiento resumido C orriente alterna: del transistor ...................................................233 14.4 El transistor PNP ..............................................234 Principios y características........................160 10.1 Principios sobre corriente alterna................161 14.5 Ejemplo de aplicaciones del transistor.......235 14.6 Comprobac iones del transistor 10.2 La red de suministro con el polímetro ........... .................................237 de energía eléctrica .....................................164 14.7 Aplic ac ión práctica del transistor ...............242 10.3 Generación de corriente alterna. 14.8 El circuito amplificad or lineal básico ..........244 El alternador................ ...................................165 10.4 Valores de tensión .........................................170 14.9 Intensidades y tensiones en el tra nsistor.....245 14.10El transistor operando 10.5 Desfase de ondas..........................................175 en conmutac ión .......................................248 10.6 La bobina en alterna. Reactancia inductiva ...................................179 14.11 Circuitos prácticos con transistores.............249 14.12 Estudio del transistor 10.7 El co ndensad or en a lterna. en amplificación lineal .................................257 Reactancia capac itiva ................................180 10.8 Impedancia ...................................................182 Actividades finales...................................................264 10.9 Potencia en alterna......................................185 10.10 Corriente alterna trifásic a .............................191 Unida d 15 Actividades finales...................................................193 C aracterís ticas del transi stor.
Unida d 9
Unida d 11 Introducc ión a la electrónica .......... ...... ...194 11.1 ¿Q ué es la electrónica? ...............................195 11.2 Los semiconductores .......... .........................196 11.3 El diodo ...........................................................199 11.4 El diodo emisorde luz (LED).........................201 11.5 Termistores (NTC-PTC) ...................................203 11.6 Células fotoconductoras (LDR) ...................204 11.7 Varistor (VDR) ................................................205 Actividades finales...................................................206
Unida d 12
Circuitos prácticos .........................................266 15.1 Introducción...................................................267 15.2 Datos característicos de los transistores (BJT) ........................... .......267 15.3 Curvas características y circuitos de experimentación .....................................270 15.4 El fac tor de amplificación α ............................282 15.5 Comprobac iones del transistor mediante la función transistómetro del tester.............283 Actividades finales...................................................285
Unida d 16
Introducción a los ampli ficadores. Circuitos básicos de alimentación ..........207 C irc uitos práctic os con transistores .........28 6 12.1 Introducción...................................................208 16.1 12.2 Partes básicas de una fuente 16.2 de alimentación ...........................................208 12.3 Circuito rectifica dor de media onda .........209 16.3 12.4 Circuito rectifica dor de dob le onda ...........210 12.5 Filtrado ........................... .................................213 16.4 16.5 12.6 Diodo zener....................................................215 16.6 12.7 Circuito estabilizador de tensiónbásic o ....217 16.7 Actividades finales...................................................219
viii
Introducción...................................................287 Amplificadores. Conceptos generales ...................................287 Los decibelios(dB) ........................................28 9 fi
Características un ampli cad or ............293 Circuitos amplifide cadores básicos .................297 Amplificación multietapa ............................305 Polarización básica de una etapa amplifica dora (EC).
Índice general Análisis práctico .............................................308 16.8 Experimentación de los estados lineal, corte y saturación....................................................311 Actividades finales...................................................313
Unida d 17
20.2 Montaje práctico: Simulador de alarma de coc he ..................392 20.3 Displays de 7 segmentos ..............................393 20.4 El fotodiodo ....................................................396 20.5 El fototransistor ........................................ ......398 20.6 Optoac opladores .........................................400 integrados Actividades finales...................................................402
Introducción a los circuitos (CI). Generador de señales 55 5 ........315
17.1 Introducción a los circuitos integrados.......316 Unidad 21 Tiristores .......................................................403 17.2 El circuito integrado 555: 21.1 El tiristor (SCR).................................................404 Generador de señales..................................317 21.2 Curvas características del tiristor.................406 17.3 Montaje como generador de señales (clock) 21.3 Regulación de potencia del 555 ............................................................320 por ángulo de fase........................................408 17.4 C ircuito práctico generador 21.4 Rectificac ión controlada ............................409 de ondas asimétricas....................................321 21.5 Circuito práctico regulador de potencia 17.5 Montaje del C I 555 como monoestable. (en continua) ............... ..................................411 Temporizad or .................................................323 ..........................414 17.6 C ircuito práctico temporizador ...................325 21.6 El Tria c y Diac ....................... 21.7 Circuito prácticos reguladores en alterna 17.7 Sirena electrónica basada con Triac - Diac .............. ................................417 en el CI 555.............................................. 326 Actividades finales...................................................419 Actividades finales...................................................329
Unida d 18
Unidad 22
Electrónica de potencia .... ...... ...... ...... ......420 Circuitos integrados. Amplific adores operac ionales..... ..... ..... ....330 22.1 Introducción...................................................421 18.1 Introducción...................................................331 18.2 C aracterísticas básicas de los CI amplificad ores operacionales.....................332 18.3 El circuito integrado amplificador operacional uA 741.......................................338 18.4 C onsiderac iones prácticas de aplicac ión general........................................340 18.5 C ircuitos prácticos con amplificadores operacionales........... .....................................343 18.6 Amplificador de potencia de sonido. C I TDA 2003 .............. ......................................358 Actividades finales...................................................360
Unida d 19
22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9
Rectificadores trifásicos no controlados.....422 Rectificadores trifásicos controlados ..........429 Inversores - Onduladores..............................432 Control de potencia en alterna ..................433 Cicloconvertidores ........................................434 Interruptores estáticos........................... ........434 Convertidores cc/cc. Choppers .................435 Componentes electrónicos de potencia básicos .....................................438
Actividades finales...................................................442
Unidad 23 Introduccióna la electrónica digital ........444 23.1 Introducc ión a la electrónica digital..........445
23.2 Señales analógicas y señales digitales.......448 Fuentes de alimentación reguladas ........361
19.1 Introducción...................................................362 23.3 Procesos Digitales .........................................452 19.2 Reguladores de tensiónserie 78XX/79XX ...362 23.4 Sistemas cableados y sistemas programables ............ ..................454 19.3 Montaje y análisis de un alimentador de 12 V 23.5 El sistema binario ...........................................455 con un CI 7812...............................................366 23.6 Codificación-decodi ficación ......................461 19.4 Alimentador con salida simétrica basado 23.7 Datos en formato paralelo...........................465 en un 7812 y 7912 ..........................................367 19.5 Reguladores de 3 A. Serie 78TXX .................368 23.8 Datos en formato serie .................................467 19.6 Reguladores de 100mA. Serie 78LXX..........369 23.9 Op eraciones aritméticas básicas en binario .......................................................468 19.7 Reguladores de la serie LM317/337............370 23.10 Introducción a los circuitos digitales ..........469 19.8 Fuente de alimentación de salida variable con el LM317.................... ...................... ............. 374 23.11 Puertas lógicas ...............................................471 23.12 Simbología lógica..........................................476 19.9 Fuentesde alimentación conmutadas ......376 23.13 Circuitos integrados digitales.......................476 Actividades finales...................................................387 23.14 Principios del álgebra de Boole ..................480
Unida d 20
fi
Actividades nales...................................................484
Componentes optoelectrónicos básic os ........................................................38 9 20.1 Diodos LED........................................ ..............390
ix
Unidad 1Introducción
a la electric idad
Objetivos: • • • • •
C omprender los principios bá sicos de la electric idad, ya que es la base de la Electrónica y por tanto de los sistemas electrónicos de Telecomunicac iones. C onoc er claramente los conc eptos de corriente, intensidad y tensión. Operar c on las unida des bá sicas eléctricas, C ulombio, Amperio, Voltio. C omprender el c onc epto, funcionamiento y ap lic ac ión de los c irc uitos eléctricos. Distinguirentre c orriente c ontinua y corriente alterna.
En este capítulo: 1.1 1.2 1.3 1.4
Introducción. Principios fundamentales de la electricidad. El átomo. C argas eléctricas. Ley de C oulomb.
1.5
La c orriente eléc trica .
1.6 1.7 1.8 1.9
Fuerza electromotriz (f.e.m.). Intensidad eléctrica. Tensión eléctrica. El circ uito eléctrico. C irculac ión de la c orriente.
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Recuerda
• • •
La electricidad es un tipo de e nerg ía; y como tal, capaz de realizar trab ajo. La e lec trónica es una extensión de la electricidad, aparecida como consecuencia de los avances en la evolución de la tecnolog ía eléc trica , por ello se basa también en los princ ipios de la electricidad.
1.1
Introducción
La aplicación práctca de la electricidad y del magne tsmo da lugar a lo que se denomina Electrotecnia; de hecho, la palabra electrotecnia viene de la combinación de electro y techne; o sea, es la tecnología eléctrica, donde se encuentran componentes tales como motores eléctricos, interruptores, condensadores, contactores, equipos de iluminación, etc. Los equipos de electrónica pueden ser tan sencillos como el circuito de una linterna de LEDs y también de un nivel tecnológico tal que combina diferentes ramas de electrónica; así es, por ejemplo, en las video cámaras, teléfonos móviles, ordenadores, etc. La electrónica es una extensión de la electricidad, aparecida como consecuencia de los avances en la evolución de la tecnología eléctrica, por ello se basa también en los principios de la electricidad. Todo sistema electrónico, por simple o complicado que sea, se alimenta con energía eléctrica, y por tanto ya existe un proceso eléctrico. La electrónica básica general se puede considerar por tanto una materia fundamental en todas las disciplinas de la tecnología, y obligatoria en el área de las Telecomunicaciones; ya que todos los circuitos, aparatos, equipos están realizados con componentes electrónicos; receptores de radio y TV, telefonía móvil o fija, routers, amplificadores de antena, etc. Por ello en el ciclo de grado medio Instalaciones de Telecomunicaciones se encuentra un módulo de electrónica, en el cual aparecen casi todas las partes básicas de la electrónica; desde los principios (electricidad) hasta los circuitos electrónicos digitales programables. El programa de materias, como suele ser en todos los ciclos formatvos, es muy amplio y ambicioso; luego la realidad, por tempo, característcas del alumnado, necesidades profesionales, etc. obligan a dis tnguir aquellas materias que consttuyan la base fundamental necesaria. Este libro, se ha procurado que no sea un libro más de electrónica; que, además de cumplir con la formación del módulo de electrónica aplicada del ciclo forma tvo, resulte ameno y didáctco. También puede ser de u tlidad en la formación autodidacta, cursos de reciclaje profesional, etc., así como para cubrir la parte de electrónica en otros ciclos formatvos (por ejemplo, el de Instalaciones Eléctricas y Automá tcas).
1.2
Principios fundamentales de la electricidad
En principio, se puede decir que la electricidad es un tpo de energía, y como tal, capaz de realizar trabajo. Ejemplo de sus aplicaciones prác tcas son los motores, calefactores, lámparas, etc. Y de la misma manera que ocurre con la fuerza magnétca, no nos resulta visible, pero su existencia queda claramente mani fiesta por los efectos que produce. La fuerza de srcen magné tco (generada por cuerpos magne tzados) actúa sobre ciertos tpos de materiales (los denominados ferromagnétcos, lo cuales pueden ser influidos por dicha fuerza. Pues también existe fuerza de srcen eléctrico, generada por cuerpos con carga eléctrica, invisible, pero también capaz de producir una fuerza sobre otros cuerpos. Se pueden encontrar experimentos de este tpo en, por ejemplo, museos de la ciencia, siendo uno característco el movimiento de atracción (o repulsión) entre dos esferas cargadas eléctricamente. De hecho, todos nos podemos encontrar en algún momento con estas manifestaciones fsicas de la electricidad: al peinarnos (a veces el pelo se pone de punta, siguiendo al peine), al salir del coche y cerrar la puerta puede darnos una especie de calambre, al caminar sobre moqueta pueden aparecer chispas por los pies, etc.; todo se debe a la acción de la electricidad, srcinada, en estos casos, por la fricción entre dos cuerpos diferentes, los cuales pasan de ser neutros a tener una cierta carga de electricidad.
2
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Recuerda
• • •
Los electrones son partículas elementales de la electricidad. El electrón es la mínima expresión de carga eléctrica (negativa), y es lo que da luga r a la corriente eléctrica. Se encuentra en los átomos, y los átomos a su vez forman moléculas. Toda la materia se compone de átomos, por ello las personas también poseemos electrones, y somos susceptibles a la electricidad.
1.2.1 Moléculas, át omos y electrones Se puede decir que los principios eléctricos se encuentran en todos los tpos de materia, ya que ésta se forma por moléculas que a su vez están formadas por átomos, y en el átomo se encuentra la par cula fundamental de la electricidad: el Electrón. Los electrones son las parculas elementales de la electricidad, la mínima expresión de carga eléctrica (negatva), y lo que da lugar a la corriente eléctrica y de todas sus manifestaciones. Se puede decir que todos los sistemas eléctricos y electrónicos, desde el más elemental, como puede ser una bombilla, hasta el microprocesador más avanzado, se fundamentan en la circulación controlada de electrones. La molécula es la mínima parte que se puede obtener de una cierta materia sin que desaparezcan sus propiedades químicas, o sea, sigue conservando las mismas característcas del tpo de materia. Por ejemplo, si pudiéramos partr un grano de sal por la mitad, y cada trocito lo volviéramos a partr por la mitad, y así sucesivamente, se llegaría a obtener una minúscula parte de materia que ya no sería sal; obtendríamos átomos de cloro y sodio, que es la composición química de la sal común (cloruro de sodio) (Fig. 1.1).
1 átomo de cloro + 1 átomo de sodio = Figura 1.1.
Molécula de sal
Moléc ula d e sal (cloruro d e sodio). Se c ompone d e un átomo d e sodio y un átomo de c loro.
Y en el caso del agua, la mínima can tdad que aun sigue siendo agua, molécula de agua, se compone de dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno; la partción de la molécula daría lugar a átomos. Existen materiales que se componen exclusivamente por átomos de un mismo tpo, son los denominados cuerpos simples, y consttuyen los elementos químicos: oro, hierro, carbono, oxigeno, etc. Los cuya composición se basa en diferentes tpos de átomos, se denominanmateriales cuerpos compuestos, un ejemplo sencillo y fundamental es el agua; se compone de dos tpos de átomos (hidrogeno y oxigeno). Toda la materia se compone de átomos, desde un trocito de hierro hasta el cuerpo humano, o sea, que las personas también poseemos electrones; y bajo este principio, se puede decir, que somos también suscep tbles a las manifestaciones eléctricas. De hecho, algunos de los aparatos médicos se basan en la detección de ciertas manifestaciones eléctricas que se encuentran en el cuerpo. Por ejemplo, en el cerebro se encuentran unas señales eléctricas caracterís tcas (ondas alfa, beta, etc.) que detectadas y analizadas por medio del Electroencefalógrafo, permiten detectar ciertas enfermedades. Asimismo, por medio del instrumento Electrocardiograma se pueden detectar y analizar ciertos impulsos eléctricos que se dan en el corazón, pudiéndose así detectar posibles anormalidades.
Actividades de evaluac ión 1. Da una breve explicación sobre lo que signi fica electricidad. 2. Indica componentes, aparatos, enmarcados dentro de la electrónica. 3. ¿Qué es un electrón? 4. Diferenciar entre molécula y átomo.
3
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Recuerda
• • •
En los átomos se encuentra carga positiva (en el núcleo) y carga nega tiva (en la corteza). Las denominaciones de positivo (+) y negativo (−) se utilizan para indicar dos estados eléctricos (polaridades) de signo contrario. El protón es la partícula elemental de carga eléctrica positiva (+); y el electrón, la partícula elemental de carga eléctrica nega tiva (−).
1.3
Estructura del átomo
Los átomos se componen, fundamentalmente, de dos partes: núcleo y corteza. En el núcleo se encuentra carga eléctrica denominada positva (+), compuesta por unas parculas llamadas protones, junto con otras parculas que se conocen por neutrones. La carga positva es debida a los protones; se puede decir que un protón es la mínima expresión de una carga eléctrica positva. Los neutrones son parculas, que como su nombre indica, son neutras; no poseen carga eléctrica, pero su masa es del mismo orden que la del protón. La corteza se compone de cargas eléctricas denominadas negatvas (−), compuesta por las parculas llamadas electrones; son las parculas más importantes desde el punto de vista eléctrico-electrónico. En la figura 1.2 se muestra una representación pica de la estructura de un átomo (el del oxigeno, a modo de ejemplo). Como se observa, los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes capas (órbitas), a semejanza del sistema planetario del universo. Núcleo: carga posiva (protones)
Corteza: Carga negava (electrones)
Figur a 1.2. Estructura de un átomo (oxígeno). Básicamente se compone del núcleo (que es donde se enc uentra la ca rga positiva) y de la corteza (ca rga negativa)
De hecho, esta estructura del átomo es a modo simplista, entre otras cosas, porque los desarrollos cienficos han llegado a detectar otras parculas (por ejemplo, los quarks), pero esta estructura sigue siendo válida. Eléctricamente, sólo resultan interesantes las parculas protón (+) y electrón ( −), especialmente esta últma. Así, resumiendo: • Protón: Parcula elemental, mínima expresión de carga eléctrica positva (+)
• Electrón: Parcula elemental, mínima expresión de carga eléctrica negatva (−)
La cantdad de carga eléctrica de ambas par culas es la misma, y en todos los átomos en estado normal existe un número de protones igual al de electrones. Por ello, los átomos en su estado normal, eléctricamente, son neutros; pues tenen la misma cantdad de carga posi tva como de nega tva.
Las denominaciones de positvo (+) y negatvo (−) se emplean para indicar los dos tpos de estados eléctricos (o polaridades) diferentes que existen; son dos estados eléctricos de signo contrario entre si, de forma semejante a como ocurre con los polos sur y norte de los imanes. Cada uno de estos estados eléctricos posee cierta energía, y se sabe que entre dos cuerpos con carga eléctrica pueden manifestarse ciertas fuerzas.
4
Unidad 1 · Introducción a la electricidad Un principio fundamental en electricidad es el siguiente: • Entre cargas eléctricas del mismo signo se produce una fuerza de repulsión.
• Entre cargas eléctricas de diferente signo se produce una fuerza de atracción.
Esto queda ilustrado en la figura 1.3. Y bajo este simple principio se basa el funcionamiento de, por ejemplo, los motores eléctricos y los altavoces. Cargas iguales Repulsión
Cargas diferentes
Figura 1.3. Principio fundamental de fuerzas de atrac c ión y repulsión entre cargas eléctricas. Si las cargas son iguales, se p roduc e una fuerza de repulsión. Si la s c argas son diferentes, se p roduc e una fuerza de atracc ión.
Repulsión
Atracción Atracción
(Átomo de hidrógeno) Así, puesto que los protones y los electrones son cargas eléctricas de diferente signo, aunque sea en su mínima expresión, dichas fuerzas ya se ejercen entre dichas parculas. Por ello, en los electrones se ejerce una fuerza de atracción hacia el núcleo; pero no llegan a él, y siguen su trayectoria orbital, debido a otra fuerza que srcina el movimiento a gran velocidad. Así, los átomos, y la materia en general en su estado normal, es de carácter eléctricamente neutro, pues tene tantas cargas eléctricas negatvas (electrones) como positvas (protones). Electrón libre
Figura 1.4. Electrón, que p or alguna c irc unstanc ia, deja de formar parte del átomo; aparece así un electrón libre.
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad Cuanto más separados del núcleo se encuentran los electrones, pues existen diferentes órbitas, menos fuerza de atracción reciben los electrones hacia el núcleo. Son precisamente los electrones de la úl tma capa, los más alejados del núcleo, los causantes de todos los fenómenos eléctricos; al ser los electrones con menos atracción hacia el núcleo, son los que, por medio de algún tpo de energía externa, pueden dejar el átomo, dando lugar al concepto de: cargas eléctricas móviles, o electrones libres, y son los causantes de que se produzca la corriente eléctrica (Fig. 1.4). A ciertas temperaturas, en los electrones periféricos ya puede exis tr un cierto movimiento incontrolado, errátco, de átomo en átomo; son los electrones libres. La corriente y la generación de cuerpos con carga eléctrica se debe a que, por algún tpo fuerza externa, los átomos pierden electrones libres (de la úl tma capa, los mas externos); apareciendo así cuerpos con carga positva y carga negatva (Fig. 1.5). Cuerpo cargado posi tvamente:sus átomos han perdido electrones, han dejado de ser neutros; tenen menos electrones que protones. Cuerpo cargado nega tvamente:sus átomos han recibido electrones, han dejado de ser neutros; tenen más electrones que protones.
Material neutro
Figur a 1.5. Representac ión de un c uerpo neutro y otros cargados eléctricamente.
Material cargado
Material cargado
negavamente posivamente El nº de cargas posivas Tiene más cargas negavas que Tiene más cargas posivas que es igual al de negavas . posivas; ha ganado electrones.negavas; ha perdido electrones
Son los electrones periféricos los que caracterizan a los materiales como buenos o malos conductores, según la facilidad con que éstos se mueven. Y esta más o menos facilidad de movimiento depende de las característcas de los átomos que forman la sustancia en cuestón. Aparece así el concepto de materiales buenos y malos conductores de la electricidad. Adelantamos, que cuando se produce un movimiento ordenado de electrones, por medio de aplicar una energía externa, aparece el concepto de corriente eléctrica.
1.3.1 Configuración electrónica del átomo En principio, sabemos que en cada átomo en estado normal, existe un número de protones (cargas positvas) igual al de electrones (cargas negatvas), por lo cual su estado eléctrico es neutro. En el núcleo se encuentra concentrada la carga positva, pero la carga negatva se encuentra distribuida alrededor del núcleo, en diferentes órbitas. El número atómico de cada átomo indica su cantdad total de electrones (y, por tanto, también el de protones), lo cual determina su clasi ficación en lo que se conoce por tabla periódica de los elementos. El número atómico es necesario para saber la configuración electrónica del átomo, lo cual nos puede dar una información prác tca sobre su mayor o menor facilidad de conducción eléctrica del material. Cuanto menos electrones existen en la úl tma capa y más alejados se encuentran del núcleo, mejor conductor de electricidad es el material; así, los mejores materiales conductores de electricidad son aquellos en los cuales sus átomos tenen un solo electrón en la úl tma capa, es el caso de la plata y el cobre. La cantdad de electrones que se encuentra en cada capa se puede determinar por medio de la expresión: E = 2 n2 E = número de electrones de la capa y n = número de la capa
6
Unidad 1 · Introducción a la electricidad Hay que partr de la condición de que en la úl tma capa, como máximo, pueden existr 8 electrones y en la penúltma 18. Las primeras cuatro capas (órbitas) se denominan K, L, M y N, siendo K la más próxima al núcleo.
Ejemplo Configuración electrónica del átomo de cobre. Número atómico: 29
1ª capa (K): 2
n2 = 2 x 12 = 2 x 1 = 2 electrones
2ª capa (L): 2
n2 = 2 x 22 = 2 x 4 = 8 electrones
3ª capa (M): 2
n2 = 2 x 32 = 2 x 9 = 18 electrones
Como que en estas tres capas ya suman 28 electrones, se deduce que en la 4ª capa (N), y últma, sólo habrá un electrón; pues en total deben haber 29, que es su número atómico. En la figura 1.6 se representa dicha configuración electrónica. Así, los átomos del cobre disponen como carga móvil, un solo electrón, y situado en una 4ª capa; la poca fuerza de atracción ejercida por el núcleo sobre dicho electrón periférico, hace que fácilmente éste pueda salir del átomo y en consecuencia dar lugar a una corriente eléctrica. El cobre es el tpo de material normalmente utlizado para fabricar los conductores eléctricos (hilos, cables), debido a su buena conduc tvidad eléctrica y relatvo bajo precio.
Electrón periférico
Figura 1.6. Estructura atómica del átomo de c obre.
Actividades de evaluac ión 1. Da una breve explicación sobre las par culas Protón y Electrón. 2. De las dos parculas anteriores, ¿cuál de las dos es la que da lugar a la corriente eléctrica? 3. ¿Porqué pueden aparecer cuerpos con carga posi tva o negatva? ¿Y qué efectos pueden dar lugar entre ellos? Piensa en alguna manifestación de esto efecto, que a veces se experimenta en la vida cotdiana.
4. ¿Qué dos átomos dan lugar a los mejores materiales (práctcos) conductores de la electricidad? 5. Calcula la estructura electrónica del átomo de aluminio (n° atómico = 13).
7
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
1.4
Cargas eléctricas. Ley de Coulomb
Como se sabe, la mínima expresión de carga eléctrica lo cons ttuye el electrón y protón. Al ser de una magnitud tan pequeña, se establece como unidad de carga eléctrica el culombio (C), lo cual equivale a la carga de, aproximadamente, 6.230.000.000.000.000.000 electrones = 6,23 · 10 23 Unidad de carga eléctrica: 1 Culombio
Culombio
≈ 6,23 · 1018 electrones
Por tanto, la cantdad de carga eléctrica del electrón (y del protón) es: -19 Carga del electrón (-e) = 1,602 · 10 C -19 Carga del protón(+e) = 1,602 · 10 C
Aunque las cargas delprotón protónes y electrón son lasque mismas, ocurre lo mismo con sus masas.eléctricas La masa del mucho mayor la del no electrón: Masa del electrón : 9,11 · 10-31 Kg. Masa del protón : 1,67 · 10-27 Kg.
Así, la masa del protón es unas 1830 veces mayor que la del electrón. Por otra parte, como se sabe, en el núcleo también se encuentran las parculas denominadas neutrones, eléctricamente neutras, pero su masa es similar a la del protón. Así pues, se deduce que en el núcleo del átomo es donde se concentra casi toda su masa. Aparecen cargas eléctricas, materiales cargados eléctricamente, cuando por algún tpo de circunstancia los átomos pierden algún electrón. Cuando esto ocurre, los electrones que dejan de formar parte de un átomo se mueven hacia otro átomo. Se dice entonces que los átomos que pierden electrones adquieren carga eléctrica positva, y dejan de ser neutros, al tener más can tdad de protones que de electrones; lo cual les da la propiedad de poder atraer otros electrones de su entorno (Fig. 1.7). Electrón atraído
Figur a 1.7. Los átomos que han pe rdido algún elec trón d ejan de ser neutros y adq uieren ca rga eléctrica positiva, con lo cual pueden atraer electrones libres.
Átomo cargado posivamente En su estado normal, átomo neutro, los electrones libres no son atraídos porque la fuerza de atracción del núcleo es compensada por la fuerza de repulsión por parte de la corteza (electrones). Si los átomos reciben electrones, también dejan de ser neutros, ya que adquieren carga negatva, puesto que pasan a tener más electrones que protones. En general, también se denominan iones a los átomos que dejan de ser neutros, bien porque ion positvo a los átomos con carga + pierden o ganan electrones. Así, se denomina (han perdido electrones), y ion negatvo a los átomos con carga negatva (han ganado electrones).
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Campo eléctrico Las cargas eléctricas dan lugar también a lo que se conoce por campo eléctrico , lo cual se puede manifestar experimentalmente. Digamos, que es una fuerza similar a la magnétca, invisible, de acción a distancia, y que puede ser de atracción o repulsión. Se puede decir que existe una fuerza de campo eléctrico en un cierto punto del espacio, si en dicho punto se ejerce fuerza sobre cualquier otro tpo de carga. Así, la situación de un cuerpo cargado eléctricamente puede ejercer cierta fuerza sobre otras cargas situadas a su alrededor, y en cierta región del espacio se dice que existe un campo eléctrico.
1.4.2
Ley de Coulomb
ejercidae entre dos cargas eléctriLa Ley viene a decir que la fuerza q1 de cas, y qCoulomb , es directamente proporcional a su (F) producto inversamente proporcio2 nal a su distancia de separación.
Matemátcamente se expresa por:
siendo: K: constante de proporcionalidad q1 y q2: cargas eléctricas, culombios (C). d: distancia de separación, metros (m).
Como se comprende, es similar a la fuerza de gravitación universal de Newton. A mayor distancia de separación, menos in fluencia existe entre las cargas y menor es la fuerza (de atracción o repulsión). Asimismo, a mayor can tdad de cargas, mayor será la fuerza que se ejercerá (Fig. 1.8).
Carga eléctrica
Q1 Figura 1.8.
Carga eléctrica
F =K
q1 q2 d2
Q2
Distancia de separación (d)
Representación de la ley de C oulomb.
Ejemplo Cálculo de la fuerza de atracción entre un protón y un electrón, situados a una distancia de 6 · 10-11 metros.
Sabemos que las cargas de estas par culas elementales es: +e = -e = 1,6 · 10 -19 C. Y la constante K, en el vacío, es de 9 · 10 9. Por tanto, la fuerza de atracción será:
Bajo este principio, también se puede de finir la unidad de carga eléctrica, Culombio, como la carga eléctrica que situada frente a otra igual, en el vacío y a 1 metro de distancia, da lugar a una fuerza de repulsión de 9 · 109 N.
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Actividades de evaluac ión 1. Da una explicación sobre el concepto de campo eléctrico. 2. ¿A qué se refiere la unidad Culombio? 3. Cuál es la carga eléctrica de un electrón ¿y de un protón? 4. ¿A qué se denominan iones? 5. ¿Qué viene a decir la ley de Coulomb? 6. Ejercicio sobre la ley de Coulomb: calcular la fuerza de atracción del ejemplo 1.4.1, si la distancia es 10 veces menor. Razonar el resultado.
1.5
La corriente eléctrica
La corriente eléctrica aparece como consecuencia del movimiento de electrones, y se puede definir de la siguiente manera: Corriente eléctrica , es la circulación ordenada de electrones a través de un conductor (a causa de una fuerza de atracción).
Flujo de electrones circulando ordenadamente: corriente eléctrica
Cable conductor (cobre)
−
Generador de fuerza (tensión eléctrica)
+
Figur a 1.9. Representación del concepto de c orriente eléc trica.
En base a un símil hidráulico, la corriente equivale al líquido, agua, que circula por una tubería; y el conductor de electricidad, un cable de cobre, equivale, por tanto, a la tubería por la cual circula el agua. En la figura 1.9 se muestra una representación de la circulación de la corriente eléctrica a través de un conductor. Obviamente, para que se produzca la corriente eléctrica tene que haber algo, una fuerza, que presione para que esto suceda; esta presión eléctrica es lo que se conoce por tensión eléctrica ( voltos), y es la fuerza que hace que los electrones circulen ordenadamente recorriendo un circuito. En la práctca, son los voltos generados por una pila (1,5 V), una batería (12 V), la red eléctrica (230 V), etc.
1.5.1 Conductores y aislantes Como ya debe saberse, el causante de que pueda exis tr una corriente eléctrica a través de un conductor se debe a la posibilidad de que los electrones periféricos de sus átomos puedan dejar el átomo debido a alguna influencia externa. Y la facilidad para que esto ocurra depende de lo alejado del núcleo que estén los electrones periféricos, ya que la fuerza de atracción que ejerce el núcleo (carga posi tva) sobre ellos es así menor.
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad
1.5.1.1
Buenos conductores
Se puede resumir, que los materiales son mejores conductores de la electricidad cuanto menos electrones periféricos tengan sus átomos y más alejados se encuentren del núcleo; en general, los que tenen muchos electrones libres. La facilidad de movimiento de dichas par culas, ya con un cierto movimiento desordenado en estado normal, puede controlarse y lograr que adquieran una circulación ordenada, en un determinada dirección (corriente eléctrica) aplicando una fuerza externa de carácter eléctrico. En general, todos los metales son más o buenos conductores de electricidad, siendo los mejores la plata seguida del cobre, cuya estructura atómica se representa en la figura 1.10.
Figura 1.10. Estructuras de los átomos de cobre y plata; los materiales mejores conductores de la electricidad.
Átomo de cobre
1.5.1.2
Átomo de plata
Aislantes
Se entende por materiales aislantes de la electricidad, aquellos que, debido a su estructura atómica, no dan lugar a una circulación ordenada de electrones, no permiten el paso práctcamente de corriente; de ahí el términoaislantes. Son aislantes, por ejemplo, la porcelana, el aire (seco), papel, goma, etc. Los aislantes setulizan precisamente para aislar, cortar, el paso de la corriente; por ejemplo, se tulizan como medio de aislamiento eléctrico en cables, herramientas, cajas de equipos, etc. También se puede decir que este tpo de materiales oponen una muy alta oposición al paso de la corriente (adelantando así el concepto de resistvidad). Es conveniente saber, que todo aislante, en según que condiciones puede llegar ha hacerse más o menos conductor y dejar pasar una cierta corriente. Esto ocurre, por ejemplo, cuando el aire o la madera se humedece, o bien por una elevada fuerza de campo eléctrico (que rompe la estructura atómica). Por eso, puede pasar que un cierto material sea buen aislante para ciertas aplicaciones y para otras no lo sea. Precisamente, cuando se da lo que se conoce por arco eléctrico (rayos, chispas desde un cable de la bujía de un coche hacia la chapa, etc.), es porque el aire, que es un aislante, se hace conductor debido a la fuerte fuerza eléctrica. Hay que tener en cuenta que movimiento de electrones no siempre signi fica corriente eléctrica, pues, a ciertas temperaturas, los átomos periféricos, pueden tener ya un cierto movimiento entre átomos; pero esto no se considera corriente eléctrica porque no es un movimiento ordenado, sino desordenado o errátco.
Actividades de evaluac ión 1. Define el concepto de corriente eléctrica. Dibuja una representación de esto. Hidráulicamente, a que compararías la corriente y la tensión eléctrica?
2. 3. Define el concepto de buenos materiales conductores y materiales aislantes. ¿Contribuye a ello la configuración electrónica de los átomos de la materia con que están formados? Razona la respuesta.
4. Indica dos materiales buenos conductores y dos materiales aislantes.
11
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
1.6
Fuerza elec tromotriz (f.e.m.)
Para que exista una corriente eléctrica se precisa de algo que fuerce a que los electrones circulen ordenadamente; una fuerza de srcen eléctrica, denominada fuerza electromotriz (f.e.m.), cuya unidad es el volto. Aunque esto será explicado más adelante de forma más detallada adelantamos que esta fuerza externa que da lugar a la aparición de la corriente eléctrica, es la que proporcionan los generadores de electricidad: Pila, batería, alternador, célula solar fotovoltaica, etc. En los generadores de electricidad, como consecuencia de algún tpo de proceso, se produce en su interior lo que se llama una f.e.m., lo cual se puede de finir de la siguiente manera: Fuerza electromotriz (f.e.m.) : es la fuerza que obliga a moverse a los electrones (dentro del generador), y que tene por efecto producir una tensión eléctrica.
Y la tensión eléctrica , que se expresa en voltos: es la fuerza que hace que los electrones se muevan ordenadamente en una cierta dirección a través de las líneas de conductoras (circuito), o sea, lo que hace que aparezca una corriente eléctrica . Este
principio se ilustra en la figura 1.11. Aparecen así los términos tan conocidos como pila de 9 V, batería de 12 V, 220 V de la red eléctrica, etc. Corriente eléctrica
Generador de Figura 1.11. electricidad: f.e.m. - Pila - Batería - Alternador
Representac ión genéric a de un c ircuito eléc trico. Un generador de electricidad suministra una tensión eléc trica (voltios) que hac e
que eléctrica c ircule una c orriente a través del receptor (carga). Las líneas c onduc toras son el medio de transporte d e la energía eléctrica , del generador a la ca rga.
Tensión eléctrica (V)
Línea conductora (cobre) Sin entrar en detalles, porque será explicado en profundidad más adelante, hay que ir sabiendo que la corriente eléctrica puede ser de tpo contnua (c.c.) o alterna (c.a.), según el tpo de generador de f.e.m. utlizado. Las pilas y baterías generan tensión contnua, y esto signi fica que la polaridad de la tensión y el sentdo de la corriente es constante, no varía. En el caso de la tensión de la red eléctrica (220 V), la corriente es alterna (debido a que es generada en la central por maquinas denominadas alternadores); en este caso, la polaridad de la tensión va cambiando periódicamente, y lo hace 50 veces por segundo.
Actividades de evaluac ión 1. Explica el concepto de fuerza electromotriz. 2. Indica tres componentes generadores de fuerza electromotriz. 3. Explicar conceptualmente lo que es c.c. y c.a.
12
Disposivo Receptor (carga): - Bombilla - Motor - Estufa - Etc.
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
1.7
Intensidad eléctrica
La intensidad de corriente es un concepto que relaciona la can tdad de carga eléctrica y el tempo, y se puede de finir de la siguiente manera:
Intensidad eléctrica Es la cantdad de carga eléctrica que circula por un conductor en la unidad de tempo.
O sea, es una medida de la can tdad de corriente. Matemátcamente se expresa por:
Unidad: Amperio (A) Circula la intensidad de un amperio cuando pasa un culombio por
segundo:
Siguiendo con el símil hidráulico, la intensidad eléctrica es similar al caudal (can tdad de agua que pasa por la tubería en la unidad de tempo).
Unidades derivadas Miliamperio:
mA
1 mA 1 A
-3 = 0,001 A = 10 A -6 = 0,000001 A = 10 A
Microamperio: A
Nanoamperio:
nA
1 nA
-9 = 0,000000001 A = 10 A
Picoamperio:
pA
1 pA
-12 = 0,000000000001 A = 10 A
Las unidades con que normalmente se trabaja en electrónica son el Amperio (A), el mA y el A. Con nA y pA normalmente no se trabaja, pero es necesario conocerlas porque en la tecnología microelectrónica (circuitos integrados) se trata con magnitudes de corrientes muy pequeñas, hasta de pA. En cambio, en electricidad y electrónica industrial, se puede trabajar hasta con miles de amperios, lo cual se expresa por medio de la letra K, que en el mundo técnico equivale a mil: k = 1000 1 kA = 1000 A
Actividades desar rolladas 1. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 2 culombios por segundo es:
2. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 4 culombios cada 0,5 segundos es:
3. Cantdad de carga, culombios, que pasan por un conductor cada segundo por el cual la intensidad que circula es de 450 mA: Pasando la intensidad de 450 mA a Amperios, tenemos: 1 mA = 0,001 A 450 mA = 450× 0,001 = 0,45 A.
La cantdad de carga (q) es:
13
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Actividades propuestas 1. Explica qué es una i ntensidad eléctrica. ¿Cuál es su unidad? 2. Calcular la intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 0,5 culombios cada 0,25 segundos. 3. Calcular la cantdad de carga que circularía en un conductor cada segundo si la intensidad medida es de 300 mA.
4. Indicar, en amperios, los valores 300 mA, 100 pA y 20 A.
1.8
Tensión eléctrica
Desde un punto de vista práctco, se puede definir de la siguiente manera: Tensión eléctrica : es la fuerza que da lugar a que los electrones se muevan ordenadamente a través de un conductor, produciéndose así una corriente eléctrica . Siguiendo con el símil hidráulico, se puede decir, que la tensión eléctrica es equivalente a la fuerza de presión que genera una bomba para hacer que el agua circule por las tuberías. Esta fuerza eléctrica, tensión, es lo que produce todo generador de electricidad (pila, alternador, célula solar, etc.). En los generadores de electricidad, aparece el término fuerza electromotriz (f.e.m.); que es el proceso energé tco que se da en el interior del generador, y que da lugar a que se produzca la tensión en los terminales de salida. Así, f.e.m. es equivalente a la energía que se da en el interior de una bomba hidráulica, y que da lugar a la presión. En el caso, por ejemplo, de una pila, la f.e.m. es el proceso químico interno que da lugar a la energía que pone en movimiento a los electrones, y su efecto produce la tensión de salida. La unidad de tensión eléctrica es el Volto; por tanto, el voltajees la medida de la tensión eléctrica . Así, se dice quetlacatensión de la eléctrica domés es de 220 V, batería una piladel de coche 1,5 V, es etc.de 12 V, la tensión de la red Visto de una forma más técnica, aparecen otros términos relacionados que se denominan potencial eléctrico y diferencia de potencial. Se define por potencial eléctrico en un punto, al trabajo necesario para trasladar la unidad de carga eléctrica positva desde el infinito hasta dicho punto; es un trabajo por unidad de carga, que se mide en voltos ( V). La unidad volto resulta ser pues el trabajo de un julio ( J) sobre la carga de un culombio ( C); se tene el potencial de un volto si se realiza el trabajo de un julio para trasladar la carga de un culombio: 1 V = 1 J / 1 C. Se define por diferencia de potencial entre dos puntos, al trabajo necesario para que la unidad de carga se traslade de un punto a otro, y también se mide en vol tos. Así, se tene un volto si se realiza el trabajo de un julio para que la carga de un culombio se mueva de un punto a otro:
El término diferencia de potencial es muy u tlizado en la práctca, y bajo un principio de comprensión sencillo, como ya se verá. Así, en resumen, los términos tensión, potencialy diferencial de potencial , se expresan mediante la unidad volto, y a menudo simplemente como voltaje. Por ejemplo, respecto a una pila de 9 V se puede decir: que la pila proporciona una tensión de 9 V, que entre sus terminales [posi tvo (+) y negatvo (−)] aparece la diferencia de potencial de 9 V, o simplemente, que genera un voltaje de 9 V.
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Actividades propuestas 1. Explica, a tu manera, el concepto de tensión eléctrica. ¿Cuál es su unidad? 2. Hidráulicamente, ¿a qué asimilarías la tensión eléctrica? 3. Da un ejemplo prác tco de un componente que produce una diferencia de potencial. 4. Con una tensión de 2 voltos, ¿qué cantdad de carga (culombios) se podrá mover si el trabajo realizado es de 4 julios?
1.9
El circ uito eléctrico c irc ulac ión de la corriente
Todos los circuitos eléctricos disponen de una serie de componentes básicos, de manera que se obtenga el paso de una corriente eléctrica a través del dispositvo de salida que se necesite. En principio, para que exista una circulación de corriente eléctrica se necesita que el circuito esté cerrado. O sea, desde un punto del generador, la corriente debe entrar por la línea de conducción, cables, salir por otro punto, y después de pasar por el tpo de dispositvo receptor que sea (bombilla, motor, etc.), debe retornar al otro punto del generador; cualquier tpo de interrupción, corte, en cualquier punto de la línea, hace que se interrumpa la circulación de corriente y que por tanto el dispositvo receptor deje de recibir energía eléctrica. El circuito eléctrico más elemental es el que se muestra en la figura 1.12; se basa en un generador, las líneas conductoras y el receptor de la energía eléctrica. Al cerrarse el circuito, se unen los terminales del generador a través de algún elemento conductor, y ello da lugar a que circule una corriente eléctrica a través de la línea conductora.
1.9.1 Sentido electrónico real Físicamente, se sabe que el sentdo de la corriente eléctrica va de negatvo (−) a positvo (+); o sea, el flujo de electrones parte del polo nega tvo del generador y se dirige, a través de las líneas de conducción, hacia el polo positvo del generador (por dentro del generador, elflujo electrónico circula desde el polo positvo al negatvo). Este sentdo, de negatvo a positvo, es el sentdo electrónico real (Fig. 1.12b).
1.9.2 Sentido convencional Existe también lo que se conoce por sentdo convencional de la corriente, que va al revés del sentdo real; o sea, de positvo (+) a negatvo (−), según se representa en la figura 1.12a. Esto es así porque en los principios del descubrimiento de la electricidad, se creía que éste era el sentdo real de la corriente, y así se consideró durante mucho tempo. Pero posteriores descubrimientos demostraron que realmente el sentdo era al revés; los electrones (cargas negatvas) son realmente lo que se mueve y su tendencia es ir hacia cargas de distnto signo (positvas). En la práctca, por lo general, el sen tdo de la corriente que se considera es el convencional (de + a −), por cuestones de convención, y dado que existe una gran diversidad de publicaciones que lo consideran así. Por otra parte, hay que tener en cuenta de que, energétcamente, no importa el sen tdo de la corriente, el trabajo realizado es el mismo. Por ejemplo, si en una linterna ponemos la pila al revés, la bombilla se enciende igual. En esta obra, éste será el sentdo de la corriente utlizado, el convencional.
15
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Sendo convencional de la corriente:
+
−
Disposivo receptor
f.e.m. Intensidad
a)
Sendo electrónico real de la corriente:
−
+
Intensidad Disposivo receptor
f.e.m. Figura 1.12. C irc uito elemental. Sentido de circulación de la c orriente e léctric a: a) sentido c onvencional. b) sentido real. En la práctica, el que normalmente se considera es el sentido convencional.
b)
1.9.3 Corriente continua y corriente alterna Otras cuestones relacionadas con el sen tdo de circulación de la corriente, son los conceptos de corriente contnua (c.c.) y corriente alterna (c.a.). Existe corriente contnua cuando el flujo de electrones circula siempre en el mismo sentdo, y en este caso aparece el concepto de polaridad [polo posi tvo (+) y polo negatvo (−)]. Es el tpo de corriente que se obtene por medio de las pilas, batería, célula solar fotovoltaica, etc. En la figura 1.13 se representa la simbología de un generador de c.c. en general, el de una pila y la representación gráfica de la corriente contnua. Existe también la denominada corriente alterna, cuyo concepto adelantamos: existe corriente alterna cuando el sentdo se va invirtendo constantemente en función del tempo. Es como, por ejemplo, si fuéramos invirtendo rápidamente la polaridad de la pila en una linterna; la bombilla recibiría corriente alterna, a veces un terminal de la bombilla se conectaría al polo + y otras veces al polo −, y también se encendería.
16
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
G
Pila Generador de tensión connua
a)
+V
Tensión connua
9V 9V Figura 1.13. a) Simbología d e co mponentes típicos generadores de tensión co ntinua. b) G rá fico que representa una tensión continua (b).
0 Tiempo (t)
b) Es precisamente corriente alterna la que disponemos en la red eléctrica; todos los aparatos eléctricos y electrónicos que conectamos a la red, reciben corriente alterna. Esto es debido, en principio, a que los generadores eléctricos u tlizados en las centrales eléctricas suministrar la energía eléctrica son denominadas alternadores . Enpara la figura 1.14 se representa el símbolo demáquinas un generador de c.a., alternador, y la forma como varía la tensión que genera.
+V
G
Tensión alterna
0
t
Figura 1.14. Símbolo de un alternador (generador de c.a.) y la forma de variac ión de la tensión que genera (tensión alterna).
-V
17
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Actividades propuestas 1. ¿Qué significa sentdo de circulación electrónico y sentdo convencional de la corriente? ¿Cuál de los dos sentdos es el normalmente considerado en la práctca?
2. ¿Afecta la cantdad de energía eléctrica recibida por un receptor (bombilla, por ejemplo) según sea el sentdo de circulación de la corriente?
3. Define los conceptos de c.c. y c.a. 4. Indica dos componentes generadores de c.c. 5. ¿Cómo es la energía eléctrica que recibimos de la red, c.c. o c.a?
Actividadesfinales Ejercicio 1.1. Describir la estructura del átomo. ¿Cuál es la par cula elemental con carga eléctrica que da srcen a la corriente eléctrica?
Ejercicio 1.2. Definir el concepto de
corriente eléctrica. ¿Cómo se llama la fuerza necesaria para que se
produzca?
Ejercicio 1.3. Cómo se denomina la unidad de carga eléctrica. ¿Cuál es su valor? Ejercicio 1.4. Si un cuerpo, debido a frotamiento, pierde electrones, de que tpo es la carga que adquiere ¿positva o negatva? ¿A qué se denomina iones?
Ejercicio 1.5. Calcular la fuerza que se ejerce entre dos electrones, situados en el vacío, cuya distancia de separación es de 9,5 · 10-11 m. Cómo es la fuerza ¿de atracción o repulsión?
Ejercicio 1.6. Explicar la diferencia entre los materiales buenos conductores y los denominados aislantes. Ejercicio 1.7. De qué material se fabrican normalmente los conductores eléctricos ¿por qué? Ejercicio 1.8. Respecto a la intensidad eléctrica: a) Definir el concepto. b) es su analogía hidráulica? c) ¿Cual ¿Cual es su unidad?
Ejercicio 1.9. Respecto a la tensión eléctrica: a) b) c) d)
Definir el concepto. ¿Cual es su analogía hidráulica? ¿Cual es su unidad? ¿Cómo se obtene?
Ejerc icio 1.10.Indicar el sentdo de circulación de la electricidad electrónico y el denominadoconvencional. Ejercicio 1.11. ¿Cuál es la diferencia entre la corriente contnua y la alterna? Ejercicio 1.12. Calcular la cantdad de culombios que circulan por segundo en un conductor si el valor de intensidad es de 350 mA.
18
Unidad 2El
Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Objetivos: Explicar los conceptos relativos fundamentales sobre los circuitos eléctricos; componentes básicos y los efectos que tiene la circulación de la corriente eléctrica. Y las medidas de corriente y tensión eléctrica; los principios de los instrumentos básicos de medida (amperímetro, voltímetro y óhmetro) y sobre todo el instrumento impresc indible en electricidad y electrónica: polímetro (tester).
En este capítulo: 2.1
Introducc ión a los circuitos eléctricos.
2.4
2.2 2.3
Eleme ntos funda menta les de un c irc uito. Efec tos y aplica c iones de la c orriente e léc tric a.
Medidas de la c orriente y tensión eléctrica.
2.5
El polímetro (tester).
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Recuerda
• • •
Un circuito eléctrico es un conjunto de componentes por el cual puede circular la corriente eléctrica (por un punto entra y por otro sale); es un circuito cerrado. El circuito puede ser muy simple, como el de una linterna, o complejo.
2.1
Introducc ión a los c irc uitos eléctricos
Definimos por circuito eléctrico, al conjunto de componentes cuya conexión forma un camino por el cual puede circular la corriente eléctrica. Para que exista una circulación, se dice que el circuito tene que estar cerrado, es decir, la corriente debe poder entrar por un punto y salir por otro. Y como es obvio, para que exista dicha circulación electrónica debe existr una fuerza impulsora, que es la que produce el generador (figura 2.1). Esto consttuye un circuito cerrado, y a esta estructura de circuito también se le denomina malla.
Genera la fuerza impulsora de los electrones: Tensión eléctrica
Intensidad eléctrica
(sendo real)
Flujo electrónico (corriente eléctrica)
Figur a 2.1. El generador (pila) proporciona la fuerza impulsora (tensión eléctrica) que hace que los electrones del c onduc tor se muevan e n una c ierta dirección; aparece así una c orriente e léctric a.
Un ejemplo de circuito práctco se muestra en la figura 2.2. Se trata del accionamiento de un pequeño motor de c.c. El aprovechamiento de la energía eléctrica consiste en hacer pasar la corriente por el elemento receptor de que se trate, un motor en nuestro ejemplo ( figura 2.2), el cual transforma dicha energía eléctrica en energía mecánica (y como tal, puede realizar un cierto trabajo mecánico). Obsérvese el concepto de circuito cerrado; la corriente sale por un polo del generador, y después de atravesar el motor (en el cual se aprovecha la energía eléctrica), retorna al otro polo del generador. En el motor, el paso de la corriente se transforma en energía mecánica
Figur a 2.2. Para quec orriente exista una c irc ulac ión de el circuito d ebe estar c errad o. Si en algún punto se corta el c irc uito, se interrumpe el paso de la corriente y el motor (ca rga) se pa raría. 20
Intensidad
(sendo convencional)
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Recuerda
• • •
2.2
Elementos fundamentales de un circuito
Todo circuito práctco se compone, al menos, por los siguientes elementos: En todo circuito eléctrico, básicamente existe: Generador de electricidad, líneas conductoras (cables), dispositivo de control (interruptores) y la carga (bombilla, radio, etc.). Y en según que circuitos deben existir también elementos de ción; fusibles . protec-
• • • •
Generador de electricidad Líneas conductoras Dispositvo de control Receptor de la energía eléctrica
Esta estructura mínima de circuito se representa en la figura 2.3.
2.2.1 Generador de electricidad Es el generador de la fuerza impulsora de los electrones. Es la fuente de energía eléctrica, proporciona tensión eléctrica (voltos) que es lo que da lugar a la circulación de una intensidad eléctrica (amperios) a través del circuito. Por lo general, los generadores de electricidad están basados en el efecto de una reacción química (pilas, acumuladores, batería) o en un efecto magnétco (alternador, dinamo). El objetvo de todos los generadores es proporcionar una tensión eléctrica, para así obtener una intensidad eléctrica; y el efecto de estas dos magnitudes (vol tos, amperios) da lugar al concepto de potencia eléctrica . Interruptor
(elemento de control)
Generador (pila)
Tensión
(Vg) f.e.m (Eg)
Aparato receptor (carga): - Bombilla - Motor - Radio
Línea conductora (cable)
Figur a 2.3. Elementos fundamentales de todo c irc uito eléctric o.
El generador proporciona, pues, una tensión eléctrica como consecuencia de un proceso que se da en su interior, que en las pilas y baterías es por medio de una reacción química. El efecto de dicho proceso químico interno da lugar al concepto de fuerza electromotriz(f.e.m.), que representamos por Eg y cuya unidad es el volto. Como consecuencia de ello, entre los polos del generador aparece lo que se llama tensión eléctrica que, al igual que la f.e.m., se mide en voltos. Si el rendimiento del generador fuera del 100%, la tensión de salida (diferencia de potencial entre sus bornes), Vg, sería igual a su f.e.m. ( Eg), pero debido a ciertas pérdidas la Vg resulta algo menor la Eg. No obstante, sin carga (Ig = 0), en vacío, la tensión de salida es igual a la f.e.m. (Eg = Vg). Esta “fuerza” eléctrica, voltaje, es lo que dará lugar al movimiento ordenado de electrones a través del circuito. El generador de electricidad es, pues, el equivalente a la bomba que proporciona la presión que hace circular el agua a través de las tuberías, o bien el corazón en las personas (es lo impulsa la circulación de la sangre). 21
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Recuerda
• • •
Las líneas conductoras, los cables, son el medio de transporte de la corriente eléctrica. Normalmente el material utilizado es el cobre, que debe ser de una sección (grosor) adecuada a la magnitud de corriente eléctrica que
2.2.2 Líneas conductoras Son el medio de transporte de la corriente eléctrica, el equivalente a las tuberías en un sistema hidráulico. Suelen ser, generalmente, de cobre, con un grosor adecuado a la cantdad de intensidad eléctrica que deba circular. A mayor intensidad, se precisa de un mayor grosor de las líneas conductoras, con el fin de reducir pérdidas de energía. Solamente aparece corriente eléctrica cuando se cierra el circuito, puesto que entonces se aplica la tensión eléctrica del generador. Por las líneas conductoras del circuito y por el receptor circula un flujo electrónico (electrones) que se dirige hacia el polo positvo del generador. Y por el interior del generador (como consecuencia de la f.e.m.) el flujo electrónico circula del polo positvo hacia el polo negatvo; la cantdad de electrones libres que entran por un polo del generador es la misma que sale por el otro polo.
debe circular. Amayor mayor corriente, sección.
No circula corriente (I = 0 )
Interruptor abierto
Figur a 2.4.
0V
Vg = 12 V
Aparato receptor
El interruptor abierto impide la c irculac ión de c orriente (I =0); es un circ uito abierto. El apa rato rec eptor no rec ibe c orriente.
2.2.3 Dis positivo de control El dispositvo de control de un circuito, en su mínima expresión, consiste en lo que se denomina interruptor (figura 2.4), que permite, como su nombre indica, interrumpir el paso de la corriente y disponer así de una forma de control de la energía eléctrica que recibe el receptor. Cuando el interruptor se encuentra abierto, el circuito está interrumpido, cortado, y no puede circular la corriente; se dice entonces que el circuito está abierto (figura 2.4). La intensidad eléctrica es cero ( I = 0), y el receptor no recibe voltaje (V = 0). La corriente sólo puede circular cuando se acciona el interruptor, se cierra; se dice entonces que el circuito está cerrado, y por el circuito circula un valor de intensidad que depende de las característcas del generador y del disposi tvo receptor (figura 2.5). Así pues, el dispositvo de control, interruptor realiza la función de una válvula en un sistema hidráulico (deja pasar o impide el paso del líquido). Circula corriente (I = 0) Interruptor cerrado
12 V Vg = 12 V
Figur a 2.5. La corriente eléctrica se estab lece en el c irc uito al c errar elinterruptor.
22
Aparato receptor
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas En la figura 2.6 (mostrada en la página siguiente) se representan los símbolos de algunos elementos de interrupción normalmente utlizados.
Interruptor general
Figura 2.6. Ejemplo de formas de representación utilizadas de elementos interruptores.
Conmutador
(Interruptor de dos posiciones)
Pulsadores
(se establece contacto sólo mientras se manene pulsado)
2.2.4 Receptor (carga) El receptor es el dispositvo, aparato eléctrico, que recibe la energía eléctrica para realizar algún tpo de trabajo o función. El elemento receptor, se suele denominar carga. Así, en un circuito la carga puede ser una bombilla, un motor, una radio, un ordenador, etc. En lafigura 2.7 se representan los símbolos de algunos ejemplos de cargas.
Figura 2.7. Representac ión esquemátic a de algunos elementos recep tores (ca rgas).
Lámpara
Relé
Motor
Actividades propuestas 1. Definir el concepto de circuito eléctrico. 2. Explicar tres elementos fundamentales en todo circuito eléctrico. 3. ¿Qué función realiza el generador de electricidad?, explicar. 4. Explicar 3 elementos receptores de electricidad.
2.3
Efectos y aplicaciones de la corriente eléctrica
Las aplicaciones que tene la energía eléctrica son múl tples y variadas. En cualquier caso, todo se basa en hacer pasar un flujo electrónico ordenado (corriente eléctrica) a través de una determinada carga (receptor). Un aspecto muy importante, que cabe destacar, es que la energía eléctrica se puede transportar de una forma muy rápida (300.000 km/s) y, además, de forma sencilla (cables). Básicamente, el paso de una corriente eléctrica a través de todo conductor produce dos efectos muy significatvos, de elevado interés práctco.
2.3.1 Efecto térmico Como consecuencia del trabajo realizado en el transporte de las cargas eléctricas, la circulación de corriente a través de los conductores produce , localor cual se representa en lafigura 2.8 (adelantando así el concepto deley de Joule). Este fenómeno
23
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas tene sus aplicaciones y defectos. El efecto térmico de la corriente eléctrica se
aprovecha en, por ejemplo: estufas eléctricas, planchas, soldadores, etc.
Corriente eléctrica
Figur a 2.8.
Calorías
La circulación de una c orriente eléctric a produce un efecto térmico (calentamiento) en los cond uctores.
Como defecto, tenemos elde posible de las líneas en, general, el calentamiento todoscalentamiento los aparatos eléctricos cuyaconductoras, aplicación noy sea la de producir calor (ordenadores, ampli ficadores, televisores, etc.). De forma extrema, debido a este fenómeno, se pueden hasta producir incendios si se llegan a quemar las instalaciones eléctricas. Como consecuencia del elevado calentamiento de un conductor, se puede llegar a la incandescencia y así desprender luz, es el caso de las bombillas clásicas. El paso de la corriente a través de un conductor fino, denominado filamento, da lugar a su incandescencia y como resultado la emisión de luz (figura 2.9).
Filamento Filamento incandescente (por el efecto térmico de la corriente). Figur El efec to de dar luz a de2.9. la bombilla se ba sa e n el efecto térmic o de la c orriente eléctrica (el filamento se pone inca ndesce nte).
+ 12 V – Por medio de la corriente eléctrica también se puede producir un efecto luminoso no generado por la incandescencia de un filamento; es el caso de las lámparas de neón, tubos fluorescentes, etc.
2.3.2
Efecto magnético
La circulación de la corriente eléctrica a través de un conductor genera fuerza magné tca a su alrededor.
Basándonos en este efecto (fig. 2.10), aparecen los transformadores, motores eléctricos, relés, altavoces, etc. Precisamente, en base a este principio, se puede detectar y medir la intensidad eléctrica a través de los conductores sin necesidad de actuar sobre ellos; es una medida a distancia, por medio de un instrumento denoamperimétrica minadotpinza , con el cual la semagnitud detecta y visualiza la magnitud de fuerza magné ca y, en consecuencia, también de la intensidad eléctrica que circula.
24
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Fuerza magnéca
Corriente
Figura 2.10. La circulación de la c orriente eléc trica p roduc e también un efecto
Imán
de fuerza magnética.
2.3.3 Efecto químico Se denomina electrólisis, a la descomposición química que se produce en una solución conductora, líquido, cuando se le hace pasar corriente eléctrica. Al líquido se le denomina electrólito, y a los elementos sumergidos a los cuales se les aplica la corriente electrodos ( figura 2.11). Al electrodo conectado al polo posi tvo (+) se le llama ánodo y al electrodo conectado al polo negatvo (−) cátodo.
Intensidad
Áno do
Cátodo
Figura 2.11.
Electrólito
La circulación de una corriente eléctrica a través de c iertas sustancias líquidas produce un efecto químico que se llama electrólisis .
La circulación de la corriente por el electrólito da lugar a una reacción que produce la disociación de parculas, que se cargan eléctricamente ( iones), y así se produce un transporte de electricidad por el líquido. En la electrólisis, como defecto, también se produce calor. La electrólisis tene aplicación, por ejemplo, en la galvanización (baños metálicos), recarga de baterías, obtención de productos químicos, etc.
Actividades propuestas 1. Indicar dos aplicaciones práctcas provechosas del efecto térmico a que da lugar la circulación de la corriente eléctrica.
2. Indicar algunos casos donde el efecto térmico de la corriente resulta no deseado. 3. Explicar el efecto magnétco que tene la circulación de corriente en un conductor, y algunas de sus aplicaciones.
4. Explicar 3 elementos receptores de electricidad.
2.4
Medidas la corriente y tensiónde eléctrica La intensidad de la corriente eléctrica se mide por medio de un instrumento denominado amperímetro(figura 2.12).
25
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas En su modelo clásico, la indicación se basa en una aguja cuyo desplazamiento depende de la magnitud de corriente que se le aplique. La aguja se mueve sobre una escala, que puede estar graduada en amperios (A), miliamperios (mA) o microamperios (A) (figura 2.15b). Asimismo cabe decir que este medidor puede formar parte de otro instrumento más complejo denominado mulmetro. Amperímetro
a) Figura 2.12. a) Símbolo general del amperímetro. b) En su forma clásic a, es un instrumento de aguja (galvanómetro), que puede estar graduado en a mperios (A) o miliamperios (mA).
Intensidad(A)
Intensidad(mA) b)
Dicho instrumento opera bajo el principio de un motor eléctrico (la energía eléctrica se convierte en energía mecánica). La aguja, que es el elemento móvil indicador de la magnitud de intensidad, se mueve como reacción entre la fuerza de campo magnétco que srcina el paso de la corriente a través de una bobina y el campo magnétco fijo producido por los polos de un imán. Este mecanismo se denomina galvanómetro de bobina móvil. Veamos a contnuación la forma de utlización del amperímetro. En principio hay que saber algo muy importante de cara a la práctca: Una incorrecta t ulización del amperímetro puede hacer que éste se deteriore y además, dar lugar a otros fallos eléctricos (fundir fusibles, quemado de contactos, cables, etc.).
fi
En la gura 2.13 muestra deconectada su u tlización; sebatería trata dede la12 medición de la intensidad quesecircula porun unaejemplo bombilla a una V. Obsérvese la conexión en montaje serie; es preciso interrumpir el circuito en algún punto para conectar entre los dos puntos el amperímetro . De esta manera, la corriente que circula a través de la bombilla, que es la misma que saldrá por el generador, también pasará a través del amperímetro; dando lugar a una indicación en función de la magnitud de intensidad que circule. El amperímetro se ene que conectar en serie con la carga Amperímetro
La intensidad a medir pasa a través del amperímetro Carga
Figura 2.13. El amperímetro se tiene que conectar siempre en serie co n el componente (ca rga) del que se quiere saber la intensidad que circula. En este caso, se mide la intensidad de la b ombilla. 26
12 V
(Bombilla)
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas Otra cuestón a tener en cuenta, puesto que tratamos con corriente contnua (c.c.), es que los terminales del amperímetro tenen polaridad; el terminal positvo (+) se debe conectar al punto positvo del circuito. Si se conecta al revés, se produce una indicación en sen tdo contrario (la aguja se desviaría hacia atrás). Al hacer la medida no interesa que se perturbe la magnitud de corriente que circula, por lo cual el amperímetro debe ofrecer la mínima oposición al paso de la corriente (su resistencia eléctrica interesa que sea lo más baja posible). En general, a los instrumentos de indicación por medio de galvanómetro, también se les denominan analógicos.
2.4.2 Medida de la tensión eléctrica Denominamos volmetro al instrumento por medio del cual se puede medir la magnitud de la tensión eléctrica; voltaje (figura 2.14). En su versión clásica, indicación por aguja (analógico), se trata de la misma estructura que el amperímetro; un galvanómetro.
Figura 2.14. Símbolo general del voltímetro.
En este caso, se trata de que, para una cierta tensión máxima, la corriente a través de la bobina del galvanómetro dé lugar también a la indicación máxima. La tensión aplicada al volmetro hace que circule una cierta corriente por su bobina, que tene por efecto el desplazamiento de la aguja. Un volmetro, se basa en un amperímetro adaptado. Además de que tene la escala tene otra graduación, es necesario que el vol metro consuma el mínimo de corriente; es cuestón de que con la mínima corriente posible se obtenga la indicación deseada. Así pues, un volmetro debe presentar una alta oposición al paso de la corriente (elevada logrardeesto se puede actuar sobre las característcas de laresistencia bobina, eneléctrica). cuanto alPara número espiras y resistencia del hilo, y también se puede poner una resistencia en serie con la bobina. A diferencia del amperímetro, con el vol metro no se pueden producir deterioros ni averías si se conecta mal; lo único que pasa es que las medidas obtenidas no son correctas. El volmetro se debe conectar en paralelo, o sea, entre los terminales del elemento del cual interese conocer su voltaje. En la figura 2.15 se muestra su forma correcta de conexión en un circuito simple; se mide la tensión en la carga (lámpara). Al igual que ocurre con el amperímetro, si la polaridad de conexión no es la adecuada, se produce una indicación en sentdo contrario. El borne posi tvo del volmetro se debe conectar al punto positvo del circuito. Estas cuestones sobre polaridades son necesarias porque estamos tratando con corriente contnua (c.c.), y en ésta existe polaridad. Cuando se trabaja con corriente alterna ya no se tenen en cuenta las polaridades, por lo cual los instrumentos (adaptados para c.a.) marcan siempre adecuadamente, independientemente de cómo se conecten los terminales. Al igual que el amperímetro, la escala del vol metro puede estar graduada en voltos (V), milivoltos (mV) o hasta microvol tos (V). Asimismo, también se disponen de volmetros digitales, cuya representación es numérica, con los cuales se obtene una mayor resolución y precisión que con los de aguja (analógicos).
27
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
El volmetro se debe conectar en paralelo con el elemento cuya tensión se quiera medir
Tensión (V)
12 V
Figura 2.15. Ejemplo d e med ida con el voltímetro.
2.5
Carga (Lámpara)
12 V
El polímetro Tester
El instrumento fundamental para hacer medidas (y comprobaciones) en electricidad y electrónica se denomina polímetro (y también mulmetro); entre otras utlidades, fundamentalmente, sirve para la medición de las magnitudes tensión (V), intensidad (A) y resistencia (Ω). Este instrumento se dispone tanto en su forma clásica (indicación por aguja), tester analógico, o de forma digital; el tester digital es el que se u tliza habitualmente. En la figura 2.16 se representan los dos tpos de tester. Según las aplicaciones, puede resultar más e ficaz uno que otro, por lo que es conveniente disponer de los dos tpos. Polímetro (Digital) Polímetro de aguja (Analógico)
Figura 2.16. Aspec to general básico de un polímetro, en su forma clásic a (d e aguja) y digital. Los digitales, además de tener más resolución, tienen más funciones que los clásicos de aguja (por ejemplo,de comprobación transistores).
28
Negro Rojo (+)
Aquí se ene que conectar el cable rojo para la medida de intensidades.
Negro
Rojo (+)
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
2.5.1 Tester analógico En sus modelos sencillos, de aguja (analógicos), el tester básicamente permite la medida de amperaje, voltaje y resistencia, y resultan muy e ficaces para la detección de averías tanto en elementos eléctricos como en componentes electrónicos. En la figura 2.17 se muestra un tester de este tpo.
Figura 2.17.
Puntas de prueba
Polímetro típico analógico (de a guja).
Lo primero que se tene que realizar es situar el selector de funciones (un conmutador rotatvo de varias posiciones) en la función que nos interese. Por ejemplo, si se tene que medir la tensión de una pila de 9 V, lo pondríamos en tensión contnua (VDC) y en la escala adecuada (siempre mayor que la tensión máxima que se suponga vayamos a medir). Y si queremos medir el valor de una resistencia, entonces pondríamos el selector en medida de ; procurando que la escala sea adecuada, para que el valor sea legible de la forma más cómoda. Una precaución siempre a tener muy en cuenta, en todos los tpos de tester, es en la medida de intensidades. Lo primero será poner el selector en medida de intensidades (ADC), y en la escala adecuada (siempre mayor a la intensidad máxima que se suponga pueda circular); después es cuestón de poner las puntas de prueba en serie con el circuito donde se realice la medida. Cuando el tester está en medida de intensidades, si se pone en paralelo con alguna fuente de tensión (incluido una pila), la intensidad puede ser muy elevada y se puede producir algún deterioro en el circuito y en el mejor de los casos se puede fundir un fusible interno que llevan internamente los tester para estos casos (si la intensidad está por encima de un valor máximo, antes de que se produzca una avería, se fundiría el fusible).
2.5.2 Tester digital En su versión más moderna, los digitales, que son los normalmente u tlizados, además de una mayor resolución y precisión en las medidas, permiten otras funciones como la medida de capacidades (condensadores), comprobación de transistores, y en algunos la medida de frecuencia (frecuencímetro). U tlizando los cables con punta para hacer las medidas, se pueden realizar la mayoría de medidas y comprobaciones de componentes (voltaje, amperaje, resistencia, conduc tvidad, comprobación de diodos, etc.). En la figura 2.18 se muestra un tester digital pico.
29
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Resistencias, condensasdores, diodos, transistores, etc.
Comprobaciones de componentes diversos con el polímetro (Tester)
Figura 2.18. Polímetro digital típico (tester). Permite realizar diversos tipos de medidas y co mproba ciones de componentes.
2.5.3
Medida de intensidad de corriente con el tester
Un ejemplo de montaje, conexionado, para hacer la medida de la intensidad que circula por un circuito se representa en la figura 2.19. Se puede observar cómo el selector de funciones del tester está en medida de intensidad (contnua), el cable de negatvo (color negro), entrada COM, está conectado al punto negatvo del circuito y el cable de positvo (color rojo) se encuentra conectado al punto posi tvo del circuito. Lo más importante es que el tester se conecte en serie, abriendo el circuito e intercalando entre dichos puntos las puntas del tester. Si las puntas no se conectan con la polaridad adecuada, lo único que pasa (en los tester digitales) es que en el display aparece el signo de negatvo (−); pero el valor medido es correcto.
Intensidad
R1 100
I=
VB R1 + RP VB = 12 V
Figura 2.19. C onexión d el tester para la medida d e la c orriente que c irc ula por el c irc uito. 30
RP 1 kΩ
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas Otro ejemplo más práctco, en este caso para la medida de la corriente que circularía por una bombillita de 9 V, se representa en la figura 2.20. El tester se tene que poner para la medida de corriente con tnua (DCA), y en la escala de mA. La punta de medida positva (color rojo) se tene que poner en la entrada que pone mA. La punta común, color negro, siempre va conectada en la misma entrada, sea la medida que sea (COM). Medida de la corriente en una bombilla de 9 V
Se ene que poner en medida de corriente (DCA), en la escala de mA.
+
Figura 2.20. C onexión del tester para la medida d e la co rriente q ue c irc ula p or una bomb illa de 9 V.
2.5.4
Diversas comprobac iones y medidas con el tester
Por medio del óhmetro (), además de la medida de valor de resistencia ( ), se pueden detectar cortocircuitos [unión entre conductores (R ≈ 0)] así como la rotura de conductores (resistencia infinita); esto se conoce por pruebas de contnuidad. Y también, sabiéndolo utlizar, es posible la comprobación de componentes de los más importantes en electrónica: diodos, transistores, tristores, etc. No obstante muchos polímetros ya suelen disponer de funciones especiales para pruebas de contnuidad y de comprobación de diodos y transistores. Pero además, suelen tener Recuerda• • • unas entradas (conector) especiales para medidas-comprobaciones de condensadores y transistores. Por ejemplo, se puede saber el valor de la capacidad de condensaEl voltímetro se debe dores (aunque lo pone en el condensador, a veces cuesta de ver o interpretar); en la conectar en paralelo figura 2.21 se muestra la medida de valor de un condensador de esta manera. co n el elemento cuya tensión se quiera medir.
El amperímetro se tiene que conectar siempre en serie con el componente (carga) del que se quiere saber la intensidad que c ircula.
31
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Indicador de pila baja
Figura 2.21. Ade más de las entrad as para los cables con punta para las medidas de tensión, intensidad, resistencia, también suelen disponer de otras entrad as para la
r o d a s n e d n o C
medida componentes c omo losde cond ensad ores.
También suelen tener otro conector especial para las comprobaciones de transistores; se puede saber el valor de la ganancia de corriente (hFE) del transistor, deducir las patllas, saber si está averiado, etc. Para ello, el mando selector de funciones se tene que poner en hFE. En la figura 2.22 se muestra una representación de esto. Los transistores, con un poco de prác tca y trucos, se pueden analizar y verificar su estado también mediante las puntas de prueba y con el selector en prueba de diodos o resistencia. O sea, el tester es un instrumento imprescindible para todo aquel que se tenga que relacionar con la electricidad o electrónica. Hay diversos tpos de tester digital, desde muy sencillos y baratos hasta modelos de avanzadas característcas técnicas, para laboratorios. El más normal y u tlizado es de la gama que aparece en las figuras anteriores. Ganancia de corriente del transistor (hFE)
Figura 2.22. Comprobación-medida de un transistor utilizando el conec tor que suelen tener para esta función; en este caso, en el display apa rece el valor de la ganancia de corriente de un transistor BC 547.
Selector en hFE
De cara al trabajo, más bien de mantenimiento, y de especial interés a electricistas, se muestra un modelo muy práctco en la figura 2.23. Permite realizar todas las medidas básicas, incluido el test de cortocircuitos con pi tdo.
Figura 2.23. Modelo de tester muy portable, de muc ha utilidad en mantenimiento, en especial a electricistas.
32
Puntas de prueba
Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas
Actividadesfinales 1. Explicar cómo se produce el efecto luminoso en las bombillas clásicas de filamento. 2. ¿En qué efecto de la corriente se basa el funcionamiento de los transformadores y motores? 3. ¿Qué es un galvanómetro? ¿Bajo qué principio funciona? 4. ¿Qué dos aplicaciones fundamentales tene el galvanómetro? 5. ¿De qué manera se debe conectar un amperímetro en los circuitos, en serie o en paralelo? Dibujar el esquema de conexión. ¿Cómo interesa que sea la resis tvidad de un amperímetro, alta o baja? ¿Por qué?
6. ¿De qué manera se debe conectar el vol metro en los circuitos, en serie o en paralelo? Dibujar el esquema de conexión ¿Cómo interesa que sea la resistvidad de un vol metro, alta o baja?
7. ¿Qué ocurre si en una medición en c.c. con un amperímetro o volmetro (digital y analógico) se intercambian las puntas de medida?
8. Dibujar el esquema para la medida de una intensidad a través de una bombilla de 12 V, mediante un tester digital. Indicar cómo debería ponerse el selector de funciones y las entradas u tlizadas.
9. Dibujar el esquema para la medida, mediante un tester digital, de la tensión de dos pilas de 1,5 V en serie.
33
Unidad 3Resistenc ia eléctrica
Objetivos: Explicar los conceptos, definiciones,relativosa la resistencia eléctrica (unida d d e medida Ω), así como el instrumento básico para su medida (óhmetro).C omo componente relac ionado, se explic a también el fusible, que es un elemento básico de protección en los circuitos eléctricos. Asimismo se deben conocer con detalle los componentes imprescindibles en electricidad y electrónica denominados resistencias, el c ódigo de colores que representa su valor óhmic o, y sus montajes básicos (conexión en serie y paralelo).
En este capítulo: 3.1
Introducción.
3.6
Medida de la resistencia (óhmetro).
3.2 3.3 3.4
Resistividad Fusibles. de los c ond uc tores. Va riac ión de la resistenc ia con la temperatura.
3.7 Monta Potenciómetros. 3.8 je de resistenc ias en serie. 3.9 Monta je de resistenc ias en pa ralelo. 3.10 C irc uitos serie– paralelo (mixtos).
3.5
Resistencias.
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Recuerda
• • •
3.1
Introducción
En principio, se puede de finir por resistencia eléctrica; la oposición que presentan
Resistencia eléctrica ,
los cuerpos al paso de la corriente eléctrica.
es la oposición que presentan los cuerpos al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el ohmio ().
Todo material por buen conductor que sea, presenta algo de resistencia al paso de la corriente. En los cuerpos no conductores de la corriente (los aislantes), la oposición es tan elevada que no permiten prác tcamente ningún paso de corriente. El grado de resistvidad de un cuerpo también depende de sus dimensiones fsicas (longitud y grosor). Experimentalmente se comprueba fácilmente que con un mismo valor de tensión se miden diferentes valores de intensidad según el tpo de material utlizado (aunque las medidas del conductor sean las mismas); lo cual evidencia el efecto de la resistvidad eléctrica.
En los conductores (cobre), la resistencia () aumenta al aumentar la temperatura.
3.2
Resistividad de los conductores
La resistencia eléctrica de todo conductor viene dada por la expresión:
ρ:
coeficiente de resistvidad del material l: longitud del conductor S: sección del conductor Cada sustancia tene un coeficiente característco de resistvidad (ρ) que se expresa en Ω m/mm2. La sección del conductor (S) viene determinada por su radio o diámetro (el área de la punta circular del conductor):
La unidad de resistencia eléctrica (R) es el ohmio, que se simboliza con la letra griega Ω. En principio, 1 ohmio (1 Ω) se puede definir como la resistencia que ofrece un conductor que deja pasar la intensidad de 1 amperio al aplicarle la tensión de 1 volto, lo cual se representa en la figura 3.1. 1Ω 1
I= 1A A
Figura 3.1. Un cond uctor tiene la resistencia de 1 Ω si al aplicarle una tensión de 1 V c irc ula una intensidad de 1 A.
1V
3.3
Fusibles
Los fusibles son elementos conductores que consttuyen la parte más débil del circuito (o instalación), con el fin de que si se produce algún tpo de sobrecarga (exceso de corriente), se destruya el fusible y de esta manera se interrumpa el paso de corriente a través del circuito. Los fusibles son, pues, dispositvos de protección frente a sobrecargas (o cortocircuitos). Un ejemplo de su aspecto en electrónica y electricidad se muestra en la figura 3.2. Es un componente relacionado con la resistencia eléctrica, un conductor que se debe comportar correctamente hasta que la intensidad sobrepasa un cierto valor máximo.
35
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Figur a 3.2. Aspecto de algunos fusibles.
Especialmente en los aparatos de electrónica, el tpo más usual es el más pequeño, cuyas medidas son 5 x 20 mm. Es el tpo utlizado en los tester para la protección en las medidas de corriente; si la corriente sobrepasa un cierto valor máximo (puede ser 2 A), el fusible se destruye (se funde) y se corta el paso de corriente; de esta manera se evitan muy posibles averías en el tester. En la figura 3.3 se representa un circuito compuesto por dos cargas (una lamparita y un motor), con los picos fusibles de protección.
F1 Fusible general
F2
Fusible para la bombilla
F3 Fusible del motor
Figur a 3.3. Los fusibles son elementos de protección eléctrica. F1 es el fusible de protección general, y los fusibles F2 y F3 lo son únicamente para la bombilla y el motor respectivamente.
Recuerda
• • •
En los materialessemiconductores ; la resistencia disminuye al aumentar la temperatura. El silicio es el material base semiconductor utilizado pa ra la fabricación de todos los componentes electrónicos. En electrónica se tiene muy en cuenta el efecto perjudicial de la temperatura en los circuitos (por ejemplo, el ventilador de la CPU en los ordenadores es para evitar sobrecalentamientos).
36
220 V M
Para lograr este efecto destructvo controlado del fusible, el tpo de material conductor y sección del fusible se adecuan a los casos práctcos. Aparecen así fusibles expresados por: 0,25 A, 500 mA, 2 A, 5 A, etc. La destrucción del fusible se produce por fusión del material (de ahí la denominación de fusible), debido a la elevada temperatura que adquiere al circular la elevada intensidad de corriente provocada por la sobrecarga. Las líneas conductoras no deben calentarse por encima de una cierta temperatura, normalizada según la aplicación; por ello, se fijan unos determinados valores máximos de amperaje en función de la sección de los conductores.
3.4
Variación de la resistencia con la temperatura
En general, en los conductores (cobre, aluminio, hierro, etc.), la resistencia aumenta al aumentar la temperatura. Por ello, el valor resis tvo de las líneas conductoras va aumentando conforme se van calentando debido a la circulación de la corriente. Es por ello que los aparatos eléctricos como planchas, estufas eléctricas, bombillas, etc., consumen más corriente en el momento de su conexión que cuando llevan un cierto tempo circular mayorfuncionando; intensidad. en frío, la resistencia es menor y en consecuencia puede En los conductores, la resistencia ) (aumenta al aumentar la temperatura.
Unidad 3 · Resistencia eléctrica Y un caso muy importante en electrónica es el de los materiales semiconductores (normalmente silicio); en los semiconductores la resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Adelantamos que los materiales semiconductores, como su nombre indica, tenen unas característcas de resistvidad intermedias entre los conductores y los aislantes. En los materiales semiconductores, la resistencia ) disminuye ( al aumentar la temperatura.
El silicio es el material base para la fabricación de todos los componentes electrónicos, desde los más sencillos (diodo) hasta los más complejos (microprocesadores). Es por ello que en electrónica se tenen muy en cuenta las cuestones sobre refrigeración los componentes, que tenden conducir máseste corriente al puede calentarse, lo cual de da lugar, a su vez, a unyaaumento de laatemperatura; proceso conllevar a un aumento progresivo de la corriente y la temperatura que puede estropear los componentes. Por ello, por ejemplo, en los ordenadores internamente se ponen ventladores para refrigerar la fuente de alimentación y el microprocesador, principalmente; y de ahí procede el ruido pico que producen los ordenadores.
Actividades propuestas 1. Explica el concepto de resistencia eléctrica. ¿Cuál es su unidad? 2. Calcular el valor resistvo de 50 m de cable de cobre de 1 mm2 de sección, considerando que ρ = 0,0175. 3. Explicar la función de un fusible. Hacer el esquema de una bombilla conectada a la batería de un coche (12 V), con un interruptor de encendido-apagado y un fusible.
4. ¿Qué ocurre con el valor resistvo en los conductores cuando aumenta la temperatura? ¿Y en el caso de los semiconductores?
3.5
Resistencias
El efecto de oposición al paso de la corriente, resistencia eléctrica, aunque en algunos casos consttuye un defecto, también tene sus utlidades. Existe un componente imprescindible en todos los aparatos electrónicos que se denomina resistencia(o resistor). Es un componente muy barato, y que es u tlizado en todas las aplicaciones electrónicas (amplificadores de sonido, telefonía, radio-TV, ordenadores, etc.). Es por tanto un componente imprescindible en electricidad y electrónica. La simbología de las resistencias se muestra en la figura 3.4. Figura 3.4. Simbología de una resistencia. Normalmente se utiliza la de forma rectangular.
El aspecto práctco de este tpo de componente se muestra en la figura 3.5; aparecen los tpos más usuales utlizados en aparatos de electrónica.
Figura 3.5. Aspecto de resistencias. 37
Unidad 3 · Resistencia eléctrica Estos componentes se fabrican con el objetvo de obtener un cierto valor de resistencia. Así, por ejemplo, aparecen resistencias de valores: 1 Ω, 47 Ω, 150 Ω, 2700 Ω, 470.000 Ω, etc. Gracias a estos componentes se consigue un control de la corriente en los circuitos eléctrico-electrónicos, así como ciertos valores de tensión. La unidad fundamental es el ohmio ( Ω), pero también se emplea el factor k Ω (K), que significa 1000. Así, aparece también el valor 1k = 1.000 Ω.
Ejemplo Ejemplos de expresiones de valores de resistencias: 2k2 = 2.200 Ω 1,5 k = 1k 5 = 1.500 Ω 4k7 = 4,7 k = 4.700 Ω 10 k = 10.000 Ω 120 k = 120.000 Ω Asimismo, también se utliza el factor M Ω, que significa 1.000.000 Ω. Aparecen así expresiones como: 1 MΩ = 1.000.000 Ω 1,2 MΩ = 1M2 = 1.200.000 Ω 4M7 = 4,7M =4.700.000 Ω
3.5.1 Tipos de resistencias Existen diversos tpos de resistencias, según cómo estén fabricadas, su potencia, precisión, etc.
Bobinadas Un tpo de resistencia es la bobinada. Su valor resis tvo se obtene basándose en una cierta longitud y sección de hilo de determinado material. Para que sus dimensiones sean mínimas, dicho hilo se monta en forma arrollada, de ahí el término de resistencias bobinadas. Son resistencias para aplicaciones de una cierta potencia. En la figura 3.6 se muestra el aspecto de resistencias bobinadas.
Figur a 3.6. Aspecto de resistencias bobinadas.
La potencia de una resistencia es independiente de su valor óhmico ( Ω), y sólo tene que ver en cuanto a la potencia eléctrica que puede soportar. Y como la potencia eléctrica se traduce en calor, el que una resistencia sea de más o menos potencia da cuenta únicamente de la temperatura que puede soportar, como consecuencia del paso de la corriente. La mayor o menor potencia de la resistencia repercute sobre las dimensiones de la resistencia; a mayor mayores dimensiones. La potencia nominal depende fsicas tene principalmente de laspotencia, dimensiones de la resistencia, ya que esto que ver con la facilidad para evacuar el calor. Como la potencia se expresa en va tos (W), existen resistencias de: 10 Ω/0,5 W, 1 kΩ/0,5 W, 2 Ω/5 W, 100 kΩ/0,5 W, 22 Ω/10 W, etc. 38
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Resistencias de carbón Las resistencias normalmente u tlizadas en electrónica son las denominadas de carbón, debido a que su valor resistvo se obtene por medio de polvo de carbón mezclado con un aglomerante. Son resistencias de pequeñas dimensiones y baja potencia, y de muy bajo precio. Se construyen normalmente con una tolerancia de un ± 5 % y de un ± 10 % (tolerancia es el margen de variación de su valor nominal). Son las normalmente u tlizadas en electrónica, excepto en las aplicaciones que se requiera cierta precisión, que se u tlizan otras de más calidad. En la figura 3.7 se muestra su aspecto más normal.
Figura 3.7. Aspecto de resistencias de c arbón, las c lásicas en electrónica.
Resistencia de película Son resistencias de mayor precisión que las de carbón, y se suelen utlizar en circuitos electrónicos como instrumentación, electromedicina, etc. y, en general, en aquellas aplicaciones en las que se requiera una cierta precisión. Hay que tener en cuenta que, como en todos los componentes, las resistencias también tenen un factor de tolerancia y son suscep tbles de variar en función de la temperatura, tensión, etc. En las resistencias de película, su valor óhmico se ob tene actuando sobre las dimensiones y tpo de materia de una película de material resistvo aplicada sobre la superficie de una varilla cilíndrica. En estas resistencias se ob tenen tolerancias de un 1 % (y menos), y con un bajo coe ficiente de temperatura (variación del valor de resistencia con la temperatura). Son, al igual que las de carbón, de baja potencia. Se distnguen tres tpos de resistencias de película, según el material utlizado: las de película de carbón, las de película de óxidos metálicosy las de película metálica.
3.5.2 Escala de valores de las resistencias Los fabricantes producen las resistencias con unos valores pre fijados, lo cual quiere decir que no se comercializan resistencias de cualquier valor resistvo. Según la tolerancia, se pueden obtener con algunas variaciones en la escala de valores. Las tolerancias de las resistencias normalmente utlizadas son del ± 5 % y del ± 10 %, y la escala de valores es:
Escala de valores según la tolerancia % 5
10
% 10
% 5
10
11 12
12
20
39
39
43 15
16 18
33
36
13 15
% 10
33
47
47
51 18
56
56
62
39
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Escala de valores según la tolerancia 22
22
24 27
68
68
75 27
30
82
82
91
Los valores comerciales que se encuentran son los indicados en la tabla, y también multplicados (o divididos) por 10. Por ejemplo, el valor normalizado de 47, puede dar lugar a los valores: 4,7 Ω, 47 Ω, 470 Ω, 4,7 kΩ, 47 kΩ, 470 kΩ, 4,7 MΩ.
3.5.3
C ificación valor Elod código de del color es
El valor óhmico de las resistencias normalmente utlizadas en electrónica se representa por medio de un código de colores. Excepto las resistencias de potencia, que son las bobinadas, usualmente, todas se expresan así. Consiste en pintar unas bandas de colores alrededor del cuerpo de la resistencia. Cada color representa un número; de esta manera se representa el valor nominal de la resistencia y de la tolerancia (margen de variación). En la figura 3.8 se representa este sistema de codificación.
Tolerancia Mulplicador Figur a 3.8.
2 cifra
Estructurac ión de l c ódigo de c olores en las resistencias.
1 cifra El valor normalizado asignado a los colores, que determinan el valor de la resistencia, es el indicado en la siguiente tabla:
Código de colores estándar
40
Color
Valor
Negro
0
Marrón
1
Rojo
2
Naranja
3
Amarillo
4
Verde
5
Azul
6
Violeta
7
Gris
8
Blanco
9
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Recuerda
• • •
El valor óhmico () de la resistencia se suele representar por un cód igo d e c olores. Su valor ( ) no tiene que ver con su tamaño. El tamaño de la resistencia depende de la potencia eléctrica (W) que puede soportar; a mayor po-
El valor del primer dígito (1 a cifra) del valor corresponde al de la banda de color más cercana a uno de los terminales. El siguiente color indica el valor del segundo dígito (2a cifra). Y el tercer color (multplicador) indica el valor que hay que poner como exponente a 10, por cuya can tdad hay que multplicar el número resultante de las primeras dos cifras; dicho de una forma más sencilla, el valor del color representa la cantdad de ceros que hay que añadir a las dos primeras cifras. El cuarto color indica la tolerancia de la resistencia.
Colores asignados al valor tolerancia
tencia, mayor tamaño.
Color
Valor
Plata
± 10 %
Oro
±5%
Rojo Marrón
±2% ±1%
Cuando no existe banda de color específico para la tolerancia (color del cuerpo de la resistencia), la tolerancia es del 20 % (son resistencias normalmente no empleadas). Las tolerancias de las resistencias normalmente empleadas en electrónica, que son las de carbón, son del 5 % y 10 %, por lo cual las bandas que usualmente aparecen son de color plata y oro.
Ejemplo Supongamos una resistencia con los colores que se indican a con tnuación (figura 3.9): Banda Primera
Color Naranja
Valor Primera cifra = 3
Segunda
Blanco
Segunda cifra = 9
Tercera
Marrón
Mulplicación por 10-1 = 10
Cuarta
Plata
Tolerancia = ± 10 %
Esto da lugar al valor nominal de 390 Ω, con una tolerancia de ± 10 %, lo cual significa que el valor nominal puede variar en 39 Ω por encima o por debajo. Así, el valor de la resistencia se podría encontrar entre el margen de 351 a 429 Ω: Valor máximo 390 + 10 % de 390 = 429 Ω Valor mínimo 390 - 10 % de 390 = 351 Ω
Plata (10%) Figura 3.9. Ejemplo prác tic o de la codi ficación del valor en una resistencia.
Marrón (1) Blanco (9) Naranja (3) 41
Unidad 3 · Resistencia eléctrica Si el valor de la tercera banda (multplicador) es el negro (0), no se añade ningún cero, ya que equivale a mul tplicar por 100 = 1. Pero, para los demás colores de la tabla, el color del multplicador se puede ver simplemente como la cantdad de ceros que hay que añadir a las dos primeras cifras. No obstante, hay tener en cuenta que el color de la tercera banda (multplicador) también puede ser oro o plata, y en este caso se produce una división del valor de las primeras dos cifras:
Colores del multiplicador que producen una división Oro
Se mulplica por 10-1 = 0,1 (es como dividir por 10)
Plata
Se mulplica por 10-2 = 0,01 (es como dividir por 100)
Ejemplo Banda
Color
Primera
Amarillo
Valor
Segunda
Violeta
Segundacifra=7
Tercera
Oro
Mulplicación por10-1=0,1
Cuarta
Plata
Primeracifra=4
Tolerancia = ± 10 %
Esto da lugar al valor de 4,7 Ω. Al ser la tercera banda (multplicador) de color oro, las primeras dos cifras (47) se multplican por 10-1 = 0,1; que equivale a dividir por 10 (figura 3.10).
Plata (tolerancia de 10%) Figura 3.10.
Oro (divide por 10)
Ejemplo de la c odi fica ción de co lores de una resistencia, d onde el color del multiplicador produc e una división.
Violeta Amarillo Aunque este es el sistema normalmente empleado, también existe la codificación por medio de cinco bandas de colores; las tres primeras corresponden a las tres primeras cifras, la cuarta es el mul tplicador y la quinta la tolerancia.
3.6
Medida de la resistencia (óhmetro)
De la misma manera que existen instrumentos basados en el galvanómetro para la medida de la tensión (volmetro) y de la intensidad (amperímetro), existe al instrumento para la medida de la resistencia (Ω) que se denomina óhmetro(figura 3.11). Así es en los polímetros (tester) de tpo analógico.
42
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Figura 3.11. a) Símbolo general del óhmetro. b) En su forma clásic a, se ba sa e n un galvanómetro (instrumento de aguja).
a)
3.6.1
b)
Medida basada en galvanómetro (tester analógico)
El galvanómetro es el instrumento clásico de medida, por lo cual es interesante conocer sus principios de funcionamiento también como óhmetro. tvo de Por medio de dicho instrumento se puede tener una (lectura del resisabiertos resistencias y también permite detectar cortocircuitos R 0Ω ) o valor circuitos (R ∞). Consiste en un medidor de corriente (amperímetro) debidamente adaptado. El principio de funcionamiento se basa en que la magnitud de la corriente que circula por un circuito depende de la resistencia del mismo; a mayor resistencia, menor intensidad. La indicación del instrumento será por tanto inversamente proporcional al valor de la resistencia; cuanto más bajo sea el valor de la resistencia, mayor será la desviación de la aguja; en el fondo de escala (máxima desviación), se encuentra por tanto el valor 0 Ω.
Así pues, mediante la estructura de circuito que se muestra en la figura 3.12 se puede obtener una lectura del valor resis tvo de una resistencia.
Ajuste del 0 fondo de escala. (Se ajusta uniendo las puntas de prueba)
Pila
Figura 3.12. C irc uito bá sico que p ermite la medición de l valor de resistencias; óhmetro.
RX Se basa en una pila que proporcionará una corriente que hará que la aguja del galvanómetro se mueva; a mayor corriente, mayor indicación. Y como la corriente que recibirá el galvanómetro pasará a través de la resistencia a medir ( RX), la magnitud de la indicación dependerá del valor resis tvo de la resistencia. Es cues tón por tanto de adaptar adecuadamente la escala del galvanómetro en ohmios (Ω). Es obvio que la magnitud de la indicación dependerá de la tensión de la pila, de la sensibilidad del galvanómetro, del valor de la resistencia de ajuste y, claro está, también del valor resistvo de la resistencia a medir ( RX). El potenciómetro (resistencia ajustable), se ajusta para que la aguja se vaya al fondo de escala (cero) cuando se unan las puntas de medida, esto se llama cortocircuitar las puntas y equivale a una resistencia de 0 Ω; la desviación de la aguja es entonces máxima (fondo de escala) y esto debe corresponder a la indicación de 0 Ω en la escala. Y como es obvio, con las puntas al aire, lo cual equivale a una resistencia práctcamente infinita (∞), la aguja no se moverá y esto debe corresponder a la indicación de ∞. La estructuración de la graduación de la escala del óhmetro se realiza por tanto como se representa en la figura 3.13.
43
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Resistencia infinita (puntas al aire)
(Unión de las puntas) ⇒ cortocircuito = 0
Figura 3.13. Graduac ión básica de la escala d e un óhmetro.
RX Al conectar entre las puntas de medida una determinada resistencia, la aguja se desviará proporcionalmente a su valor óhmico, indicando un cierto valor en la escala. Los óhmetros, por lo general, disponen de varias escalas multplicadoras, que selecciona el usuario por medio de un mando. Esto quiere decir, que según la escala seleccionada, el valor indicado por la aguja debe ser mul tplicado por algún factor. Los factores multplicadores que se suelen disponer son: ×1, ×100, ×1000 y ×10.000. La graduación numérica de la escala del galvanómetro corresponde al factor multplicador ×1. Así, si el factor multplicador seleccionado es ×1, el valor óhmico de la resistencia es simplemente el que marque la aguja. Pero si se selecciona el factor ×1000, el valor numérico que marque la aguja debe ser mul tplicado por 1000. Por lo tanto, si la aguja indica el valor 20 (centro de galvanómetro esto puede corresponder a 20 Ω, 200 Ω, 2.000 Ω, etc., según la escala mul tplicadora seleccionada.
3.6.2 Medida mediante tester digital Con los polímetros digitales, que es el tpo de tester normalmente u tlizado actualmente, se consigue una lectura del valor de la resistencia con mucha precisión y de fácil lectura; su valor aparece indicado en la pantalla del tester. Todo se basa en poner el selector de funciones del tester en medida de resistencia ( ) y en la escala adecuada. Esto se representa en la figura 3.14. El cable de color negro se conecta a la entrada COM y el de color rojo a la entrada de V/Ω. Medida de resistencia (
) con el tester
El selector se ene que poner en medida de resistencia ( )
Figura 3.14. Medida valor de resistencia condel el tester.
44
Según el valor de la resistencia a medir, resulta más adecuada una escala u otra. Por ejemplo, si la resistencia, según su código de colores, es de 270 , pues el selector lo pondríamos en 2k (valor máximo, 2000 ). Y si la resistencia fuera de 100k, pues entonces pondríamos una escala mayor, la de 200k (valor máximo, 200.000 ).
Unidad 3 · Resistencia eléctrica En la figura 3.15 se muestra el ejemplo de la medida del valor de una resistencia de 10 k de tolerancia 10 %; en la escala de 200k y después con la escala de 20k. La diferencia está en la resolución de los decimales. Esta resistencia, al ser de tolerancia 10 %, su valor debería estas entre 9 k y 11 k (±1k). Por lo tanto, si el tester indica un valor de unos 10,77 k , la resistencia está en buen estado. Es importante saber que si el valor de la resistencia es mayor al de la escala seleccionada, el tester marcará un valor infinito (como si las puntas están sin conectar, al aire). Así, se debe seleccionar siempre una escala cuyo valor este por encima del valor de la resistencia; y según la escala, tendremos mayor o menor resolución en la indicación del valor. Cuando se conoce el valor de la resistencia por el código de colores, el obje tvo de utlizar el tester es para comprobar si la resistencia está en buen estado, ya que podría estar cortada (que es la avería más normal, a veces porque se ha quemado). O bien nos interesa saber su error de tolerancia. Si se trata de una resistencia de valor nominal 1k y de tolerancia 5 %, si está bien el tester debería indicar un valor entre 950 y 1050 ; si no está en dicho margen de valores, la resistencia no cumple con el margen especificado de un 5 % de variación. Esto puede ser porque ha salido mal de fábrica o bien ha tenido recalentamientos.
Escala 200k
Resistencia de 10 k
Escala 20k 10 k
Puntas de prueba Figura 3.15. Med ida de una resistencia de 10 k con el tester, uti lizando dos escalas diferentes.
Y si, por la razón que sea, no sabemos el valor de la resistencia, pues vamos probando en las diferentes escalas; el obje tvo, es ver el valor óhmico de una forma cómoda. Si la resistencia se encuentra cortada, el valor que aparecerá por la pantalla es el de infinito; el mismo que aparece con las puntas de prueba al aire.
Actividades propuestas 1. ¿Qué función realiza el componente resistencia? Representar su simbología. 2. ¿De qué material base están fabricadas las resistencias más simples, normalmente más u tlizadas? 3. ¿Cuál es la diferencia entre una resistencia de 47 / 0,5 W y otra de 47 / 2 W? 4. Representar tres resistencias, con los colores que indiquen los valores nominales de 270
, 1000 y
47000 , con una tolerancia de 5 %.
5. Si en una resistencia vemos que los colores son: rojo, violeta y naranja, y la banda de tolerancia es color plata. ¿De qué valor nominal es la resistencia, en qué margen de valores podría encontrarse?
6. Tenemos una resistencia de valor nominal 10 k / 1 W, y el color de la banda de tolerancia es plata. Si con el tester se mide un valor de 9.200 , ¿en qué estado se encuentra la resistencia, bien o mal? ¿Por qué? Razonar.
45
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
3.7
Potenciómetros
Los potenciómetros son resistencias cuyo valor se puede variar por medio de un eje. Son los elementos picos utlizados para el ajuste de volumen en equipos de sonido, radio, controles de los ecualizadores, etc. En general, son u tlizados cuando interesa poder hacer la graduación de ciertas magnitudes en los aparatos electrónicos. En la figura 3.16 se muestra su simbología general y el aspecto de los tpos más comunes. Un potenciómetro es una resistencia con tres terminales; dos de ellos corresponden a los terminales de resistencia, y el otro es un terminal internamente móvil (cursor) que puede hacer contacto entre el recorrido de los dos extremos de la resistencia.
Figura 3.16. Símbolo general de un potenciómetro y aspecto de los tipos más comunes.
Cuando movemos el cursor, hacemos que el terminal móvil haga contacto con cualquier punto de la resistencia. Así, entre el terminal móvil y cualquiera de los otros dos terminales se puede realizar el ajuste de un valor de resistencia entre 0 Ω y el valor máximo. En la figura 3.17 se ilustran unos ejemplos. Cursor en el punto medio
Figura 3.17. Según la posición del cursor, aparecen diferentes valores de resistencia entre e l cursor y los extremos.
Los potenciómetros pueden ser de variación lineal o logarítmica. En los de tpo lineal, la magnitud de variación de resistencia es proporcional a la variación de giro del cursor. En los detpo logarítmico, la resistencia varía según una escala logarítmica en función de la posición del cursor; estos son los u tlizados en, por ejemplo, los equipos de sonido para variar el volumen; se consigue así una variación del nivel sonoro equiparable a la respuesta del sistema audi tvo (ya que la respuesta del oído es de forma logarítmica). En la figura 3.18 se muestra el tpo de potenciómetro utlizado para controles del tpo volumen en un amplificador, control de graves y agudos, tensión de salida de una fuente de alimentación; son potenciómetros con un eje, donde se pone el botón de mando.
Figura 3.18. Tipo de potenciómetro pa ra ajuste de volumen en equipos de música, graves y agudos, etc. El eje se corta a la medida , y se pone el botón de mando.
46
Unidad 3 · Resistencia eléctrica Utlizando sólo dos de los terminales del potenciómetro, se obtene lo que se llama una resistencia variable (figura 3.19); se puede ajustar un valor entre 0 Ω y un máximo (el nominal del potenciómetro).
Variación entre 0 y 100 k Figura 3.19.
Resistencia Ajustable
Una resistencia ajustable se obtiene por medio de un potenciómetro.
Existen unos tpos de potenciómetros, de pequeñas dimensiones, que se u tlizan para realizar ajustes en los aparatos electrónicos, pero de forma interna (no accesibles al usuario); el control se realiza mediante un pequeño destornillador. En la figura 3.20 se muestra el aspecto de los tpos más comunes. Se conocen también por resistencias ajustables.
Figura 3.20. Potenciómetros de ajuste interno.
Actividades propuestas 1. ¿Qué es un potenciómetro? Indicar tres ejemplos de aparatos donde se encuentra su aplicación. 2. Si un potenciómetro de 100 k se encuentra en la mitad de su recorrido, ¿qué valor debería medirse entre uno de los extremos y el punto medio?
3. ¿Qué dos tpos básicos de potenciómetros son usuales? 4. ¿Los mandos (botones) de control de tono y volumen de una guitarra eléctrica pueden ser potenciómetros? 5. ¿Si en un potenciómetro de 500 unimos el punto medio con uno de sus extremos, qué margen de valores mediríamos entre el terminal cursor y el otro extremo? Dibujar el potenciómetro conectado así.
6. Definir las característcas de un circuito serie.
3.8
Montaje de resistencias en serie
En general, la conexión de componentes en serie consiste en conectar un componente tras otro, formando de este modo una cadena, según se muestra en la figura 3.21. Conectar resistencias en serie equivale a aumentar la longitud de un conductor; se aumenta la resistencia. Por ello, en el montaje serie, se consigue un valor de resistencia que es la suma de los valores de todas las resistencias conectadas, lo cual se puede expresar:
47
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Figura 3.21. Resistencias c onec tada s en serie; la resistencia total es la suma de todas.
Ejemplo La conexión de una resistencia de 12 Ω, una de 82 Ω y otra de 4,7 Ω da lugar Ω . Figura 3.22. al efecto resistvo de: RT = 12 + 82 + 4,7 = 98,7
Figura 3.22. El efecto resistivo de las tres resistencias en serie es equivalente al de una resistencia de 98,7Ω.
Esta forma de conexión, permite por lo tanto obtener un valor resistencia mayor al del valor más alto de las resistencias utlizadas, pudiéndose conseguir entonces casi cualquier valor de resistencia. Otra característca de los montajes serie en general, es que el valor de la corriente que circula es el mismo en cualquier punto del circuito; así, la intensidad es la misma en todas las resistencias (figura 3.23). Y si en vez de tratarse de resistencias fueran bombillas (u otro tpo de carga resistva), el efecto es el mismo.
Características del circuito serie • •
Figuraserie, 3.23. En los circuitos en general, circula el mismo valor de intensidad por todos sus componentes.
48
La resistencia total es la suma de los valores de todos los componentes El valor de intensidad que circula es el mismo en todos los componentes
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
3.9
Montaje de resistencias en paralelo
En esta forma de montaje, los terminales de cada resistencia se conectan con los terminales de las demás resistencias u tlizadas; o sea, de forma paralela (figura 3.24). La conexión de resistencias en paralelo equivale a un aumento de la sección de un conductor; se disminuye el valor resistvo, con lo cual se mejora la circulación de la
corriente. En el montaje paralelo, el valor total de resistencia siempre es menor que el de la resistencia de más bajo valor del montaje.
Figura 3.24. C onexión de resistencia en pa ralelo.
Cada una de las resistencias proporcionará un paso de corriente; cada una de ellas contribuirá por tanto a facilitar la circulación (es como aumentar la sección de un conductor). Así, cuantas más resistencias se conecten en paralelo, mayor intensidad de corriente total podrá circular. Acudiendo nuevamente a la analogía hidráulica, es como si a la salida de una fuente de agua se le empalmaran varias tuberías; cuanto más tuberías se le empalmen, mayor cantdad de agua se podrá obtener; es como aumentar el grosor de una tubería. El valor de resistencia total de un circuito paralelo se obtene según la fórmula:
Ejemplo En el caso del circuito paralelo de tres resistencias que se muestra en la figura 3.25, el valor total de resistencia es:
Figura 3.25. El efecto resistivo de las tres resistencias en paralelo es equivalente al de una resistencia de 12,87Ω.
Obsérvese cómo el valor equivalente total es más bajo que la resistencia de menor valor. 49
Unidad 3 · Resistencia eléctrica En el caso partcular de que el circuito en paralelo esté formado por sólo dos resistencias, la expresión de RT se simplifica a:
Por cuestones de simplificación, el paralelo de dos resistencias a veces expresa por R1//R2.
Ejemplo El valor total equivalente del circuito paralelo de dos resistencias que se muestra en la figura 3.26 es:
Y si aplicamos la fórmula general obtenemos el mismo valor:
Figura 3.26. El efecto resistivo de las dos resistencias en paralelo es equivalente al de una resistencia de 51,75Ω.
Otro caso partcular se da cuando todas las resistencias del circuito paralelo son del mismo valor. En este caso, el valor de resistencia total viene dado por:
R es el valor de las resistencias y n el número de resistencias.
Ejemplo Supongamos un circuito con 10 resistencias de 1 kΩ en paralelo (figura 3.27). El valor resultante es:
Figura 3.27. El efec to resistivo de las diez resistencias en paralelo de 1 kΩ es equivalente al de una sola de 100Ω.
50
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
3.10
Circuitos serie-paralelo (mixtos)
Son circuitos en los cuales aparecen los dos tpos de montajes fundamentales; serie y paralelo. Estas estructuras de circuitos se denominan circuitos mixtos, y aparecen a menudo en la técnica electrónica. Su análisis se basa en descomponerlos en sus circuitos básicos serie y paralelo.
Ejemplo En la figura 3.28 se muestra la estructura del circuito mixto más simple; una resistencia en serie con otras dos en paralelo.
Figura 3.28. C irc uito mixto elemental (el más simple).
Fácilmente se deduce que el valor resultante total de resistencia a que da lugar el circuito es:
Actividades prácticas 1. Circuito serie
Dibujar el circuito del montaje serie de 4 resistencias de los valores 47 , 150 , 220 y 330 conectado a una fuente de alimentación de 12 V, a través de un interruptor y un fusible. a) Anotar el código de colores de cada resistencia, y medir su valor con el tester. Razonar los resultados. b) Montar el circuito y realizar las medidas de corriente y tensión en cada resistencia, y también en el fusible. c) Realizar una tabla con los resultados teóricos y los práctcos, y explicar los resultados.
2. Circuito paralelo Dibujar el esquema de un circuito de tres resistencias en montaje paralelo, de los valores 22 , 47 y 91 , conectado a una fuente de tensión de 12 V a través de un fusible general. Proceso operatvo: a) Anotar el código de colores de cada resistencia, y después medir su valor con el tester. b) Montar el circuito y hacer las medidas con el tester de la corriente y tensión en cada resistencia y en el fusible. c) Realizar una tabla con todos los resultados y las observaciones que consideres.
Actividadesfinales Ejercicio 1.Dar una explicación sobre el concepto de resistencia ¿Cuál es su unidad? Ejercicio 2.Calcular el valor resistvo que tenen 8 metros de hilo de cobre de 2 mm de diámetro. (ρ = 0,0175).
51
Unidad 3 · Resistencia eléctrica
Actividadesfinales Ejercicio 3. ¿Qué ocurre en las líneas conductoras (normalmente cobre) cuando se calientan, aumenta o disminuye su resistencia? ¿Y en el caso de los materiales semiconductores (silicio)?
Ejercicio 4. ¿Por qué en los aparatos eléctricos como estufas, planchas, bombillas, etc. su consumo de corrientempo funcionando? te es mayor en el momento de su conexión que cuando llevan un cierto
Ejercicio 5. ¿Qué valores indican las expresiones 4k7, 1,2k y 1M5? Indicar el código de colores para expresar un valor de 3,9 Ω con una tolerancia del 10 %.
Ejercicio 6. ¿Cuál es el valor mínimo y máximo que se deduce de la codi ficación de colores de la resistencia siguiente?
Oro Rojo Negro Marrón
Ejercicio 7. Calcular el valor total de resistencia correspondiente a los siguientes montajes:
b)
a)
Ejercicio 8.¿Cuál es el valor total equivalente de 10 resistencias de 200 Ω conectadas en paralelo?
52
Unidad 4Potencia
eléctrica
Objetivos: Saber con cierto detalle las cuestiones sobre la potencia eléctrica y su relación con los circuitos eléctricos, en especial sus efec tos c alorífico s (ley de J oule), ya que su importanc ia da lugar a que, por ejemplo, se instalen disipadores en losc omponentes electrónicos, asíc omo los ventilad ores típicos en el procesador (CPU) y fuente de alimentación de los ordenadores. De paso, saber cómo repercute la potencia eléc trica de los ap aratos en el c onsumo de energía eléctrica.
En este capítulo: 4.1
Trab ajo y potencia eléctrica.
4.2 4.3
El vatio (W). Ejemplos prác tic os sobre potencia eléctrica.
4.4 4.5 4.6
Fórmulas prác ticas sobre potencia y ley de Ohm. Efectos calorífic os de la e lectricidad . Ley de J oule. Trab ajo eléctrico. C onsumo de e nergía eléc trica.
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Recuerda
• • •
En el montaje serie: - La resistencia total es la suma de la resistencia de todos los componentes. - El valor de intensidad que circula es el mismo en todos los componentes.
En el montaje paralelo: - El valor total de resistencia siempre es menor que el de la resistencia de valor más bajo del montaje.
4.1
Trabajo y potencia eléctrica
El concepto potencia eléctrica indica la capacidad de realización de trabajo que tene la electricidad; más exactamente, es la velocidad de realización del trabajo:
Y como el concepto de energía indica capacidad de realización de trabajo, se puede decir que el trabajo es energía, o bien, que para realizar trabajo se necesita energía. En general, la energía es lo que hace posible cualquier actvidad fsica. En los aparatos eléctricos-electrónicos, la mayor o menor energía que consumen, que pueden proporcionar, etc., se expresa por el término potencia, cuya unidad es el vato (W). Así, aparecen expresiones tal como una bombilla de 40 W, una resistencia de 150 Ω/1 W, una estufa de 1,2 kW, la potencia de salida del amplificador es de 50 W, etc. El trabajo en sí es independiente del tempo que se tarda en hacerlo. Pero la potencia da cuenta del trabajo realizado teniendo en cuenta el tempo que tarda en realizarse, ya que es la velocidad de realización del trabajo. Por ejemplo, es obvio que cuanto más potencia tenga el motor de un automóvil más aceleración tendrá y, en consecuencia, más rápidamente podrá recorrer una cierta distancia. El mismo automóvil con motor menos potente podrá realizar el mismo trabajo, pero tardará más tempo en recorrer la misma distancia.
En fsica, la unidad de magnitud del trabajo-energía se denomina julio, que se define por: Un julio (J) es el trabajo realizado por la fuerza de un newton (N) si da lugar al desplazamiento de la distancia de un metro (m).
Así, se obtene la unidad juliopara F = 1 newton y e = 1 metro: Eléctricamente, es similar. Sabemos que para que se produzca una corriente eléctrica, que es un desplazamiento de electrones, se precisa de una fuerza que se denomina tensión. Se realiza el trabajo de un julio si se hace mover una carga eléctrica (q) entre dos puntos cuya d.d.p. es de untvol o.
Matemátcamente, el trabajo eléctrico se puede expresar por tanto: W = V·q Y de la definición de intensidad eléctrica se deduce que la unidad de carga eléctrica (culombio) se puede expresar por:
Así, el trabajo eléctrico se puede expresar por: W = V · q = V (I · t) Y se obtene el trabajo de un julio para I = 1 amperio y t = 1 segundo:
1 J = 1 V (1 A × 1 s) Por otra parte, como que el concepto de potencia da cuenta de la velocidad, o sea, rapidez, a la cual se hace el trabajo:
dividiendo la expresión del trabajo (W) por el tempo (t), obtenemos: 54
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Se deduce así la expresión fundamental de la potencia eléctrica:
4.2
El vatio (W)
La unidad de potencia (P) eléctrica es el vato, que se expresa por W. Así, un vato (1 W) es la potencia a que da lugar la tensión de un volto si circula la corriente de un amperio (figura 4.1): I 1A
Produce 1 W
1V
E
R
P=1Vx1A=1W
Figura 4.1. La tensión d e 1 voltio con 1 amperio desarrolla 1 vatio de potencia.
O, bien, un vato es la potencia a que da lugar la realización del trabajo de un julio por segundo:
Basándonos en el concepto de potencia, el trabajo eléctrico viene dado, pues por:
Industrialmente se utliza también mucho, especialmente en motores, otra unidad que se denomina caballo de vapor (CV), o simplemente caballo, que equivale a 735,5 W; en la práctca, se suele tomar 1 CV = 736 W. Esta unidad fue introducida por James Wa en 1784, inventor de la máquina de vapor. Es frecuente encontrarse la potencia de los motores expresada de esta manera; por ejemplo, un motor de 2 CV indica una potencia de 2 × 736 = 1472 va tos.
4.2.1 Unidades deri vadas Al igual que ocurre con otras unidades, en la prác tca se hace conveniente también utlizar magnitudes que son submúltplo o múltplos del vato. Así, aparecen como magnitudes normales: megavato
MW 1 1.000.000 = W
kilovato milivato microvato
1.000 kW =1 W mW 1 0,001 = W 10 =
-3
W
1 W = 0,000001 W = 10 W μ
-6
Y por otra parte, como 1 CV = 736 W, también setene:
55
Unidad 4 · Potencia eléctrica Así, como se deduce, para obtener potencia eléctrica se precisan dos magnitudes; voltos y amperios. Y cuanto mayores sean dichas magnitudes, como es evidente, mayor potencia se obtendrá (figura 4.2). Intensidad
Figur a 4.2. Para ob tener potenc ia se necesitan dos magnitudes, voltaje e intensidad. En el símil hidráulico, la tensión (V ) equivale a la altura d e c aída d el agua y la intensidad (I ) al caudal.
M
Fuente de energía
P=VxI
Voltaje Receptor
4.3
Ejemplos prácticos sobre potencia eléctrica
A contnuación se exponen unos ejemplos numéricos para procurar clari ficar más práctcamente estos conceptos (figura 4.3).
Ejemplo 1 Tensión muy alta y corriente baja
En los automóviles de gasolina, la chispa de encendido que se produce en las bujías para lograr la explosión del combustble en los cilindros se ob tene mediante una tensión elevada (del orden de 15.000 V), que se genera por medio del efecto inductvo de una bobina. Suponiendo una corriente de 0,001 A (1 mA), la potencia eléctrica desarrollada sería (figura 4.3a). P = V · I = 15.000 × 0,001 = 15 W Así pues, aunque la tensión es muy elevada, la potencia que se produce no es elevada porque se dispone de baja corriente. Y debido a la baja intensidad, es por lo que, a veces, los mecánicos trabajando tocan los cables de alta tensión y todo queda en un susto. Es como si, por ejemplo, una caída de agua se produce de elevada altura, pero con poco caudal. O sea, alta tensión no es significatvo siempre de mucha potencia.
Otro ejemplo similar se da en los televisores. En la pantalla (TRC) se aplica una tensión de unos 20 kV; pero como es de baja intensidad, los reparadores una vez u otra sienten su efecto en el cuerpo, pero normalmente no pasa de un susto.
I = 0,001 A
P = 15.000 x 0,001 = 15 W
56
a)
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Recuerda
• • •
I = 10 A
A mayor potencia, mayor trabajo eléctrico. La unidad de potencia eléctrica es el vatio (W). Para que exista potencia eléctrica se necesitan dos valores: tensión (V) e intensidad (I), ya que:
P = 12 x 10 = 120 W
W =V I
b)
I = 10 A
Aunque tensión sea alta, si lalacorriente es muy ba ja, la p otencia puede ser baja.
P = 220 x 10 = 2200 W
c)
Figura 4.3. Ejemplos prácticos del valor de p otenc ia que se obtienen según los valores de tensión y c orriente.
Ejemplo 2 Tensión baja y corriente alta
Si la intensidad de corriente es elevada pero con baja tensión, tampoco se consigue una elevada potencia. Es como si el caudal de agua es grande pero cae de poca altura. Supongamos que por medio de una batería de 12 V se alimenta un motor cuyo consumo es de 10 A ( figura 4.3b). La potencia eléctrica que se ob tene de la batería, considerando que no hay pérdidas en los cables, es de: P = V · I = 12 × 10 = 120 W t
En este caso, aunque la intensidad es rela vamente (10.000 veces mayor que en el ejemplo anterior), tene una tampoco se ob alta potencia, debido a queelevada la tensión es baja.
Ejemplo 3 Tensión alta y corriente alta
En el caso de una estufa eléctrica alimentada a 220 V con un consumo de 10 A se obtene una potencia comparatvamente mucho más alta (figura 4.3c): P = V · I = 220 × 10 = 2200 W Esto es debido a que en este caso las dos magnitudes son más o menos elevadas; hidráulicamente, equivale a un gran caudal que cae a elevada altura.
Actividades de evaluac ión 1. Definir la unidad Julio, con su expresión matemátca. 2. ¿Cuál es la diferencia entre trabajo y potencia? 3. Indicar la expresión de la potencia eléctrica y su unidad de medida.
57
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Actividades de evaluac ión 4. Calcular la potencia eléctrica en una resistencia por la cual circula una intensidad de 250 mA y su tensión es de 5 V.
5. Calcular la potencia perdida en la instalación de una estufa eléctrica, si medimos una tensión de 218 V y una intensidad de 10 A en la estufa, y en la salida de contador 220 V. ¿Qué efectos y consecuencias tene esto?
4.4
Fórmulas prácticas sobre potencia y ley de Ohm
En dosprincipio, fórmulas:partendo de la expresión fundamental de la potencia se deduce otras
Aplicando la ley de Ohm, se deducen otras fórmulas de interés práctco. Puesto que V = I R, susttuyendo esta expresión en P = V I , se obtene otra fórmula de la potencia: De donde se deducen también:
Y susttuyendo I = V/R en la expresión de P = V I se obtene otra forma de expresar la potencia:
De donde se deduce también
Así pues, se puede hallar el valor de cualquiera de las cuatro magnitudes fundamentales conociendo dos de ellas.
Actividades desarrolladas Ejercicio 1:En una resistencia de 100 Ω y de 0,5 W de potencia nominal, ¿cuál es el valor máximo de corriente que se le puede hacer circular sin que se supere dicha potencia?
De la expresión de la potencia P = I2 R, se obtene que:
Podemos comprobar este dato de la siguiente forma.
58
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Actividades desarr olladas Hallamos la caída de tensión en la resistencia para esa corriente, que es: Y esto dará lugar a una potencia disipada de: Y obtenemos el mismo valor aplicando: Así, con una corriente de 0,07 A = 70 mA, se obtene la disipación máxima; corrientes superiores darán lugar a una mayor potencia y en consecuencia mayor generación de calor, dando lugar a una temperatura excesiva para las dimensiones de la resistencia.
Ejercicio 2: ¿Cuál es el valor de la potencia consumida de una bombilla conectada a 12 V si se mide una intensidad de 2 A?
El resultado es inmediato, pues se aplica la fórmula fundamental de la potencia:
Ejercicio 3: Calcular el consumo de corriente de una lámpara compuesta por 4 bombillas de 220V/60 w cada una.
Las bombillas están conectadas en paralelo, y el consumo de cada bombilla será:
Por tanto, el consumo de la lámpara será de: 4 × 0,273 = 1,09 A Considerando la potencia total de la lámpara, 60 W × 4 = 240 W, se obtene el mismo resultado:
Calcular la pérdida de potencia que se produce en la instaEjercicio 4: lación del motor de arranque de un coche si el valor resistvo total de los cables es de 0,02 Ω y la intensidad que circula es de 50 A. Figura 4.4.
Resistencia total de la instalación: 0,02 El generador produce una potencia de 600 W
Figura 4.4. Según el valor de la c orriente y la resistenc ia de los c onduc tores, se p uede produc ir una pérdida de potencia eléctr ica c onsiderable (co nsumida en los cables de la instalación y transformad a en ca lor).
El motor sólo recibe 550 W I = 50 A
M
VB = 12 V En los cables de la instalación se pierde una potencia de: P = 502 x 0,02 = 50 W
El resultado es inmediato aplicando la correspondiente fórmula:
59
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Actividades desarrolladas Así, el efecto resistvo de los cables dará lugar a una pérdida de 50 W, potencia que no recibirá el motor y que, además, dará lugar a un calentamiento de la instalación ( figura 6.4).
Ejercicio 5: Dado el circuito representado en la figura 4.5, calcular la potencia desarrollada en cada una de las resistencias.
Figur a 4.5.
En primer lugar calcularemos el valor de resistencia total, RT:
Se halla así la IT, la IR1 y la IR4, puesto que IT = IR1 = IR4:
Por tanto, las potencias disipadas en R1 y en R4, son:
Y como la tensión en R2 y R3 es la misma, y viene dada por: siendo: Tenemos que la tensión enR2 y R3 es: Las potencias disipadas en R2 y R3 serán, pues:
Puesto que la suma de potencias parciales en todo circuito debe ser igual a la potencia suministrada por el generador, se veri fica que (figura 4.6): Potencia producida por el generador: Potencia disipada en las resistencias:
60
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Actividades desarr olladas
Potencia total disipada en todas las resistencias: 1 + 0,0689 + 0,12 + 0,82 = 2 W
Produce 2 W IT = 0,1 A
Figura 4.6.
4.5
fic os de la electricidad Efectos calorí
Uno de los efectos que tene la circulación de la corriente eléctrica es la generación de calor, lo cual puede ser provechoso (planchas, soldadores, estufas, etc.) o dar lugar a defectos (calentamiento de los conductores y de componentes electrónicos). Esto es como consecuencia del trabajo realizado por la corriente en su circulación ya que, al ser la corriente un desplazamiento de electrones, se producen roces y choques entre dichas parculas que dan lugar a un calentamiento.
4.5.1 Ley de Joule El trabajo eléctrico, energía eléctrica (julios), que se transformará en calor en un conductor de resistencia R cuando es recorrido por una corriente de intensidad I, viene dado por: A este efecto de desprendimiento de energía calorífica por el paso de la corriente se conoce por ley (o efecto) Joule, en honor al fsico James Presco Joule (1818-1889), que en 1841 enuncio dicho efecto: La circulación de una corriente eléctrica en un conductor de resistencia R produce un efecto de calentamiento, que es proporcional al valor de re2 sistencia (R), al cuadrado del valor de la intensidad ) y al (I tiempo transcurrido (t).
Teniendo en cuenta queexpresar 1 julio =por: 0,24 calorías, la energía calorí fica desprendida en un conductor se puede
61
Unidad 4 · Potencia eléctrica Se entende por caloría, la cantdad de calor que hace que 1 g de agua aumente su temperatura en 1 °C (concretamente de 14,5 a 15,5 °C). Y también se utliza la kilocaloría (kcal), que son 1000 calorías. Como se deduce, cuanto más tempo esté circulando la corriente más can tdad de calor se generará. Es por esto que los soldadores, estufas, etc., tardan un cierto tempo en calentarse y adquirir una cierta temperatura; conforme pasa el tempo se van generando más calorías y va aumentando así la temperatura, hasta un cierto valor dependiente de calor generado y el absorbido.
Actividades desarrolladas Ejercicio 1: Si la resistencia de un soldador es de 1500 Ω y está conectado a 220 V, calcular la cantdad de calorías que se generarán en un minuto.
Como el valor de la intensidad de corriente es:
Como se deduce, la generación de calorías también se puede expresar por:
Y en general: Dividiendo por 1000 se ob tene el valor en kilocalorías:
Ejercicio 2:Calcular la energía calorífica que generará una estufa eléctrica de valores nominales 220 V/1500 W, conectada durante una hora (3.600 segundos).
Basta aplicar la fórmula de Joule:
4.6
Trabajo eléctrico Consumo de energía eléctrica
En base al concepto de potencia, el trabajo eléctrico viene dado en general por:
El trabajo que puede obtenerse depende pues de la magnitud de la potencia tomada y también de su tempo de utlización. Así, por ejemplo, con una estufa de 500 W de potencia se puede obtener más trabajo durante 1 hora que si sólo se utliza durante 1 minuto; está claro que al cabo de una hora de estar encendida la temperatura ambiental en su entorno será mayor que al cabo de un minuto, debido a que habrá generado más calorías. O bien, durante un mismo tempo de utlización se consigue mayor trabajo cuanto mayor es la potencia utlizada; por esto, con una estufa de 1500 W se consigue elevar la temperatura más rápidamente que con estufa de 500 W. La unidad de consumo de energía eléctrica normalmente u tlizada es el kilovatohora (kWh) , que es lo que miden los contadores de energía eléctrica. to × segundoy una hora son 60 × 60 = 3600 segundos: Y puesto que 1 julio = 1 va
Y como: 1 julio = 0,24 cal ⇒ 1 kWh = 864 kcal 62
Unidad 4 · Potencia eléctrica Por medio de los contadores de energía eléctrica conocen en las centrales eléctricas la cantdad de energía consumida por los usuarios, y el coste depende de la cantdad asignada a la unidad kWh.
4.6.1
Ejemplos pr ácticos
1. Una bombilla de 100 W encendida durante 8 horas cada día, cada dos meses (60 días) consumirá una energía de:
Es cuestón de multplicar el número de kW por el número de horas:
t (52durante semanas) tener en semana marcha un 2 . El coste tencia es deanual 150 W 30 de horas cada es: equipo informá co cuya po-
Actividadesfinales Ejerc icio 1.¿Qué es un julio?. Dar una definición eléctrica. Ejerc icio 2.Calcular la corriente máxima que debería circular por una resistencia de 10 Ω cuya potencia nominal es de 2 W.
Ejerc icio 3.En una bombilla se ha borrado el indica tvo de la potencia, tos se supone pero se sabe que es de 220 V. ¿De cuantos va que es si mediante un amperímetro se mide un consumo de 0,273 A?
Ejerc icio 4.Calcular la potencia eléctrica que se perdería en los cables de la instalación de un coche, si al poner en marcha el motor eléctrico de arranque en éste se midiera un amperaje de 50 A y una tensión de 10 V. (En la batería, debido al consumo, se mide una tensión de 11 V).
Ejerc icio 5.Calcular la intensidad eléctrica que circulará por los cables de una instalación doméstca de 220 V, cuando se pongan en marcha simultáneamente: un soldador de 30 W, una lámpara de 4 bombillas de 60 W, una estufa de 1,5 kW y un horno eléctrico de 2 kW.
Ejerc icio 6.¿Cuántas kcal generará una estufa de 220 V y 2 kW cada semana si se tene en marcha 4 horas cada día? ¿Qué intensidad consumirá?
Ejerc icio 7.Calcular el coste anual de la energía eléctrica de una lámpara de 3 bombillas de 60 W cada una, si se usa 4 horas cada día. (1 kWh = 0,0813 €).
Ejerc icio 8.Calcular la potencia disipada en cada una de las resistencias del circuito de la figura 4.7.
63
Unidad 4 · Potencia eléctrica
Actividadesfinales
Figura 4.7. Ejercicio 9.¿Qué potencia deberá entregar la fuente de tensión, VB, en el circuito de la figura 4.8?
Figura 4.8.
64
Unidad 5Generadores
de electric idad
Objetivos: Entender los principios fundamentales sobre los diferentes tipos de generadores de electricidad, así c omo sus carac terísticas básicas; en especial, el conc epto de resistencia interna. Asimismo, sab er las c arac terístic as de los montajes básicos de generadores (serie, paralelo y serie-paralelo).
En este capítulo: 5.1 5.2 5.3
Introducción. G eneradores mecánicos. G eneradores químicos.
5.5 5.6 5.7
Resistencia interna. Montaje serie de generadores. Montaje pa ralelo de generadores.
5.4
Fuerza elec tromotriz (f.e.m.).
5.8
Monta je serie-p aralelo de generado res.
Unidad 5 · Generadores de electricidad
5.1
Introducción
Un generador de electricidad es la fuente de energía de los sistemas eléctricos; proporciona potencia eléctrica (tensión y corriente). En todos los generadores se hace un tpo de transformación de energía; en base a una energía que puede ser mecánica, térmica, química o de cualquier otro tpo, el generador produce energía eléctrica (fig. 5.1).
Figur a 5.1. Un generador de electricidad convierte otros tipos de energía e n energía e léctric a.
• • • • •
5.2
Energía mecánica Energía química Energía térmica Energía solar Etc.
Generador de electricidad
Energía eléctrica
Generadores mecánicos
5.2.1 Dinamo Una dinamo es un generador de corriente contnua (c.c.); transforma energía mecánica (movimiento de giro) en energía eléctrica ( fig. 5.2).
Recuerda
• • •
Las fórmulas básicas para hallar la potencia (vatios) son:
W =I V W = I2 R
La generación de electricidad se basa en un principio fsico del magnetsmo; cuando existe movimiento relatvo entre un conductor (en la práctca, un bobinado) y una fuerza de campo magnétco, se genera en el conductor una f.e.m. Es por ello que sólo se obtene electricidad cuando se les aplica movimiento de giro.
Son un tpo de máquina eléctrica cuya estructura es similar a la de los motores eléctricos. Se utlizan como fuentes de energía para la luz en bicicletas, se han u tlizado en los coches para la recarga de la batería, se u tlizan para obtener una tensión de referencia proporcional a la velocidad en sistemas de regulación y control, etc.
W = V2 / R Cuanto más tiempo se a plica la potencia, mayor trabajo electrico se realiza: Trabajo=Potencia x tiempo
Dinamo
Tensión connua
Figur a 5.2. Dinamo; transforma la energía mecá nica en tensión continua.
5.2.2 Alternadores Un alternador es un generador de corriente alterna (C.A.), de ahí su denominación (fig. 5.3). Su estructura y funcionamiento es similar a la de las dinamos; ambos son máquinas eléctricas que transforman energía mecánica en energía eléctrica, cuyo funcionamiento se basa en el magne tsmo. Se utlizan, por ejemplo, como generadores de electricidad en los automóviles, para la recarga de la batería. Como los alternadores generan corriente alterna y la batería requiere corriente contnua, en el mismo alternador se encuentra un circuito que convierte la C.A. en C.C. (estos circuitos se llaman rectficadores). Los alternadores soncentrales asimismoeléctricas las máquinas u tlizadas para la generación de la energía eléctrica en las
66
Unidad 5 · Generadores de electricidad
Tensión alterna
Alternador
Figura 5.3. Alternador; convierte la energía mecá nica en tensión alterna.
En este caso, los alternadores son de tpo trifásico; aparecen tres fases, de ahí la denominación de corriente trifásica (fig. 5.4). Internamente, el alternador trifásico se basa en tres bobinados; en cada uno se genera una tensión eléctrica (fase), y cada fase está desfasada 120° entre sí. Vf1 Vf2 Vf3 U
X
N
Figura 5.4. Alternador trifásico; se basa en tres bob inad os, genera tres tensiones desfasadas 120 grados entre sí.
S Z W
Y V
Al haber tres bobinados aparecen 6 cables, pero al conectar las bobinas entre sí debidamente aparecen sólo 3 cables ( fig. 5.5), o bien cuatro cables (3 fases y neutro). Así es como nos llega la energía eléctrica normalmente, con 4 cables (3 fases y neutro); después, se distribuye en las plantas del edificio y a cada hogar nos llegan dos cables (una fase y neutro). Se utlizan alternadores trifásicos por cuestones económicas y de rendimiento eléctrico, en cuanto a la producción, transporte y distribución de la energía eléctrica.
Figura 5.5. Alternador trifásic o conectado para obtener tres cables de salida (3 fases). Esta forma de c onexión de las bob inas del alternador se llama conexión en triángulo.
67
Unidad 5 · Generadores de electricidad
5.3
Generadores químicos
5.3.1 Pilas Las pilas son generadores de corriente con tnua. Al igual que las dinamos, tenen un terminal positvo (+) y otro negatvo (−), entre los cuales aparece la tensión de salida. En la figura 5.6 se representa su simbología general.
+ Figur a 5.6. Símbolo g eneral de una fuente de tensión continua; una p ila, p or ejemplo.
En la figura 5.7 se muestran los formatos de pilas más picos. En su interior, por medio de una sustancia pastosa (electrolito), se produce una reacción química que da lugar a la fuerza electromotriz (f.e.m.). El proceso de transformación química es limitado; el tempo y su utlización hacen que se vaya agotando y van dejando de generar electricidad hasta quedar práctcamente descargada. Las pilas, excepto algunos tpos especiales, no son recargables. Pila po AAA Pila po AA
1,5 V
9V Figur a 5.7. La pila de 9 V es la normalmente utilizada en los polímetros (ade más de en otros aparatos electrónicos).
Actualmente se disponen de un tpo de pila normalizada (formato AA y otros), que si son recargables; se conocen por baterías recargables, y se utlizan normalmente en cámaras fotográficas digitales y otros aparatos electrónicos. 1.2.2.2
Acumulador
En general, los acumuladores son generadores de C.C. de srcen químico, que se caracterizan por su cualidad de poder ser recargados cuando se agotan. Una vez descargados, se regenera el proceso químico aplicándoles una corriente de carga, con lo cual vuelven a adquirir carga eléctrica. Así, en el proceso de carga se hace una transformación de energía eléctrica en energía química, y en el proceso de descarga la energía química se transforma en energía eléctrica. Los acumuladores suelen más voluminosos y de más potencia que las pilas, y con un electrolito líquido (agua destlada con ácido sulfúrico diluido). 1.2.2.3
Batería
Es la asociación de varios generadores, pilas o acumuladores, con el fin de obtener mayor potencia eléctrica (figura 5.8).
68
Unidad 5 · Generadores de electricidad
Recuerda
• • •
Un generador de electricidad es la fuente de energía de los sistemas eléctric os; proporciona potencia eléctrica (tensión y corriente). Para que exista circulación de corriente (I), se necesita una fuerza impulsora; voltaje (V).
Aunque una batería puede formarse por medio de pilas no recargables, normalmente se construyen en base a acumuladores lo cual permite obtener baterías recargables. Por ejemplo, las picas baterías de 12 V que se utlizan en los coches se basan en la asociación paralelo de grupos serie de 6 elementos acumuladores de 2 V, por ello se obtenen los 12 V picos (6 × 2 = 12 V). El electrolito es una mezcla de agua destlada con ácido sulfúrico (por lo cual se debe evitar su contacto con la piel o ropa).
+ + BATERÍA
+
Figura 5.8. Simbología general de una batería (agrupac ión de elementos generadores).
1.2.3 Célula solar fotovoltaica Las células solares fotovoltaicas son componentes realizados mediante materiales semiconductores (silicio) que generan una tensión eléctrica contnua, como si fuera una pila, cuando reciben energía solar. Su simbología general es como se representa en la figura 5.9.
+
Figura 5.9. Simbología general de una c élula solar fotovoltaic a.
Puesto que la tensión que genera tene polaridad, en un terminal aparece el polo positvo y en el otro el nega tvo. La tensión que genera una célula es baja, de unos 0,5 V (en circuito abierto, sin carga). Pero mediante la asociación de células en serie y en paralelo se obtenen tensiones mayores, por ejemplo de 12 V. El rendimiento obtenido es de alrededor de un 15 %; o sea, de cada 100 W que recibimos del Sol podemos aprovechar tan sólo 15 W. Una forma sencilla de experimentar, obtener una célula fotovoltaica, es mediante un fotodiodo (fig. 5.10). Se ha experimentado la generación de voltaje al ser iluminado el fotodiodo, y la tensión medida ha sido de aproximadamente unos 0,3 V. A esta tensión se le llama potencial fotovoltaico; el fotodiodo se comporta como una célula solar. Este dato el fabricante lo expresa por Open circuit Voltage (voltaje en circuito abierto), e indica un valor de 0,35 V para una potencia luminosa de 1 mW/cm2 (para una longitud de onda λ = 950 nm). Actualmente la utlización de células solares se va extendiendo cada vez más; se encuentran en aplicaciones como relojes, calculadoras, cargadores de baterías, etc. Pero su aplicación principal es la generación de energía eléctrica para el consumo doméstco, para lo cual se disponen de paneles solares, que son conjuntos de diversas células fotovoltaicas que pueden dar lugar a una potencia eléctrica considerable.
69
Unidad 5 · Generadores de electricidad
+
Sol BPW34 Figura 5.10. Un fotodiodo se pued e comportar como una célula solar fotovoltaica.
Actividades propuestas 1. Explicar tres tpos de generadores de electricidad, y en qué principio de conversión se basan para generar la electricidad.
2. En qué se diferencia una tensión trifásica de una monofásica, ¿qué ventajas tene? ¿De qué tpo es la tensión que producen las centrales eléctricas?
3. En una batería de coche, ¿qué tensión se genera? ¿En qué sustancia se basa el líquido interno, como se llama dicho líquido? ¿Qué se entende por elementos de la batería?
4. ¿En qué material se basa una célula solar fotovoltaica, y en qué principio se basa para generar la electricidad? ¿Qué valor de tensión pica genera? ¿De qué orden es su rendimiento? ¿Cuántas células serían necesarias para conseguir una tensión de 12 V?
5.4
Recuerda
• • •
En la tensión alterna la polaridad varía de forma periódica; se genera por medio de máquinas eléctricas denominadas alternadores. Las pilas, baterías y células solares generan tensión continua; la polarida d (+, –) no varía.
Fuerza electromotriz (f.e.m.)
La cantdad de carga eléctrica, culombios, que el generador produce requiere un cierto consumo de unidades de energía (mecánica, química, etc.), julios, que se transformarán en energía eléctrica. De la expresión del trabajo eléctrico se deduce la tensión que se genera:
Para que una carga se mueva entre dos puntos cuya d.d.p. es de 1 V, se requiere el trabajo de 1 J. Así, por cada vol to y culombio que se generen se consume un julio de energía (del tpo que sea):
A esta cantdad de julios transformados por culombio es lo que se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.); la tensión generada, que da lugar a la diferencia de potencial entre sus terminales. Está claro que para que el generador pueda suministrar corriente eléctrica es preciso que en su interior se vaya realizando un cierto proceso de trabajo, para que las cargas eléctricas vayan circulando (su función es pues análoga a la de una bomba hidráulica; la bomba, por medio de energía mecánica, hace que el agua vaya circulando). Y en este proceso energétco de transformación, en uno de los puntos del generador se produce una acumulación de cargas negatvas, electrones, que da lugar al terminal negatvo; y en otro punto se produce una deficiencia de electrones, terminal positvo. Por ello en los circuitos eléctricos, considerando el sentdo electrónico real fi
tvo del ( g. 5.11), lay corriente porpasar el circuito externo circula(donde saliendo polo nega generador, después de a través de la carga se del aprovecha la energía eléctrica), retorna al generador por el polo positvo. O sea, la circulación es de negatvo a positvo. Pero dentro del generador, la circulación de cargas va de positvo a negatvo.
70
Unidad 5 · Generadores de electricidad
(Sendo real)
Receptor de energía
Intensidad Figura 5.11.
RL (carga)
E
En el circuito, el sentido de la c orriente va del polo nega tivo (-) al polo positivo (+); pero dentro d el generado r, el sentido va d e positivo a negativo.
I
5.5
Resistencia interna
Como en toda transformación de energía, en los generadores, internamente, se producen unas ciertas pérdidas, que se transforman en calor, que hacen que todo el trabajo invertdo (mecánico, químico) no se transforme íntegramente en energía eléctrica. Y por ello su rendimiento (η), como es obvio, resulta inferior al 100 %.
La tensión que se obtene en los terminales del generador (Vg) , diferencia de potencial (d.d.p.), es srcinada por la fuerza electromotriz (f.e.m.) interna ( Eg) (fig. 5.12). Si el rendimiento del generador fuera del 100 %, al no existr ninguna pérdida, entonces la tensión de salida obtenida ( Vg) tendría el mismo valor que la Eg; pero debido a ciertas e inevitables pérdidas, la tensión obtenida siempre es algo menor que la Eg. Y esta pérdida, o bajada de tensión, es mayor conforme aumenta la corriente de salida. Es por ello que, en general, en todo generador (pila, batería, alternador, etc.) la tensión obtenida disminuye al aumentar la corriente de salida. Y este efecto de bajada de tensión se atribuye a lo que se denomina resistencia interna ( Ri) del generador.
Figura 5.12. La fuerza electromotriz (f.e.m.), generada c omo resultado de la transformación de energía, es lo que d a lugar a la tensión de salida ( V g ).
Así, la resistencia interna se puede de finir como el efecto de oposición al paso de la corriente que se presenta en el interior del generador debido a su propia naturaleza , dando lugar a una caída de tensión ( fig. 5.13). En general, en todo generador de tensión conviene que la resistencia interna sea lo más baja posible, para que las pérdidas sean mínimas. En un generador de tensión ideal, la resistencia interna debe ser por tanto nula ( Ri = 0). Como, por Kirchhoff, se tene que cumplir que: la tensión que se obtendrá en los terminales del generador y por tanto en la carga, será:
71
Unidad 5 · Generadores de electricidad
I
Resistencia interna (Ri)
Figura 5.13. En todo generado r de tensión se p roduce e n su interior un efecto de resistencia eléctric a q ue se de nomina resistenc ia interna (R i), y da lugar a una c aída de tensión (V Ri) que hac e que la tensión de salida ( V g ) sea menor a la f.e.m. (Eg ).
VRi = Ri
RL
Vg
Eg
Y como que VRi = Ri I, aparece la expresión general de todo generador: Y la caída de tensión en la resistencia interna, como es obvio, da lugar también a una pérdida de potencia eléctrica que se transforma en calor: En la práctca, el efecto de la resistencia interna se traduce en una bajada de la tensión del generador proporcional al aumento de la corriente de salida. Y en base a este concepto, en todo generador sin carga ( I = 0), en vacío, la tensión entre sus terminales (Vg) es igual a su fuerza electromotriz ( Eg), puesto que al ser I = 0 no se produce caída de tensión: Y en caso de cortocircuito (unión) de los terminales del generador (RL = 0), la corriente máxima de salida quedará limitada por la resistencia interna:
Un ejemplo práctco donde se manifiesta y por tanto se puede experimentar este efecto es en la batería del coche; al encender las luces, debido al aumento de consumo, se puede comprobar cómo su tensión disminuye. Y se puede decir que el efecto de resistencia interna es mayor conforme la batería se encuentra más descargada, ya que se comprueba que el efecto de caída de tensión es mayor.
Actividades pr ácticas Deducción experimental de la resistencia interna
Una forma general para deducir el valor de la resistencia interna de cualquier generador es: Se mide la tensión sin carga, o sea, para I = 0 (se supone nula la carga que representa el volmetro). Se aplica una cierta carga y se mide la tensión y la corriente de salida. Se aplica la fórmula:
Supongamos que queremos deducir la resistencia interna ( Ri) de, por ejemplo, una pila de 4,5 V (también podría ir bien una pila de 9 V, con portapilas de cables sueltos). Mediante el polímetro, sin carga (bombilla apagada), supongamos que se mide en los terminales de la pila 4,5 V (la tensión nominal), como se representa en la figura 5.14. Después actvamos el interruptor y se enciende la bombilla, ahora medimos la tensión en la pila con carga. Supongamos que se mide una tensión de 4 V (fig. 5.15). Necesitamos saber el valor de la intensidad, que también podemos medir con el polímetro. Supongamos que se mide una intensidad de 1 A. Se deduce que en la resistencia interna se produce una caída de tensión de 0,5 V para una corriente de 1 A; de lo cual se deduce el valor de Ri:
72
Unidad 5 · Generadores de electricidad
Actividades prácticas
I =0
4,5 V Ri
V 4,5 V 4,5 V
Figura 5.14. Med ida d e la tensión sin carga.
A 0,5 V
4V
Ri
1A
V 4,5 V
Figura 5.15. Medida d e la tensión con c arga.
O bien, se puede aplicar la expresión general:
Y además de esta caída de tensión de 0,5 V se producirá una pérdida de potencia de: que producirá un cierto calentamiento, ya que se transformará en calor: Así pues, la pila equivale a un generador de 4,5 V de tensión nominal con una resistencia interna de 0,5 Ω (es un ejemplo supuesto), como se muestra en la figura 5.16.
Ri = 0,5 4,5 V 4,5 V
Figura 5.16. C irc uito equivalente de la p ila, c on el valor de R i hallado.
73
Unidad 5 · Generadores de electricidad
Figura 5.17. En cualquier tipo de generador, apa rec e e l c onc epto d e resistencia interna.
Resumiendo, todo generador eléctrico se puede representar indicando su resistencia interna. Y cuanto más bajo sea su valor más perfecto será el generador, ya que se producirán menos pérdidas de energía en dicha resistencia. En un generador de tensión ideal su Ri debería ser cero, con lo cual su tensión sería constante independientemente de la corriente de salida; esto quiere decir que debería dar cualquier valor de corriente, lo cual práctcamente es imposible ya que todos los generadores de tensión tenen más o menos cierta resistencia interna. Por ejemplo, aproximadamente, en las pilas es menor a 1 Ω, en las baterías de coche es menor a 0,1 Ω y en las fuentes de tensión electrónicas se pueden conseguir valores del orden de 0,01 Ω; cuanto más se aproxima el generador a una fuente de tensión ideal, su resistencia interna es más baja. +
Energía solar
Tensión eléctrica
Ondas electromagnécas
Ri Señal eléctrica
G
Señal eléctrica
Micrófono
Sonido (Ondas acúscas)
Señal eléctrica
Diferentes elementos generadores de señaleléctrica Y no sólo deben considerarse como generadores a las pilas, baterías, dinamos, etc., sino que este concepto se ex tende a cualquier dispositvo que pueda generar electricidad. Otros dispositvos que pueden generar señal eléctrica se representan en la figura 5.17. • Antena:Transforma las ondas electromagné tcas en una señal eléctrica. • Micrófono:Transforma las ondas acústcas (sonido) en una señal eléctrica). • Cápsula de guitarra eléctrica: Transforma las vibraciones de la cuerda en señales eléctricas. • Célula solar fotovoltaica: Transforma la energía solar en electricidad.
5.6
Montaje serie de generadores
Al igual que con otros componentes, también se pueden asociar generadores en montaje serie, paralelo o mixto; obteniéndose así estructuras de generador con diferentes característcas en cuanto a la tensión y corriente que pueden proporcionar.
74
Unidad 5 · Generadores de electricidad En este tpo de montaje (fig. 5.18) se obtene una tensión total que es la suma de las tensiones de todos los generadores:
Y la resistencia interna total resultante es la suma de todas las resistencias internas:
+ r3
+
E3
Rit =r 1r+r 2 + ETE=E E1 + 2 +
Rit
r2
3 3
E2 ET
r1 E1 Figura 5.18. Conexión de tres generadores en serie y su c irc uito equivalente.
El valor de la corriente disponible, al ser un montaje serie, es igual en todos los generadores: Así pues, con estetpo de montaje se consigue aumentar la tensión, pero, en contrapartda, con un aumento de la resistencia interna total. Y en cuanto a la corriente disponible, está limitada por la máxima que pueda proporcionar uno de los elementos.
Ejemplo Supongamos 4 pilas de 1,5 V y de resistencia interna R = 0,2 Ω montadas en serie, alimentando a una carga de i 4 Ω, como se representa en la figura 5.19. La tensión y resistencia interna total del montaje es:
O sea, el montaje se comporta como una sola pila de 6 V y de resistencia interna Ri = 0,8 Ω.
0,2
I = 1,25 A
1,5 V 0,2 1,5 V
0,8 RL
4 0,2
5V 6V
1,5 V 0,2 1,5 V
Figura 5.19. Ω. 0,8 Montaje de 4 generadores (pilas) en serie; equivale a un solo generador de 6 V y de resistencia interna
75
Unidad 5 · Generadores de electricidad
Ejemplo La corriente por la carga será:
Tensión en la carga: Así pues, de los 6 V totales, la carga sólo recibe 5 V; se produce una pérdida de 1 V, debido a la caída de tensión en el total de resistencia interna: O sea, que el generador total entrega una potencia de: que se distribuye entre la resistencia interna total y la carga:
5.7
Montaje paralelo de generadores
Con este tpo de estructura se consigue obtener una mayor corriente de salida (fig. 5.20), ya que la corriente por la carga es la suma de las corrientes de cada generador. Así, por ejemplo, con tres pilas de 9 V que puedan proporcionar cada 1 A se puede alimentar una carga de 3 A.
I1 r1
I2 r2
I3 r3 RL
E1
Figura 5.20. En el montaje paralelo de generadores, la corriente total se divide entre todos los generadores; se consigue mayor corriente de salida y menor resistencia interna.
E2
E3
IL
= I1
+ I2 + I3
En este tpo de montaje se debe tener la precaución de conectar debidamente las polaridades de los generadores; todos los posi tvos (+) unidos en un punto, y todos los negatvos (−) unidos en otro punto. En el caso del montaje serie, la conexión inver tda de algún generador hace únicamente que su tensión, en vez de sumarse, se reste; pero en el montaje paralelo, un generador mal conectado da lugar a una descarga general con una corriente que puede ser muy elevada y producir deterioros. Asimismo, todos los generadores deben ser de igual valor de tensión, ya que de lo contrario se producirían corrientes de descarga entre ellos. En cuanto a la resistencia interna total, resulta inferir a la del generador que la tenga más baja. Así,magnitudes: el montaje paralelo de, por ejemplo, los tres generadores da lugar a las siguientes Corriente de salida:
76
Unidad 5 · Generadores de electricidad
Tensión de salida: Resistencia interna:
Y como, normalmente, los generadores son iguales:
Ejemplo Supongamos dos generadores de 6 V y Ri = 0,5 Ω alimentando una carga de 4 Ω (fig. 5.21). El montaje de los dos generadores se comporta como un solo generador de:
Así, por la carga circulará una corriente de:
Cada generador proporcionará la mitad de la corriente de la carga, o sea: 1,412/2 = 0,706 A. Y en la carga habrá una tensión de: En la resistencia interna se pierden, en forma de caída de tensión: I = 1,412 A
0,706 A 0,5
0,706 A
0,5 5,65 V
6V
RL 4Ω
6V
Figura 5.21. Ejemplo prác tic o d el montaje de d os generadores en pa ralelo.
5.8
Montaje serie-paralelo degeneradores
En este tpo de montaje, al ser la combinación de los montajes serie y paralelo, se combinan los dos tpos de característcas; se consigue aumentar la tensión y la corriente. Por ejemplo, en la estructura del generador de la figura 5.22, se deduce que:
77
Unidad 5 · Generadores de electricidad
+ r2 E2
r4 E4
r1 Figura 5.22.
E1
r3 E3
Montaje mixto d e generadores.
Es una estructura de generador u tlizada cuando se requieren potencias elevadas, ya que elevadas, conectando en serie elementos delos baja tensiónserie se pueden conseguir tensiones y asociando en paralelo montajes se pueden conseguir elevadas intensidades. Aparecen pues las siguientes característcas: • Todos los grupos serie de generadores deben dar la misma tensión total; la tensión del generador resultante, ET, es igual a la de un grupo serie. • La corriente total en la carga viene dada por la suma de las corrientes de cada grupo serie. • La resistencia interna total queda determinada por la de uno de los grupos serie dividida entre el número de grupos (se suponen todos los grupos serie iguales).
Ejemplo Supongamos una estructura de generador como se muestra en la figura 5.23; tres grupos serie compuestos cada uno por tres generadores de 2 V y 0,25 Ω de resistencia interna.
0,25 2V
0,75 6V
0,25 2V 0,25 2V
0,25 6V
Figura 5.23. Ejemplo de montaje mixto de generadores, con su resultante.
Así, cada grupo serie es de 6 V y 0,75 Ω. La resistencia interna total será por tanto de 0,75/3 = 0,25 Ω. Y si cada grupo serie puede dar 3 A, en total se pueden obtener 9 A. Esta estructura es equivalente, pues, a un solo generador de 6 V que puede dar 9 A, con 0,25 Ω de resistencia interna.
78
Unidad 5 · Generadores de electricidad
Actividadesfinales Ejercicio 1.1. ¿A qué efecto práctco da lugar la transformación de julios por culombios que se da en el interior de un generador?
Ejercicio 1.2. ¿Qué se entende por resistencia interna de un generador? Ejercicio 1.3.Calcular el valor de la f.e.m. ( E) de un generador, sabiendo que su tensión de salida es de 12 V cuando proporciona la intensidad de 1 A y su resistencia interna (Ri) es de 0,5 Ω.
Ejercicio 1.4. Calcular el valor de la resistencia interna de un generador sabiendo que su tensión de salida en vacío (sin carga) es de 9 V y que al conectarle una bombilla que consume 2 A la tensión de salida baja a 8,3 V.
Ejercicio 1.5. Explicar las característcas básicas que se dan en el montaje serie de generadores.
Ejercicio 1.6. Tres pilas de 4,5 V y 0,5Ω de resistencia interna se conectan • • • •
en serie para alimentar una bombilla cuya resistencia del filamento (en caliente) es de 24 Ω. Calcular: La tensión y corriente que recibirá la bombilla La potencia perdida en la resistencia interna La potencia total que proporcionará el conjunto de las tres pilas La potencia que recibirá la bombilla
Ejercicio 1.7. Dos pilas de 9 V y 0,5 Ω de resistencia interna se conectan • • • •
en paralelo, alimentando una carga (RL) de 10 Ω. Calcular: La corriente y tensión que recibirá la carga La intensidad que suministrará cada pila La potencia que recibirá la carga La potencia perdida en el total de resistencia interna
Ejercicio 1.8. Supongamos que en el circuito mixto de la figura 1.24 las cuatro pilas son iguales (de 6 V y 0,1 Ω de resistencia interna), y que con él se alimenta a una bombilla cuya resistencia de filamento (en caliente) es de 5 Ω. Calcular: • La tensión y corriente que recibirá la bombilla • La intensidad que proporcionará cada pila + 0,1
0,1
6V
6V
0,1
0,1
6V
6V
Rf = 5 Ω
Figura 5.24. Circuito a calcular.
79
Unidad 6C irc uitos resistivos básicos:
Introducción al cálculo de c irc uitos
Objetivos: Entender, deducir el funcionamiento y sab er realizar el c álculo de c irc uitos resistivos básicos por medio de la ley de Ohm; esto es la ba se del cálculo de c irc uitos eléctric os y elec trónicos. Se realizan diversos ejercicios teóric o-prác ticos, ya que este es un tema fundamental; se puede c onsiderar impresc indible. También se explic an las leyes de Kirc hhoff y el teorema de Thévenin, ya que son la ba se para entender o c alcular circ uitos más complejos.
En este capítulo: 6.1 6.2 6.3
Ley de Ohm. C aída de tensión–diferencia de potencial. El circ uito serie.
6.4
El c irc uito pa ralelo.
6.5 6.6 6.7
C irc uitos serie–paralelo (mixtos). Leyes Kirc hhoff. Teorema de Thévenin.
Unidad 6 · Circuitos resis
Recuerda
• • •
En todo generador, existe resistencia interna ; lo cual da lugar a una c aída de la tensión de salida en función de la corriente de salida. En el montaje serie de generadores , la tensión total de salida es la suma de todas las tensiones. Se utiliza para aumentar la tensión de salida. En el montaje paralelo de generadores , la corriente total se divide entre todos los generadores (que tienen ser de la misma tensión). Se utiliza pa ra conseguir mayor corriente de salida .
6.1
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Ley de Ohm
La ley de Ohm (en honor al fsico alemán George Simon Ohm, 1789-1854) se puede decir que consttuye el fundamento del cálculo de los circuitos eléctrico-electrónicos. Por medio de esta ley se calculan los valores de voltaje, intensidad y resistencia; conociendo dos de estos tres valores fundamentales, se halla el otro valor. Y sus utlidades se extenden desde el circuito más elemental hasta los más complejos (técnicas operacionales, microelectrónica, etc.). Básicamente, la ley de Ohm dice: La intensidad de corriente que circula por un conductor de resistencia R es directamente proporcional al valor de la tensión (V) e inversamente proporcional al valor de su resistencia.
Esto se expresa por medio de la fórmula siguiente:
Así pues, el cálculo del valor de la intensidad (I) que circula en cualquier circuito se halla simplemente dividiendo el valor de la tensión ( V) entre el valor de la resistencia (Ω). Un ejemplo se ilustra en la figura 6.1. Así, la aplicación de la tensión de un volto (1 V) en la resistencia de un ohmio (1 Ω) hace que circule la intensidad de un amperio (1 A):
I = 1,2A R = 10 Ω
Figura 6.1.
I=
Ejemplo práctico de aplicación de la fórmula fundamental de la ley de O hm .
V 12 = = 1,2A R 10
12 V
Y de esta fórmula fundamental se deducen otras dos:
Basándonos en la ley de Ohm se pueden deducir por tanto ciertas de finiciones: •
•
•
Un amperio(1 A) es la intensidad de corriente que circula a través de una resistencia de Ω 1 cuando se le aplica la tensión de 1 V (figura 4.2a). Un ohmio(1 Ω ) es el valor de resistencia que tiene un conductor si cuando circula la intensidad de 1 A entre sus extremos aparece una tensión de 1 V (figura 4.2b). Un voltio(1 V) es la diferencia de potencial (tensión) que aparece entre los terminales de una resistencia Ω decuando 1 por ella circula la intensidad de 1 A (figura 4.2c).
81
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Recuerda
• • •
La intensidad de corriente que circula por un conductor de resistencia R es direc tamente proporcional al valor de la tensión (V) e inversamente proporcional al valor de su resistencia.
Actividades pr ácticas Ley de Ohm Una forma simple de experimentar la ley de Ohm es por medio del circuito que se muestra en la figura 6.2. Consiste en ir aumentando la tensión en una resistencia, por medio de una fuente de tensión variable, e ir tomando medida de la intensidad que circula. La representación de los resultados en forma gráfica debe dar lugar a una recta ya que la intensidad varía linealmente en función del valor de la tensión, según la expresión:
Ley de Ohm:
I = V/R
Ejemplo de valores que se ob tenen:
Y se sigue de esta manera hasta obtener la intensidad máxima, que será cuando la fuente de tensión ( VB) se ponga a 10 V:
Los valores obtenidos representados gráficamente dan lugar a una recta con una cierta pendiente ( figura 6.2), es una función lineal; la intensidad (IR) aumenta proporcionalmente al valor de la tensión que se le aplica ( VR). I A
V
VB
(0 a 10V)
IR = VR
VR 100
R = 100 Ω (1W)
IR
I
Figur a 6.2. Ejemplo prác tico pa ra experimentar la ley de O hm .
82
VR
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Actividades prácticas Otra forma de experimentar esta ley es mediante el circuito que se muestra en la figura 6.3. En este caso se trata de experimentar cómo la intensidad de corriente varía inversamente proporcional al valor de la resistencia, es decir; al aumentar el valor de resistencia ( R) disminuye el valor de intensidad (I), y al disminuir la resistencia aumenta la intensidad.
Intensidad
R1
100 Ω I=
VB R1 + RP VB = 12 V
Figura 6.3.
RP
1kΩ
Ejemplo d e c irc uito pa ra experimentar c ómo la intensidad (I) varía d e manera inversamente proporcional a la resistencia.
Para hacer esta experiencia se parte de una tensión constante. Y es cuestón de tomar medidas del valor total de resistencia (R1 + RP) y del valor de la corriente que circula y comprobar que se cumple:
Ejemplo: 1 Puesto , silaelintensidad valor de laserá: resistencia del potenciómetro se ajusta aque 500 RΩ, =el100 valorΩde
Así pues, variando el potenciómetro entre el valor mínimo (RP(mín.) = 0 Ω) y máximo de resistencia (RP(máx.) = 1 kΩ), se obtendrá:
Es evidente que la intensidad de corriente es menor al aumentar el valor de la resistencia, cumpliéndose siempre:
Actividades desar rolladas Ejercicio 1: Supongamos que la resistencia del filamento de una bombilla (encendida) es de 490Ω y está conectada a 220 V. ¿Cuál será el valor de intensidad que circulará?
Es cuestón de aplicar:
83
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Actividades desarrolladas Ejercicio 2: Cuál será la tensión entre los terminales de una resistencia de 150Ω si se mide una intensidad de 0,2 A?
La circulación de 0,2 A a través de la resistencia dará lugar a una tensión (diferencia de potencia entre los terminales) de:
Ejercicio 3: ¿Cuál será el valor de la resistencia de una estufa eléctrica conectada a 220 V si se mide una intensidad de 6,8 A?
Es cuestón de aplicar:
6.2
C aída de tensión-diferencia de potencial
sión 6.2.1 C aída de ten Se entende por caída de tensión en una resistencia, el voltaje que aparece entre sus terminales como consecuencia de la circulación de una corriente ( figura 6.4). A esta tensión entre terminales también se denomina diferencia de potencial (d.d.p.). Caída de tensión V VR = I × R
Figur a 6.4. C uando c irc ula intensidad por una resistencia, al voltaje que aparece entre sus terminales se le llama c aída de tensi ón .
R Intensidad (I) Y en base al sentdo convencional de la corriente (posi tvo a negatvo), la caída de tensión tene la polaridad que se indica en lafigura 6.4; el terminal por el cual entra tvo (−). la corriente aparece como polo positvo (+), y en el otro terminal como nega Supongamos, por ejemplo, una bombilla del coche conectada a la batería (12 V). Los cables de conexión suponen siempre una cierta resistencia, aunque sea muy pequeña; pero la tensión que se produzca en dicha resistencia es una caída de tensión, y es perdida porque ya no se dispone de ella en la bombilla. Así, en general, cuanto mayor sea la caída de tensión en la resistencia, menor será la tensión que se dispondrá en la carga (disposi tvo receptor).
6.2.2
Ejercicios de ejemplo
Ejemplo filamento (en caliente) tene 24 Ω, que se conecta a una Supongamos dede 124VΩcuyo Ejercicio batería de 121: V a través de una una bombilla resistencia (figura 6.5a). ¿Qué tensión recibirá la bombilla?
84
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Ejemplo R1 = 4 Ω
a) VB = 12 V
L (R fil. = 24 Ω ) Caída de tensión 1,71V 4Ω
Figura 6.5. Lamparita alimentada co n una fuente de 12 V a través de una resistencia. Debido a la caída de tensión que se produce en la resistencia, la lamparita rec ibe 12 – 1,71 = 10,29 V.
b)
I = 0,43A 10,29V
VB = 12 V
La tensión que recibirá la bombilla será igual a los 12 V de la batería menos la caída de tensión que se produzca en la resistencia: Siendo el valor de la caída de tensión en R1, por ley de Ohm: Y la Intensidad que circulará por el circuito, que entregará la batería, será:
Así, en la resistencia ( R ) se producirá una caída de tensión de: 1
Por tanto, como consecuencia de esta caída de tensión la bombilla recibirá una tensión de (figura 6.5b): O sea, los 12 V de la batería se han repartdo entre la resistencia y la bombilla: Este principio de caída de tensión no sólo aparece en las resistencias como componentes, sino que aparece también en los cables de alimentación de cualquier instalación, ya que todo conductor tene más o menos resistencia, como se expone en el siguiente ejemplo.
Ejemplo Ejercicio 2:Supongamos que mediante unos cables alimentamos el motor eléctrico de arranque de un coche desde la batería de otro coche (caso que se da cuando la batería está descargada; por medio de unos cables, “pinzas”, ponemos las dos baterías en paralelo). Si la longitud total de los cables da lugar a un efecto resis tvo de 0,02 Ω y la corriente en el arranque es de 100 A, en los cables de conexión se producirá una caída de tensión de: con lo cual, al motor de arranque no le llegarán los 12 V de la batería, sino sólo 10 V ( figura 4.7):
85
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Ejemplo Los 12 V de la batería se reparten entre la caída de tensión de los cables y el motor: La caída de tensión que se produce en los cables es una pérdida de energía, que no recibe el motor, y puede hacer que el arranque sea di ficultoso (aunque la batería esté cargada). Además, la energía eléctrica perdida en los cables y las pinzas de conexión se convierte en calor, que se puede notar al tocar las pinzas. (Esto ha sido una de tantas experiencias del autor). Resistencia total de los cables de la instalación: Rcables = 0,02
M
10V
VB = 12 V
I = 100A
Se pierden 2 V en los cables de la instalación: V = 100 × 0,02 = 2 V Figura 6.6. La c aída de tensión de los c ab les de la instalac ión hac en que el motor sólo reciba 10 V; se pierden 2 V.
En general, en toda instalación eléctrica se produce siempre una mayor o menor caída de tensión en los cables, que debe procurarse que sea mínima.
6.2.3 Diferencia de potencial (d.d.p.) Desde un punto de vista prác tco, se entende por diferencia de potenciala la tensión que se encuentra entre dos puntos de un circuito; se mide por tanto en voltos. Las tensiones, voltaje, siempre se tenen que medir con respecto a un punto de referencia. Cuando dicho punto de referencia se dice masa, esto indica que la tensión se mide con respecto a un potencial eléctrico de 0 V. Por tanto, masa significa potencial eléctrico cero , y es un nivel de referencia. Así, por ejemplo, el decir 20 V sin indicar con respecto a qué punto de potencial se mide no es correcto; es como hablar de una altura de 20 metros sin decir respecto a qué; se tene que indicar el punto base, la referencia. Por ello, a veces se habla de alturas con respecto al nivel del mar. Pues con los niveles de tensión ocurre lo mismo: se mide siempre entre dos puntos; cuando se habla de un nivel de voltaje se tene que hacer siempre en referencia o respecto a otro punto.
6.2.4 Ejemplos En una pila de 9 V existe una tensión (9 V), que es la diferencia de potencial entre los dos terminales. También se puede decir que en uno de los terminales existe una tensión de 9 V con respecto al otro terminal. Al circular corriente por una resistencia se produce una caída de tensión ; aparece una diferencia de potencial entre sus terminales.
86
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Entre los terminales de dos pilas de 9 V conectadas como se muestra en la figura 6.7 aparece una diferencia de potencial de 0, V y no se encenderá la lamparita (I = 0); pero en cada uno de los terminales de la lamparita existe una diferencia de potencial de 9 V con respecto al otro punto de la pila ( nivel de referencia, masa). En cambio entre los dos polos posi tvos (+) de las pilas la diferencia de potencial es cero, ya que los dos tenen el mismo valor de potencial (no existe diferencia): dd. p. . =V0
No circula intensidad (I = 0)
Figura 6.7. Ejemplo práctico de una diferencia de potencial (d.d.p.) de 0 V. Aunque la lamparita está co nectada a dos pilas de 9 V, no se encenderá porque entre sus terminales latensión es 0 V, debido a que dichos terminales tienen el mismo potenc ial respec to al nivel de referencia (masa).
V1 = 9V
V2 = 9V
Masa, nivel de referencia (0 V) En cambio, conectando una pila de 4,5 V y otra de 9 V con el mismo montaje (figura 6.8), sí que se ob tene diferencia de potencial y la lamparita se encenderá. Y dicha diferencia de potencial, en este caso, será: Y si la resistencia del filamento (Rfil.) es de 20 Ω, dará lugar a una corriente de:
dd.p.. = 4,5 V
I = 0,225A
Figura 6.8. El mismo montaje anterior (figura 6.7), pero c on una d e las pilas de 4,5 V. En este caso, al estar a diferente potencial sus terminales, la lamparita se encenderá p orque recibe una tensión de 4,5 V.
V1 = 9V
V2 = 4,5V
d.d..p = 18 V
(R fil. = 20 Ω)
Figura 6.9. Conectando las pilas de esta manera, entre los terminales de la lamparita ap arece una tensión que es la suma de lascomo tensiones deque las queda pilas. Así es tienen r c onec tada s las pilas en los ap aratos que se alimentan c on varias pilas (rad ios, c alculado ras, relojes, e tc.).
I = 0,9A V1 = 9V
I=
18
V2 = 9V
= 0,9A
20
87
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos También se obtene diferencia de potencial si las dos pilas de 9 V del circuito de la figura 6.7 se conectan como se indica en la figura 6.9; en este caso la diferencia de potencia será de 18 V: Mediante la ley de Ohm y los conceptos sobre los principios fundamentales de la electricidad, se pueden analizar y calcular los circuitos eléctrico-electrónicos en su aspecto básico.
6.3
El circ uito serie
En principio, recordamos que en todo montaje serie: • • •
6.3.1
Por todos los componentes circula el mismo valor de intensidad. La suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión del generador. La resistencia total es igual a la suma de todas las resistencias.
Ejercicios de ejemplo
Ejercicio 1 Dado el circuito serie de la figura 6.10, primeramente calcularemos el valor de la intensidad de corriente que entregará el generador, y que será el que circulará por las tres resistencias. Seguidamente, comprobaremos cómo la tensión del generador se reparte entre las tres resistencias, y la suma de las caídas de tensión de las tres resistencias es igual a la tensión del generador.
R1
30 Ω
R2
20 Ω
VG = 10V
IT R3
50 Ω
Figura 6.10. C ircuito de tres resistencias en montaje serie.
Un principio fundamental que hay que tener siempre en cuenta es: La energía eléctrica que entrega un generador a un circuito se reparte siempre entre todos sus componentes; o sea, la suma de las energías eléctricas de todos los componentes no puede ser ni mayor ni menor que la que entrega la fuente de energía (generador).
Precisamente uno de los principios fundamentales de la fsica, dice: La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma(aunque en toda transforma-
ción siempre se produce cierta pérdida…). Cálculo de la intensidad
Al ser la resistencia total del circuito:
88
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
el valor de la corriente que entregará el generador será:
Y este será el valor de corriente que circulará por el circuito, por cada una de las resistencias. El valor de la caída de tensión en cada una de las resistencias será, pues:
La suma de las caídas de tensión debe ser igual a la tensión que proporciona el generador; lo cual se veri fica rápidamente, pues: Otra forma de expresar esto es: En la figura 6.11 se muestra el circuito con los resultados obtenidos.
IT = 0,1A
R1
3V
R2
2V
R3
5V
30 Ω
20 Ω
VG = 10V
Figura 6.11. C aídas de tensión que se producen en las resistencias, como consecuencia de la circulación de
50 Ω
una intensidad de 0,1 A.
Ejercicio 2 En un circuito compuesto por 10 bombillas iguales conectadas en serie a 220 V se mide una intensidad de 250 mA (figura 6.12). Hallar la tensión que reciben las bombillas y la resistencia del filamento.
250mA
L1 L2
220V
L3
Figura 6.12. C ircuito de 10 bombillas en montaje serie c onec tada s a 220 V. La intensidad que c irc ula es 250 mA.
L10
89
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Recuerda
• • •
C aída de tensión en una resistenc ia , es el voltaje que aparece entre sus terminales como consecuencia de la circulación de una c orriente.
Diferencia de potencial, es la tensión que se encuentra entre dos puntos de un circuito (por ejemplo, de una resistencia o una pila).
Al tratarse de bombillas iguales, todas recibirán la misma tensión y su suma debe dar 220 V. Por tanto:
Y la resistencia del filamento será, pues: Puesto que 250 mA ⇒ 250 × 0,001 = 0,25 A:
Otro razonamiento para el cálculo es: Conociendo la corriente del circuito, se puede calcular la resistencia total:
Y al ser bombillas iguales, la resistencia de los filamentos es la misma, que se deduce es:
Y también se calcula que la tensión en cada bombilla es:
6.4
El circuito paralelo
En primer lugar, recordamos que en los circuitos de tpo paralelo: • • •
Todos los componentes tenen la misma tensión (que corresponde con la tensión del generador). La corriente que circulará por cada uno de los componentes depende de su valor resis tvo (y del valor de la tensión del generador). La resistencia total es siempre menor que la del componente de más bajo valor (su valor se halla mediante una fórmula).
6.4.1 Ejerc icio de ejemplo Partmos de los mismos componentes que los del ejemplo anterior, pero haciendo un circuito paralelo (figura 6.13). Calcularemos la intensidad que circulará por cada una de las resistencias y seguidamente comprobaremos cómo la suma de dichas intensidades es igual a la intensidad que entrega el generador. IT
I1 VG = 10V
Figura 6.13. C ircuito de tres resistencias en montaje pa ralelo.
Intensidades parciales
90
R1
30 Ω
I2 R2
20 Ω
I3 R3
50 Ω
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Así, el generador entregará una corriente total de: Y si partmos de que la resistencia total del circuito paralelo viene dada por:
La intensidad total también puede hallarse por la ley de Ohm:
lo cual coincide con la suma de las corrientes parciales. En la figura 6.14 se muestra el circuito con los resultados obtenidos. IT = 1,03A
R1
R2
30 Ω
R3
20 Ω
50 Ω
10V
VG = 10V
I1 = 0,33A
Figura 6.14. C irc uito con los valores de las intensidade s ca lculadas.
6.5
I2 = 0,5A
I3 = 0,2A
Circuitos serie-paralelo (mixtos)
Son circuitos en los cuales aparecen los dos tpos de montajes fundamentales: serie y paralelo. Estas estructuras de circuitos se denominan circuitos mixtos, y aparecen a menudo en la técnica electrónica. Su análisis se basa en descomponerlos en sus circuitos básicos serie y paralelo. En la figura 6.15 se muestra la estructura del circuito mixto más simple; una resistencia en serie con otras dos en paralelo.
Figura 6.15. C irc uito mixto elemental (el más simple).
El valor resultante total de resistencia a que da lugar el circuito fácilmente se deduce que es:
Su desarrollo por partes se ilustra en la figura 6.16.
91
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
RA =
100 × 47 = 32 Ω 100 + 47
RT = 123Ω
Figura 6.16. Otro ejemplo de circuito mixto, más complicado, desarrollado por partes para hallar el valor de RT, se muestra en la figura 6.17.
Desarrollo por partes para llegar al valor de resistencia total (R T).
RRRR = 3+ A
RB =
4
+
5
R2 ⋅ RA R2 + RA
Figura 6.17. Desarrollo por partes para llegar al valor de resistencia total.
= 1+ RRRR T
B
+
6
Cuando se tene algo de práctca, por simple observación se puede deducir la fórmula del valor de resistencia total que, en este caso, aparece:
92
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Ejemplo Dado el circuito que se muestra enfila gura 6.18, calcular la tensión y la intensidad en cada resistencia.
Figura 6.18. C ircuito mixto que hay q ue calcular.
En primer lugar se calcula la resistencia total, que se deduce que es:
De aquí se halla la corriente total, que se obtene por:
Este es el valor de corriente que entregará el generador ( VB) y que, como se deduce, circulará también por R1, por el valor resultante de R2 y R3 en paralelo (IR2//R3) y por R4. Así pues: Y conociendo el valor de dichas corrientes se ob tene el valor de la caída de tensión en cada resistencia:
R2 deduce Como que se y R3 están en paralelo, su tensión es la misma, cuyo valor queconectadas es:
Otra forma de deducir el valor de VR2//R3 implica que se cumpla: Se deduce, pues, que: Y los valores de las corrientes que circulan por R2 (IR2) y por R3 (IR3) serán las siguientes:
En la figura 6.19 se muestra el circuito con los valores de tensión y corrientes calculadas.
93
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Ejemplo IR 2 = 0,068A
91 Ω
VR1 = 9,4V
47 Ω
VR1/R 2 = 6,2V
VR 4 = 4,4V
22 Ω IR 4 = 0,2A
IR 1 = 0,2A
47 Ω IR 3 = 0,132A IT = 0,2A
Figura 6.19. C ircuito anterior( figura 6.18) con los valores de tensión y corrientes.
VB = 20V
6.6
Leyes Kirc hhoff
Existen varios métodos sobre análisis y cálculo de circuitos: Kirchhoff, Maxwell, Thévenin, Norton, Millman, etc., entre los cuales destacamos, por considerar fundamentales, los de Kirchhoff y Thévenin. Por medio de estos métodos se pueden calcular circuitos más o menos complejos, cuyo análisis no resulta posible aplicando únicamente los principios de la ley de Ohm.
6.6.1
Principios básicos
En todos los circuitos eléctrico-electrónicos aparecen a menudo los términos: Nudo:Se entende por nudo en un circuito a un punto de unión donde concurren varias corrientes; normalmente, es la unión de más de dos conductores. Por ejemplo en el circuito de la figura 6.20, son nudos los puntos 1 y 2, ya que en cada uno de ellos concurren tres corrientes (y es la unión de tres conductores).
Figura 6.20. Rama: Se entende por rama el conjunto de componentes que se encuentran entre dos nudos consecutvos. Siguiendo con el circuito de ejemplo anterior ( fig. 6.21), los componentes que se encuentran entre los puntos a y b ( R1 y el generador E1) a y c (E2 y R2) son otra constytuyen una rama, componentes entreotra los rama. puntosAsí, rama la resistencia R3 los (puntos a y d) forman cada rama consttuye una ramificación de la corriente (en el circuito aparecen tres ramas y tres corrientes diferentes).
94
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Figura 6.21. C ircuito do nde ap arecen dos mallas (adba y acd a) y tres ramas
Malla:Es el conjunto de ramas que forman un circuito cerrado. En el circuito anterior (figura 6.21), aparecen 2 mallas. Malla 1: Se forma por dos ramas; la rama ab (E1 y R1) y por la rama ad (R3), y la malla se indica por los puntos con las letras abda (un circuito cerrado). Malla 2: Se indica por los puntos adca, formada por otras dos ramas (componentes E2, R3 y R2).
6.6.2
Ley de los nudos
La suma de las corrientes que entran en un nudo es igual a la suma de las corrientes que salen. Esto se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera:
El signo Σ (sumatorio) representa la suma de un grupo de valores. Y esto es equivalente a decir que la suma algebraica de las corrientes que concurren en un nudo es igual a cero . Matemátcamente: El término algebraico significa que se tenen que tener en cuenta unos signos (+, −) en las magnitudes; por lo general, se establece el signo + para las corrientes que entran y el signo − para las que salen. fi
Por ejemplo, en el nudo que se representa a contnuación ( g. 6.22): I2 I1
I3
Figura 6.22. C irc uito anterior (figura 4.20) con los valores de tensión y corrientes.
I4
Si se toman con signo posi tvo (+) las corrientes que entran al nudo y con signo negatvo (−) las corrientes que salen del nudo, en base a las expresiones anteriores se puede poner:
Y en el circuito de ejemplo (figura 6.23), se tene:
95
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Figura 6.23. C oncurrencia d e intensidades en los puntos 1 y 2.
6.6.3
Ley de las mallas
En toda malla, la suma algebraica de las tensiones de todos los generadores (f.e.m.) y de todas las caídas de tensión (I · R) en las resistencias es cero:
El término algebraico indica que se deben tener en cuenta signos (+, −), polaridades, en las magnitudes de las tensiones de los generadores (f.e.m.) y de las caídas de tensión (I · R). Y como la suma de todo debe dar cero, se deduce que uno de los sumandos debe aparecer con signo contrario con respecto al otro. En base a lo anterior, la ley de las mallas también se puede expresar de otra manera más práctca: En una malla, la suma de las tensiones de todos los generadores (teniendo en cuenta las polaridades) es igual a la suma de todas las caídas de tensión en las resistencias:
Para obtener las ecuaciones de malla es obvio que se deben tener en cuenta signos, polaridades, en los generadores y caídas de tensión de las resistencias. En las caídas de tensión de las resistencias (I · R), el punto por el cual entra la corriente en la resistencia se toma como polo positvo (figura 6.24a). Aunque es evidente, recordamos que en la conexión serie de elementos con voltaje se puede obtener una suma o una resta, según como se encuentren las polaridades (figura 6.24b). VR = R × I
R I EEEE = T
Figura 6.24. a) Polaridad de la ca ída d e tensión en una resistencia. b)elementos En el montaje serie de con tensión, se p ueden produc ir sumas y restas de tensión (según cómo se conecten).
96
1
−
2
+
3
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Por ejemplo, en el circuito de la figura 6.25 aparecen las polaridades y términos algebraicos representados. Teniendo en cuenta estas polaridades, la suma de todas las tensiones de la malla, como debe ser, da cero:
VR 1 = R1I
10V R1
+ E2
20 Ω E2
- E3
3V I = 0,5A
E3
3V
E1
12V 4Ω
+ E1
R2
2V
Figura 6.25. C irc uito c on valores prácticos y sus expresiones algebraicas.
VR 2 = R2 I
O bien, se deduce que la suma de las tensiones de todos los generadores (E) es igual a la suma de todas las caídas de tensión (I · R):
6.6.4 Circuitos de ejemplo En el circuito de la figura 6.26, en base a que la suma algebraica de todas las tensiones de los generadores (f.e.m.) es igual a la suma de todas las caídas de tensión en el circuito, aparece: cuyo resultado es evidente, por lógica.
IT = 0,1A
R1
3V
R2
2V
30 Ω
E = 10V
20 Ω
Figura 6.26. Circuito práctico en el cual se puede co mprobar de forma sencilla la ley de las mallas de Kirchhoff: la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión del generador ( E).
R3
50 Ω
5V
97
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos Y si nos basamos en que la suma algebraica de todas las f.e.m. y caídas de tensión es igual a cero, se llega al mismo resultado: Por simple observación de las polaridades de todos los elementos del circuito [generador (E) y VR], se deduce que la suma algebraica de todas las tensiones del circuito (f.e.m. y caídas de tensión) da cero, o bien, la suma de todas las caídas de tensión de las resistencias (VR) es igual a la tensión del generador de f.e.m. (E). Un ejemplo práctco con el cual queda claramente mani fiesto la ley de los nudos, es mediante el circuito paralelo que se muestra en la figura 6.27. Como es fácil de comprender, en el nudo 1 se cumple que: Y en el nudo 2:
IT = 1,03A I3 = 0,2A
I1 = 0,33A
1 I = 0,5A 2 R1
E = 10V
R2
30 Ω
R3
20 Ω
50 Ω
Figura 6.27. Circuito práctico en el cual se c omprueba la ley de los nudos de Kirc hhoff: la suma de las intensidades que entran en un nudo es igual a la suma de las intensida des que salen.
2 I1
I3 IT
6.7
Teorema de Thévenin
La técnica de análisis de circuitos que se explica en este apartado ( Thévenin) es de suma importancia tanto en electricidad como en electrónica. Tiene como especial característca que se puede aplicar tanto a nivel teórico como práctco; o sea, el teorema de Thévenin se puede aplicar también experimentalmente, mediante medidas de tensión (V) y resistencia ( Ω) en el circuito. El teorema de Thévenin se puede expresar diciendo: Figura 6.28. Ilustrac ión sobre el teorema de Thévenin. El conjunto de fuentes de tensión y de resistencias del circuito complejo dan lugar a una sola fuente de tensión y una sola resistencia.
El conjunto de componentes entre dos puntos de un circuito, en el cual pueden encontrarse diversos generadores y resistencias, tene por equivalente a un circuito que se compone simplemente por un solo generador con una resistencia en serie figura ( 6.28).
IL
IL
Circuito complejo
RTH RL
98
G
VTH
RL
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Así, por medio de este principio fundamental es posible simpli ficar circuitos más o menos complejos y poder hacer así su análisis de una forma sencilla.
6.7.1 Ejemplo de aplicación Un ejemplo de aplicación de Thévenin se muestra en la figura 6.29. Se trata de un circuito muy utlizado en electrónica, denominado puente de Wheastone. El cálculo de la corriente que circula por la resistencia de carga (RL) se halla fácilmente partendo del equivalente Thévenin, sin más que aplicar la ley de Ohm:
Para llegar al circuito equivalente de Thévenin, como es obvio, deben hallarse los valores de VTH y RTH, lo cual requiere realizar ciertas operaciones; es “thevenizar” el circuito. Circuito complejo
Equivalente Thévenin IRL = 3mA
R1
1K Ω
R3
330 Ω
A IRL
A
E 12V
R2
R4
470 Ω
820 Ω
RL
1K Ω
RTH 555 Ω VTH 4,72V
RL
1K Ω B
B Figura 6.29. Ejemplo de circuito p rác tico con su equivalente Thévenin.
Voltaje Thévenin (V ): TH
La tensión Thévenin (VTH) es la tensión que aparecería entre los terminales de salida del circuito complejo considerando la carga (RL) desconectada; esto se puede llamar tensión en vacío. Este valor se puede obtener teóricamente, por cálculo, o simplemente, si se trata de un montaje práctco, midiendo la tensión de salida con el volmetro (habiendo antes desconectado la resistencia de carga, RL). En el circuito de la figura 6.29, el valor de VTH se obtendría calculando la tensión entre los terminales A y B de la salida (considerando desconectada la carga RL) o bien, simplemente, midiendo con un volmetro la tensión entre dichos terminales (lo cual daría 4,72 V). Resistencia Thévenin (RTH):
Es el valor de resistencia que aparece entre los terminales de salida del circuito complejo, considerando la resistencia de carga RL desconectada y la tensión del generador (o generadores) igual a cero ( E = 0 V). El valor de RTH se puede hallar teóricamente, por cálculo del valor total de resistencia, o bien experimentalmente por medio de un óhmetro; se supone el generador con tensión igual a cero ( E = 0 V), que es equivalente a considerar que está cortocircuitado, y se mide la resistencia entre los terminales de salida (en el caso del circuito de la figura 6.29, se obtendrían 555 Ω).
Actividades desar rolladas Dado el circuito representado en la figura 6.30 (divisor de tensión), calcular la intensidad que circulará por la resistencia de carga (IL), y la tensión de salida (VL) para RL = 820 y RL = 1K2.
Se trata de un circuito que se conoce por divisor de tensión, muy utlizado en electrónica para obtener determinadas tensiones de salida que son una fracción de una tensión de entrada.
99
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Actividades desarrolladas
R1
100 Ω
IL
VB
20V
R2
VL
100 Ω
Figura 6.30.
RL
C ircuito anterior( figura 6.29) con los valores de tensión y corrientes.
Para obtener el circuito de Thévenin equivalente, se tene que hallar el valor de VTH y de RTH, lo cual se representa en la figura 6.31. Considerando la resistencia de carga (RL) desconectada (figura 6.31a), se deduce que VTH = 10 V:
En un circuito divisor de tensión como este, cuando las dos resistencias son del mismo valor, siempre aparece una tensión de salida que es la mitad de la tensión del generador; la tensión del generador se divide entre las dos resistencias a partes iguales. Y el valor de RTH, considerando la tensión del generador igual a cero ( VB = 0 V) (figura 6.31b) se obtene:
I = 0,1A R1
R1
100 Ω
100 Ω
IL = 0
VB
20V
R2
100 Ω
10V VTH
R2
50 Ω RTH
100 Ω
Figura 6.31. a) Tensión Thévenin. b) Resistencia Thévenin.
a)
b)
Como es obvio, dos resistencias en paralelo del mismo valor siempre dan un valor resultante que es la mitad del valor de una ellas. Así pues, el circuito equivalente de Thévenin que se ob tene es el que se muestra en la figura 6.32. Las corrientes y tensiones de salida son: Intensidad de salida para RL = 820 Ω:
Lo cual da una tensión de salida: VL = RL IL = 820 × 0,0115 = 9,425 V
100
Unidad 6 · Circuitos resis
tvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Actividades desar rolladas Intensidad de salida para RL = 1K2:
Siendo la tensión de salida: VL = RL IL = 1200 × 0,008 = 9,6 V
RTH
R1
100 Ω
IL
50 Ω
IL
VB
20V
R2
VTH 10V
RL
100 Ω
RL
Figura 6.32. C irc uito divisor de tensión c on su equivalente Thévenin.
Actividadesfinales Ejercicio1. En base a la Ley de Ohm, dar una definición de la unidad de intensidad eléctrica amperio. Ejercicio 2. a) ¿Qué valor de intensidad circulará por una resistencia de 10 Ω conectada a una batería de 12 V? b) ¿Calcular la tensión que habrá entre los terminales de una resistencia de 5 Ω si la intensidad que circula es de 2 A? c) ¿Cuál será el valor de una resistencia por la cual circula una corriente de 100 mA y está conectada a una batería de 6 V?
Ejercicio 3.Definir el concepto de caída de tensión en una resistencia. Ejercicio 4.Dar una explicación práctca sobre el concepto de diferencia de potencial (d.d.p.). Ejercicio 5.Calcular el valor de la tensión y corriente en las resistencias de los circuitos siguientes: R = 3Ω
VB1
VB2
6V
6V
a)
2Ω
3Ω
R1
R2
VB1
VB2
6V
12V
b)
Ejercicio 6.Calcular el valor de la resistencia que se debe poner en serie con una lamparita de 6 V para que se encienda normalmente mediante una batería de 12 V. Se sabe que el consumo de la lamparita es de 300 mA.
101
Unidad 6 · Circuitos resistvos básicos: Introducción al cálculo de circuitos
Actividadesfinales Ejercicio 7. Calcular el valor de la tensión y corriente en cada una de las resistencias del circuito siguiente:
R1
60 Ω
R2
VB = 20V
40 Ω
R3
100 Ω
Ejercicio 8. Calcular la corriente total que entregará la fuente de tensión, VB, en el circuito siguiente:
R1
VB = 10V
R2
2Ω
4Ω
R3
5Ω
Ejercicio 9. Calcular la tensión y la corriente por cada una de las resistencias del circuito siguiente: 2Ω
4Ω
6Ω
R1
R2
R3
VB1
VB2
12V
12V
Ejercicio 10.Calcular el valor de la tensión en la resistencia R2 del circuito siguiente: R2 R1
9,1 Ω
R4
4,7 Ω
R3
2,2 Ω
R5
4,7 Ω
12 Ω
10 Ω
VB = 10V
102
R6
Unidad 7Condensadores
Objetivos: El condensad or esun componente, al igual que las resistencias, imprescindible en prác ticamente todos los circuitos electrónicos. Por ello, se debe saber la función básica que realiza dicho componente, así como sus aplicaciones que permite realizar. Por ello, se deben conocer los distintos tipos de condensadores y sus características prácticas básicas, así como sus aplicaciones características c omo elemento básic o d e temporizaciones (retardos) y sus montajes básic os.
En este capítulo: 7.1 7.2 7.3
Función que realiza el c ondensad or. C arga del co ndensad or. Desc arga del c ondensad or.
7.7 7.8
C arac terístic as práctic as de los condensadores. Tipos de c ondensadores.
7.4 7.5
C onstitución física del condensad or. C onstante de tiempo (en la descarga).
7.9
Montaje de co ndensad ores en pa ralelo.
7.6
C onstante de tiempo (en la c arga ).
7.10 Montaje de condensad ores en serie. 7.11 Aplicac iones prác ticas del condensador.
Unidad 7 · Condensadores
Recuerda
• • •
Leyes de Kirchhoff: - La suma de las corrientes que entran en un nudo es igual a la suma de las corrientes que salen. - En una malla, la suma de las tensiones de todos los generadores es igual a la sumade detens todas caídas ión las en las resistencias.
Teorema de Thévenin: El conjunto de componentes entre dos puntos de un circuito, tiene por equivalente a un circuito que se basa en un generador con una resistencia en serie.
7.1
Función que realiza el condensador
Los condensadores, al igual que las resistencias, son componentes básicos normalmente utlizados en electricidad y electrónica. En todos los aparatos de electrónica (y muchos eléctricos) se encuentran condensadores. Tanto las resistencias como los condensadores son componentes básicos imprescindibles, por lo cual se encuentran en todos los aparatos eléctrico-electrónicos. Básicamente, la función que realiza el condensador es almacenar carga eléctrica (culombios). Se comporta como una especie de “almacén de electricidad”, cuyo símil hidráulico puede ser un depósito de agua, o un simple vaso; el agua almacenada sería el equivalente a los culombios almacenados en el condensador. Se recuerda que un culombio es la unidad de carga eléctrica, y equivale a una gran can tdad de electrones:
Cuando al condensador se le aplica una tensión eléctrica, en base a un efecto de campo eléctrico que se produce en su interior, éste adquiere cierta magnitud de carga eléctrica (digamos, se llena de culombios); esto da lugar a que entre sus terminales aparezca una diferencia de potencial (V). Así, cuando el condensador se encuentra cargado se comporta en cierto modo como una pila; si se le conectará un LED podría dar lugar a un impulso de luz (si el condensador y su carga es la adecuada). Pero hay que tener muy en cuenta que la carga del condensador va disminuyendo conforme va cediendo corriente, y su descarga puede ser muy rápida. Los condensadores no son generadores de electricidad; sólo la almacenan. La simbología pica del condensador se representa en la figura 7.1.
Figur a 7.1. Simbología típica de los condensadores. a) Condensador en general. b) Condensador del tipo electrolítico (tiene polarida d).
a)
b)
Su aspecto práctco, según tpos, se muestra en la figura 7.2. En los condensadores nos podemos encontrar con diferentes tpos de aspecto según sean sus característcas. En general, son de mayor tamaño en función de la tensión que pueden soportar (y también de la capacidad que tengan).
Figur a 7.2. Aspec to prác tico de c ondensadores comerciales (típicos en electrónic a).
7.1.1
Ejemplos de aplicación del condensador
En circuitos de corriente contnua, se puede aprovechar la cualidad de los tempos tempos que pueden ser que requiere para cargarse y descargarse el condensador, de milisegundos y hasta horas. Esto permite realizar temporizadores ; circuitos de actvación-desactvación de dispositvos (LED, bombillas, motores, etc.) con cierto tempo de retardo. 104
Unidad 7 · Condensadores
Recuerda
• • •
La función que realiza el condensador es al-
macenar carga eléctrica (culombios ). 8e 1 Culombio6,2 =3 x 110
Mientras está cargado, aparece una tensión entre sus terminales, que va disminuyendo en función de (descarga). la corriente de salida
Por ejemplo: Unas luces que se puedan encender al ac tvar un pulsador y que permanezcan 5 minutos encendidas, y después se apaguen automá tcamente. O también, una sirena de alarma que suene sólo durante 3 minutos después de actvarse el sensor. En circuitos de corriente alterna, el condensador se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la frecuencia de la corriente alterna y de la capacidad del condensador; a este tpo de resistencia se denomina reactancia. Y también da lugar a un efecto de desfaseentre la intensidad y el voltaje, lo cual permite aplicaciones de corrección de los desfases que producen aparatos o componentes basados en bobinas (especialmente motores). Esta aplicación se conoce tva, y es algo muy importante sobre todo en la por corrección de potencia reac industria. A nivel doméstco, esta aplicación se puede encontrar en los circuitos de encendido con fluorescentes. Otra aplicación muy importante en electricidad es para eliminar chispas que se producen en los contactos de interruptores que controlan ciertas cargas (en especial, si hay componentes bobinados). En electrónica, el condensador se puede encontrar tanto en circuitos de corriente contnua como en circuitos alterna; sus aplicaciones son muy numerosas y diversas. Donde tene una aplicación muy destacada es en los circuitos de alimentación, en la conversión de corriente alterna a corriente contnua (rectficadores); en esta aplicación se comportan cargándose y descargándose con una cierta periodicidad, de manera que permiten obtener una tensión contnua aproximadamente constante, partendo de una tensión con tnua pulsatoria. Esta aplicación se llama filtrado, y es la más representatva de la función del condensador.
7.2
Carga del condensador
Por medio del sencillo montaje siguiente ( fig. 7.3) se puede comprobar el efecto de almacenaje de carga eléctrica del condensador.
Condensador cargado
4,5V
Figur a 7.3. Al aplicarle una tensión al condensador, éste queda ca rgad o; al d esco nectarlo, entre sus terminales se encuentra una tensión ap roximada mente igual a la fuente de tensión.
VC = 4, 5V
Al cerrar el interruptor, la fuente de tensión contnua (la pila, en este caso), por medio de una transferencia de electrones, hace que cada una de las placas del condensador adquiera la polaridad del polo de la fuente de tensión a la que está conectado; circula una cierta corriente mientras se carga el condensador. Al abrir el interruptor, debido a su característca de retener (almacenar) cargas, el condensador presenta entre sus terminales un voltaje práctcamente igual al de la fuente de tensión. Cuando el condensador está totalmente cargado no hay circulación de corriente por el circuito, por que el condensador tene la misma magnitud de tensión que la fuente; no existe diferencia de potencial entre ambos. En el circuito sólo existe circulación de corriente durante el tempo de carga del condensador.
105
Unidad 7 · Condensadores
Actividades pr ácticas C arga del condensador Por medio del circuito siguiente ( fig. 7.4), realizado con el programa simulador Multsim, se puede experimentar cómo el condensador se carga y mantene su carga aunque se desconecte de la fuente de tensión. Aunque esto se puede simular mediante el programa Multsim, es aconsejable que estas primeras experiencias práctcas se realicen con componentes reales; en este montaje, con una fuente de alimentación, un condensador de 100 F y el polímetro es suficiente. J1 Key = Space
100
F
12 V Figur a 7.4. Circuito práctico para experimentar la c arga del condensador.
Al cerrar interruptor, la tensión de la fuente (pila, batería, fuente de alimentación, etc.) se aplica al condensador ( fig. 7.5); y al abrir el interruptor se tene que medir en los terminales del condensador una tensión aproximadamente igual a la aplicada en la carga (fig. 7.6). Key = Space
100
F
12 V Figur a 7.5. Al cerrar el interr uptor se ap lica la tensión de la fuente y el c onde nsad or se c arga
Condensador cargado J1 Key = Space
100
F
12 V
Figur a 7.6. El c ondensador mantiene una tensión ap roximada mente igual a la ap licad a.
7.3
Descarga del condensador
Cuando el condensador se encuentra cargado mantene su carga durante un cierto tempo. Cuando se le conecte algún componente receptor, como puede ser una bombillita, un diodo emisor de luz (LED) o una simple resistencia, iniciará su proceso
106
Unidad 7 · Condensadores de descarga; que durará en función de la capacidad del condensador y de la can tdad de corriente que absorba el elemento receptor. Por medio de un circuito como el de la figura 7.7 se puede comprobar el efecto de descarga del condensador. Condensador cargado Figura 7.7.
Corriente de descarga
C uando el co ndensado r está c argado, a l conec tarle algún elemento de c onsumo de corriente éste se descarga, dando lugar a una corriente y una tensión (durante el tiempo que d ure la descarga).
VC = 12V
RL
V
Partendo del condensador cargado, al cerrar el interruptor, su carga eléctrica almacenada hace que circule una cierta corriente de salida a través de la resistencia RL, que dará lugar a su vez a una tensión: Conforme el condensador va cediendo corriente (descargándose), su carga almacenada se va haciendo menor hasta quedar prác tcamente descargado. Por ello, sólo existe corriente de salida durante el tempo que dura la descarga. Si en vez de utlizar una simple resistencia se pone un LED se puede llegar a observar un impulso de luz (cuya duración dependerá de la capacidad del condensador). Como es evidente, cuanto mayor sea la capacidad del condensador más can tdad de carga eléctrica puede almacenar y más tempo tardará en descargarse. En resumen, cuanto mayor sea la capacidad del condensador y mayor sea la resistencia por la cual se descarga, mayor será el tempo que tardará en descargarse. Y sólo puede existr circulación de corriente por el circuito durante los tempos de carga y descarga del condensador.
7.4
Constitución física del condensador
Básicamente, el condensador se consttuye por dos electrodos internos denominados placas(o armaduras) separadas por un aislante que se denomina dieléctrico(fig. 7.8); de ahí aparece la simbología general del condensador (dos placas separadas). La característca que tene de almacenar electricidad se basa en las propiedades que tenen los cuerpos de adquirir carga eléctrica por efecto de campo eléctrico. Como se sabe, cuando un cuerpo, por alguna razón, recibe electrones éste adquiere carga eléctrica negatva. Y si lo que hace es ceder electrones, entonces adquiere carga eléctrica positva.
Figura 7.8. C onstitución física del condensador (se basa en dos elementos metálicos separados por un aislante).
Placas
Dieléctrico (Aislante)
Pues al aaplicar entre sus placas la diferencia de potencial (voltaje) de un generador, debido efectos de campo eléctrico, cada placa se carga con la polaridad del terminal de la fuente a la cual queda conectada (fig. 7.9).
107
Unidad 7 · Condensadores
Condensador cargado Figur a 7.9. Al aplicar una tensión eléctric a a las plac as del condensador, por un efecto de campo eléctrico interno, las placa s queda n ca rgad as con la polaridad de la fuente de tensión.
VC = 9 V
9V
El generador suministra un flujo de electrones que da lugar a una cierta corriente de carga; así, de lo que realmente se carga el condensador es de unidades de carga eléctrica, culombios. Y como consecuencia de dicha carga eléctrica aparece una diferencia de potencial entre sus terminales, voltaje. Dependiendo de las característcas constructvas del condensador éste puede tener más o menos capacidad de adquirir carga eléctrica.
7.4.1 C apacidad del condensador Se denomina capacidad del condensador, a la relación entre la carga almacenada ( Q) y la diferencia de potencial a que da lugar (V):
Así, cuanto mayor sea la capacidad de un condensador mayor cantdad de carga eléctrica podrá almacenar. La unidad de capacidad se denomina faradio(F): La capacidad de un condensador es de 1 faradio si almacena 1 culombio y da lugar a una diferencia de potencial de 1 voltio:
La capacidad de los condensadores se expresa normalmente por medio de las siguientes unidades submúltplos del faradio (F): → 1 mF = 10-3 F
Milifaradio (mF) Microfaradio (
μF)
→ 1 μF = 10-6 F
Nanofaradio (nF)
→ 1 nF = 10-9 F
Picofaradio (pF)
→ 1 pF = 10-12 F
Y se deduce que: 1 mF = 1000μF 1 μF = 1000 nF 1 nF = 1000 pF
Así, por ejemplo, una capacidad de 0,1 F se puede expresar por 100 nF ó 100.000 pF. Ejemplo de expresiones de valores normalizados: 2200 F, 100 F, 220 nF, 47 nF, 33 nF, 1000 pF, 470 pF, 22 pF, etc. El factor K = 1000 también es utlizado en la expresión de capacidad del condensador; 1 K = 1000 pF = 1nF. Un ejemplo de expresiones es: 1K = 1nF, 22 K = 22 nF, 100 K = 100 nF, etc.
108
Unidad 7 · Condensadores
Ejemplo ¿Cuál será la carga almacenada por un condensador de 2200 F si lo conectamos a una fuente de tensión de 12 V? Pues la carga almacenada será:
Y dicha carga dará lugar a una tensión entre sus terminales de (casi) 12 V.
Medida de c apacidad con el tester Mediante el tester se puede conocer la capacidad de condensadores (dentro de una cierta gama de capacidades). La mayoría de testers disponen de unas entradas específicas para ello. Aunque la capacidad del condensador viene especificada en el cuerpo, a veces cuesta de ver o interpretar; por ello, muchas veces se acude al tester o a un instrumento capacímetro para saber el valor de la capacidad; en la figura 7.10 se muestra la medida del valor de un condensador de esta manera.
r o d a s n e d n o C
Figura 7.10. Medida del valor de un co ndensador c on e l tester.
7.5
Constante de tiempo (en la descarga)
En un condensador cargado, al conectarle un disposi tvo receptor, una resistencia en el caso más simple, éste inicia su proceso de descarga (fig. 7.11). Condensador cargado
Figura 7.11. Al c onec tar una resistencia a un co ndensado r ca rgado , éste inic ia su descarga (cuyo tiempo dependerá de los valores de C y R ).
VC = 10 V
C
RL
V
Al cabo del tempo determinado por la expresión:
la tensión del condensador desciende un 63,2 % de la carga que tenga. A esto se le denomina constante detempo, que nos viene a decir el tempo que tarda el condensador en descargarse un 63,2 %, con lo cual se queda con el 36,8 % del valor máximo que tenía cargado.
109
Unidad 7 · Condensadores Esto se puede expresar así:
El condensador se puede considerar práctcamente descargado al cabo de 5 constantes de tempo, o sea:
Actividades desarrolladas Si en el circuito anterior (figura 7.11) el condensador se encuentra cargado con 10 V y los valores del condensador y la resistencia son: C = 100 F R = 10 kΩ
El valor de la constante de tempo será: Esto nos dice que, si la tensión en el condensador es de 10 V, al cabo de 1 segundo de conectarle la resistencia la tensión habrá bajado a 3,68 V; se habrá descargado un 63,2 % (su tensión queda en un 36,8 % del máximo que tenia). O sea, se cumple lo que se puede representar por: Y al cabo de 5 segundos el condensador estará ya práctcamente descargado:
7.5.1 Curvas de descarga del condensador La descarga del condensador se produce según una curva exponencial muy pica. Según los valores del circuito del ejemplo anterior, la curva de descarga de la tensión que es como se representa en la figura 7.12.
VC
VC (máx .) Disminuye un 63,2 %
=RC ⇒ V≅C
0,368 VC (máx.)
0,368 VC
Figura 7.12. La descarga del condensador se produce según una c urva típica (exponencial).
t
τ
En dicha curva se representa cómo al cabo de una constante de tempo, la tensión del condensador ha descendido al 36,8 % del valor de la tensión inicial. Tanto la tensión como la corriente disminuyen de la misma manera, exponencialmente, según se representa en la figura 7.13. Descarga Condensador cargado
110
C
RL
Unidad 7 · Condensadores
VC Descarga de tensión
t
IC Descarga de corriente Figura 7.13. C urvas típica s de d escarga de la tensión y la corriente del condensador.
t Esto es así porque, por análisis matemátco, se sabe que la tensión en el condensador cuando se descarga se basa en la siguiente ecuación que da lugar a una curva del tpo exponencial:
Siendo: VC(0) = Tensión que tene el condensador t = Tiempo de descarga RL = Resistencia por la cual se descarga C = Capacidad del condensador e = 2,718 (base de los logaritmos neperianos)
Ejemplo Con los valores de C = 100 F y RL = 10 kΩ, si el condensador está cargado con 10 V, al cabo de 1 segundo de conectarle la resistencia su tensión sería:
Lo cual coincide con el concepto de constante de tempo:
Y como la descarga de la corriente del condensador también se basa en el mismo tpo de ecuación, que da lugar a una curva exponencial, la curva de descarga de corriente es igual que la de descarga de tensión:
Siendo IC(máx.) el valor de corriente máxima que se produce en el instante inicial de conectarle la resistencia (RL), que es:
111
Unidad 7 · Condensadores
Ejemplo Si la tensión en el condensador es de 10 V y la resistencia es de 10 kΩ, la corriente máxima, que se producirá en el instante inicial de conectarle la resistencia, será:
Así, los condensadores una vez cargados de electricidad se pueden descargar sobre cierto elemento receptor. Y una vez consumida su carga, el condensador queda descargado y puede volver a cargarse; es un elemento que puede almacenar electricidad.
7.5.2 Curva de carga del condensador En cuanto al proceso de carga del condensador, también existe el concepto de constante de tempo y existen unas ecuaciones picas, dando lugar a unas curvas picas de carga de tensión y de corriente. La curva de carga de la tensión en el condensador se produce también de forma exponencial; conforme va pasando el tempo el condensador se carga más despacio. El tempo de carga depende de la capacidad del condensador y del valor de la resistencia a través de la cual recibe la corriente de carga.
7.6
Constante de tiempo en la carga
Es el tempo que tarda el condensador en llegar al 63,2 % del máximo (la tensión máxima a que práctcamente puede llegar es la de la fuente de tensión VB que se le aplique). Viene dado por: Y se puede expresar también: El condensador se considera práctcamente cargado al cabo de 5 constantes de tempo, lo cual se puede expresar por: En el gráfico de la figura 7.14 se representa este proceso. Constante de empo:
VC
V C≅ 0,63 V =RC ⇒
VB
0,63 VB
Figura 7.14. C urva típic a (exponenc ial) de c arga del c ondensado r, c on sus valores más representativos.
112
0
τ
t
Unidad 7 · Condensadores
Ejemplo En el circuito de la figura 7.15, al cerrar el interruptor el condensador comenzará a cargarse. La constante detempo es: Esto quiere decir que al cabo de 10 segundos de cerrar el interruptor la tensión del condensador será el 63,2 % de 10 V; o sea, VC ≅ 0,63 VB = 6,3 V. Y el condensador estará práctcamente totalmente cargado al cabo de:
R = 100k Ω
10 V C = 100 µF
Figura 7.15. C ircuito de ca rga d e un condensador.
Actividades prácticas C arga-desc arga del condensador Mediante el siguiente circuito fig.( 7.16), realizado mediante el programa Multsim, pero que puede realizarse con componentes reales (y es lo aconsejable en un principio) puede experimentarse la carga y descarga del condensador.
Descarga
Carga A =Key
B =Key Condensador 100 µF
12V
R1 33k
Figura 7.16. C ircuito para experimentar el retardo de la descarga del condensador.
Procedimiento: • Se parte del condensador descargado, los dos interruptores (A y B) están abiertos. • Se cierra el interruptor A, con lo cual el condensador se cargará. El volmetro (tester en DCV) debe marcar aproximadamente la tensión de la (12 V). • Al abrir elfuente interruptor A, se debe observar que la tensión en el condensador es casi la misma (se supone que el interruptor B sigue abierto).
113
Unidad 7 · Condensadores
Actividades pr ácticas • Al cerrar el interruptor B el condensador se puede descargar a través de la resistencia R1. Se debe observar que la tensión va disminuyendo, conforme se va descargando el condensador. Como se sabe, el condensador, una vez cargado,tende a descargarse; y lo hará más rápido cuanto más bajo sea el valor de la resistencia por la cual se descarga y menor sea la capacidad del condensador. Con los valores del circuito, la constante de tempo es: El condensador se encontrará práctcamente totalmente descargado al cabo de: También podríamos experimentar partendo de un circuito como el representado en la figura 7.17.
Carga
-
+
Key = A R1 2,7k Figura 7.17. Circuito para experimentar la descarga d el c ondensador mediante el encendido de un LED. Al cerrar el interr uptor, se encenderá el LED; y al abrir el interruptor, el LED seguirá encendido un pequeño tiempo, a pagá ndose lentamente.
12V
Condensador +
1000 µF16 V
A LED
K A
K
Partendo del condensador descargado (LED apagado), al pulsar el interruptor se encenderá el LED y se cargará el condensador (VC = 12 V). Y al abrir el interruptor, como el condensador estará cargado, el LED permanecerá encendido durante un pequeño tempo, hasta que el condensador se descargue. Como es obvio, cuanto mayor sea la capacidad del condensador, mas cantdad de carga podrá almacenar y más tempo tardará en descargarse. Esto lo podemos experimentar fácilmente; basta sus ttuir el condensador (de 1000 F) por otro de 470 F, que es aproximadamente la mitad de la capacidad. Se podrá observar cómo el impulso de encendido del LED dura menos tempo (fig. 7.18). Aunque un condensador cargado presenta entre sus terminales una cierta tensión, como si fuera una pila, existe una gran diferencia entre un condensador cargado y una pila (o acumulador); en el condensador no existe en su interior un proceso de generación de f.e.m. y su energía se extngue más o menos rápidamente en proceso el momento de sacarle corriente. cambio(f.e.m.) en un generador, al existr un interno de generación deEn energía se le puede estar sacando contnuamente una cierta magnitud de corriente sin que su voltaje apenas varíe (hasta que empiece a agotarse).
114
Unidad 7 · Condensadores
Actividades prácticas A nivel comparatvo, la diferencia entre un condensador y un generador es análoga a la diferencia que hay entre un vaso y una fuente de agua, respectvamente. Carga Key = A R1 2,7k
12V
Condensador 470 µF1 6V
LED
Figura 7.18. C on un condensador de 470 μF el tiempo de descarga d el co ndensado r es menor que c on el co ndensador de 1000 μF.
7.7
Características prácticas de los condensadores
tcas de mayor importancia práctca: En los condensadores, aparecen como caracterís • La capacidad • La tensión
7.7.1 C apacidad Esta característca es la más representatva, y da cuenta de la cantdad de carga eléctrica que puede almacenar; es su capacidad de almacenamiento.
7.7.2 Tensión Indica la tensión máxima nominal que puede soportar de una forma contnua. Por tanto, en cualquier aplicación que se utlice se debe tener la precaución de que no se sobrepase dicha tensión. Este valor de tensión aparece indicado en el condensador. Hay que tener en cuenta que cuando se sobrepasa la tensión máxima indicada en el condensador, éste puede explotar; aunque no suele ser peligroso, sí puede ser espectacular. Aunque en condensadores u tlizados en la industria electrotécnica, si puede revestr alguna peligrosidad la explosión de según qué condensadores. La capacidad y tensión son los característcas básicas de los condensadores. Ejemplo de expresiones del valor de condensadores:
2200 F 35V, 100 nF 400V, 47 F 63V, 470 nF 250V, 22pF 100 V… Otras característcas relacionadas son: Tolerancia
Al igual que en todos los componentes, el valor de capacidad nominal especificado también puede variar en un cierto margen; o sea, está sujeto a unas tolerancias. En especial en los condensadores electrolítcos esta característca suele ser bastante alta: de un -20 a +50 % de variación, y hasta más. Así, un condensador electrolítco
115
Unidad 7 · Condensadores que indique una capacidad de, por ejemplo,100 F podría tener un valor entre 80 y 150 F. Corriente de fuga
Se refiere a una muy pequeña corriente que podría pasar a través del dieléctrico al estar sometdo a tensión eléctrica. Idealmente, como es obvio, dicha corriente debería ser cero, o sea, no debería haber ninguna fuga. Este es un dato par tcularmente interesante en los condensadores electrolítcos de aluminio. Temperatura
La temperatura puede afectar negatvamente a las característcas del condensador, en especial en los de tpo electrolítco, por lo cual también puede aparecer indicado este dato en el condensador. En general, debe procurarse que los condensadores queden alejados de fuentes de calor.
7.8
Tipos de condensadores
Según las característcas constructvas aparecen los diferentes tpos de condensadores, que se clasifican según el dieléctrico utlizado. Básicamente, tenemos: • Papel • Mica • Cerámicos • Plástcos • Electrolítcos Excepto los denominados electrolítcos, el resto de tpos son condensadores de relatva baja capacidad; van desde unos pocos pF hasta alrededor de 1 F. De una forma más resumida, los tpos de condensadores se podrían clasificar entre los que son electrolítcos (que son polarizados) y el resto de condensadores (que no son polarizados). En los condensadores con dieléctrico de papellas placas se consttuyen por un enrollamiento de láminas de aluminio, separadas por un dieléctrico compuesto por finas capas de papel. En los condensadores de mica se interpaginan finas capas de material de mica con láminas metálicas. La consttución de los condensadores cerámicosse basa en una especie de lámina de material cerámico que es el dieléctrico. El aspecto de estos condensadores se caracteriza por una forma tubular o con forma de disco. Se suelen u tlizar bastante en telecomunicaciones (aparatos de radio y TV). Los condensadores con dieléctrico de plástco son de los más utlizados en electrónica. Según el tpo de material en partcular aparecen varios tpos, siendo los más populares los de poliéster, estroflex y policarbonato. Con los del tpo poliéster y policarbonato se consiguen capacidades del orden de 1nF hasta unos microfaradios, y con una tensión de más de 1000V. Los de estroflex son de menor capacidad, obteniéndose desde unos pocos pF hasta 1 F. En los condensadores electrolítcos el dieléctrico está formado por una fina capa de óxido del orden de micras (1 micra = 1 m), formada por electrólisis, en conjunción con una composición química pastosa. Esta técnica de fabricación permite obtener elevadas capacidades con una buena relación capacidad/tamaño. Es por ello que, en general, los condensadores de elevada capacidad son de tpo electrolítco. Dentro de los condensadores electrolítcos aparecen dos tpos: los de aluminio y los de tantalio. Los condensadores electrolítcos de aluminio son los más populares. Su estructura es de aluminio de aspecto tubular ( fig. 7.19), y el terminal negatvo
corresponde a la estructura envolvente.
116
Unidad 7 · Condensadores En los condensadores de tpo electrolítco se consiguen capacidades desde alrededor de 1 F hasta 10.000 F, y más. Valores normalmente utlizados son, por ejemplo: 1 F, 2 F, 10 F, 22 F, 47 F, 100 F, 470 F, 1000F , 2200 F, 4700F.
Figura 7.19.
Ejemplo d e tipos de condensadores electrolíticos (típicos en elec trónica).
Es muy importante saber que los condensadores detpo electrolítco se caracterizan porque son detpo polarizado, o sea, cada terminal se debe conectar a su correspondiente polaridad; por ello, en su encapsulado pueden aparecer los signos de positvo (+) o negatvo (−), para indicar cuál es el terminal negatvo o positvo. En la figura 7.20 se muestran dos condensadores de este tpo donde se indica la señalización de la polaridad. En unos de ellos, se indica el terminal posi tvo (+) y el otro el terminal negatvo (−). Indica el terminal posivo (+)
Indicación de Terminal negavo
Figura 7.20. a) C ondensado r electrolíti c o de 2200 μ(+) F; el terminal positivo aparece indicado. b) C onde nsad or de 1000 μF; en este tipo, viene indica do el terminal negativo (−)..
Terminal negavo (–) Terminal posivo (+) a)
b)
Esto quiere decir que cuando el condensador se u tlice, los terminales del condensador se deben de conectar a los puntos del circuito donde la polaridad coincida con los terminales del condensador ( fig. 7.21); de no ser así, el condensador puede explotar.
Figura 7.21. C onde nsad or electrolítico c onec tado. El terminal negativo del condensador va al nega tivo de la fuente de tensión.
117
Unidad 7 · Condensadores Los condensadores electrolítcos de tantalio son de más calidad y menor tamaño que los de aluminio, pero también algo más caros. El dieléctrico es de óxido de tantalio, cuyas propiedades dieléctricas son mejores que las del óxido de aluminio. En comparación con los de aluminio, son más pequeños, tenen menos corrientes de fuga, son menos influenciados por la temperatura, tenen menos tolerancia y son de mayor duración…y también más caros. Los demás tpos de condensadores (papel, mica, plástcos, etc.) no son de tpo polarizado; cualquiera de sus terminales se puede conectar al polo positvo (+) como al polo negatvo (−). Un ejemplo de este tpo de condensadores (no polarizados) se muestra en la figura 7.22.
Figura 7.22. Ejemplo d e c onde nsad ores no polarizados.
Actividades pr ácticas Hacer el siguiente montaje (fig. 7.23):
1. Verificar que al cerrar el interruptor se enciende el LED y que al abrir el interruptor éste se apaga lentamente. Explicar el porqué se produce este efecto.
2. Si se cambiara el condensador por otro de 2000 F, ¿qué se espera que pasaría? Explicar.
3. ¿Qué podría pasar si se cambiara el condensador por otro de 1000 F 12 V? ¿Y si se intercambiaran los terminales del condensador?
Carga
-
+
Key = A R1 2,7k
12V Condensador + 1000 µF16 V
A K
LED K
A
Figura 7.23.
7.9
Montaje de condensadores en paralelo
De la misma manera que se hacen montajes de resistencias en paralelo, también resulta interesante, a veces, montar condensadores en paralelo. En este caso, el objetvo es conseguir mayor valor de capacidad; el resultado es una capacidad superior a la del condensador de mayor capacidad del montaje.
118
Unidad 7 · Condensadores Puesto que un condensador consttuye una especie de almacén de carga eléctrica, de la misma manera que u tlizando varias botellas se puede obtener mayor capacidad de almacenaje de líquido, con varios condensadores en paralelo también se aumenta la capacidad de almacenaje de carga eléctrica. La capacidad total resultante es la suma de las capacidades de los condensadores utlizados, como a contnuación queda demostrado matemátcamente. Por ejemplo, en el caso de dos condensadores en paralelo (fig. 7.24), tenemos:
C1
V
C2
Figura 7.24. Condensadores en paralelo.
La carga total almacenada por los dos condensadores es: Y teniendo en cuenta que:
Y a esta carga total,QT, le corresponde una capacidad total:
Por tanto, se puede poner: Y simplificando, dividiendo por V, se obtene (fig. 7.25):
C1
C2
CT = C1 + C 2
Figura 7.25. Los dos condensadores en pa ralelo equivalen a una ca pac idad que es la suma de las capa cidad es de los dos co ndensadores.
Así, en general, la conexión de condensadores en paralelo da lugar a una capacidad total que es la suma de las capacidades de todos los condensadores del montaje:
El resultado de poner condensadores en paralelo se puede ver pues como un efecto de aumentar la superficie de las placas de un condensador, lo cual da lugar a una mayor capacidad. En cuanto a la tensión de soporte de la capacidad equivalente total, puesto que todos los condensadores reciben el mismo voltaje, como es obvio, corresponde a la tensión del condensador que la tenga más baja.
119
Unidad 7 · Condensadores
Actividades desarrolladas Ejemplo 1: El montaje de un condensador de 10 F en paralelo con otro de 2 F tene el valor resultante: CT = 10 F + 2 F = 12 F Así, con dicho montaje, se obtene la función de un solo condensador de 12 F. Esta es una solución práctca empleada a veces para conseguir mayor valor de capacidad.
Ejemplo 2: fi
En el montaje equivalente de los tres condensadores que se muestra en la gura 7.26, el condensador resultante se ob tene de la siguiente manera:
330nF 250V
100 K
0,47 µF 30 V
0,9 µF 30 V
Figura 7.26. Equivalencia de los tres c ondensadores en paralelo.
Expresando todos los valores en microfaradios ( F), tenemos: 330 nF → 0,33 F 100 nF → 0,1 F Así, el valor resultante es de:
Y la tensión de soporte del conjunto es de 30 V, puesto que esta es la tensión del condensador que soporta menos voltaje de los tres. Una forma de pasar la expresión de los valores a pF, nF ó F, que son las unidades normalmente utlizadas, consiste en expresar el valor de capacidad con la potencia de 10 correspondiente a la unidad que interese. Como se sabe, tenemos: 10-12 ⇒ pF Ejemplo: 22 pF = 22·10-12 F 10-9 ⇒ nF Ejemplo: 47 nF = 47·10-9 F 10-6 ⇒ F Ejemplo: 100 F = 100·10-6 F
Ejemplo • El valor de 0,47 F expresado en nF: 0,47 F = 0,47·10-6 F
→
470·10-9 F = 470 nF
-9
Para que se pueda 1.000 el valor 0,47.poner la potencia 10 (que es la correspondiente a los nF), se ha tenido que multplicar por
120
Unidad 7 · Condensadores
Ejemplo El mismo valor expresado en pF es: 0,47 F = 0,47·10-6 F → 470.000·10-12 F = 470.000 pF Para poder poner la potencia 10-12 (pF), se ha tenido que correr la coma 6 lugares hacia la derecha (equivale a multplicar por 106). • El valor 22 nF expresado en F: 22nF = 22·10-9
7.10
→
0,022·10-6 F = 0,022 F
Montaje de condensadores en serie
En el montaje serie de condensadores se consigue una capacidad total inferior a la del condensador de menor capacidad del montaje . En cambio, la tensión máxima del montaje es superior a la del condensador con mayor valor de tensión del montaje , ya que el valor resultante de la tensión de soporte es igual a la suma de las tensiones de cada uno de los condensadores. Por eso a veces resulta interesante ese tpo de montaje; para obtener una capacidad con una tensión de soporte adecuada a las necesidades, que con un solo condensador no se consigue. Supongamos un montaje serie de tres condensadores (fig. 7.27).
C1
C2
C3
V1
V2
V3
Figura 7.27. En el montaje de condensadores en serie, la tensión total de la c apa cidad resultante es igual a la suma de las tensiones de c ad a condensador.
VT Simplificando, se deduce que:
Como se observa, el valor de la capacidad total viene dado por el mismo tpo de formula que aparece para determinar el valor total en los montajes de resistencias en paralelo. Y la tensión máxima que puede soportar el circuito, es la suma de las tensiones máximas de cada unos de los condensadores.
Actividades desar rolladas En el circuito serie de tres condensadores que se muestra en la figura 7.28, la capacidad total resultante es:
121
Unidad 7 · Condensadores
Actividades desarrolladas Y la tensión de soporte del montaje es:
Figura 7.28. Condensador equivalente de los tres condensadores en serie.
0,1 µF 63 V
2 µF 25 V
79nF
470nF
120 V
208 V
O sea, el montaje de los tres condensadores equivale a un solo condensador de 79 nF que puede soportar 208 V. Y en el caso de poner sólo dos condensadores en serie, la capacidad resultante se puede obtener también por:
La fórmula de la capacidad total ( CT) se simplifica, y aparece una expresión igual a la del montaje paralelo de dos resistencias.
Ejemplo En un montaje serie de un condensador de 47 F con otro de 100 F la capacidad resultante es de:
Y en un montaje serie donde todos condensadores tenen el mismo valor de capacidad, el valor de la capacidad resultante viene dado por:
siendo n el número de condensadores y C el valor de capacidad de uno de los condensadores.
Ejemplo La capacidad resultante de tres condensadores en serie de 47 F es:
7.11 Aplicaciones
prácticas del condensador
Como ejemplo de aplicaciones fundamentales del condensador, se describen a contnuación las siguientes.
122
Unidad 7 · Condensadores
7.11.1
Acoplamiento de señal entre etapas ampli ficadoras
Debido a las tensiones necesarias para la polarización en los circuitos electrónicos amplificadores, en la señal que se procesa se encuentra también cierto nivel de tensión contnua fija. Pues por medio de los condensadores se puede acoplar la señal entre los diferentes circuitos sin dejar pasar el nivel de tensión contnua (fig. 7.29); de esta manera, en la entrada de la etapa ampli ficadora sólo se encuentra la señal variable en el tempo (sólo se transfiere la señal y se bloquea el nivel de tensión contnua). Esto se puede explicar por lo que se conoce por reactancia capacitva, que es la más o menos oposición (resistencia) que ofrece el condensador al paso de señales variables. El valor de dicha reactancia se ob tene mediante la fórmula:
Cuanto mayor es la frecuencia, menor es la reactancia; dicho de otra manera, cuanto más baja es la frecuencia mayor es la resistencia que opone al paso de las señales. Por ello, los niveles de tensión fijos, como son las tensiones de polarización de los circuitos, el condensador impide que circulen. Señal con una componente de connua de 8 V
0,5VPP
Señal sin componente de connua
8V
0V
0, 5VPP Etapa amplificadora
Etapa amplificadora Figura 7.29. El condensador permite el ac oplamiento de señales entre e tapa s amplificadoras, aislando la componente de tensión continua.
Condensador de acoplo
7.11.2 Filt rado en circ uitos de alimentadores Una de las aplicaciones más caracterís tcas del condensador en filtrado es en los sistemas rectficadores (convertdores de corriente alterna (C.A.) en corriente contnua (C.C.)); en base a la cualidad de almacenamiento de carga eléctrica que tene el condensador, se consigue obtener una C.C. adecuada partendo de una C.C. pulsatoria; esto se llama filtrado (fig. 7.30). 230 V Filtrado
Figura 7.30. Filtrad o de la tensión continua pulsatoria; esta es la aplicación fundamental del condensador.
Todos los equipos electrónicos que se alimentan con la red eléctrica tenen un sistema electrónico por medio del cual se ob tene la tensión contnua adecuada para su alimentación, partendo de la corriente alterna de normalmente 220 V de la red; esta parte del equipo se denomina fuente de alimentación, en la cual se encuentra el circuito rectficador y los condensadores de filtrado.
7.11.3 Filtrado de señales de ruido eléctrico Dentro del tema de filtrado, aparecen otras aplicaciones como son
123
Unidad 7 · Condensadores Supresión, atenuación, de señales no deseadas (señales parásitas, ruido eléctrico) en equipos electrónicos en general (radio, equipos informátcos, etc.); señales que aparecen en la conexión y desconexión de luces fluorescentes, motores eléctricos, chispas de las bujías en vehículos, etc. Estas señales, que se llaman de ruido eléctrico, indeseables, se pueden propagar por el aire (en forma de ondas electromagnétcas) o por la red eléctrica. Mediante condensadores debidamente conectados, y a veces acompañados de bobinas, se consigue reducir o eliminar este tpo de señales indeseables.
7.11.4 Circuitos de filtro en equipos de sonido Asimismo, una aplicación muy importante del filtrado se encuentra en los sistemas de control de tono de los ampli ficadores y en los circuitos ecualizadores de sonido; por medio de los condensadores se realizan circuitos de filtro con los cuales se logra atenuar realzar componentes las señales de sonido con (armónicos), lo cual permite ovariar la ciertas tonalidad del sonido.deEsto está relacionado el concepto de agudos, medios y graves. También se encuentran los condensadores en los ba fles, para el filtrado de las señales que llegan a los altavoces.
7.11.5 Elimin ac ión dec hispas en interruptores En especial si se actvan elementos con bobinados (cargas inductvas); es el caso del condensador utlizado en los picos platnos del sistema de encendido clásico del automóvil y cuya aplicación se da en general cuando se tene que alimentar, conectar, alguna carga de estetpo. Debido al efecto de autoinducción de las bobinas, cuando se produce su desconexión, generan un impulso de tensión que puede ser muy elevado y puede dar lugar a chispas en el interruptor que pueden dañarlo. Un condensador en paralelo con el interruptor puede eliminar las chispas en los contactos del interruptor. 7.11.6 Temporizadores Los temporizadores son dispositvos mediante los cuales se puede hacer la puesta en marcha o desconexión de aparatos interviniendo retardos. Por ejemplo, la puesta en marcha de un aparato de radio con paro automátco al cabo de un cierto tempo, la actvación de una sirena de alarma, el encendido de una luz de escalera, etc.; en todos estos casos aparece la función de temporización (tempo). La característca de retardo de la carga-descarga del condensador permite obtener tempos que sirven de base de cualquier tpo de temporización. Por ejemplo, si se logra que un condensador tarde 5 segundos en adquirir la tensión de 6 V, mediante un circuito que dé una señal cuando detecte un nivel de 6 V, se puede lograr la actvación de algún aparato con un retardo de 5 segundos; esto ya sería un circuito temporizador.
Actividadesfinales Ejercicio 1: a) Explicar la función básica que realiza el condensador. b) Indicar dos ejemplos de aplicación del condensador. c) En qué tpo de condensadores se debe tener en cuenta la polaridad de conexión de sus terminales.
Ejercicio 2: Calcular la capacidad de un condensador formado por dos placas conductoras de super ficie S = 0,02 m2 cuya distancia de separación es 100 μm, siendo el dieléctrico de aire.
Ejercicio 3: ¿Cuál será la can tdad de carga almacenada por un condensador de 2000 F, si se mide una tensión de 50 V entre sus terminales?
124
Unidad 7 · Condensadores
Actividadesfinales Ejercicio 4: Dado el siguiente circuito (figura 7.31): R = 100k Ω
10 V C = 100 µF
Figura 7.31.
Calcular: a) La constante de tempo. b) La tensión en el condensador al cabo de 5 segundos de cerrar el interruptor. c) El tempo que debe transcurrir para que se pueda considerar el condensador totalmente cargado.
Ejercicio 5:Supongamos que los valores del circuito de la figura 7.32 son: C = 470 F y RL = 12 K.
Condensador cargado
VC = 10 V
C
RL
V
Figura 7.32.
Si el condensador se encuentra cargado con una tensión de 10 V, calcular: a) La tensión al cabo de 4 segundos de cerrar el interruptor. b) El tempo que tardará el condensador en quedarse práctcamente totalmente descargado.
Ejercicio 6: Representar una capacidad de 0,33 F en nF y en pF. Ejercicio 7: ¿Cuál será la carga ( Q) máxima almacenada por un condensador de 4700 F 35 V si lo conectamos a una fuente de tensión de 12 V? ¿De qué valor debe ser la tensión máxima que le aplique?
Ejercicio 8: Representar las curvas de carga y descarga de tensión en los circuitos anteriores (figuras 7.31 y 7.32), indicando los valores de tensión al cabo de una constante de tempo.
125
Unidad 7 · Condensadores
Actividadesfinales Ejercicio 9:Calcular la capacidad total resultante y la tensión máxima que se puede aplicar al circuito siguiente ( fig. 7.33).
C1 2 µF3 5V
C2 470 nF 150 V
Figura 7.33.
Ejercicio 10: Dado el circuito siguiente ( fig. 7.34), calcular: a) La capacidad total resultante. b) El valor de tensión máxima que se puede aplicar al conjunto de los tres condensadores.
Figura 7.34.
100 µF 20 V
200 µF 50V
470 nF 35V
Ejercicio 11: Se necesita un condensador de capacidad 60 F, y se disponen de dos condensadores de 100 F y otro de 10 F. Realizar el circuito adecuado para obtener una capacidad resultante de 60 F. Si ponemos 10 la condensadores en resultante serie de 50y qué F 25tensión V, ¿de Ejercicio 12: qué valor será capacidad total máxima podrá aplicarse al circuito?
126
Unidad 8 Elec tromagnetismo
Aplic ac iones prác tic as
Objetivos: Aprender que los principios básicos sobre electromagnetismo no son sólo teorías y ecuaciones; sino que tienen su aplicación práctica en muchos componentes y aparatos eléctricos y electrónicos utilizados normalmente; sin los principios del electromagnetismo no tendríamos, por ejemplo, los transformadores, motores, altavoces, pastillas de guitarra eléctrica. El electromagnetismo se aplica incluso en informática; la grabación de datos en disco se realiza en forma de campos magnéticos.
En este capítulo: 8.1
El electromagnetismo en la práctic a.
8.5
Electroimán.
8.2 8.3
Princ ipios básico s. Bobinas. El magnetismo.
8.6 8.7
El relé y el c onta c tor. El transformador.
8.4
Elec tromagnetismo.
8.8
G rab ac ión magnética de señales.
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas
Recuerda
• • •
¡Los condensadores pueden explotar! Si se sobrepasa la tensión máxima expecificada . Los condensadores electrolíticos tienen polaridad; si se conectan al revés sus terminales, también pueden explotar.
8.1
El electromagnetismo en la práctica
En la tecnología eléctrica y electrónica existe multtud de aplicaciones donde se aprovechan las propiedades magné tcas de ciertos materiales. Un ejemplo muy representatvo lo tenemos en el motor eléctrico, cuyo funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción-repulsión entre polos magné tcos. Otro dispositvo, muy utlizado en electrónica, cuyo funcionamiento se basa en el mismo principio del motor, es el altavoz; las ondas acústcas que genera son debido a la vibración del cono, que se obtene como consecuencia de las fuerzas de atracción-repulsión que se producen entre una pequeña bobina (móvil) y un imán fijo. Otra aplicación la tenemos en las cintas de audio (sonido) y discos de ordenador; tanto las señales de sonido como los datos digitales se almacenan de forma magnétca, gracias a las propiedades magnétcas de los materiales depositados en la super ficie de las cintas y discos. Existe un mineral de hierro en la naturaleza, denominado magnetta, que tene propiedades magnétcas de forma natural; es el magne tsmo natural. Pero se sabe que el magnetsmo aparece como efecto de cargas eléctricas en movimiento. De hecho, ya en 1819 el fsico Oersted puso de mani fiesto este hecho; la circulación de corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento) por los conductores produce a su alrededor fuerza magnétca. Aparece así el término electromagnetsmo, que indica la relación de fuerzas eléctricas y magnétcas al mismo tempo.
En general, se habla de electromagnetsmo para referirse a las aplicaciones donde se genera el magne tsmo por medio de la electricidad, es el caso, por ejemplo, de los motores y transformadores. También existe el caso inverso; por medio de fuerzas magnétcas (que varíen) se puede generar electricidad en una bobina; bajo este principio funcionan, por ejemplo, los alternadores y cápsulas (magné tcas) de tocadiscos. En la práctca, se emplea normalmente el término electromagne tsmo porque, se puede decir, que todas las aplicaciones donde se aprovechan las propiedades magnétcas están relacionadas con la electricidad. Un ejemplo de aplicaciones muy representatvas es: • • • • • •
Motores eléctricos Transformadores Micrófonos (dinámico) Pastllas de guitarra eléctrica Altavoces Disco duro de ordenador
Así pues, resulta evidente la elevada importancia que tene el electromagnetsmo en la tecnología eléctrica y electrónica; es, por tanto, un tema también a estudiar.
8.2
Principios básicos. Bobinas
Como ya se ha explicado, en la mayoría de aplicaciones, las característcas magnétcas se relacionan con la electricidad; de ahí la denominación de electromagnetsmo. Pues se basa en los dos principios fundamentales siguientes: • La circulación de corriente eléctrica genera campo magnétco • El movimiento relatvo entre un conductor (normalmente una bobina) y un campo magnétco genera electricidad
Y un componente básico relacionado con todo ello es la bobina. Básicamente, una bobina es el arrollamiento de hilo conductor sobre un cierto soporte (fig. 8.1).
128
Unidad 8 · Electromagne
tsmo. Aplicaciones práctcas
Bobina
Figura 8.1. Representac ión de una bobina.
Cuando se hace circular corriente contnua por una bobina, ésta genera flujo magnétco a su alrededor; se comporta como un imán (fig. 8.2). Al circular corriente por la bobina, ésta genera flujo magnéco (Φ). S I
Flujo magnéco Figura 8.2. Al circular corriente continua a través de la bob ina, ésta genera fuerza mag nética (co mo un imán).
N Y si existe movimiento relatvo entre una bobina y un imán, en la bobina se engendra electricidad (fig. 8.3). El movimiento relavo entre la bobina y el imán hace que se genere f.e.m. en la bobina.
I N f.e.m
V Figura 8.3. En una bobina se genera electricidad cuando una fuerza magnética variab le ac túa sobre ella.
S
Actividades propuestas 1. Explicar dos aplicaciones fundamentales del electromagnetsmo en componentes eléctricos. 2.¿En qué parte de un ordenador se u tlizan los efectos del electromagnetsmo? ¿Y en una guitarra eléctrica?
3. Explicar dos principios fundamentales sobre electromagnetsmo en las bobinas.
129
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas
8.3
Recuerda
• • •
Diversas componentes utilizados en las aplicaciones electrónicas se basan en el electromagnetismo:
El magnetismo
El magnetsmo es un estado caracterizado por un campo de fuerzas que puede actuar sobre ciertos materiales. Al igual que el campo eléctrico, es invisible y de acción a distancia. El imán es el elemento más popular que da lugar a dicho estado; tene la propiedad de atraer al hierro, y se dice que posee magne tsmo. La fuerza magné tca tene su srcen en la estructura atómica de la materia, y se basa en el movimiento de las cargas eléctricas. En los imanes siempre aparecen dos polos, que es donde se concentran lo que se denomina líneas de fuerza, las cuales salen del polo norte y entran por el polo sur (en el interior del imán, van de sur a norte) (fig. 8.4).
• Transformadores • Micrófonos • Pastillas de guitarra
Líneas de fuerza magnéca
• A ltavoce s • Disco d uro d e ordenador
Polo norte
N
S
Polo sur
Figur a 8.4. Imán.
En los polos es donde mayor fuerza de atracción aparece (en el centro, la fuerza de atracción es nula; es una zona neutra). Esto se puede comprobar fácilmente; si echamos un puñado de clavitos alrededor de un imán, éstos se concentrarán en los extremos, polos.
8.3.1 C ampo magn ético En la región del espacio en donde se manifiestan las fuerzas magnétcas se dice que existe campo magnétco; es la fuerza que se manifiesta alrededor del imán. Como es sabido, en nuestro planeta ( terra) existe campo magnétco (campo magnétco terrestre) y aparecen dos polos, el sur y el norte; de ahí la denominación de los polos de los imanes. Así, el polo norte de un imán es el que es atraído por el campo t terrestre en la dirección del norte geográfico de la terra. Una brújula se magné basa en co esto; es una especie de aguja imantada, con movimiento libre, que, debido al campo magnétco terrestre, se orienta siempre en la dirección norte-sur.
8.3.2 Imanes elementales Se sabe que si se parte un imán, en cada trocito aparece un polo norte y un polo sur (fig. 8.5). Al parr un imán, en cada trocito aparece un polo sur y un norte
N
N
S
S
N
S
Figur a 8.5.
Y tantas veces como se vaya partendo cada trocito ocurre esto, lo cual es indicatvo de que todo cuerpo magnétco se compone por una infinidad de imanes elementales. Y en los cuerpos magnetzados todos estos imanes elementales (o moleculares) se encuentran orientados en la misma dirección ( fig. 8.6).
130
Unidad 8 · Electromagne
tsmo. Aplicaciones práctcas
Hierro no imantado Los imanes elementales están desorientados: sus efectos se anulan
Hierro imantado S
N
Los imanes elementales están orientados en el mismo sendo: sus efectos se suman
Figura 8.6.
En la naturaleza existe un mineral de hierro, que se llama magnetta, que tene propiedades magnétcas; es el imán natural. Otros cuerpos no tenen propiedades magnétcas de forma natural pero son suscep tbles de adquirirlas, son los materiales denominados ferromagnétcos, básicamente: hierro, níquel y cobalto, siendo el hierro el más representatvo. Otros materiales, aunque sean metálicos no pueden adquirir propiedades magnétcas, por ejemplo, el cobre y el aluminio. En los materiales ferromagnétcos, cuando están desimantados, sus imanes elementales están desorientados. Un material ferromagnétco como el hierro puede adquirir propiedades magnétcas si sobre él actúa un campo magné tco; la fuerza magnétca externa hace que sus imanes elementales queden alineados. Por ejemplo, una cosa que pasa a menudo es que la punta de un destornillador queda imantada; esto es porque el destornillador ha sido in fluenciado por algún imán, por ejemplo, el de un altavoz. Al magnetsmo que aparece en un cuerpo que ha sido some tdo a un campo magnétco, se llama magnetsmo remanente. Y cuanto mayor sea la cantdad de imanes elementales que queden alineados, mayor será el efecto magné tco. Cuando en el material ya no es posible aumentar más su efecto magné tco, se dice que está saturado.
8.3.3 Punto de curie La temperatura puede anular el magnetsmo. A la temperatura a la cual desaparecen las propiedades ferromagnétcas, se llama punto de curie. El punto de curie en el hierro es a 769 °C. Así pues, los efectos magné tcos se pueden eliminar por calentamientsmo a partr de 769 °C. En la desito. Por ejemplo, el hierro puro pierde el magne mantación, los imanes elementales quedan desalineados, son puestos en desorden. Al igual que ocurre con las fuerzas de las cargas eléctricas, entre los polos magnétcos pueden aparecer fuerzas de atracción o repulsión (fig. 8.7): Hierro no imantado Los imanes elementales están desorientados: sus efectos se anulan
Hierro imantado S
N
Los imanes elementales están orientados en el mismo sendo: sus efectos se suman
Figura 8.7.
131
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas
Recuerda
• • •
- La circulación de corriente eléctrica genera campo magnético. Cuando se hace circular corriente continua por una bobina, se genera flujo magnético a su alrededor (como un imán). - genera En una electricidad bobina se cuando una fuerza magnética variable actúa sobre ella. - Los datos en un disco duro de ordenador se graban de forma magnética.
Polos iguales⇒ fuerza de repulsión Polos diferentes⇒ fuerza de atracción
La representación de las líneas de fuerza del campo magnétco, cuyo sentdo es de norte a sur, se basa en que es la forma que tomarían un conjunto de pequeñas parculas de hierro (por ejemplo, limaduras) si se espolvorearan alrededor de un imán. Las parculas de hierro quedarían imantadas y se comportarían como pequeños imanes, que se irían todos alineando, formándose así las picas líneas de fuerza.
8.3.4 Unidades magnéticas Se entende por campo magnétco, a la región del espacio en la cual se manifiestan fuerzas magnétcas. Al conjunto total de líneas de campo magné tco, flujo magnétco, se representa por φ. Y a la densidad de campo magné tco, líneas de fuerza por unidad de superficie, se denomina inducción magnétca y se representa por B (fig. 8.8). Las unidades (derivadas del sistema internacional) son el Weber (Wb) para el flujo magnétco y la Tesla (T) para la densidad (o inducción) magné tca. Densidad magné tca:
Flujo magnétco:
Norte Superficie (S)
Flujo magnéco (Φ)
Densidad de flujo (B):
B=
Φ S
Sur
Figur a 8.8.
Otras unidades populares del flujo magnétco (φ) y de la inducción (B) son el Maxwell (Mx) y el Gauss (G), respec tvamente:
Se obtenen las siguientes equivalencias: 8 1 Weber = 10Maxwell,
1 Tesla = 10 4 Gauss.
Permeabilidad En general, a la mayor o menor facilidad que tenen los materiales para dejarse atravesar (o influir) por la fuerza magnétca se llama permeabilidad, y se representa por . Así, se entende, que cuanto mejor se deja influir un material por el campo magnétco mayor permeabilidad tene. Como referencia, se toma la permeabilidad del aire, que es 1. 132
Unidad 8 · Electromagne
Recuerda
• • •
Los cabezales de disco duro del ordenador se b asan en bo binas; en el proceso de lectura se generan impulsos eléctricos, que se amplifican y después se procesan electrónicamente; asi se obtienen los bits, los datos. En el proceso de escritura (grabac ión d e datos), se aplican impulsos eléctricos que el cab ezal transforma en impulsos magnéticos, que magnetizan ciertas partes del la superficie del disco; son los bits.
tsmo. Aplicaciones práctcas
Los materiales ferromagnétcos son los que mejor se dejan influir por el campo magnétco, siendo capaces de adquirir propiedades magnétcas y poder convertrse por tanto en imanes; son los que tenen mayor permeabilidad. Otros materiales, aun siendo metálicos, no pueden adquirir propiedades magnétcas; se puede decir que se oponen a la circulación de las líneas de fuerza magnétca, son malos conductores del magnetsmo; su permeabilidad es baja, menor que la del aire (< 1). A los materiales de este tpo se les llama diamagnétcos, por ejemplo, el cobre y el aluminio. En estos materiales, cuando se sitúan frente a un campo magné tco lo suficiente intenso, se produce una cierta fuerza de repulsión. Otros materiales presentan unas característcas intermedias entre los ferromagnétcos y los diamagné tcos; son los denominados paramagnétcos, por ejemplo, el platno. Su permeabilidad es mayor que la del aire pero menor que la de los materiales ferromagnétcos. Estos materiales son débilmente atraídos por un imán.
8.4
Electromagnetismo
Aunque en un principio se consideraba que las fuerzas magné tcas eran de una naturaleza nueva, desconocida, investgaciones sobre el tema han determinado que las fuerzas magné tcas surgen debido al movimiento de las cargas eléctricas. Se puede decir que las acciones magnétcas son el efecto de la circulación de cargas eléctricas dentro del material imantado; por ello, el magne tsmo forma parte pues del estudio de la electricidad. De hecho, existe una gran analogía entre los efectos magnétcos y eléctricos.
8.4.1
La corriente eléctrica produce fuerza magnética
La primera experiencia que puso de mani fiesto que el movimiento de cargas eléctricas da srcen a fuerzas magné tcas, fue realizada en 1819 por Hans Christan Oersted (fsico danés, 1777-1851); mediante una brújula, situando un conductor de forma paralela a la aguja, comprobó que al hacer circular corriente a través del conductor la aguja se movía, poniéndose perpendicular al conductor. Y al inver tr el sentdo de la corriente, cambiaba el polo de la aguja que apuntaba hacia el conductor. Esta experiencia, que es realizable fácilmente, es indica tva de que la circulación de cotca. rriente eléctrica srcina fuerza magné
8.4.2
La fuerza magnética puede generar corriente eléctrica
Poco tempo después del descubrimiento de Oersted (1831), el británico Michael Faraday (1791-1867) descubrió un efecto contrario al de Oersted; un campo magnétco puede crear una corriente eléctrica(fig. 8.9). El movimiento relavo entre la bobina y el imán hace que se genere f.e.m. en la bobina.
I N f.e.m
V
S Figura 8.9.
133
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas Michael Faraday experimentó que moviendo una imán cerca de un conductor se generaban en éste corrientes, cuyo sentdo y magnitud dependían del movimiento del imán; o sea, lo contrario a lo descubierto por Oersted. Este es el principio de
funcionamiento de los generadores de corriente, dinamo y alternador. Otro experimento significatvo que realizó Faraday, fue que comprobó el efecto de inducción que se da entre dos bobinas, lo cual cons ttuye el principio del transformador. Situando muy próximos dos arrollamientos de hilo, bobinas, al aplicar tensión a una bobina (para hacer que circule corriente), se induce tensión eléctrica en la otra bobina; pero esto sólo sucede de forma instantánea, en los momentos de aplicarle o desconectarle la tensión a la bobina. Faraday descubrió así que las corrientes inducidas se producen sólo cuando haya variaciones en el campo magnétco, que se producen en la bobina en los momentos de conexión-desconexión. Así, a Faraday se le pueden atribuir el descubrimiento de las máquinas eléctricas generadoras de electricidad (dinamo y alternador) y del transformador.
8.4.3 La bobina Básicamente, una bobina es el arrollamiento de hilo conductor, normalmente cobre, sobre algún tpo de soporte (fig. 8.10).
Figura 8.10.
Para que no se produzcan cortocircuitos entre las espiras, el hilo se somete a un baño de barniz que le confiere aislamiento eléctrico. En su forma más elemental, se denomina solenoide; un alambre de cobre arrollado en forma de hélice. La bobina es un componente fundamental en los aparatos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo, la construcción de los transformadores y motores eléctricos se basa en bobinados. Y en electrónica, en especial de comunicaciones (radio, TV, etc.), son un componente imprescindible; forman parte, por ejemplo, de los circuitos para la sintonización de las emisoras. Partendo del principio de que cuando circula corriente por un conductor alrededor de éste se genera campo magnétco, si se dobla un trozo de hilo en forma de espira las líneas de fuerza que rodean al conductor saldrán por una lado y entraran por el otro; aparecen dos polos magnétcos. Así pues, al hacer circular corriente por una espira ésta se comporta como un pequeño imán. Pues como una bobina es un conjunto de espiras, se produce una suma de los efectos magnétcos de cada espira y se logra así la concentración del campo magné tco de todo el hilo en un pequeño espacio, apareciendo un polo magnétco en cada extremo de la bobina (fig. 8.11). S I
Flujo magnéco
Figura 8.11.
Así, en definitva, cuando se hace circular una corriente contnua por una bobina aparece un campo magnétco a su alrededor; se convierte en un imán.
134
Unidad 8 · Electromagne
tsmo. Aplicaciones práctcas
Actividades propuestas 1. ¿Qué se entende por fuerza de campo magnétco? 2. Representar un cuerpo magnetzado y el mismo desmagne tzado. 3. ¿Cuáles son las fórmulas y unidades para el flujo magnétco y densidad magnétca? 4. Definir el concepto de permeabilidad, poner algún ejemplo. 5. ¿Qué significa: Ferromagnétco, diamagnétco y paramagnétco? 6. Representar cómo podríamos realizar el experimento para generar corriente eléctrica mediante un imán y una bobina.
8.5
Electroimán
Puesto que una bobina se comporta como un imán cuando por ella circula corriente eléctrica, a esta forma de generar campo magnétco se le denomina electroimán. Y la intensidad de campo magné tco que genera varia de forma proporcional al número de espiras que tenga la bobina y del valor de la corriente que circule. O sea, cuanto mayor es la intensidad de corriente mayor es la fuerza magné tca en cada espira, y cuantas más espiras tenga mayor será el campo magnétco que generará.
8.5.1 Núcleo Otra forma de poder obtener mayor fuerza de campo magnétco (sin aumentar la corriente ni el número de espiras) es u tlizando lo que se denomina núcleo; material ferromagnétco que se introduce en la bobina. Como se sabe, a la más o menos facilidad que tene un material para dejar pasar las líneas de fuerza magné tca se denomina permeabilidad (). Pues el hierro tene mayor permeabilidad que el aire, y por ello las líneas de fuerza pueden circular con más facilidad por el hierro que por el aire. Así, como el material ferromagné tco proporciona un camino más fácil que el aire para la circulación de las líneas de fuerza, las líneas del campo magnétco que genera la bobina se concentran en el núcleo y ello hace que se produzca un aumento muy notable de la densidad de flujo en el interior de la bobina (fig. 8.12). Bobina con núcleo ferromagnéco; el flujo se concentra en el núcleo. Bobina sin núcleo . ferromagnéco
I
I
Figura 8.12.
Con el campo magnétco así concentrado se consigue un aumento muy considerable de la intensidad del campo magnétco del electroimán; especialmente se logra una mayor densidad de flujo en los extremos de la bobina. El material de los núcleos debe ser del tpo que se magnetza y desmagnetza fácilmente, es lo que se conoce por hierro dulce. De esta manera, cuando la bobina no recibe corriente el núcleo está práctcamente desimantado, y el electroimán no
135
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas produce fuerza magnétca; el electroimán sólo debe producir fuerza magné tca al excitar la bobina. En este principio de funcionamiento se basan muchos dispositvos eléctricos, por ejemplo, los relés. Así pues, en general, cuando un flujo magnétco se encuentra con un núcleo de hierro, las líneas de fuerza se concentran hacia el núcleo.
8.6
El relé y el contactor
El electroimán tene diversas aplicaciones práctcas, entre las cuales destaca el relé y el contactor; dispositvos muy utlizados en electricidad y electrónica. El relé y contactor se basan en la actvación de contactos por medio de la fuerza magnétca de un electroimán; cuando se aplica corriente a la bobina, se ac tvan unos contactos. En la figura 8.13 se representa la estructura básica funcional general y símbolo esquemátco de estos componentes. Armadura
A1
Contacto
A1
A2 A2
Figura 8.13.
Al aplicar corriente a la bobina (terminales A1 y A2), el núcleo se magne tza, se convierte en imán, y atrae a una parte móvil del núcleo (armadura) que puede accionar un contacto (o varios).
8.6.1
El relé
En el caso de pequeñas potencias, estos dispositvos se denominan relés, y son muy utlizados para la actvación de dispositvos de salida de baja (o mediana) potencia como lámparas, pequeños motores, sirenas, etc., en sistemas electrónicos de control. Un ejemplo de modelos de relés comerciales se representa en la figura 8.14.
Figura 8.14.
En general, se u tlizan para el control de pequeñas potencias. La bobina se suele actvar con tensiones contnuas bajas (5 V, 12 V, etc.), aunque existen relés de muy tpos. diversos
136
Unidad 8 · Electromagne
8.6.1.1
tsmo. Aplicaciones práctcas
Ejemplo de aplicación del elé r Simulador de alarma de coche
En la figura 8.15 se muestra un ejemplo de aplicación prác tca de un relé. Se trata de un simulador de alarma de coche, basado en un relé como elemento de control de los LED (emisores de luz). Con el coche a motor parado, aparcado, la bobina del relé no recibe corriente, el relé está desactvado; los contactos del conmutador que acciona, hacen que reciba corriente el LED rojo (intermitente). Y cuando se actve la llave de contacto para arrancar el coche, la bobina del relé recibirá corriente y entonces el conmutador cambiará de posición los contactos; esto hará que se apague el LED rojo y se encienda el LED verde. +12 salida llave contacto Llave de contacto
Relé de 12 V Bateria 12 V
1,0 k
LED rojo intermitente
LED verde
Figura 8.15.
Las salidas de un circuito electrónico digital, picamente, entregan una señal de 5 V que, mediante transistores (para amplificar en corriente) pueden excitar pequeños relés que permiten directamente el control de ciertas cargas en corriente alterna. Y si es necesario, para poder ac tvar cargas de cierta potencia, por medio de los relés se pueden actvar a contactores y mediante éstos controlar las cargas de potencia (por ejemplo, el motor de un ascensor).
8.6.2 El contactor El contactor es un tpo de relé diseñado para aplicaciones de potencia, por ejemplo, la conexión de motores trifásicos (como los de un ascensor, por ejemplo). Es más robusto, está diseñado para trabajar con tensiones y corrientes elevadas, y además se caracteriza por disponer de 3 contactos principales de potencia (los que controlarían la conexión de la carga de potencia, picamente un motor trifásico). En la figura 8.16 se representa su simbología pica. Al actvarse la bobina, se cierran tres contactos principales (de potencia, que caracterizan al contactor) y otros contactos auxiliares (de baja potencia). Normalmente la bobina se ac tva con tensión alterna (24 V, 48 V, 230 V...).
Figura 8.16.
137
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas
8.6.2.1
Aplicación del contactor C ontrol de un motortrifásico
En la figura 8.17 se muestra, de forma simplificada, su aplicación más representatva; el control de un motor trifásico (los que se u tlizan, por ejemplo, en los ascensores). Como resultado del conjunto de operaciones que se llevan a cabo en el sistema de control, se acciona un motor de cierta potencia; así, gracias al contactor, por medio de una tensión baja (por ejemplo, de 24 V) se puede controlar una elevada potencia eléctrica. Existen diversos tpos de contactores, siendo muy picos los de excitación a 24 V. En cualquier caso, el contactor permite controlar elevadas potencias eléctricas por medio de un mando de baja potencia.
L1
Red eléctrica trifásica 400 V
L2 L3
Baja potencia (24 V) Sistema de control - Automasmo eléctrico. - Electrónica digital discreta. - Microcontrolador (PIC). - Autómata programable.
A1 Alta potencia
A2
M
Motor Señales de entrada: Pulsadores. Finales de carrera. Detectores de proximidad. etc. Figura 8.17.
Actividades propuestas 1. ¿Qué es un electroimán, cómo está formado, qué función realiza el núcleo? 2. Explicar el relé, como está formado y cómo f unciona. Representar el esquema de aplicación para encender una bombilla con la red eléctrica de 230 V mediante una tensión contnua de control de 12 V.
3. Explicar diferencias entre un relé y un contactor. 4. Explicar el funcionamiento del esquema de control del motor trifásico de la figura 8.17.
8.7
El transformador
Los transformadores son un tpo de máquina eléctrica, basada en el electromagnetsmo, que permiten obtener de una forma sencilla diferentes valores de tensión partendo de una tensión de entrada. Así, se pueden obtener par tendo de los 230 V t ransformador de la red eléctrica tensiones como 6 V, 12 V, 18 V, etc.; esto es un reductor(la tensión de salida es menor a la tensión de entrada). O bien, también se pueden obtener tensiones mayores a la de entrada; esto sería un transformador elevador. Incluso, se u tlizan transformadores en los cuales el valor de la tensión
138
Unidad 8 · Electromagne
tsmo. Aplicaciones práctcas
de salida es igual al valor de tensión de entrada; estos son transformadores de aislamiento, ya que entre el bobinado secundario y el bobinado primario no existen conexión eléctrica. Los transformadores son reversibles, la tensión de salida se podría obtener también por el primario. Por ejemplo, si a un transformador de primario 230 V y secundario 12 V se le aplica al primario 230 V, en el secundario se obtendrían 12 V; pero si al secundario se le aplicaran 12 V, en el primario se obtendrían 230 V.
8.7.1 Principios fundamentales En la figura 8.18 se representa la simbología u tlizada del transformador. Se basa en dos bobinados (acoplados magnétcamente por medio de un núcleo ferromagnétco); bobinado primario y bobinado secundario. NP
NS Bobinado secundario - Se obene la tensión de salida(VS)
Bobinado primario - Se aplica la tensión de entrada (VP) a) Figura 8.18. Transformad or. a) Simbología más usual en electrónica. b y c) Simbologías típicas en electrotecnia.
b)
c)
Puesto que la transferencia de energía entre el primario y el secundario es por inducción magnétca, entre el sistema de salida y el de entrada no hay conexión eléctrica; existe lo que se llama un aislamiento galvánico entre la entrada y la salida. En teoría, si midiéramos la resistencia entre el bobinado secundario y el bobinado primario, nos daría un valor in finito. Precisamente, esta prueba se hace para comprobar el aislamiento entre los bobinados, porque a veces se producen fallos, averías, que dan lugar a que exista cierta conductvidad entre los bobinados o entre los bobinados y el núcleo; de ser así, el transformador sería defectuoso. Es muy importante saber que los transformadores sólo funcionan con corriente alterna. Un ejemplo de transformadores comerciales, de los normalmente u tlizados en aparatos de electrónica (de baja potencia) se muestra en la figura 8.19. El más pequeño se encuentra encapsulado (en plástco); y en el otro, que es la forma más pica, se puede observar las chapas del núcleo y los terminales de los bobinados.
Figura 8.19. Transformad ores co merciales típicos en electrónic a.
La base del transformador son dos bobinados (acoplados magné tcamente por medio de un núcleo ferromagnétco); bobinado primario y bobinado secundario. La tensión de entrada, aplicada al bobinado primario ( VP), al ser alterna, produce un flujo magnétco variable que, a través del núcleo de hierro es acoplado al bobinado secundario; se obtene así una f.e.m. inducida en el secundario ( VS), que es la tensión de salida. La tensión de salida puede ser mayor, igual o menor que la tensión de entrada; depende de la relación de espiras entre el bobinado primario y secundario. Esto se basa en la fórmula (relación de transformación) siguiente:
NS = n° de espiras del bobinado secundario NP = n° de espiras del bobinado primario 139
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas
Ejemplo Si el número de espiras del primario fuera 100 veces mayor que las del secundario, al aplicar al primario la tensión de la red eléctrica de 230 V, se obtendría en el secundario una tensión 100 veces menor; o sea, 23 V.
A la relación entre el número de espiras del primario y las del secundario se le llama relación de transformación. Si NP > NS ⇒ el transformador es elevador (por ejemplo, 200 V ⇒ 400 V) Si NP < NS ⇒ el transformador es reductor (por ejemplo, 230 V ⇒ 12 V) Si NP = NS ⇒ sale lo que entra (ejemplo, 230 V ⇒ 230 V); es un transformador de aislamiento Y también se cumple que:
8.7.2 Estructura int ernabásica En la figura 8.20 se representa la estructura esquemá tca del transformador, donde aparecen los bobinados, el núcleo y los valores más importantes del transformador. Núcleo ferromagnéco Bobinado primario
Bobinado secundario I
I
P
Tensión de entrada
Tensión de salida
V
V
Flujo magnéco
Figura 8.20. Estructura esquemática básica del transformador.
Asimismo, considerando que no existen pérdidas (rendimiento del 100 %), se cumple que la potencia de entrada (PP) es igual a la de salida (PS):
Esta fórmula nos permite deducir, por ejemplo, la intensidad de entrada, conociendo la potencia de salida.
140
Unidad 8 · Electromagne
tsmo. Aplicaciones práctcas
Ejemplo Supongamos un transformador con entrada de 230 V, y que proporciona una tensión eficaz de salida de 12 V con una corriente eficaz de 1 A; la potencia de salida es: Y como la potencia de entrada se considera igual a la potencia de salida:
Y se cumple que PE = PS:
En la práctca, el rendimiento de los transformadores no es del 100 %, pero es muy elevado; del orden del 95 %. Se puede decir que casi no se producen pérdidas en la transformación; es la máquina eléctrica (estátca) de mayor rendimiento. La potencia de los transformadores se suele expresar en VA (volto-amperios), es lo que se conoce por potencia aparente; por ejemplo, puede ser un transformador de potencia 12 VA, con entrada 230 V y salida 6 V. Esto signi fica que el producto tensión de salida (V) × intensidad de salida (A) = 12. De este dato se deduciría que la intensidad de salida nominal sería de: 12 VA = VSAL × ISAL ⇒ 12 = 6 × ISAL ⇒ ISAL = 12/6 = 2 A También en algunos transformadores aparece indicado la tensión y corriente de salida nominal.
8.7.3 Transformador con toma media Partendo de una tensión de entrada, se ob tenen dos tensiones de salida ( fig. 8.21). Entre el punto medio (0) y V1 aparece una tensión, y entre el punto medio y V2 otra tensión. Si la toma media (0) es justo en la mitad de espiras del bobinado secundario, las dos tensiones son del mismo voltaje; pero en cualquier caso, desfasadas 180° entre sí. V1
Bobinado primario
0
Figura 8.21. Transformad or con toma media. Produce dos tensiones en c ontrafase.
V2 En el transformador con toma media en el secundario, se ob tenen dos tensiones (V1 y V2) en contrafase, o sea, desfasadas 180° entre sí (fig. 8.22);
141
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas
VP = Vmáx. ≈2 × 12≈ 1,41 17 V V1
VP = 24 × 1,41 ≈ 34 V
12V
12
0V
220V
24
12V
12
V2 Figura 8.22.
Con respecto al punto medio del secundario (0), cuando en un terminal aparece el semiciclo positvo en el otro se encuentra el negatvo, y viceversa, como se representa en el gráfico de ondas de la figura 8.23.
17 V Tensión V1
0V
−17 V
17 V Tensión V2
0V
−17 V
V1 – V2 = -17 – 17 = -34 V Figura 8.23.
V1 – V2 = 17 – (-17) = 34 V Se muestra también la diferencia de potencial que se ob tene entre las dos fases ( V1 y V2) en dos instantes de la onda. La función es similar a la obtenida mediante dos pilas según el montaje de la figura 8.24.
12 V
12 V 0V
12 V Figura 8.24. 142
12 V
24V
Unidad 8 · Electromagne
tsmo. Aplicaciones práctcas
8.7.4 Autotransformador Este transformador se caracteriza porque sólo tene un bobinado, que sirve como primario y secundario (fig. 8.25). Según se conecte, puede servir como elevador o reductor de tensión. Resulta más barato que los transformadores con dos secundarios, pero no aísla la tensión de salida de la tensión de entrada (existe una línea que es común a la entrada y la salida). En cambio, en los otros transformadores, la tensión de salida no tene conexión eléctrica alguna con la tensión de entrada (la transferencia de energía es sólo magné tca), lo cual da lugar a un aislamiento entre la entrada y la salida. Las relaciones del transformador ideal son las mismas para el autotransformador: Relación de transformación:
NS = espiras entre B y C NP = espiras entre A y C Relación entre intensidades primario y secundario:
Relación entre potencias primario y secundario:
IP A
VP
B
IS
VS C Línea común de entrada y salida
Figura 8.25. Autotransformador.
Gracias a los transformadores se puede trasformar el voltaje de una forma sencilla y con un elevado rendimiento. Su utlización es lo que permite generar elevados voltajes en las centrales (miles de voltos) y que el usuario reciba la tensión normalizada de 230 V. Este es de especial utlidad en la red de transporte de energía eléctrica, ya que al efectuar el transporte de energía eléctrica con alta tensión y baja intensidad se minimizan las caídas de tensión (pérdidas), y además ello permite que la sección tendo de de los conductores pueda ser menor (lo cual reduce costes también). Y par la red de 230 V, también resulta sencillo obtener otras tensiones más bajas (9 V, 12 V, etc.), necesarias para la alimentación de ciertos aparatos eléctricos u electrónicos.
8.8
G rabac ión magnética de señales
Como se sabe, las propiedades magnétcas de los materiales ferromagné tcos se aprovechan para el almacenamiento de señales, que podrían ser de sonido, vídeo o datos digitales. En la superficie de los discos informátcos existe una fina capa de material ferromagnétco, en la cual quedan almacenadas (se graban), en forma de campos magné tcos, las señales eléctricas correspondientes a los bits (datos digitales). 143
Unidad 8 · Electromagnetsmo. Aplicaciones práctcas En estas aplicaciones las bobinas, debidamente adaptadas, reciben el nombre de cabezales. Así, los cabezales se basan en una bobina con un núcleo en circuito abierto, de manera que aparecen dos polos; el entrehierro. Al aplicar las señales eléctricas a grabar, elflujo magnétco que aparece en el entrehierro se cierra (circula) a través de la materia ferromagné tca que tene la cinta magnétca o superficie de disco duro (ordenador). De esta manera, conforme va pasando por delante el disco o la cinta, se van creando ciertas zonas magne tzadas; de esta manera, las señales eléctricas correspondientes a sonidos o bits quedan grabadas en la cinta en forma de pequeños campos magnétcos. En la reproducción, lectura, el proceso se basa en el principio de que en una bobina se genera f.e.m. cuando es afectada por variaciones de campo magnétco. Como en la superficie del disco duro existen zonas magne tzadas correspondiente a datos grabados, conforme va pasando la super ficie frente al cabezal se van produciendo unas variaciones de flujo magné tco que hacen que en la bobina se induzca una señal eléctrica variable en el tempo, en función de las caracterís tcas de las zonas magnétcas grabadas en la cinta. En los discos duro de ordenador el principio, aunque se presenta de una forma muy simple, en la práctca el sistema es muy sofistcado y complejo; se trata de un disco en cuya superficie se encuentra depositada una fina capa de material ferromagnétco. El disco va girando (una velocidad normal es 5400 o 7200 rpm) y sobre su superficie existe un cabezal, que puede moverse radialmente (mediante un motor paso a paso), mediante el cual se aplican las señales eléctricas a grabar, que son las correspondientes a la información (datos); o sea, los datos digitales (debidamente codificados) quedan grabados, al igual que en las cintas de casete, en forma de diminutas zonas magnetzadas. En el proceso de lectura, al estar el disco en movimiento (girando) el cabezal recibe unas variaciones de flujo magnétco que hacen que se induzcan en él unas señales eléctricas; son las correspondientes a los datos grabados.
Actividadesfinales 1. Representar la estructura esquemátca de un transformador, y explicar su funcionamiento básico. ¿Cómo se realiza la transferencia de energía entre el primario y el secundario?
2. Poner ejemplos de transformador elevador, reductor y de aislamiento. 3. Si a un transformador con primario para 12 V y secundario de 230 V se le aplica al primario una tensión contnua de 12 V, ¿Qué se obtendría en la salida? Si a este mismo transformador se le aplica al secundario la tensión de 230 V de la red eléctrica, ¿qué tensión se obtendría en el primario?
4. Representar las fórmulas, relaciones fundamentales del transformador; relación de transformación, relación entre potencia de entrada-salida.
5. Si a un transformador con 500 espiras en el primario y 125 espiras en el secundario se le aplica una tensión de 100 V en el primario, ¿De qué valor será la tensión en el secundario?
6. Si en un transformador conectado a 230 V se mide una tensión de salida de 12 V, que alimenta una bombilla, y una intensidad de 2 A, ¿de qué valor será la corriente en el primario?
7. Representar y explicar el autotransformador. 8. Indicar algunos ejemplos de aplicación del electromagnetsmo en los equipos informátcos. 9. Representar las ondas de entrada y de salida de un transformador con toma media en el secundario. • Tensión de entrada (primario); 230 V • Tensión de salida (secundario): 12V, 0, 12 V
10. Si en un transformador sabemos que:
y la tensión aplicada al primario es de 230 V, ¿de qué valor se puede deducir que será la tensión de salida?
144
Unidad 9La
inducción electromagnética y sus efectos prácticos
Objetivos: Explicar, saber, que los principios del electromagnetismo tienen una imprescindible utilidad en muchas aplicaciones eléctricas-electrónicas, y que por tanto se deben conocer. Dispositivos que realizan su función grac ias al electromagnetismo son, por ejemplo; los altavoc es, motores eléctric os, transformadores, c áp sulas de tocadiscos (vinilos) y el disco duro del ordenador.
En este capítulo: 9.1 9.2
Principios del generador electromagnético. Ejemplos prác tic os de electromagnetismo.
9.3
Ley de Lenz.
9.4 9.5
Ley de Farad ay. Efecto de autoinduc c ión. Induc tancia.
9.6
C onstante de tiemp o.
Unidad 9 · La inducción electromagné tca y sus efectos práctcos
Recuerda
• • •
El relé y tra nsformador son dos componentes básicos que se basan en el electromagnetismo. En el relé, se consigue la a ctivación de c ontactos por medio de la fuerza magnética de un electroimán. En el transformador se pueden obtener, diversos valores de tensión alterna, por medio de un acoplamiento magnético entre dos bobinas.
9.1
Principios del generador electromagnético
Lo que se explica a con tnuación, consttuye los principios de funcionamiento de las máquinas eléctricas generadoras de electricidad, dinamos y alternadores. Pero otros dispositvos empleados en electrónica también basan su funcionamiento en el mismo principio; son elementos que generan señales eléctricas débiles (que necesitan amplificación) en función de otras variables fsicas. Por ejemplo: • Cabezales de aparatos de audio-vídeo • Cápsula de tocadiscos (vinilo) • Micrófonos (dinámicos) • Pastllas de guitarra eléctrica • Cabezales del disco duro de los ordenadores
Básicamente, todo se fundamenta en que: Cuando existe movimiento rela tvo entre un conductor (en la prác tca, bobina) y un campo magné tco, se engendra en el conductor una fuerza electromotriz (f.e.m.).
Y cuanto más rápido sea el movimiento mayor será la f.e.m. inducida. O sea, si movemos un imán en torno a una bobina, entre los terminales de la bobina aparecerá una cierta magnitud de tensión eléctrica ( fig. 9.1). Al acercar y separar el imán se genera electricidad en la bobina
N f.e.m. Figur a 9.1.
S
Ge nerac ión d e electricidad por medio de un imán y una bobina.
Y lo mismo ocurre si el imán permanece fijo y lo que se mueve es la bobina. En definitva, cuando un flujo magnétco variable intercepta las espiras de una bobina, se induce en ésta fuerza electromotriz. Pero si el flujo magnétco es constante (no existen variaciones) no se induce f.e.m. en la bobina, aunque actúe un fuerte campo magnétco sobre ella.
9.1.1 Micrófono En el caso de un micrófono (de tpo dinámico), existe una pequeña bobina unida a una membranita con un núcleo que es un imán; de manera que las vibraciones sonoras, a través de la membranita, pueden hacer que se mueva la bobina; de esta manera la bobina genera una señal eléctrica en función de las vibraciones del aire (sonido). Hay que saber que el sonido, las ondas sonoras, son vibraciones de las moléculas del aire, cuya vibración se propaga (de molécula en molécula). Cuando la vibración nos llega al mpano del oído, el cerebro interpreta dichas vibraciones como la sensación que conocemos por “sonido”. También pueden llegar las vibraciones a una membrana sensible como la de un micrófono; en este caso, el sistema electromagné tco del micrófono convierte las vibraciones del aire en señal eléctrica. Otros tpos de micrófonos no se basan en el electromagnetsmo, como es el micrófono electret.
146
Unidad 9 · La inducción electromagné
Recuerda
• • •
Cuando existe movimiento relativo entre una bobina y un campo magnético, se engendra en la b obina una fuerza electromotriz (f.e.m.); tensión eléctrica. En este principio se basan los generadores de electricidad.
tca y sus efectos práctcos
9.1.2 Pastillas de guitarra eléctrica Las pastllas de guitarra eléctrica también generan una señal eléctrica, en este caso, en función de las vibraciones de las cuerdas de la guitarra (que son de tpo metálico, material ferromagnétco). Las pastllas se basan en unas bobinas con unos núcleos que son imanes (un imán por cada cuerda). En este caso no existe movimiento entre la bobina y el imán; tanto la bobina como el núcleo (imán) son fijos. La generación de f.e.m. por la bobina se basa en que las vibraciones de las cuerdas (al ser de material ferromagnétco) modifican la cantdad de líneas de fuerza magné tca que actúan en la bobina, ya que la vibración de la cuerda es muy cercana al imán; al vibrar la cuerda, desvía parte de la fuerza magné tca, y hace que la bobina reciba variaciones de flujo magnétco. Si las cuerdas no vibran, no se tocan, el flujo magnétco que recibe la bobina es constante, no hay variaciones de flujo magnétco y por lo tanto la bobina no genera f.e.m. Como se sabe, para que se genere f.e.m. la bobina debe recibir variaciones de flujo magnétco (si el flujo es constante, no se induce f.e.m.). Pues en los efectos electromagnétcos se basa la generación de electricidad en muchos dispositvos sencillos habituales en la práctca, así como la energía eléctrica en las centrales eléctricas (se basan en máquinas eléctricas, alternadores). En los coches la recarga de la batería se consigue mediante un alternador, cuyo movimiento de giro se lo trasmite el motor por medio de una correa; está claro que en reposo (motor parado), el alternador no genera electricidad. Pues todo esto es así porque las máquinas eléctricas generadoras de electricidad (dinamo y alternador) basan su funcionamiento en el principio fundamental de que cuando hay movimiento relatvo entre un campo magnétco y una bobina, se genera f.e.m. en la bobina.
9.2
Ejemplos prácticos de electromagnetismo
Con una bobina, un imán y un polímetro (mejor analógico) se pueden experimentar, de una forma sencilla, los principios fundamentales del electromagnetsmo. Y de forma muy sencilla, la bobina y el imán lo podemos obtener con un simple altavoz; ya que la base del altavoz se basa en un imán y una (muy pequeña) bobina móvil. Así, con sólo un pequeño altavoz y un tester, y mejor si disponemos de osciloscopio, podemos experimentar de una forma sencilla los principios sobre: • Generador de electricidad (alternador) • Micrófono • Motor eléctrico
9.2.1 Experimentación de corrientes inducidas A la bobina le conectamos un polímetro analógico (de aguja) como medidor de corriente (fig. 9.2). Según sea la bobina y la potencia del imán, para detectar las pequeñas corrientes que se inducen puede ser necesario seleccionar la escala más sensible del polímetro (por ejemplo, de 50 A). Si movemos el imán en las proximidades de la bobina, mejor si se puede introducir en ella, se pueden observar movimientos de la aguja del galvanómetro; esto es porque en la bobina se engendra fuerza electromotriz (f.e.m.), o sea, una corriente inducida. En el movimiento de acercamiento (o introducción) del imán, uno de los terminales de la bobina se hace positvo con respecto al otro. Y en el movimiento de alejamiento, al invertr el sentdo del movimiento, se invierte también la polaridad de la f.e.m. inducida. Y si se invierte la polaridad del imán también se invierte la polaridad de la f.e.m. inducida.
147
Unidad 9 · La inducción electromagné tca y sus efectos práctcos
Movimiento de entrada-salida
N
Seleccionar la escala más sensible (unos 50 A)
V
I +
S
Figura 9.2. Generación de electricidad por medio de un imán y una bobina; se puede comprobar de forma simple con el tester.
Así pues, si un imán se introduce y saca rápidamente de una bobina se puede generar una f.e.m. cuya polaridad irá cambiando al ritmo del movimiento (fig. 9.3); pues esto es corriente alterna, y es el principio de funcionamiento de los alternadores. Al cesar el movimiento deja de inducirse f.e.m., aunque el imán este junto a la bobina y por muy fuerte que sea su campo magné tco; si está todo en reposo, no se genera f.e.m. Movimiento de entrada-salida Imán
S
N
f.e.m.
+ 0V Figur a 9.3.
_
C on un imán y una bob ina se puede generar tensión alterna.
Para que la forma de onda de la corriente alterna generada sea de tpo senoidal, el movimiento tene que hacerse adecuadamente; normalmente de giro, según la estructura que se representa en la figura 9.4. La bobina (inducido) gira a una cierta velocidad cortando las líneas del campo magné tco generadas por los polos magnétcos (inductor). En este principio se basan las máquinas generadoras de electricidad, alternadores.
148
Unidad 9 · La inducción electromagné
tca y sus efectos práctcos
Movimiento circular
S
N
Escobilla Anillo rozante +V +
Tensión alterna (Onda senoinal)
0 _
Figura 9.4. Generador elemental de tensión alterna senoidal; principio del alternador.
-V
Actividades propuestas 1. ¿Qué se entende por corrientes inducidas? 2. ¿En qué principio del electromagnetsmo se basa la generación de corriente alterna? Representar y explicar cómo se puede experimentar este principio de una forma sencilla.
3. Indicar tres ejemplos de disposi tvos que generan señal eléctrica basados en el electromagne tsmo. 4. Si en el circuito de la figura 9.3 el imán se deja quieto en medio de la bobina, ¿Se generará f.e.m. en la bobina? ¿Por qué?
Actividades prácticas Electromagnetismo práctico Una forma sencilla de experimentar estos efectos fsicos (en ocasiones utlizada por el autor en clases práctcas) es utlizando un altavoz y un polímetro de aguja. Como el altavoz tene una pequeña bobina móvil (cuyo movimiento se trasmite al cono) con un imán en su interior, se obtene una estructura similar a la representada anteriormente (figura 9.3); en este caso, una bobina móvil y un imán fijo, lo cual permite generar corriente, o bien producir movimiento (efecto motor) aplicando corriente a la bobina. Los efectos son reversibles.
Generador de f.e.m. Moviendo el cono rápidamente (pero suavemente) con los dedos se puede hacer mover la bobina y poder generar así una débil f.e.m. Si conectamos los terminales del altavoz (que son los que van a la bobina) a un polímetro de aguja y seleccionamos la escala de corriente más sensible (unos 50 A), al mover el cono se pueden observar unos movimientos de la aguja del polímetro (fig. 9.5); son las corrientes inducidas en la bobina, que se producen debido a que, en su movimiento, corta líneas del flujo magnétco del imán. De esta manera se puede experimentar el principio del generador de electricidad (alternador). Esto también se puede experimentar aun mejor utlizando un osciloscopio.
149
Unidad 9 · La inducción electromagné tca y sus efectos práctcos
Al mover el cono se pueden detectar pequeñas corrientes en el tester. Seleccionar la escala más sensible (50 A)
Altavoz
f.e.m. Movimiento
Figura 9.5. El sistema e lectromagnétic o d el altavoz permite que se g enere elec tricidad al mover el c ono, ya que así se mueve también la b obina.
Actividades pr ácticas Micrófono También se puede experimentar el principio del micrófono; si hablamos frente al cono del altavoz, el aire de la voz puede mover algo el cono; se obtene así una señal eléctrica en la bobina móvil que es función de las variaciones de la presión sonora de la voz. En este caso, debido a lo débil de la señal eléctrica, es mejor u tlizar un osciloscopio que un polímetro, y de paso se puede observar la forma de onda de la voz ( fig. 9.6). Señal eléctrica correspondiente a las vibraciones (sonido) que recibe el altavoz. OSCILOSCOPIO
TIME/DIV
V/DIV
CH1
V/DIV
CH2
Ondas acúscas (sonido) Figura 9.6. El sistema electromagnético del altavoz hace q ue ac túe como generador de señal eléctric a; e n este c aso, se co mporta c omo micrófono.
Altavoz (que actúa como Micrófono). Ajustando adecuadamente los mandos de sensibilidad (V/Div) y base de tempos del osciloscopio (Time/Div), se pueden observar los niveles de señal eléctrica y la forma de onda de los sonidos. Las formas de onda de los
150
Unidad 9 · La inducción electromagné
tca y sus efectos práctcos
Actividades prácticas sonidos (música, voz, ruidos) aparecen como formas de onda complejas no definidas; sólo se observan señales definidas, tpo senoidal, con sonidos fijos como el de una flauta. Y si silbamos, también se observa una forma aproximadamente senoidal.
Motor eléctrico. Altavoz También se puede experimentar el principio de funcionamiento del motor eléctrico. Como el polímetro lleva una pila para la función como óhmetro, seleccionando la escala Ω × 1 podemos aplicar una pequeña corriente a la bobina móvil del altavoz. Se puede comprobar así como, al tocar con las puntas adela prueba en pequeños los terminales del( fialtavoz, se mueve vez quedel se polímetro emiten unos ruidos g. 9.7). el Encono este caso, se utliza el altavoz como motor; al aplicar corriente a la bobina del altavoz, el campo magnétco que genera interactúa con el del imán fijo y se producen movimientos de atracción-repulsión que hacen que el cono se mueva y, como consecuencia, se emiten una vibraciones de presión al aire que son el sonido. De hecho, así es como se usa el altavoz en los equipos de sonido; como convertdor de señales eléctricas en mecánicas (las vibraciones del cono se trasmiten al aire y se produce una vibración de las moléculas del aire; el sonido son ondas mecánicas). Las señales eléctricas de voz e instrumentos musicales, obtenidas por medio de micrófonos, después de ser debidamente amplificadas y procesadas, finalmente son aplicadas al altavoz para que éste las convierta en señales acústcas (sonido).
Al tocar los terminales del altavoz con las puntas del polímetro, se mueve el cono y se emiten unos sonidos.
Figura 9.7.
V
I +
El sistema electromagnético del altavoz también pued e ac tuar c omo motor; la corriente aplicada en la bobina hac e que se mueva el cono. En este principio funciona el altavoz c omo tal; convierte las señales eléctric as que le proporciona el amplifica dor en ondas acústicas (sonido).
9.3
Ley de Lenz
Los efectos sobre inducción electromagnétca obedecen a la denominada ley de Lenz, que resumidamente dice: “La fuerza electromotriz inducida se opone siempre a la causa que la srcina”
Esto se puede llegar a experimentar, por ejemplo, mediante una bobina y un imán (fig. 9.8). Como se sabe, el movimiento de acercamiento de un imán hacia una bobina hace que se induzca una f.e.m. en la bobina, que pueda dar lugar a una corriente (si se cierra el circuito). Por otra parte, también se sabe que cuando por una bobina circula corriente ésta genera campo magnétco. Pues si acercamos un imán a una
151
Unidad 9 · La inducción electromagné tca y sus efectos práctcos bobina (con una carga en sus terminales para que pueda circular corriente) en ésta se inducen unas corrientes cuyo sen tdo de circulación hará que aparezca un campo magnétco cuya polaridad se opondrá al acercamiento del imán; o sea, aparece una fuerza de repulsión (oposición a la causa). En cambio, en el movimiento de separación, la corriente inducida en la bobina es de sen tdo contrario al anterior y se produce una fuerza de atracción; se opone a que se separe el imán (oposición a la causa). Movimiento del imán
S
N
I
Figur a 9.8.
Tensión inducida
Co nectan do una ca rga en la bobina (para que c ircule c orriente), se pued e experimentar la ley de Lenz.
R
9.4
Ley de Faraday
Experimentalmente también se sabe que la magnitud de f.e.m. generada en una espira (o bobina) es proporcional a la rapidez de variación del flujo magnétco en la unidad de tempo. O sea, cuanto mayor sea la can tdad de líneas de fuerza cortadas por la espira y más rápido sea el movimiento mayor es la magnitud de f.e.m. inducida. Esto se conoce por ley de Faraday, lo cual se expresa matemátcamente por:
Esta fórmula es la expresión matemátca de una velocidad; en este caso, la de variación del flujo magnétco. Da cuenta del valor de la f.e.m. generada en una espira en función de la rapidez de variación del flujo. El signo negatvo (−) es para indicar que la f.e.m. inducida será siempre de signo tal que se opondrá a la causa que la srcina. La f.e.m. inducida, al ser una tensión eléctrica, se mide en voltos; así, se tene que 1 V = 1 Weber/1 segundo. En el caso de n espiras (una bobina), como las espiras están en serie, la f.e.m. inducida es la suma de las inducciones en cada espira. Se tene entonces:
La f.e.m. también se suele representar por la letra E.
Actividades desarrolladas Ejercicio 1: Supongamos una bobina de n = 100 espiras por la cual circula una corriente que da lugar a un flujo de 0,01 Wb por espira. Si debido a un aumento de corriente elflujo aumenta a 0,05 Wb en un tempo de
0,05 segundos, en la bobina se inducirá una f.e.m. (tensión) de:
152
Unidad 9 · La inducción electromagné
tca y sus efectos práctcos
Actividades desar rolladas Y la polaridad de los 80 V será tal que se opondrá al aumento de flujo (ley de Lenz). Debido al efecto de oposición que presenta la tensión inducida, ésta también se suele denominar fuerza contra electromotriz (f.c.e.m.).
Ejercicio 2: tnua tal que el flujo Supongamos una bobina de 400 espiras por la cual circula una corriente con es de 0,03 Wb por espira. Si debido a una disminución de la corriente, elflujo se reduce a 0,02 Wb en 0,001 segundos, en la bobina se inducirá una tensión de:
9.5
Efecto de autoinducción. Inductancia
Dos conceptos fundamentales a tener en cuenta sobre este importante concepto son: • Siempre que, por cualquier causa, se produce una variación en las líneas de flujo que cortan a una espira se induce en ella una f.e.m. • La circulación de corriente a través de un circuito siempre da lugar a una campo magnétco en el espacio circundante.
Así, la circulación de un valor constante de corriente a través de una bobina da lugar también a un valor constante de campo magnétco. Pero si se produce una variación de la intensidad de la corriente (ΔI) también se produce una variación del campo magnétco (Δφ), y esta variación de líneas de flujo, como se sabe, hace que se induzca f.e.m. en las espiras que corten, que pueden ser las de otra bobina o las de ella misma. Cuando en una bobina se genera una f.e.m. inducida por ella misma, a esto se denomina efecto de autoinducción , puesto que es ella misma la que se induce la f.e.m. Pues este fenómeno fsico ocurre siempre en las bobinas cuando se producen va-
riaciones de tensión. corriente, por ejemplo, en los momentos de conexión y desconexión a la fuente de Así, a causa del fenómeno de la autoinducción, en las bobinas se produce un efecto de oposición a las variaciones de corriente. Las variaciones de corriente ( ΔI) dan lugar a variaciones de flujo magnétco, y las variaciones de flujo hacen que se induzca una f.e.m. (E) con una polaridad que se puede restar o sumar con la fuente de tensión, según la variación sea de aumento o decremento; la f.e.m. tende así a que se compense la variación de corriente.
9.5.1
Impulsos de elevada f.c.e.m. en la desc onexión de labobina
Un aspecto muy importante en la práctca, es que se pueden dar valores de f.c.e.m. instantáneos (impulsos de corta duración) de elevado voltaje si existe una circulación intensa de corriente y se corta bruscamente su paso. Esto es pico cuando se controla directamente la bobina mediante un interruptor. Por ello, en circuitos del tpo como el de la figura 9.9, en el instante de abrir el interruptor puede aparecer, entre los contactos, un arco eléctrico (chispas) que hasta pueden dañar los contactos. En la práctca, el efecto de la autoinducción tene sus utlidades pero también sus defectos. Por ejemplo, es aprovechado en el sistema de encendido del automóvil para obtener los impulsos de elevado voltaje que se aplican a las bujías; se consigue mediante la bobina de encendido, un circuito basado en el de la figura 9.9.
153
Unidad 9 · La inducción electromagné tca y sus efectos práctcos
Impulsos de alta tensión (para las bujías)
Bobina alta tensión
Batería 12 V Figur a 9.9.
Condensador para eliminar las chispas en los contactos.
Al desconectar la bobina primaria, se genera un impulso de alta tensión, como efecto d e la autoinducc ión.la En este sistema se basa generación de la chispa en las bujías en los motores de los co c hes.
C
Por otra parte, también es la causa de las chispas picas que se producen entre los contactos de los interruptores que controlan aparatos basados en bobinados (relés, transformadores, motores, etc.), que da lugar a que con el tempo se deterioren.
9.5.2 Coefic iente de autoinducc ión Como se sabe, el flujo magnétco generado por una bobina tene su origen en la corriente que circula por ella; o sea, es proporcional a la intensidad. A la constante de proporcionalidad entre el flujo magnétco que genera (Φ) y la corriente que por ella circula (I) es lo que se denomina coe ficiente de autoinducción o inductancia, y se simboliza por L. O sea:
El coeficiente de inductancia (L) de una bobina se puede ver pues como la capacidad que tene una bobina para generar flujo magnétco cuando por ella circula corriente (fig. 9.10).
I
VB
L=
Φ I
Flujo magnéco ( Φ)
Figura 9.10. Inductancia.
Cuanto más cantdad de flujo magnétco genere una bobina para una cierta intensidad de corriente más inductancia tene. Así, una bobina tendrá más inductancia que otra si para un mismo valor de corriente genera más campo magné tco El valor de inductancia se mide en henrios, que se simboliza por H. Una bobina tene la inductancia de 1 H si genera un flujo magnétco de 1 Wb cuando por ella circula la intensidad de un amperio:
154
Unidad 9 · La inducción electromagné
tca y sus efectos práctcos
Se utlizan mucho también, especialmente, en electrónica los submúl tplos del henrio: Milihenrio (mH)⇒ 1 mH = 0,001 H Microhenrio μ(H) ⇒ 1 μH = 0,000001 H
Así, la f.e.m. (E), combinando formulas anteriores, también se puede expresar por:
Y de esta fórmula se ob tene que la inductancia también se puede expresar por:
De donde se puede deducir también la unidad de inductancia: Una bobina tene una inductancia de 1 henrio (1 H) si se induce en ella una f.e.m. de 1 volto (E = 1 V) cuando la variación de corriente que la recorre es de 1 amperio ( ΔI = 1 A) en 1 segundo (Δt = 1 s).
Actividades desar rolladas Ejercicio 1: Si en una bobina de L = 2 H la corriente aumenta de 0,1 a 3 A en untempo de 0,05 s, la fuerza electromotriz autoinducida es:
Ejercicio 2: Si en una bobina se detecta un pico de f.e.m. de 1.500 V haciendo que se produzca una variación de corriente de 18 A en un tempo de 0,003 segundos, el valor de inductancia de la bobina es:
9.6
Constante de tiempo
Tanto en la conexión como en la desconexión de la bobina a la fuente de tensión, la corriente tarda un cierto tempo en adquirir los valores nominales de reposo. Al igual que ocurre con los condensadores, en las bobinas también aparece el concepto de constante detempo.
9.6.1 Constante de tiempo en la conexión Se denomina constante detempo, al tempo que tarda en llegar la corriente al 63,2 % de su valor máximo . Y dicho tempo viene dado por la relación entre la inductancia de la bobina y la resistencia del circuito ( fig. 9.11):
O sea, que:
155
Unidad 9 · La inducción electromagné tca y sus efectos práctcos
IL VB R 0,63
VB R
τ=
Figura 9.11. Forma d e a umentar la c orriente en la b obina e n la conexión.
0
L R
t
τ
Así pues, el tempo en alcanzar el valor máximo de corriente será mayor cuanto mayor sea la inductancia de la bobina y menor sea la resistencia. Si la inductancia es muy baja, entonces el tempo de subida es muy rápido; está claro que si no hay efecto inductvo (L = 0), entonces t = L/R = 0 y no existe ningún retardo (es un circuito puramente resistvo). En la práctca, la corriente se considera que ha alcanzado su valor máximo al cabo de cinco constantes de tempo (5 τ) (fig. 9.12):
IL VB R 0,632
Figura 9.12. Constante de tiempo.
IL(máx .)
VB R
0
τ
2τ
3τ
4τ
5τ
t
Ejemplo En el circuito siguiente fi( gura 9.13), la constante detempo en la conexión (conmutador en la posición A) vale:
Y el valor máximo de corriente que se puede dar es:
O sea, que al cabo de t = 0,2 s de la conexión el valor de la corriente será (fig. 4.29b): Y el valor máximo de corriente se alcanzará al cabo de:
156
Unidad 9 · La inducción electromagné
tca y sus efectos práctcos
Ejemplo A B
VB 100V
R1 10 Ω R2 20 Ω
L 2H
Figura 9.13.
9.6.2 Constante de tiempo en la desconexión Cuando la bobina se desconecta de la fuente de tensión, la energía electromagnétca de la bobina se transforma en una corriente eléctrica que circula a través de la resistencia que se encuentra en paralelo con la bobina. Y la corriente tende a cero de una forma exponencial. Al cabo de una constante de tempo el valor de la corriente es:
O sea, la corriente queda a un 36,8 % del máximo (se reduce un 63,2 %). Y al cabo de cinco constantes de tempo, 5 L/R, la corriente es ya práctcamente cero (fig. 9.14):
IL
Desconexión
E
IL(máx.)
R
τ=
0,368
E
L R
R
Figura 9.14. Forma de disminuir la c orriente en la bobina, en la desconexión.
0 9.6.2.1
τ
5τ
t
Impulso de f.c.e.m.
En el instante de la desconexión de una bobina, o sea, al desconectarle la tensión, la bobina genera un impulso de tensión (f.c.e.m.) que puede resultar muy elevado. Su valor viene dado por la fórmula:
Cuanto mayor sea el valor de la corriente en el momento de la desconexión y más rápido sea el corte, de mayor magnitud será el impulso de f.c.e.m. generado. 157
Unidad 9 · La inducción electromagné tca y sus efectos práctcos
Actividades desarrolladas En el circuito siguiente ( figura 9.15):
Figura 9.15. Constante detempo en la desconexión
En el instante de la desconexión (el conmutador cambia a la posición B) la corriente disminuye con una constante de tempo de:
En este caso, se debe tener en cuenta la suma de las dos resistencias ya que la corriente de descarga de la bobina circula por las dos. Así, al cabo de 0,066 segundos el valor de la corriente será:
Y la corriente se habrá reducido práctcamente a cero al cabo de 5 τ:
Cálculo del impulso de f.c.e.m.
En el instante de la desconexión (el conmutador pasa de la posición A a la B), como la constante de tempo vale:
Y el valor máximo de corriente es:
Aplicando la fórmula:
Este valor se comprueba también basándonos en el razonamiento de que en el instante de la desconexión se mantene el valor de la corriente que esté circulando en ese momento. Así, como que IL(máx.) = 10 A:
158
Unidad 9 · La inducción electromagné
tca y sus efectos práctcos
Así pues, queda claro que cuanto mayor sea el valor resistvo que queda en paralelo con la bobina en el momento de la desconexión, menor es la constante de tempo y de mayor voltaje resulta el impulso de f.c.e.m., dando esto lugar asimismo a una mayor velocidad inicial de disminución de la corriente. Debido a este efecto, se deben tener ciertas precauciones cuando se trabaja con bobinas, transformadores, motores; ya que estos impulsos pueden ser de elevada magnitud y, entre otros sustos, pueden dañar componentes como contactos y dispositvos electrónicos.
Actividadesfinales 1. ¿Qué se entende por corrientes inducidas? 2. En el caso de un micrófono (dinámico), explicar cómo es el proceso de generación de señal eléctrica en función de las ondas sonoras.
3. Explicar en qué estructura se basa una pastlla de guitarra eléctrica para convertr las vibraciones de la cuerda (metálica) en señales eléctricas.
4. Explicar cómo se genera la corriente alterna en la estructura representada en la figura 9.2. ¿Cómo se denomina este tpo de máquina?
5. ¿Qué indica la ley de Lenz? Explicar una aplicación que permita su experimentación. 6. Explicar el concepto de inductancia. ¿En qué unidad se mide? 7. ¿Por qué razón se suele o debe poner un condensador en paralelo con el interruptor que alimenta una bobina?
8. En qué se basa la generación de la alta tensión para producir la chispa en las bujías de un coche, si la batería del coche es de 12 V.
9. Explicar y representar el gráfico del concepto constante de tempo en la bobina. ¿Por qué se produce? 10.Dado el circuito siguiente (fig. 9.16). En la desconexión (el conmutador cambia de la posición A a la B), hallar: a) El valor de la constante de tempo b) El valor del impulso de f.c.e.m.
Figura 9.16.
159
Unidad 10C orriente
alterna: Principios y características
Objetivos: Sab er los principios fundamentalesrelac ionados con la corriente alterna, ya que es como se obtiene de la red eléctrica. Y esta tensión es la base para la alimentación de los equipos electrónicos conectados a la red eléctrica. Aparecen conceptos fundamentales como ciclo, frecuencia, valor de pico, valor e fica z, etc. que se d ebe n c onoc er y sab er utilizar, ya que a demás de en temas de alimentación se utilizan en las señales que procesan aparatos electrónicos tales como equipos de sonido, radio, TV, etc.
En este capítulo: 10.1 Principios sobre corriente alterna.
10.6
La bobina en alterna.
10.2 La red de suministro de ene rgía eléc trica . 10.3 G enerac ión de co rriente alterna. El alternad or. 10.4 Va lores de tensión. 10.5 Desfase de ond as.
10.7 10.8 10.9 10.10
El c ond ensad or en alterna. Impedancia. Potenc ia en alterna. C orriente alterna trifásica .
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
10.1
tcas
Principios sobre c orriente alterna
La corriente alterna se caracteriza porque su sentdo de circulación va cambiando tnuamente; de ahí periódicamente, debido a que su polaridad se va alternando con su denominación. Es una corriente bidireccional. En cambio, la corriente contnua se caracteriza porque su sentdo de circulación no varía; es una corriente unidirec-
cional. En la figura 10.1 se muestra un circuito para ilustrar cómo una carga ( RL) podría recibir una tensión cuya polaridad puede ir cambiando, o sea; una tensión alterna. Accionando rápidamente el conmutador, la carga recibiría una tensión de polaridad cambiante a la frecuencia de accionamiento del conmutador. Conmutador accionado rápidamente Corriente bidireccional
A B
B
I=
RL
12V
12V
12V = 6A 2Ω
A
Figura 10.1. C irc uito que permite que la carga ( R L) pued a rec ibir corriente alterna.
Y esta tensión alterna dará lugar a su vez a la circulación deuna corriente que va cambiando de sentdo, o sea; una corriente alterna. Obviamente, para ello el conmutador debe ir cambiando de posición, y la velocidad de cambio determinará lo que se conoce por frecuencia. En este caso, se obtene una corriente alterna de forma rectangular (fig. 10.2).
+12V
0
-12V
Tensión alterna enR1
Conmutador en la posición A
t Conmutador en la posición B
Corriente alterna en R1 6A 0 Figura 10.2.
C orriente alterna que recibiría la carga en un circuito como el de la figura 10.1.
t 6A
161
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas En la práctca existen sistemas electrónicos que funcionan bajo este mismo principio; son los convertdores de corriente contnua a corriente alterna, y el elemento conmutador, obviamente, es detpo electrónico (transistores y tristores). Hay que tener en cuenta que el sentdo de circulación de la corriente no afecta al desarrollo de energía. Por ejemplo, es muy fácil comprender (y comprobar) que la bombillita de una linterna se encenderá con la misma potencia independientemente de la posición con que se ponga la pila. En la figura 10.3 se representa un ejemplo con una resistencia; la potencia desarrollada en la resistencia es la misma ( 24 W) independientemente del sentdo de circulación de la corriente. La potencia eléctrica desa rrollada es in dependiente del sendo de circulación de la corriente. P = 12 × 2 = 24W
P = 12 × 2 = 24W
2A 12V
6Ω
12V
6Ω
2A
10.1.2 Forma de onda A la representación gráfica de la variación de una tensión (o corriente) en función del tempo se denomina forma de onda. En una tensión contnua ideal este gráfico es pues una línea recta horizontal; la tensión es constante, no varía. Por ello, esto resulta en una corriente cuyo valor y sen tdo también es constante. En cambio, una tensión alterna de forma de onda senoidal da lugar a una corriente cuyo sentdo de circulación y magnitud van cambiando de forma periódica; este es el tpo de onda
Figura 10.3.
que se obtene de la red eléctrica. Esto se representa en la figura 10.4. Tensión alterna (forma senoidal)
Tensión connua (ideal) +V V
+ Valor constante 0
Figura 10.4. Representación de la tensión continua y tensión alterna típica.
162
empo
0
+ _
_
empo
-V
10.1.3 Señales pulsatorias Una corriente puede ser contnua, o sea, su sentdo no variar, pero su magnitud puede no ser constante; es el caso de lo que se denomina corriente contnua pulsatoria. En la figura 10.5 se muestra un ejemplo de tensión pulsatoria y el circuito que permite obtenerla. El accionamiento con tnuado del elemento interruptor que (puede ser mecánico o electrónico) da lugar a la tensión pulsatoria.
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Elemento Tensión connua pulsatoria Interruptor cerrado
I
5V
5V
RL
Interruptor abierto
0 empo Figura 10.5. Tensión continua pulsatoria.
Una forma de tensión pulsatoria pica, que aparece mucho en electrónica, es la mostrada en la figura 10.6; la variación de tensión es de tpo senoidal, ya que se obtene al rectficar la tensión de la red. +V
Tensión connua pulsatoria
Figura 10.6. Tensión c ontinua pulsatoria; es la que se ob tiene a l rectific ar la c orriente alterna senoidal.
0V Aunque su tensión es variable en función del tempo, al no cambiar de polaridad es una tensión contnua. Asimismo, también puede exis tr una tensión alterna pero de magnitud constante en las dos polaridades; es el caso de la forma de onda cuadrada (figura 10.2); sólo varía el sen tdo de circulación.
10.1.4 Corriente alterna de forma senoidal La energía eléctrica que se obtene de la red es alterna y de forma senoidalfi(g. 10.7).
Alternador
G
+
Figura 10.7. El alternador genera la tensión de forma senoidal.
Esto es así porque es el tpo de energía que generan las máquinas generadoras de las centrales eléctricas; alternadores. En la onda senoidal, inicialmente ( t = 0) la tensión es cero y empieza a aumentar hasta llegar a un valor máximo positvo, a partr del cual empieza a disminuir hastvo. Después ta volver a cero; esta parte de la onda se conoce por semiciclo posi vuelve a aumentar la tensión pero con polaridad contraria, hasta llegar a un valor máximo negatvo a partr del cual vuelve a disminuir hasta volver otra vez a cero; esto es el semiciclo nega tvo.
Actividades propuestas 1. Definir el concepto de corriente alterna. ¿Es lo mismo que tensión alterna? 2. Qué recibe el circuito de la figura 10.3 ¿corriente contnua o alterna? 3. Definir una corriente pulsatoria, representar algún ejemplo. 163
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
10.2
La red de suministro de energía eléctrica
La razón fundamental de que en la red se suministre corriente alterna en vez de contnua se basa en que ésta puede transformarse de valor fácilmente (mediante transformadores). Esto da lugar a un abaratamiento de los costes de los cables de transporte de la energía eléctrica y, además, permite disponer fácilmente de diferentes valores de tensión según las aplicaciones.
10.2.1 Transporte de la energíaeléctrica Los transformadores permiten obtener de una forma sencilla diferentes valores de tensión. Se puede trasformar el voltaje de una forma sencilla y con un elevado rendimiento. Su utlización es lo que permite generar elevados voltajes en las centrales (miles de voltos) y que el usuario reciba la tensión normalizada de 230 V. Al poder transportar la energía de las centrales eléctricas con alta tensión, como para un mismo valor de potencia cuanto mayor es la tensión menor resulta la intensidad, los cables pueden ser más delgados y esto permite reducir su peso y en consecuencia su costo. Hay que tener en cuenta que la potencia transportada viene dada por: Y como se deduce, para un mismo valor de potencia la intensidad de la corriente resulta más baja cuanto más elevado sea el voltaje. Y, como se sabe, la sección de los cables (el grosor) debe ser mayor cuanto mayor es la intensidad que debe circular. Es por ello que transportando tensiones altas los cables pueden ser más delgados. Por otra parte, esto da lugar también a una reducción de las pérdidas de potencia en los cables por calentamiento (efecto Joule) ya que la energía disipada es proporcional al cuadrado de la intensidad que circula:
Actividades desarrolladas Supongamos que una central generadora de electricidad debe suministrar una potencia eléctrica de 55.000 W (55 kW) a una cierta población. Si el suministro de dicha potencia se hace con una tensión de 220 V, por las líneas de transporte (cables) deberá circular una intensidad de corriente de ( fig. 10.8):
Central generadora G
250 A Usuarios 220 V
M
Potencia suministrada:
Potencia (teórica) recibida:
P = 250 × 220 = 55.000W
P = 250 × 220 = 55.000W
Figura 10.8.
Pero si esta misma potencia eléctrica se suministra con un voltaje de 220.000 V, la intensidad resulta mucho menor (fig. 10.9):
164
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Actividades desar rolladas
0,25 A
Central generadora
250 A Usuarios
220 kV
G
Potencia suministrada: P = 0,25 × 220.000 = 55.000 W
220 V
M
Potencia (teórica) recibida: P = 250 × 220 = 55.000W
Figura 10.9.
Esto, como es evidente, supone un abaratamiento del coste de las líneas de transporte que van desde la central hasta el transformador (que son las que tenen que cubrir más largas distancias), al poder u tlizar cables de mucha menos sección. Asimismo, las pérdidas por efecto Joule (que, al ser una energía consumida, también se paga) serán mucho menores. Eso si, para lograr esto se precisa de un equipo de transformación que reduzca los 220.000 V a 220 V. En la práctca esto es así con unas tensiones determinadas y por medio de varias etapas transformadoras. En el caso de que las centrales suministraran corriente contnua, entre otros problemas, resultaría muy costoso y complicado la transformación del voltaje; en cambio, como ventaja, no serían necesarios los circuitos de conversión de corriente alterna a corriente contnua (rectficadores) que deben u tlizarse en todos los aparatos de electrónica que se alimentan por medio de la red.
10.3
Generación de corriente alterna El alternador
La generación de la corriente alterna se basa en el principio del electromagnetsmo que dice: “cuando un conductor (una bobina, en la t prác ca) se mueve cortando líneas de flujo magnétco se genera en él f.e.m.”
La estructura elemental del alternador se basa en unos polos magnétcos (inductor) que srcinan el flujo magnétco, y una bobina (inducido) en la cual se genera la f.e.m. cuando ésta se mueve ( fig. 10.10). La magnitud de la f.e.m. generada depende de la fuerza magnétca del inductor, del número de espiras y de la velocidad de giro de la bobina del inducido. Una onda completa de corriente alterna se genera con cada vuelta completa que da el inducido. Y, como se sabe, la circunferencia se divide en 360º. Pero también se emplea, y muy especialmente en electricidad, la unidad angular que se llama radián. Como que un radián es un ángulo cuyo arco es igual al radio y la longitud de la circunferencia viene dada por L = 2π r, el número de radianes que tene la circunferencia es:
Por tanto, el ángulo completo de la circunferencia se puede expresar como 360° ó también como 2π rad.
165
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
Movimiento circular de la espira (inducido)
Flujo magnéco generado por los polos
Escobilla
magnécos (inductor)
Anillo rozante
Vsalida
Tensión alterna (forma senoidal)
RL
Un ciclo: se genera en una vuelta del inducido Figura 10.10. Estructura elemental de un generador de tensión alterna; alternador.
10.3.1 C ic lo Un ciclo se puede definir como el recorrido completo que hace la onda que se repite periódicamente (fig. 10.11). Semiciclo posivo +V
0
90°
180° 270°
360°
Semiciclo negavo -V
Figura 10.11. C iclo de una onda senoidal.
Un ciclo Normalmente, se toma el recorrido que hace desde el valor cero de inicio de la onda, a partr del cual empieza a hacerse posi tvo, hasta que vuelve al mismo punto desde el semiciclo negatvo. Así, un ciclo se compone de dos semiciclos; el nega tvo (−) y el positvo (+). Como en una vuelta completa de la espira (fig. 10.10) se recorre un ángulo de α = 360° = 2 π rad, en este recorrido se genera un ciclo de la onda; una onda completa. Es por ello que los ciclos de las ondas a veces se representan divididos en grados o radianes, como se muestra en la figura 10.11.
10.3.2 Periodo El tempo en dar una vuelta completa el inducido del generador, o sea, en generarse un ciclo, se llama periodo, y se expresa por T. Su unidad es el segundo. 10.3.3 Frecuencia La frecuencia se define como el número de ciclos que se efectúan por segundo. Su unidad es el Hercio, que se representa por Hz. 166
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Por ejemplo, si la bobina del inducido del generador elemental ( fig. 10.10) da una vuelta por segundo, se generará una onda con una frecuencia de 1 ciclo por segundo ( f = 1 Hz). Y el tempo del periodo será pues de un segundo ( T = 1s). Y si diera 5 vueltas por segundo la frecuencia sería de f = 5 Hz; se efectuaría un ciclo cada 0,2 segundos (T = 0,2 s). Estos conceptos se representan en la figura 10.12.
f = 1 Hz f = 5 Hz T = 0,2 s
Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3
Frec uencia; c iclos por segundo.
Ciclo 5
1 segundo
T=1s Figura 10.12.
Ciclo 4
Como se deduce, la frecuencia es el inverso del periodo; cuanto menos tempo dura el periodo, mayor es la frecuencia; de ahí la pica expresión:
Ejemplo Cuanto menor es el tempo del periodo mayor es la frecuencia: ⇒ f = 1/1 = 1 Hz T=1s T = 0,2 s ⇒ f = 1/0,2 = 5 Hz T = 0,02 s ⇒ f = 1/0,02 = 50 Hz
En una señal cuyo periodo es T = 0,001, el valor de su frecuencia es:
Y, como se deduce, eltempo de periodo es el inverso de la frecuencia:
Así, cuanto mayor es la frecuencia menor es la duración del periodo.
Ejemplo f = 1 Hz ⇒ T = 1/1 = 1s f = 5 Hz ⇒ T = 1/5 = 0,2 s f = 50 Hz ⇒ T = 1/50 = 0,02 s
Así, en una señal de f = 20.000 Hz se hacen 20.000 ciclos por segundo; cada ciclo durará:
167
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas La frecuencia de la red eléctrica en Europa está normalizada a 50 Hz, y en Estados unidos a 60 Hz.
Múltiplos del Hz que se utilizan normalmente Kilohercio ⇒ 1 kHz = 1.000 Hz Megahercio ⇒ 1 MHz = 1.000.000 Hz Gigahercio ⇒ 1 GHz = 1.000.000.000 Hz
10.3.4 Ondas de sonido y de radio El sonido son vibraciones de la presión del aire; la fuente de sonido (voz, guitarra, etc.) hace que las moléculas del aire se pongan en vibración, y esta vibración se propaga, de molécula en molécula, hasta llegar al oído. La vibración del mpano del oído es trasmitda, por medio de fibras nerviosas, al cerebro y la percibimos como sensación de sonido. Así pues, en el tema del sonido también aparece el concepto de frecuencia. Las personas sólo podemos sentr sensación sonora si las vibraciones que nos llegan se encuentran en la gama de 20 Hz a 20 kHz; esto es la gama estándar de frecuencias audibles. Aunque, en la práctca, a partr de unos 16 kHz se suele empezar a perder audibilidad. En general, el sistema auditvo tene menos sensibilidad en las frecuencias bajas (graves) y en las altas (agudos). En el tema de las telecomunicaciones también se habla de frecuencias, ya que las emisoras de radio y TV envían al aire, a través de las antenas, ondas de naturaleza electromagnétca de unas determinadas frecuencias. Por ejemplo, la banda de frecuencias de la radio FM va de 88 a 108 MHz. O sea, cuando sintonizamos una emisora de FM, por medio de la antena de la radio, se está recibiendo una débil señal eléctrica (del orden de V) cuya frecuencia puede ser de 93,9 MHz (radio Barcelona). En el receptor, esta débil señal eléctrica es amplificada y procesada adecuadamente de manera que, finalmente, se obtene una señal eléctrica que, mediante el altavoz, se convierte en sonido (vibraciones del aire).
Actividades propuestas 1. ¿Qué función realizan los transformadores en el transporte de la energía eléctrica? 2. Supongamos que en la ac tvidad desarrollada anterior (fig. 10.8 y 10.9), la potencia a suministrar es de 95 kW y la tensión de usuario es la teórica de 230 V. Calcular los mismos datos. ¿Cómo podrían ser ahora los cables de la sección, más gruesos o más finos?
3. Definir lo conceptos de ciclo, periodo y frecuencia. 4. Calcular el periodo de una señal de f = 100 Hz y otra de 20 MHz. 10.3.5 Velocidad angular Este es un dato muy importante y utlizado en los circuitos de corriente alterna. Como el movimiento del inducido del generador es giratorio (fig. 10.10), aparece el concepto de velocidad angular; ángulo recorrido en función del tempo, que se expresa por ϖ. Del concepto básico de velocidad se ob tene:
α = ángulo recorrido t = tempo
Suvelocidad unidad eslineal, el radián/segundo. Estarecorrido expresión similardel a latconocida v = e / t (espacio la enes función empo). formula de Para que se genere una onda completa, un ciclo, la bobina de inducido del generador tene que dar una vuelta completa, recorrer un ángulo de 2 π rad. Y para ello
168
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
requiere un cierto tempo, que es lo que se conoce por periodo ( T). Por tanto, si para t = T ⇒ α = 2π, se deduce:
Y como que el periodo es el inverso de la frecuencia, T = 1 / f, se puede poner:
Así pues, en resumen, se ob tene que la velocidad angular viene dada por:
Por ejemplo, la velocidad angular de una señal de f = 50 Hz es:
Este es un dato muy importante en la técnica de la corriente alterna; pues aparece frecuentemente en el cálculo de circuitos. Por otra parte, el ángulo, α, recorrido en función del tempo es:
Y para un tempo igual al del periodo (t = T) el ángulo es:
10.3.6
Generación de la onda de c orriente alterna
En el generador elemental ( fig. 10.10), la espira en movimiento circular uniforme genera una onda de corriente alterna de forma senoidal porque el flujo (Φ) interceptado por la espira es función senoidal del ángulo (α) que forma la espira respecto al plano: Y el valor de la f.e.m. inducida ( E), como se sabe, es proporcional a la magnitud de flujo magnétco interceptado en la unidad de tempo (velocidad de variación del flujo):
En la figura 10.13 se hace una representación de cómo se va generando la onda de corriente alterna senoidal en función de la posición que va tomando un vector giratorio; la magnitud de tensión de la onda la define la proyección vertcal del vector, lo cual corresponde con el seno del ángulo barrido por el vector:
A cada posición del vector corresponde un valor de tensión de la onda. Así, por ejemplo, cuando el vector se encuentra en la posición de α = 45°, suponiendo que el radio de la circunferencia (longitud del vector) vale 1:
Y, como se deduce, la amplitud de la onda es máxima cuando el vector se encuentra vertcalmente (para α 90° ó 270°). Cuando su punta está hacia arriba, ángulo de 90°, la amplitud de la onda toma su valor máximo posi tvo ya que sen 90° = 1. Y cuando la punta está hacia abajo, ángulo de 270°, como que sen 270° = −1, entonces alcanza el máximo valor negatvo. 169
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
ω
(rad/s) 135
45
225
315
360
Figura 10.13.
Un recorrido de onda completa (un ciclo) se obtene cuando el vector da una vuelta completa (ángulo de 360°). Así, por ejemplo, dos vueltas completas darán lugar por tanto a la generación de ondas completas (dos ciclos) como se muestra en la figura 10.14. 2 vueltas
⇒
2 ciclos
1 ciclo
1 ciclo 2 ciclos
Figura 10.14.
10.4
Valores de tensión
La magnitud de las ondas eléctricas se expresa por unos valores determinados que es muy importante conocer; y no es lo mismo hacer la medida con un mulmetro o un osciloscopio, ya que las medidas las representan de diferente forma.
10.4.1 Tensión instantánea Es la tensión de la onda en un instante determinado, cuyo valor va variando en función del tempo. Este valor se puede expresar por:
170
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Siendo VP la tensión máxima que toma la onda (tensión de pico) que se alcanza en los ángulos 90° y 270°. Y puesto que α = ω t = 2π f t, también se puede expresar por: Los valores de tensión o corrientes instantáneas se suelen representar en minúsculas (o bien, se podría especificar como Vi o Ii).
Ejemplo Supongamos una corriente alterna de f = 1.250 Hz cuya tensión máxima ( VP) es de 100 V. La tensión de la onda en el instante t = 0,1 ms, será de: Como el ángulo, en radianes, correspondiente al tempo t = 0,1 ms = 0,0001 segundos es: la tensión en ese instante será: O bien, de una forma más directa:
En la figura 10.15 se muestra la onda completa, indicando la tensión en el instante t = 0,1 ms del ciclo, que equivale a un ángulo de 45° ( π/4 rad). Y claro, por simple observación del gráfico de la onda, también se deducen otros valores instantáneos de la tensión: t = 0,2 ms t = 0,4 ms t = 0,5 ms t = 0,6 ms t = 0,8 ms
(90°) (180°) (225°) (270°) (360°)
⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒
Vi = VP = 100 V Vi = 0 V Vi = 70,7 V Vi = VP = 100 V Vi = 0 V
V = 70,7 V
ω (rad/s) VP
100 V 45˚ 45˚ 0,1ms
Figura 10.15.
180˚
360˚
T = 0,8ms (f = 1.250 Hz)
Tensión instantánea.
10.4.2 Tensión de pico A la tensión máxima instantánea que se alcanza en el ciclo se llama tensión de pico (VP). Dentro de un ciclo aparecen dos valores de pico; el del semiciclo positvo (+VP) y el del semiciclo negatvo ( −VP). Y, como se deduce, estas tensiones de pico se alcanzan al cabo de ¼ T y de ¾ T, lo cual equivale a los ángulos de 90° (π/2) y
270° (3/2 π). También aparece el término tensión de pico a pico (VPP), que es la tensión entre los dos valores de pico, o sea: VPP = 2 VP. En la figura 10.16 se representan estos conceptos, en la onda senoidal y cuadrada.
171
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
+VP +VP 0V
VPP -VP
-VP
+VP
+
+ VPP
0V Figura 10.16. Tensión de p ico ( V P) y pico a pico ( V PP ).
-VP
10.4.3 Tensión media El concepto de tensión media, como su nombre indica, se re fiere al valor medio de la tensión de la onda. Se basa en la media aritmé tca de todos los valores instantáneos de tensión que se dan en el intervalo considerado de la onda:
Si la onda es simétrica respecto al eje de tempos, o sea, la magnitud del semiciclo positvo es igual a la del negatvo, entonces el valor medio resultante del ciclo completo es cero. Pero si consideramos el valor medio sólo en un semiciclo de la onda, sería el caso de una tensión con tnua pulsatoria, entonces el valor medio no es cero; viene dado por la fórmula:
Y, puesto que π = 3,1416, también se puede expresar por:
Ejemplo Si el valor de pico de una tensión pulsatoria es de 10 V, su valor de tensión media es (fig. 10.17):
VP
10 V Vm = 6,36 V
0 Figura 10.17. Tensión media.
172
(Tensión media)
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Una cosa muy importante en la prác tca es que los volmetros en contnua (en los polímetros se indica por DCV) miden el valor medio; o sea, un vol metro que recibiera la tensión contnua pulsatoria representada en la figura 10.17 marcaría unos 6,3 V.
caz 10.4.4 Tensiónfie Este concepto está relacionado con la capacidad energé tca que puede desarrollar una corriente alterna en comparación con una corriente contnua. Por cuestones de tpo de eficiencia energétca, se hace necesario conocer el valor de tensión (o corriente) alterna que puede desarrollar la misma potencia eléctrica que una tensión contnua del mismo valor; a este valor se denomina valor eficaz. En principio, hay que tener en cuenta que una corriente alterna de un cierto valor de pico desarrolla menos potencia eléctrica que una corriente con tnua pura de igual valor al de pico de la alterna. La alterna pasa por diversos valores instantáneos (entre cero y el máximo) y el valor de pico sólo se alcanza durante instantes; en cambio, en la tensión contnua, el valor es constante. Por ejemplo, la aplicación durante 30 segundos de una tensión alterna de VP = 10 V no hará que una resistencia de 5 Ω se caliente igual que si recibiera durante el mismo tempo una tensión contnua de 10 V. El valor eficaz es un valor que resulta más bajo que el máximo (de pico) de la onda, es una fracción de la tensión (o corriente) de pico; pero este valor sí que tene la misma equivalencia energétca que el de una corriente con tnua del mismo valor. Por ejemplo, una tensión alterna de 10 V de valor e ficaz (cuyo valor de pico es 14,1 V) puede desarrollar el mismo valor energé tco que una tensión contnua de 10 V (fig. 10.18); durante un mismo tempo de aplicación, ambas tensiones pueden desarrollar la misma capacidad calorífica en una resistencia.
14,1V
Misma equivalencia energéca
VP
10 V
Valoreficaz =
Figura 10.18. Valor eficaz.
VP 14,1 ≅ =10 V 2 1,41 El cálculo del valor eficaz de una corriente alterna (o tensión) se basa en la raíz cuadrada de la media de todos los valores instantáneos elevados al cuadrado . De ahí la nomenclatura r.m.s, que viene del inglés root mean square (raíz de la media cuadrátca) y que suele ponerse para expresar valores eficaces. Una tensión eficaz se suele expresar por Vrms (aunque a veces también se pone Vef). Y como consecuencia de una tensión eficaz aparecen también los conceptos de intensidad eficaz (Irms) y potencia eficaz (Prms):
Por medio del cálculo integral, se ob tene que el valor eficaz de una tensión o corriente viene dado por:
173
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
Y como
≈ 1,414, también se pueden expresar por:
Como se observa, el valor e ficaz resulta en una fracción del valor de pico. 10.4.4.1
Tensión de la red eléctrica
Normalmente, las tensiones y corrientes alternas se dan en valor e ficaz; es la lectura que indican los volmetros (o amperímetros). El valor normalizado es de 230 V, aunque en la práctca siguen encontrándose los 220 V picos; este es por tanto el valor eficaz, quevalores indicaría vol metro. Se deduce entonces que V; enson la red aparecen unos deun tensión instantáneos mayores de 220 loseléctrica valores de pico, cuyo valor es:
Esto indica que en la red eléctrica (220 V) aparece una tensión de pico de unos 311 V, lo cual da lugar a una tensión de pico a pico de unos 622 V. En la figura 10.19 se representa la onda que se ob tene de la red eléctrica con sus valores característcos. Tensión instantánea:
VP sen ωt ≈ 311 sen 314,16 t
VP
311 V
Vrms = 220V
Figura 10.19. Valores de la tensión de la red eléctrica (220 V).
0V
VPP = 622 V
-VP
311 V T = 0,02 s (f = 50 Hz)
En alterna, los valores de tensión que se indican (transformadores, motores, bombillas, etc.) se refieren siempre al valor eficaz. Así, por ejemplo, si la tensión de salida de un transformador indica 12 V la tensión de pico es de: Eso quiere decir que si la salida del transformador se conectara a un osciloscopio se visualizaría por la pantalla una tensión pico a pico de unos 34 V, ya que: En cambio el tester marcaría 12 V ( figura 10.20).
174
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Tensión pico a pico
Tensión eficaz
VPP = 33,94 V
Vrms = 12 V
OSCILOSCOPIO
TIME/DIV
ACV
I
V/DIV
INPUT
220 V
Figura 10.20. El polímetro muestra el valor e fic az y el osciloscopio el valor pico a pico.
12 V
Téngase en cuenta que los osciloscopios representan formas de onda, y de su lectura directa de la pantalla se obtene entonces un valor pico a pico. En cambio, con un volmetro se obtendría una lectura de 12 V (ya que marca el valor e ficaz). Estas cuestones deben tenerse claras, ya que si no pueden ser causa de confusiones.
Actividades propuestas 1. Calcular el valor de tensión en el instante
t = 0,015 s del periodo. ¿A qué ángulo corresponde dicho
tempo?
2. Definir el valor medio y valor eficaz de una onda, y cuáles son sus expresiones matemátcas (fórmulas). 3. Si en la salida de un transformador conectado a la red de 230 V medimos con el tester una tensión de 9 V: a) ¿De qué valor se trata, de pico, medio o eficaz? b) ¿De qué valor es el tempo de periodo?, ¿y la frecuencia? c) Representar la onda que podríamos observar mediante un osciloscopio, con sus valores de T y VP. ¿De qué valor es la tensión eficaz de la onda?
4. Si mediante un tester se mide una tensión de 400 V entre dos fases de una red trifásica, ¿de qué valor será la tensión de pico a pico (VPP)?
10.5
Desfase de ondas
Las ondas pueden diferir entre sí, además de por su frecuencia y amplitud, también por lo que se denomina relación de fase. Dos ondas de igual frecuencia se dice que van en fase si sus valores instantáneos varían a la vez, o sea, de forma sincronizada. Éste es el caso de las ondas de tensión y corriente a través de una carga puramente
175
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas resistva, como se muestra en la figura 10.21. Las ondas de tensión y corriente varían a la vez, porque la corriente es proporcional a la tensión, y se cumple la ley de Ohm. Pero no todos los circuitos son puramente resistvos, pueden haber componentes de tpo capacitvo o inductvo; en estos casos, se producen desfases entre las ondas de tensión y de corriente.
V = 10sen ωt
V I( A) = = R
10 V 0
V
G
ωt
R = 2Ω
V = 10sen ωt
La tensión y la corriente varían a la vez; van en fase.
I = 5sen ωt
10 V 5A
2π
π
0
10 sen = t 5sen t 2
ωt
Figura 10.21. C arga resistiva. Las ondas de tensión y c orriente van en fase.
Cuando existe un desplazamiento de tempo entre la variación de dos ondas de igual frecuencia, se dice que van desfasadas. Un desfase entre dos tensiones puede aparecer, por ejemplo, si se ponen en marcha dos alternadores iguales a la vez, pero uno de ellos, por alguna razón, empieza a generar la onda unos instantes antes que el otro; en este caso, aparecen dos ondas de igual tensión y frecuencia, pero desfasadas, como se representa en la figura 10.22.
G
230 V 50 Hz
V1
Va retrasada 45˚ con respecto a V1. G
230 V 50 Hz
V2
Figura 10.22.
45˚
Representación del concepto de desfase de ondas.
Aunque son dos ondas de igual frecuencia y tensión, sus valores instantáneos no varían a la vez, no coinciden en el tempo, son dos ondas desfasadas, pues existe un desplazamiento de fase entre ellas; la onda V1 empieza el ciclo 45° antes que la V2. En este caso se puede decir que V1 va adelantada 45° con respecto a la V2, o que V2 va atrasada 45° con respecto a la V . 1
A los desfases angulares, obviamente, les corresponden unos tempos. Por ejemplo, en el desfase de las ondas de la figura 10.22, como a la frecuencia de 50 Hz le corresponde un periodo de T = 20 ms y en este tempo se recorre un ángulo de 360°,
176
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
se deduce que el desfase de 45° equivale a un tempo de 2,5 ms; o sea, V2 empieza el ciclo con un retardo de 2,5 ms con respecto a V1. El desfase entre dos ondas de igual frecuencia es por tanto la diferencia de tempo que hay entre dos puntos tomados de referencia, que puede ser el inicio de ciclo de una de ellas con respecto a la otra.
10.5.1 Repr esentac ión fasor ial Los desfases pueden representarse gráficamente por medio de las ondas pero también, de una forma más sencilla, por medio de fasores. Los fasores son vectores que representan ondas senoidales, y se suponen girando a una cierta velocidad angular (ω). Por ejemplo, la representación del desfase de 45° de las dos ondas anteriores mediante fasores se muestra en la figura 10.23, junto con su representación gráfica de las ondas. Esto se llama diagrama fasorial. ω (rad/s)
V1
- 45˚
V2 V1 = 311sen α
V2 = 311sen( − 45 ° )t
311 V VP = 220 × 2 ≈ 311 V
0 90˚
180˚
360˚
45˚ 2,5 ms
Figura 10.23. Representac ión de d os ondas desfasadas de 45º.
T = 20 ms ( f = 50 Hz)
Cada flechita es un fasor, representa una onda; su longitud representa la magnitud (tensión o intensidad) y su posición el desfase relatvo. El diagrama fasorial se supone que va girando en sentdo anthorario; representa una especie de “fotografa” de la situación de las ondas en un instante determinado. Aunque en los desfases realmente existe una variación de tempo entre las señales, el desfase normalmente se expresa en grados; el correspondiente al ángulo de adelanto (o retraso) de una de las ondas con respecto a otra. En la expresión matemátca de las ondas senoidales el ángulo de desfase aparece como un factor angular (ϕ) que se suma a ωt, como se muestra a con tnuación: Dicho factor angular (), ángulo de desfase, puede ser negatvo (retraso de fase) o positvo (adelanto de fase), como se representa en la figura 10.24. El ángulo de fase se toma con respecto a una referencia, que suele ser otra onda, otro vector (normalmente horizontal) o simplemente referirse a un cero de tempos 177
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas más o menos arbitrario. El giro en sen tdo ant horario de los fasores determina ángulos positvos, y equivale a un adelanto de fase. Si el giro es en sentdo horario, el ángulo es negatvo; es un retraso de fase.
v = 5sen( −t
)
v = 5sen( +t
5V 0
Figura 10.24. Representación de un retraso y un adelanto de fa se.
)
5V 0
ϕ (Retraso)
ϕ (Adelanto)
En la figura 10.25 se representa un ejemplo gráfico; se muestran dos ondas desfasadas 90°. La onda ν2 va en retraso respecto a ν1.
v1 = 10sen ωt 10 V
v2 = 5sen ( − t
/ 2)
5V
v1 = 10sen ωt 0 90
v2 = 5sen ( t−
π
2π
ωt
-5 V
/ 2)
90 Va retrasada 90˚ ( /2) con respecto a v1.
Figura 10.25. Ondas desfasadas 90º. La tensión ν2 va retrasada 90º respecto a la tensión ν1.
Su valor inicial es ( t = 0): 5sen ( t− / 2)= 5sen−
/ 2 − 5V =
Las ondas desfasadas 90° ( π/2 rad), son un caso muy frecuente. Y teniendo en cuenta que:
Se pueden ver también como funciones coseno ( ondas cosenoidales). Por tanto, las ondas desfasadas de la figura 10.25 se pueden también expresar por:
De hecho, matemátcamente, entre la función seno y coseno existe un desfase de 90°. Para ver la diferencia, en la figura 10.26 se representan la onda ν2 en adelanto (90°) respecto a la onda ν1. En la práctca, ondas desfasadas pueden aparecer porque así se requiere en ciertas aplicaciones (por ejemplo, los motores trifásicos se alimentan con tres tensiones desfasadas entre sí 120°), y en otros casos por efectos no deseados que se dan en ciertos circuitos eléctricos y electrónicos (debido a efectos reac tvos de tpo inductvo o capacitvo).
178
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
v1 = 10sen ωt v2 = 5sen ( + t 90
v1 = 10sen ωt
/ 2)
v2 = 5sen ( t+
10 V
/ 2)
5V 0
π
2π
ωt
-5 V 90 Va adelantada 90˚ ( /2) con respecto a v1. Su valor inicial es ( t = 0): 5sen ( t+ / 2)= 5sen =/ 2+ 5V
Figura 10.26. Ondas desfasadas 90º. La tensiónν2 va adelantada 90º respec to a la tensión ν1.
10.6
La bobina en alterna Reac tancia inductiva
Cuando a la bobina se le aplica corriente alterna aparece un factor de oposición al paso de la corriente que se llama reactancia, que se expresa por XL y se mide en . Este efecto es srcinado por el efecto de autoinducción de la bobina, debido a los cambios en la corriente. El valor de la reactancia en una bobina viene dado por la fórmula: El valor de la reactancia es proporcional al valor de la frecuencia y de la inductancia de la bobina (L).
Ejemplo Una bobina de L = 2 H conectada a una tensión senoidal de frecuencia f = 2 kHz tendrá una reactancia de: O sea, a esa frecuencia realiza el mismo efecto resistvo que una resistencia de 251,32 Ω. Aunque a dicha frecuencia su valor resistvo es el calculado, la reactancia de la bobina no resulta totalmente equivalente a una resistencia de mismo valor óhmico, ya que las bobinas puras no disipan potencia eléctrica; la energía que absorben es devuelta (debido a la f.c.e.m.) al circuito. Sólo disipan la potencia correspondiente a la resistencia del hilo con que están construidas. Por lo tanto, en una bobina ideal, como se supone que la resistencia del hilo es cero, no se disipa potencia eléctrica. Pero en cambio da lugar a una circulación de corriente por el circuito, debido al trasiego de potencia entre la bobina y el generador; tva (más adelante se explica). esto es una potencia reac En la figura 12.27 se representa un circuito puramente inductvo; una bobina conectada a un generador de alterna. En la bobina, debido al efecto de autoinducción, la onda de corriente empieza el ciclo 90° después que la onda de la tensión. En este caso, se dice que la onda de la corriente va retrasada 90º con respecto a la onda de tensión.
179
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
Debido al efecto de autoinducción que ene la bobina, la corriente (IL) se encuentra una oposición que hace que vaya retardada con respecto a la tensión (VL).
VP
IL
VP = sen ωt
0
VL
G
ωt
90˚
L
VL
IL
v L = VP sen ωt
iIL = P tsen ( − I /=t2) −
P
cos
VP IP 0
π
2π
ωt
Figura 10.27.
π /2 ( 90
Las bobinas (circuito induc tivo puro) produc en un retraso de la c orriente de 90º.
Retraso
)
Pues esto da lugar a un efecto no deseado de especial relevancia en la industria. Debido a efectos inductvos causados, en especial, por los bobinados de los motores de alterna se produce un desfase entre la tensión y la corriente en las líneas de la tva; un efecto indeseado, red eléctrica, que da lugar a lo que se llama potencia reac ya que da lugar a una circulación de potencia que no se gasta ni se aprovecha, por lo cual se procura reducir al máximo. Dicha potencia reac tva se compensa por medio de condensadores, ya que éstos producen un desfase de sen tdo contrario al que producen las bobinas. Por ello, en las industrias suelen haber equipos para la compensación de la potencia reactva basados en la conexión automá tca de condensadores.
10.7
El condensador en alterna
Reactancia capacitiva Cuando al condensador se le aplica corriente alterna, en general señales variables, se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la frecuencia y de la capacidad del condensador. A estetpo de resistencia se denomina reactancia capaci tva, se representa por XC y se mide en Ω. Su valor viene dado por la fórmula:
Ejemplo Un condensador de 4,7 μF conectado a una tensión alterna de frecuencia 50 Hz presenta una reactancia de:
Así, a dicha frecuencia realiza el mismo efecto resistivo que una resistencia de 677 Ω.
180
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Esto es así porque en el condensador sólo hay circulación de corriente por el circuito mientras se está cargando o descargando; no permite una circulación de corriente de forma permanente; y cuanto más rápidas sean las variaciones, es decir la frecuencia, mayor es el valor medio de corriente que puede circular, lo cual equivale a un valor más bajo de reactancia. Además del factor reactancia, el condensador presenta otra caracterís tca muy importante: produce un desfase de 90° de la tensión con respecto a la intensidad (fig. 10.28). Como se sabe, el condensador tarda un cierto tempo en cargase y descargarse, es decir, presenta una cierta oposición a los cambios de tensión; pues dicha característca es la que da lugar al retraso de 90° con respecto a la corriente. Por ello, la onda de la corriente en el condensador se adelanta 90° con respecto a la onda de la tensión. Así pues, el condensador se comporta de forma contraria a la bobina, por lo cual se u tliza para la compensación de la energía reac tva que producen las bobinas.
IC VP G
VP = sen ωt
IC VC
0
C
90˚
ωt
VC
vC = VP sen ωt
iCI = P sen t ( + I t / =2)
P
cos
VP IP π Figura 10.28. Los condensadores producen un a delanto de la corriente de 90º.
2π
ωt
/2 π (90˚)
Ejemplo Supongamos un circuito puramente capacitvo (fig. 10.28); un condensador de 0,47 μF, al cual se le aplica una tensión de 10 VP y frecuencia f = 5 kHz. El valor de la reactancia es:
Y el valor de la intensidad (de pico y eficaz) que circulará por el circuito:
Y dicha corriente circulará adelantada 90° respecto a la tensión.
181
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
Actividades propuestas 1. ¿Qué es un fasor? Poner ejemplos. 2. Supongamos un circuito puramente resistvo, como el de la figura 10.21. Si la tensión del generador es de 9 V de frecuencia f = 50 Hz y la resistencia es de 20 ; representar el diagrama de ondas de corriente y tensión (lo que se observaría mediante un osciloscopio). ¿Existen desfases? Razonar.
3. Definir el concepto de reactancia inductva. ¿Por qué se produce? 4. Calcular la reactancia de una bobina de L = 0,5 H conectada a un generador de 12 V de frecuencia 1 kHz. Representar el diagrama de ondas y fasorial.
5. Explicar el concepto de reactancia capacitva. ¿Cuál será su valor en un condensador de 470 nF conectado afasorial. un generador de f = 5 KHz y V = 12 V? Dibujar las ondas de tensión y corriente, y hacer la representación
10.8
Impedancia
Este es un concepto de suma importancia en electricidad y electrónica; aparece en los altavoces, amplificadores, instalaciones de antenas, etc. Impedancia, es el efecto resistvo total resultante de resistencia óhmica ( R) y de reactancia (X). Se representa por Z y se mide en ohmios ( Ω).
Si entre dos puntos de un circuito se encuentran diversos componentes, resistvos, inductvos y capacitvos, la oposición que presenta al paso de la corriente dicho conjunto de componentes a una cierta frecuencia es una impedancia (Z). Y no se trata de una simple suma aritmétca de resistencia (R) y de reactancia (X); es una suma vectorial, o sea, se tenen que tener en cuenta los desfases de las señales.
10.8.1 Impedancia en un circuito R- L En el circuito serie de una bobina y una resistencia, donde la resistencia puede ser la correspondiente a la resistencia del hilo con que está construida la bobina ( figura 10.29), la intensidad que circulará por el circuito vendrá dada por:
Siendo Z la impedancia, cuyo valor se ob tene (como resultado de desarrollos matemátcos) mediante la fórmula:
Impedancia (Z)
I=
E Z R
Z = R 2 + X L2
E
XL
Figura 10.29. Impeda ncia ( Z).
182
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
El valor de las tensiones en la resistencia y en la bobina, como se deduce, son: Y puesto que: Simplificando (dividiendo por I), se deduce lo que se conoce por triángulo de impedancia (fig. 10.30), que se ob tene del triángulo de tensiones. En todo esto, se ha tenido en cuenta que la corriente en la bobina va retrasada 90° respecto a la tensión (que se puede ver también como que la tensión va adelantada 90° respecto a la corriente). Al hacer la suma vectorial de R y XL se obtene la fórmula de la Z.
La ondadeterminado de corriente por: irá retrasada respecto a la onda de tensión (del generador) un ángulo
Cuando en un circuito la corriente va retrasada respecto a la tensión, se dice que es un circuito de carácter inductvo.
VL = X L I
E = VR2 + VL2
Z = R 2 + X L2
V cos ϕ = R E
cos ϕ =
XL
E = ZI ϕ
R Z
Z ϕ
VR = R I
R Figura 10.30. Triángulo de tensiones y de impeda ncia.
Ejemplo Si los valores de los componentes del circuito de la figura 10.29 son R = 1 kΩ y L = 250 mH, a la frecuencia de f = 500 Hz el valor de la impedancia es: Como el valor de la reactancia es:
Como se comprueba, es un valor que no es la resultante de la suma aritmé tca de la resistencia y la reactancia; es una suma vectorial.
10.8.2 Impedancia en un circuito R -C En el caso de un circuito serie basado en capacidad y resistencia ( R-C), como se muestra en la figura 10.31, se obtenen unos resultados como en el circuito serie R-L (resistencia y bobina); pero en este caso, la intensidad resulta adelantada con respecto a la tensión, ya que en el condensador la onda de corriente va adelantada con respecto a la onda de tensión. 183
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
vR = i R i
2π
π
i R
ωt
vR vC = i XC
i
XC
vC π
2π ωt
Figura 10.31.
90˚
Circuito R -C .
El valor de las tensiones en la resistencia y en el condensador es: La intensidad que circulará por el circuito, vendrá dada por:
Siendo el valor de la impedancia: Y el valor del ángulo que la intensidad irá adelantada, viene dado por:
Partendo del triángulo de tensiones ( fig. 10.32), simplificando (dividiendo por I) se deduce el triángulo de impedancia.
VR = R I
R
ϕ
VC = X C I
E = ZI
E = VR2 + VC2
ϕ
XC Z
Z = R 2 + XC2 Figura 10.32. Del triángulo de tensiones se obtiene el triángulo de impedancia.
Actividades desarrolladas Ejercicio 1:Dado un circuito R-C como el de lafigura 10.31, si los valores son R = 1 K del generador es la red eléctrica (220 V, f = 50 Hz), tenemos los datos siguientes: Impedancia Z( ):
184
y C = 1 μF, y la tensión
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Actividades desar rolladas Valor de la intensidadI):(
Angulo de desfase():
Puesto que se trata de un circuito capacitvo, la intensidad circulará adelantada con respecto a la tensión del generador un ángulo de:
Tensiones en la resistencia y en el condensador:
Como se puede comprobar, la suma aritmétca de dichas tensiones da un valor incorrecto (276 V); el valor correcto se obtene haciendo la suma vectorial (como se ha representado en la figura 10.32), lo cual da:
cuyo valor corresponde con la tensión del generador, como debe ser.
Actividades propuestas 1. Explicar el concepto de impedancia. ¿Este concepto puede aparecer en las antenas y altavoces? Razonar. 2. Si los valores de los componentes del circuito de la figura 10.29 fueran R = 470 Ω, L = 75 mH, y la frecuencia del generador f = 500 Hz, hallar: a) El valor de la impedancia del circuito. b) El desfase entre las ondas de tensión y corriente en el circuito. c) Las tensiones en la resistencia y la bobina. Razonar los resultados.
3. Si los valores del circuito de la figura 10.31, fueran R = 2k2 , C = 470 nF y el generador de 20 V y f = 100 Hz, hallar: a) La impedancia del circuito. b) El valor de la intensidad que circulará por el circuito, y su desfase. c) El valor de las tensiones en la resistencia y en el condensador; razonar los resultados y dibujar las ondas con sus valores de tensión y desfases.
10.9
Potencia en alterna
10.9.1 Potencia activa Sólo existe consumo de potencia (transformación en calor, gasto energétco) cuando la tensión y corriente van en fase. Y a esto se denomina potencia ac tva, que se representa por P y se mide en vatos (W). Es el producto de la tensión por la intensidad, pero teniendo en cuenta el desfase entre la tensión y la intensidad (). Al factor cos se le llama factor de potencia. Cuando la tensión y corriente no van en fase, entonces, la potencia actva resulta menor a la aparente (P = V × I), pudiendo llegar a ser nula si el desfase es de 90°. Es el caso de los circuitos puramente inductvos o capacitvos. Es importante saber que en un sistema eléctrico donde pueden haber componentes resistvos, inductvos y capacitvos, la potencia actva es la disipada únicamente por
185
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas los componentes resistvos; los condensadores y bobinas dan lugar a una potencia no consumida (potencia reactva).
10.9.2 Potencia reac tiva Cuando el desfase entre la tensión y la corriente es de 90° aparece una onda de potencia cuyo valor medio es cero; la potencia posi tva (cedida por el generador) es igual a la potencia negatva (recibida por el generador). Este es el caso de los circuitos puramente inductvos o capacitvos. A esta potencia que está en trasiego entre el generador y la carga se denomina potencia reac tva, que se representa por Q y se mide volto-amperios reactvos (VAr). Su valor viene dado por: Es una potencia “devuelta” al generador como consecuencia de la descarga de condensadores o de la transformación de energía magnétca en corriente (f.e.m.) en las bobinas. La potencia reactva viene dada únicamente por los componentes reac tvos (bobinas o condensadores).
10.9.3 Potencia aparente (S) Es la potencia total (aparente) que entrega el generador:
Se puede hallar midiendo la tensión e intensidad del generador. Se expresa por S y se mide volto-amperios (VA). Es una potencia aparente porque, si hay cargas reactvas, parte de dicha potencia es reac tva; o sea, devuelta al generador. La potencia aparente es la suma vectorial de la potencia ac tva y la reactva, por lo cual se puede expresar por: Siendo su valor (módulo):
10.9.4
Factor de potencia (cos φ)
Es la relación que hay entre la potencia ac tva y la aparente: Es un indicatvo del porcentaje de potencia aparente que se transforma en potencia actva. En el caso que no exista potencia reactva, el circuito es puramente resis tvo, siendo el valor de la potencia ac tva igual al de la aparente ( P = S); el factor de potencia es 1. Y en el caso de circuitos puramente inductvos (o capacitvos), donde no existe potencia actva (P = 0), el valor de la potencia aparente es igual al de la potencia reactva (S = Q); el factor de potencia es entonces 0. Así pues el factor de potencia es un valor que varía entre 0 y 1. Y este valor coincide con el coseno del ángulo de desfase () que hay entre la tensión y la corriente:
= 0° ⇒ cos = 1 (Circuito puramente resistvo) = 90° ⇒ cos = 0 (Circuito puramente capacitvo o inductvo) Como se sabe, las ondas senoidales se pueden ver como magnitudes vectoriales, y todo vector se puede descomponer en dos componentes perpendiculares (desfasados 90° entre sí). Así, una intensidad (I) con un cierto desfase ( ) respecto a la
tensión (V), vectorialmente, equivale a dos componentes de intensidad desfasadas entre sí 90° (fig. 10.33).
186
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Componente de la I en fase con V:
Iacva = I cos ϕ
Ix V
ϕ
V
ϕ
Iy
I I = Ix2 + Iy2
I Componente de la I desfasada 90 respecto a la V:
Ireacva = I sen ϕ Figura 10.33.
A la componente de la intensidad que va en fase con la tensión se llama intensidad actva: Y a la componente desfasada (90°) se llama intensidad reactva: Y obviamente, la suma vectorial de dichas componentes es la intensidad total:
Únicamente se produce una potencia actva cuando las ondas de tensión y corriente van en fase. Así pues, sólo producirá potencia actva la componente de la corriente que está en fase con la tensión, cuyo valor se deduce que es: La componente de la intensidad desfasada 90° es la que da lugar a la potencia reactva, cuyo valor es:
Y, en base a este desarrollo, como la potencia aparente es la suma vectorial de la potencia actva y la reactva, se obtene lo que se denomina el triángulo de potencias (fig. 10.34). Potencia acva:
P = V I cos ϕ
P = V I cos ϕ ϕ
S = P + Q Potencia reacva: Q = V I sen ϕ Figura 10.34.
S
Q = V I sen =
V
I
S = P 2 + Q2 Si en vez de tomar a la tensión como referencia (eje x) se toma a la intensidad, entonces, es el vector tensión el que se puede descomponer en una componente actdicha va y otra reactva, y el triángulo de potencias sale al revés (a veces se representa de forma).
187
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
Actividades desarrolladas 1: Cálculo de potencias en un circuito inductvo. En el caso del circuito puramente inductvo de la figura 10.35 (se supone una bobina sin resistencia óhmica del hilo, R = 0), tenemos:
VP = 20 V f = 50Hz
L = 0,5H
Figura 10.35. Potencia aparente: Potencia actva:
Al ser un circuito puramente induc tvo, la potencia actva es cero, lo cual se verifica también por cálculo. Como el ángulo de desfase entre la tensión y la corriente es 90°, y cos 90° = 0: El factor de potencia del circuito puramente induc tvo, como es obvio, es cero:
Esto indica que no existe potencia ac tva (consumida); toda la potencia aparente es reactva, como se verifica a contnuación. tva (Q): Potencia reac
Como se comprueba, este valor coincide con el de la potencia aparente, y es la potencia desarrollada en la bobina:
2: Dado el circuito R-L de la figura 10.36, hallar el triángulo de tensiones y de potencias. tvo. En este caso, al haber una resistencia, el circuito no es puramente induc
El primer paso consiste en hallar el valor de la impedancia:
Así, el valor de la intensidad que se obtene es:
188
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Actividades desarr olladas
R = 820 Ω
E = 220V f = 50Hz L=4 H
Figura 10.36.
Las tensiones en la resistencia y en la bobina son, pues:
Y, puesto que se trata de un circuito induc tvo, la intensidad circulará retrasada con respecto a la tensión del generador, un ángulo determinado por:
En cuanto a las potencias, tenemos:
tva (P) es la desarrollada en Y, como debe ser, se cumple que la potencia ac
la resistencia y la potencia reactva (Q) la desarrollada en la bobina:
El triángulo de tensiones y de potencias correspondiente se representan en la figura 10.37.
VL = 183,4V
E = 220V
ϕ = 56,8
Figura 10.37.
I
VR = 120V
S = 32VA
Q = 26,8VAr
ϕ = 56,8
P = 17,5W
Obsérvese cómo si efectúa una suma aritmé tca de las tensiones en la resistencia y en la bobina el resultado da un valor de tensión diferente a la del generador: VR + VL = 120 V + 183,4 = 303,4 V. El resultado correcto se obtene haciendo una suma vectorial, ya que en este caso si se tene en cuenta el desfase de las ondas:
189
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
Actividades desarrolladas
Esto se puede comprender mejor analizando el diagrama de ondas que se muestra en la figura 10.38. E = 220V
V
VL = 183,4 V VR = 120 V
I
t 56,8
90˚
-V Figura 10.39.
T
Actividades propuestas 1. Explicar los conceptos sobre: a) b) c) d)
Potencia actva Potencia aparente Potencia reactva Factor de potencia
2. Si en un circuito sabemos que cos = 1, ¿de qué tpo de circuito se trata?, ¿qué información nos aporta este dato respecto a la potencia? Explicar.
3. Supongamos una estufa eléctrica (resistencia pura). Si sabemos que su potencia consumida son 1500 W y está conectada a la red eléctrica de 230 V, calcular: a) La intensidad b) El valor de la resistencia c) Las potencias actva, aparente, reactva y factor de potencia Razonar los resultados.
190
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Actividades propuestas 4. Si en el circuito de la figura 10.36 sus valores son R = 470 , L = 2 H y el generador es de 12 V y f = 100 Hz: a) b) c) d) e)
Hallar el valor de la impedancia del circuito. Calcular el valor de la intensidad y el ángulo de desfase. Representar gráficamente (dibujar) las ondas de tensión y de corriente. Hallar el factor de potencia y calcular las potencias actva y reactva. Representar el triángulo de potencias.
10.10
Corriente alterna trifásica
Es el tpo de corriente que se genera en los alternadores de las centrales eléctricas y que se recibe por tanto para la alimentación doméstca e industrial. Por otra parte, es un caso práctco donde aparecen ondas con un desfase determinado entre ellas, que es de 120°. La corriente trifásica se cons ttuye, básicamente, por tres fases; de ahí la denominación de trifásica. A nivel comparatvo, la corriente alterna que se ob tene de la estructura elemental de un alternador es de tpo monofásica; una fase y la referencia (neutro), dos hilos, como se representó en la figura.10.10. Pero, fundamentalmente, por cuestones económicas y de rendimiento eléctrico, la producción, transporte y distribución de la energía eléctrica se hace de forma trifásica (fig. 10.39). Se basa en tres fases y un neutro; 4 hilos en total. Estas tres tensiones se representan por L1, L2, L3 y el neutro por N. Dependiendo del tpo de aplicación, pueden utlizarse todas las líneas o sólo algunas de ellas.
L1 L2 L3
U
N
X N S W
Z
Y
V
Monofásica 230 V
Trifásica 400 V
Figura 10.39. Representación (simplificada) de la producc ión y distribución de la energía eléctrica.
Bobinas en conexionado estrella
La red trifásica que normalmente disponemos es la normalizada de 400/230 V, que en los esquemas se indica por 3 N ~ 400/230 V 50 Hz; esto signi fica que es una red trifásica con neutro, que se pueden obtener tensiones de 230 V y de 400 V, y la frecuencia es 50 Hz. A nivel doméstco, para el alumbrado se utliza únicamente una de las fases y el neutro, obteniéndose así la tensión pica normalizada de 230 V (que, en la práctca, se siguen midiendo 220 V). Y como los motores de los ascensores son normalmente trifásicos, para su alimentación se utlizan las tres fases. O sea, el edificio recibe una red eléctrica trifásica, cuyas líneas se van distribuyendo después según el tpo de aplicación. El generador de red trifásica se caracteriza por tener 3 fases desfasadas entre sí 120°, como se representa en la figura 10.40.
191
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y característcas
L3
VL1 = VP sen ω 120
VL2 = VP sen ( −t 2/ 3 )
L1
120
120 ( 2π / 3)
VL 3 = VP sen ( −t
4 / 3) L2
Figura 10.40.
Dichas tensiones, representadas grá ficamente en forma de ondas, tal como las po-
Desfases en un sistema trifásico.
dríamos enrespecto un osciloscopio, se muestran enque la fise gura 10.41.tensiones Cada faseentre va desplazada 120°ver con a otra. Aparecen así lo llaman fase y tensiones entre fase y neutro.
+V
L1
L2
L3
VP
0V
2π
π
ωt
−V 120
Figura 10.41.
120
( 2π / 3)
Diagrama de ondas en trifásic a.
T
Tensión de fase y tensión de línea Tensión de fasees la tensión entre cualquiera de las fases y el neutro. Y tensión de línea es la tensión existente entre cualquiera de las fases entre sí. Aparecen unas
expresiones básicas muy importantes: Te n s i óndef a s e :
Te n s i ó nd el í n e a :
Así, en la red eléctrica normalizada y representada por 400/230 V tenemos:
Esto indica que la tensión entre fase y neutro es 230 V y la tensión entre fases 400 V. Esto es en teoría, según normas; en la práctca, las medidas son más próximas a 220 V y 380 V.
192
Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y caracterís
tcas
Actividadesfinales 1. Definir el concepto de corriente alterna. 2. Calcular el periodo de una señal de f = 1000 Hz y otra de 2 MHz. 3. Si en la salida de un transformador conectado a la red de 230 V medimos con el tester una tensión de 12 V: a) b) c) d)
¿Cuál es la relación de transformación del transformador? Los 12 V de salida, como son ¿de pico, medio o eficaz? ¿De qué valor es la frecuencia de los 12 V? Supongamos que se conecta a la salida una resistencia de 33 . Calcular la corriente e ficaz a través de la resistencia. Representar (dibujar) las ondas de tensión y corriente que se observaría mediante un osciloscopio con los valores de T y V.
4. Si mediante un tester se mide una tensión de 400 V entre dos fases de una red trifásica, ¿de qué valor será la tensión de pico a pico (VPP)?
5. Supongamos un circuito puramente resistvo, como el de la figura 10.21. Si la tensión del generador es de 12 V f = 500 Hz, y la resistencia es de 10 ; representar el diagrama de ondas de corriente y tensión (lo que se observaría mediante un osciloscopio).
6. Calcular la reactancia de una bobina de L = 150 mH conectada a un generador de 20 V de frecuencia 5 kHz. Representar el diagrama de ondas de tensión y corriente.
7. Cuál será el valor la reactancia en un condensador de 100 nF conectado a un generador de f = 10 KHz V = 12 V. Dibujar las ondas de tensión y corriente.
8. Si los valores del circuito de la figura 10.31 son R = 1 k , C = 220 nF y el generador es de 10 V f = 1000 Hz, hallar: a) La impedancia del circuito. b) El valor de la intensidad que circulará por el circuito y su desfase. c) El valor de las tensiones en la resistencia y en el condensador; razonar los resultados y dibujar las ondas con sus valores de tensión y desfases.
9. Si en el circuito de lafigura 10.36 sus valores sonR = 270 , L = 200 mH y el generador es de 12 Vf = 1000 Hz: a) Calcular la impedancia del circuito. b) Calcular el valor de la intensidad y su desfase. c) Representar las ondas de tensión y corriente del generador. d) Hallar el factor de potencia y calcular las potencias aparente, actva y reactva. e) Representar el triángulo de potencias.
10. Representar una red trifásica 3 N ~ 400/230 V 50 Hz, y distribuir las líneas para alimentar una estufa eléctrica, una lámpara y un TV. Además, sacar las líneas que irían para alimentar un motor trifásico. Calcular la tensión de fase y tensión de línea. ¿De qué valor es el ángulo de desfase entre las fases L1 y L2?
193
Unidad 11Introducción
a la electrónica
Objetivos: Enseñar los conceptos de lo que signi fica electrónica , dar una visión general de su concepto e introducir sus principios y componentes iniciales fundamentales; los materiales semiconductores, el silicio, que es el materia l básic o que permite la c onstrucción de los c omponentes electrónicos, desde los diodos hasta los modernos microprocesadores.
En este capítulo: 11.1 ¿Q ué es la electrónica? 11.2 Los semiconductores.
11.5 11.6
Termistores (NTC-PTC). C élulas fotoconductoras (LDR).
11.3 El diodo. 11.4 El diodo emisor de luz (LED).
11.7
Varistor (VDR).
Unidad 11 · Introducción a la electrónica
11.1
Recuerda
• • •
¿Qué es la electrónica?
De una forma resumida y concisa, se puede decir que: La electricidad es la base de los circuitos electrónicos, por ello es necesario co nocer sus principios, ya que están presentes en todas las aplicaciones de la electrónica.
La electrónica es la ciencia o tecnología que trata sobre los componentes (o circuitos) en los cuales la conducción eléctrica es a través de materialessemiconductores , donde se manifiestan efectos actvos como es la amplificación.
A la de finición anterior se podría añadir también l a conducción de corriente a través de válvulas de vacío (y en gases); aunque los componentes básicos que operan así (se conocen por válvulas) hace muchos años que fueron desplazados por los componentes semiconductores. No obstante, en algunas aplicaciones aun se siguen u tlizando ciertos tpos de válvulas, como son los tubos de rayos catódicos (TRC), que son las pantallas picas de imagen en TV, también se encuentran en los sistemas de emisión de radio, etc. Obsérvese, que no se considera electrónica a los dispositvos (o circuitos), donde la circulación de corriente es sólo a través de conductores (como el cobre, aluminio, plata, etc.); esto es electricidad. Adelantado conceptos, amplificación es obtener, partendo de una señal eléctrica tca en freconsiderada de entrada (de un micrófono, de una antena...) otra idén cuencia y forma de onda pero de mayor magnitud. Este es el caso, por ejemplo, de
un amplificador de sonido para megafonía (fig. 11.1). Señal eléctrica de salida 20 V Señal eléctrica de entrada 0,2 V Sonido
Amplificador
Micrófono
Altavoz
Sonido
Según las amplitudes de las señales de entrada y salida, el factor de amplificación (Ganancia) es
Ganancia del amplificadorG)= ( Figura 11.1. Ejemplo de representación del concepto de A mp lificación . Se trata de un amplifica dor de megafonía.
Señal de salida 20 = = 100 Señal de entrada 0,2
El micrófono capta las señales de sonido, ondas acústcas (voz, música), y las transforma en señales eléctricas. La débil señal eléctrica de entrada que proporciona el micrófono es aplicada a un amplificador (sistema electrónico), el cual produce una señal eléctrica de salida idéntca a la de entrada (en forma de onda y frecuencia) pero de una magnitud mucho mayor. La señal eléctrica de salida del amplificador, aplicada a un altavoz (que convierte la señal eléctrica en ondas de sonido), permite obtener una gran potencia sonora de la voz. Hay que tener en cuenta que si la señal de salida apareciera con alguna modi ficación en su forma de onda o frecuencia (esto se conoce por distorsión), podría pasar que el sonido fuera desagradable y hasta que la voz pareciera diferente a la captada por el micrófono. Para que esto no suceda, la señal de salida debe conservar la frecuencia y forma de onda de entrada. El factor de amplificación, que se conoce por ganancia (G), puede ser un valor muy grande según el diseño electrónico del amplificador. En este ejemplo, su valor es 100; lo cual indica que se ob tene una señal de salida 100 veces mayor que la de entrada.
195
Unidad 11 · Introducción a la electrónica Así, como concepto práctco resumido y actual de electrónica se puede decir también que: Electrónica,es el estudio y aplicación de los componentes cuyo funcionamiento se basa en los semiconductores, donde aparecen circuitos con efectos de ampli ficación
(amplificadores de sonido, generadores de ondas, sistemas de control, etc.). No se considera electrónica a los disposi tvos (o circuitos), donde la circulación de corriente es sólo a través de conductores (como el cobre, aluminio, plata, etc.); esto es electricidad.
11.2
Los semiconductores
Los semiconductores, en general, son materiales cuya resistvidad (Ω) se encuentra intermedia entre los buenos conductores y los aislantes (de ahí la denominación de semiconductores ), con la importante peculiaridad de que su resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura (figura 11.2). Resistencia ( )
Semiconductor (Silicio); la resistencia disminuye con la temperatura
Figura 11.2. C urva representativa de la variación de la resistencia en un semiconduc tor (Silicio) en función de la temperatura.
Temperatura (C)
Figura 11.3.
Una representación gráfica de esta característca se representa en la figura 11.3. La acción del calor aumenta la temperatura, lo cual hace que disminuya la resistencia y en consecuencia que aumente la corriente.
El efecto de la temperatura sobre el semiconduc tor hac e aumentar su c onduc tivida d, de manera que aumenta la intensidad cuando se c alienta.
Pues esto es algo que se tene que tener en cuenta en los componentes electrónicos, y por ello se procura a veces reducir, mediante refrigeradores, la temperatura de según qué circuitos electrónicos. Un ejemplo, es el ven tlador de las fuentes de alimentación de los ordenadores y los ventladores que llevan (a veces hasta con circulación de líquidos) los procesadores (CPU). La conducvidad del semiconductor (silicio) aumenta con la temperatura.
Calor
T (°C↑) ⇒
R( ↓)⇒
↑I(A)
(C)
V
Silicio
I +
R Intensidad (I)
196
Unidad 11 · Introducción a la electrónica Los átomos de este tpo de materiales se caracterizan porque tenen 4 electrones en la últma capa. Aunque en su estado natural y en ciertas condiciones su resistencia es muy elevada (son más bien aislantes), a ciertas temperaturas se pueden hacer conductores, debido a que su conductvidad aumenta con la temperatura. Y esto es el inverso de lo que ocurre con los buenos conductores; la resistencia aumenta cuando se calientan (fig. 11.4). Resistencia ( )
Conductor (Cobre); la resistencia aumenta con la temperatura
Figura 11.4. C urva representativa d e la
variac ión de l a resistenc ia en un conduc tor en función de la temp eratura.
-200
0
200
400
600
800
1000 Temperatura (C)
Al material semiconductor natural (tal como se ob tene de la naturaleza) se le denomina semiconductor intrínseco. Para que resulte útl para fabricar los componentes electrónicos tene que pasar por un proceso, que fundamentalmente consiste en añadirle otros materiales diferentes (Boro, Fósforo, Arsénico, etc.) para modificar su grado de conductvidad. En su forma natural, los materiales semiconductores se caracterizan porque sus átomos tenen 4 electrones en la últma capa, que es un intermedio entre lo que tenen los buenos conductores y los buenos aislantes. Los materiales normalmente u tlizados en electrónica son el Silicio(Si), el Germanio (Ge) y el Arseniuro de galio (GaAs). De ellos, el más u tlizado es el Silicio, el cual se encuentra abundantemente en la arena de playa. El Germanio fue utlizado en los principios de la electrónica, pero después fue susttuido por el silicio debido a sus mejores característcas (en especial, frente a la temperatura). El Arseniuro de galio es el material normalmente u tlizado para la fabricación de componentes emisores de luz (diodos LED), y también se emplea en la fabricación de modernos circuitos integrados (microelectrónica). En la figura 11.5 se muestran la estructura electrónica de los átomos de Silicio y de Germanio, donde se puede observar la característca de poseer 4 electrones en la últma capa.
Figura 11.5. Estructura de los átomos de Silic io y G erm ani o .
Átomo de Silicio (Si) n˚ atómico: 14
Átomo de Germanio (Ge) n˚ atómico: 32
197
Unidad 11 · Introducción a la electrónica El silicio, en su estado intrínseco, es un material de elevado valor resis tvo ( Ω) con la peculiaridad de que su resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. En según qué condiciones, puede pasar de ser más o menos aislante a más o menos conductor. A temperaturas cercanas al cero absoluto−(273 °C) se puede considerar como aislante, y a la temperatura ambiente (unos 20 °C) permite ya una cierta circulación de corriente, pero sin llegar a ser buen conductor; de dichas peculiaridades viene la denominación de semiconductor.
11.2.1 Semiconductores N y P Para que el silicio sea de utlidad para formar componentes electrónicos (por ejemplo, diodos), este es tratado mediante unos procesos fsico-químicos. Esto se realiza introduciendo, de forma controlada, en la estructura del semiconductor intrínseco (esto se llama dopado) materiales de diferente estructura atómica, lo cual permite obtener semiconductores de diferentes de los conduc vidad. Asíuse obtenenmateriales semiconductores que se denominan N y Pgrados , que son que t luego son tlizados para fabricar los componentes electrónicos ( diodos, transistores, tristores, circuitos integrados, etc.). Figura 11.6. En los semiconductores N y P la conduc tvidad es mucho mayor que en el silicio intrínseco; la corriente puede circular ya con una cierta facilidad, lo cual es debido a que, de alguna manera, se ha logrado un aumento de los elementos portadores de carga (que es lo que se necesita para que exista una corriente eléctrica).
Semiconductor N En el caso del semiconductor N , dicho aumento de conductvidad se logra añadiendo al semiconductor intrínseco material con átomos de los denominados pentavalentes (tenen 5 electrones en la últma capa), por ejemplo, fósforo.
Semiconductor P En el caso del semiconductor ,Pel aumento de la conductvidad se consigue añadiendo al semiconductor intrínseco material con átomos que tengan 3 electrones en la últma capa (trivalentes), por ejemplo, boro (B).
Semiconductor N (Electrones)
Semiconductor P (Huecos)
Figura 11.6. Estructura de los átomos de Silic io y G erm ani o .
Actividades propuestas 1. Dar una explicación del concepto de electrónica. Poner algunos ejemplos de aparatos electrónicos. ¿El circuito de encendido de una linterna se puede considerar electrónica? ¿Y el circuito de la instalación de las luces de una casa? Razonar las respuestas.
2. ¿Qué significa amplificar una señal? Explicar su aplicación en algún aparato comercial. 3. Indicar las característcas fundamentales de un semiconductor. ¿Cuáles son los tpos de materiales semiconductores básicos?
4. ¿Qué significa semiconductor intrínseco ? 5. Explicar cómo se obtenen los semiconductores tpo N y P, y cuáles son sus característcas.
198
Unidad 11 · Introducción a la electrónica
11.3
El diodo
Cuando un material semiconductor P se junta con otro de tpo N (a esto se llama unión PN), aparece un efecto que da lugar a uno de los componentes más importante de la electrónica: el diodo( fig. 11.7). Sobre este aspecto se apoya la estructura de la electrónica de los semiconductores. La combinación adecuada de materiales N y P, da lugar a la base de fabricación de todos los componentes electrónicos, como son: • Diodos (rectficadores, zener, LED…) • Transistores (bipolares y FET-MOS) • Tiristores (SCR, triac…) • Componentes opto electrónicos • Circuitos integrados O sea, se puede decir que la electrónica actual está basada en los materiales semiconductores (normalmente silicio), y que los componentes electrónicos están fabricados en base a la combinación adecuada de materiales tpo N y tpo P.
Silicio P (Huecos)
Figura 11.7.
Silicio N (Electrones)
La unión de un material P co n un material N da lugar al componente diodo .
El diodo es uno de los componentes fundamentales en electrónica. Es un componente que tene dos patllas, denominadas ánodo y cátodo. En la figura 11.8 se representa su simbología y el aspecto práctco de un modelo comercial muy utlizado. Ánodo (A)
Cátodo (K)
Figura 11.8. Diodo. Símbolo esquemático y aspecto de un modelo comercial.
11.3.1
Función básica que realiza el diodo
El diodo deja circular la corriente en un solotdo sen(que es el que ya sugiere su simbología). Y la principal aplicación práctca de dicha función es la conversión de la corriente alterna (c.a.) en con tnua (c.c.); los circuitos que realizan esta función se denominan rectficadores. Existen diversos encapsulados de los diodos, siendo los
mas habituales los que se muestran en la figura 11.9.
Figura 11.9. Aspecto real de diodos c omerciales. Uno d e pequeñamediana po tenciapo y dos de tencia.
199
Unidad 11 · Introducción a la electrónica
11.3.2 El diodo en polarización inversa El diodo está en polarización inversa cuando el terminal cátodo tene polaridad positva con respecto al terminal ánodo; en este caso, el diodo no permite el paso de la corriente, se comporta como un aislante; es como un interruptor abierto. Si se hiciera el montaje de la figura 11.10, se comprobaría que la bombilla no se encendería porque el diodo no dejaría pasar la corriente puesto que está en polarización inversa. El diodo en polarización inversa se comporta como un aislante
+ K
Figura 11.10. El diodo en polarización inversa no permite la c irculac ión de la c orriente; se c omporta c omo un aislante.
+
A
No hay circulación de corriente
12 V
Apagada
11.3.3 El diodo en polarización directa El diodo permite la circulación de corriente sólo cuando se encuentra polarizado en forma directa, que es cuando el terminal ánodo tene polaridad positva con respecto al terminal cátodo; en este caso, se dice que el diodo se comporta como un conductor, y permite la circulación de corriente por el circuito. Si se montará el circuito de la figura 11.11 se comprobaría que la bombilla se enciende, porque el diodo queda polarizado de forma directa. El diodo en polarización directa se comporta como un conductor
Encendida A
+
K
0,7 V (Caída directa)
+ Figura 11.11. El diodo en polarización directa se comporta como un interruptor cerrad o; permite la conducción de corriente.
12 V 11,3 V
Cuando el diodo conduce, entre sus terminales aparece una pequeña tensión que se denomina caída directa. La tensión mínima para que el diodo empiece a conducir se llama tensión umbral, y es de unos 0,7 V; su valor aumenta un poco conforme aumenta la intensidad, pudiéndose situar en alrededor de 1 V en condiciones normales de trabajo. En la figura 11.12 se muestra un gráfico que se conoce por curvas característcas del diodo, que muestra el comportamiento y sus valores característcos fundamentales. Dicha curva se ha realizado en base al diodo rec tficador 1N4007, que es uno de los diodos comerciales más u tlizados. Soporta una tensión inversa de 1000 V y una intensidad directa de 1 A.
200
Unidad 11 · Introducción a la electrónica
IF
Polarización directa
IF = 1 A Tensión de ruptura
VR
(VRRM − 1000)V
IR ≤ 5 µA (25°C )
Vγ ≅ 0,7V Vγ ≅ 1V
VF
Polarización inversa Figura 11.12. El diodo en p olarizac ión directa se comporta como un interruptor cerrad o (conductor).
IR (µA) 11.3.4
Valores de tensión e intensidad básicos del diodo
Los valores de tensión y de corriente más importantes que se deben tener en cuenta en el diodo son los siguientes. • Tensión directaV(F): Su valor umbral pico es de unos 0.7 V, y puede llegar alrededor de 1 V en funcionamiento normal. • Tensión inversaV(R): Es la tensión máxima con tnua que puede soportar el diodo cuando está en polarización inversa. Por ejemplo, el popular diodo de baja potencia 1N4148 puede soportar una tensión contnua de 75 V, o sea, VR = 75 V. Y en el diodo 1N4007,VR = 1000 V. • Intensidad directaIF(): Es el valor máximo de intensidad directa con tnua. Ejemplo, en el diodo 1N4007 dicha corriente es de 1 A. Hay que saber también que cuando el diodo está en polarización inversa puede llegar a circular una pequeña corriente de fugas (IR); en el caso del diodo 1N4007 el fabricante indica que es menor de 5 A. Y si se sobrepasa un determinado valor máximo de tensión inversa, que el fabricante especifica por VRRM, se puede producir la ruptura del diodo; entonces se pone a conducir y se deteriora enseguida.
11.4
El diodo emisor de luz (LED)
Por medio de aplicación de corriente a ciertos componentes semiconductores se obtene emisión de luz, siendo el componente resultante más representa tvo de esta característca el diodo emisor de luz , que se conoce porLED (Light Eming Diode). El diodo LED se utliza en la mayoría de aplicaciones electrónicas, por lo cual se hace necesario empezar a conocerlo (en el capítulo de optoelectrónica se ampliará el tema). En la figura 11.13 se muestra su simbología esquemátca pica y el aspecto de los tpos de LED básicos (rojo, verde y amarillo), los más utlizados.
A
Figura 11.13.
K
Símbolo esquemático y aspec to del diodo LED. 201
Unidad 11 · Introducción a la electrónica La intensidad luminosa que emite el LED aumenta en función de la intensidad directa que circula por el diodo (hasta un cierto límite, a par tr del cual del cual se produce una saturación; la luz empieza a cambiar de color y se avería). Se obtenen valores normales de luz con una intensidad entre unos 5 a 20 mA, siendo la tensión pica (caída directa) de unos 1,8 V en los de color rojo y de unos 2 V en los verdes. Es el componente normalmente u tlizado (en susttución de las lamparitas de filamento) para indicar la puesta en marcha de aparatos de electrónica (TV, equipos de sonido, ordenadores, etc.), así como para la emisión de luz (no visible por el ojo humano) de control en los mandos a distancia.
11.4.1 Aplicac ión prác tica del L ED Cuando se utliza un diodo LED, puesto que normalmente se alimenta con una fuente de tensión mayor a la de su caída directa ( picamente, unos 2 V), se precisa siempre poner un resistencia en serie con el LED para que éste reciba la intensidad de corriente adecuada (unos 10 mA), como se representa en la figura 11.14. R1
LED
VB Figura 11.14. En los diodos LED, normalmente se tiene que poner una resistencia en serie para limitar la intensidad a unos 10 mA.
Actividades pr ácticas Supongamos que se tene que utlizar un LED de color rojo en un coche, para unadel alarma simplemente para indicarque la aclattensión vación de Comosimular la batería cocheo es de 12 V, considerando delalgo. LED es 2 V y queremos que circule una corriente de 10 mA, el valor de la resistencia deberá ser de:
Una representación práctca del montaje del circuito se muestra en la figura 11.15.
1 kΩ
Figura 11.15.
BATERÍA 12 V
LED
Representación práctica de la ap lica c ión del LED en un coche.
Esto es así en los LED picos, pero actualmente hay diversos tpos de LED, y algunos incorporan ya la resistencia internamente; de manera que se pueden conectar directamente a 12 V (y más), pero hay que tener la certeza de que sean así.
202
Unidad 11 · Introducción a la electrónica
Actividades propuestas 1. ¿Cuál es la función que realiza un diodo? ¿Cómo está construido? Representar su simbología detallada y la estructura de su consttución.
2. Representar el diodo en polarización directa e inversa, y explicar las diferencias. ¿Qué significa VF , IF y VR? 3. Dibujar el esquema para encender una bombilla de 12 V mediante una batería de 12 V, poniendo un diodo en serie.
4. Dibujar el circuito de una fuente de tensión de 20 V alimentando una resistencia de 100 a través de un diodo 1N4007. Calcular la intensidad que circulará por el diodo y la tensión que habrá en la resistencia.
5. ¿Qué es un diodo LED? ¿Qué significa LED? ¿Cómo está construido? ¿Cómo se llaman sus terminales? 6. Indicar los valores picos de tensión e intensidad directa en un LED de color rojo. 7. Dibujar el esquema para el encendido normal de un LED de color rojo mediante una pila de 9 V. Calcular el valor de la resistencia que se debe poner en serie, si queremos que la intensidad sea de 15 mA.
11.5
Termistores (NTC -PTC )
Aprovechando la característca del efecto que tene la temperatura sobre los semiconductores se fabrican componentes denominados termistoresdiseñados para su aplicación como sensores de temperatura. Aparecen dos tpos básicos.
11.5.1 NTC Uno de los más utlizados el denominado NTC, que viene de: Negatve Temperatura Coefficient, lo cual significa coeficiente negatvo de temperatura. Se comporta como una resistencia cuyo valor ( Ω) disminuye cuando aumenta su temperatura. En la figura 11.16 se muestra su simbología y una curva representatva de la variación de resistencia en función de la temperatura. Ω
NTC Figura 11.16. Simbología de una NTC y curva representativa del valor de su resistencia en función de la temperatura.
- t C A temperaturas bajas, su resistencia puede tener un valor relatvamente alto. Y a temperaturas relatvamente elevadas su valor puede ser bajo. Esto se puede experimentar fácilmente. Se conecta al polímetro, en la escala Ω, y se mide su valor; después se va calentando (por ejemplo, acercando el soldador) y se va observando cómo su valor va disminuyendo de valor. En la figura 11.17 se muestra el aspecto real de dos tpos de NTC comerciales; una de baja potencia y otra de mayor potencia (se nota por su mayor tamaño). Su valor nominal se suele proporcionar para una temperatura de referencia, que es 25 °C. Un ejemplo de modelo comercial muy u tlizado es K16410k, de Vishay, quetene un valor de 10 k a 25 °C.
203
Unidad 11 · Introducción a la electrónica
Figura 11.17. Mod elos c omerciales de NTC ; a) Tipo disc o, ba ja potenc ia b)Tipo cilíndrico, mediana a) potencia.
b)
11.5.2 PTC También, añadiendo al material semiconductor otros tpos de materiales, con el fin de variar sus característcas frente a la temperatura, se obtene otro componente similar que actúa de forma contraria, que se denomina PTC (Positve Temperature Coefficient), lo cual significa coeficiente positvo de temperatura; o sea, su resistencia aumenta cuando se calienta ( fig. 11.18). Tiene una zona de variación aproximadamente lineal, que es donde se tene que operar (intervalo de temperatura entre T1 y T2), ya que a par tr de una cierta temperatura se comporta a la inversa (baja la resistencia conforma aumenta la temperatura). Ω
Figura 11.18.
+ t
Simbología de un PCT y curva representativa de la variación del valor de su resistencia en función de la temperatura.
T1
T2
C
El aspecto práctco usual es de tpo disco (como las NTC), aunque otros tpos. Mediante los termistores como sensor se realizan circuitos de control de temperatura, cuya aplicación se encuentra en sistemas de regulación y control, sistema de medida, protecciones, etc. Un ejemplo sencillo de aplicación: es la detección de la temperatura del agua de los motores de los coches; la variación de resistencia por la temperatura da lugar a una variación de corriente que permite el control del instrumento indicador. Una aplicación pica de la PTC se encuentra en el circuito desmagne tzador de la pantalla (TRC, tubo de rayos catódicos) en los televisores.
11.6
Células fotoconductoras (L DR)
Los semiconductores también son sensibles a la luz, de manera que puede aumentar su conductvidad en función de la radiación luminosa recibida, de ahí que tengamos componentes electrónicos diseñados como elementos sensores (o detectores) de luz, entre los que destacan la fotocélula (LDR), el fotodiodo y el fototransistor. En general, los componentes electrónicos relacionados con la detección o emisión de luz forman una familia de componentes que se denomina optoelectrónica . El dispositvo más básico es la LDR (Ligth Dependent Resistor), que se comporta como una resistencia cuyo valor óhmico disminuye notablemente cuanto más se ilumina. Es un componente de bajo precio (como la mayoría de los componentes electrónicos), y con el cual se ob tenen muy fácilmente aplicaciones de control por medio de la luz: la puesta en marcha automá tca de las luces del coche en función de la luz ambiente, el encendido automátco de luces al anochecer (esto se llama luz crepuscular), etc.
204
Unidad 11 · Introducción a la electrónica En la figura 11.19 se muestra la simbología y aspecto práctco de modelos comerciales de LDR. Un ejemplo muy u tlizado de célula fotoconductora es GL 7228; según medidas (por el autor), entre luz directa y oscuridad la resistencia va de unos 600 a 20.000 Ω.
Luz
Figura 11.19. Simbología y aspec to prác tic o d e fotoc élulas LDR.
11.7
Varistor (VDR)
Otra característca a tener en cuenta en los semiconductores es que su resis tvidad depende también de la tensión eléctrica a que son some tdos. Por ejemplo, el bloque semiconductor de la figura 11.20 no tene un valor resistvo constante (como si fuera una resistencia simple), si no que su valor depende también de la tensión que tenga aplicada; esta característca se denomina resistencia dinámica. En base a esta característca se fabrican unos componentes que se llaman VDR (Voltaje Dependent Resistor), en los cuales su resistencia, a par tr de una tensión que se conoce por tensión de disparo (Vd) disminuye mucho. En la figura 11.21 se representa su simbología y curva de variación de resistencia representatva. Ω
V Figura 11.21.
V
Simbología de un VDR y su curva representativa del valor de resistencia en función de la tensión que tiene ap licada . Aspec to de un modelo comercial.
Este tpo de componente también se denomina Varistor. La aplicación pica de los varistores se encuentra en la industria, como protectores frente a subidas de tensión transitorias (picos) que pueden aparecer en la red eléctrica, y sobre todo en la conexión-desconexión de cargas inductvas (transformadores, motores, contactores, etc.). Como el varistor no tene polaridad, actúa igual recortando los picos de tensión eléctrica tanto positvos como negatvos (figura 11.22). Al llegar a la tensión de disparo, la resistencia baja mucho de valor, lo cual permite una circulación de corriente que disipa la energía de los picos de tensión, de manera que quedan rebajados en magnitud. Este componente se encuentra también en telefonía fija, en los PTR, para limitar o eliminar posibles picos de tensión que se pueden dar en la red de telefonía; es algo bastante conocido el producirse averías en aparatos telefónicos y modems, debido a picos de tensión por fenómenos atmosféricos.
205
Unidad 11 · Introducción a la electrónica
I
Figura 11.22. C urva representativa de la tensión de disparo del varistor. A esa tensión, el valor de la resistencia baja drásticamente y permite circular un valor de corriente que d isipa la p otenc ia de los picos de tensión.
Vd Vd
Un ejemplo de pico de aplicación se representa en la figura 11.23. Se trata de la conexión-desconexión de la bobina de un transformador u otro componente bobinado.
Figura 11.23. Ap lic ac ión típica del va ristor (VDR); protección frente a subidas instantáneas de tensión que p ueden ap arecer al abrir el interruptor (debido a la f.c.e.m. de la bob ina) o b ien en la red eléctrica.
230 V VDR Recorta los picos elevados de tensión
Cuando las bobinas se desconectan de la alimentación producen un pico de tensión muy rápido que puede tomar valores muy elevados y dar lugar a chispas entre los contactos de los interruptores que los pueden dañar. Cuando aparecen estos picos de tensión, la VDR baja su valor de resistencia y el pico de tensión se ve reducido (se consume su energía a través de la baja resistencia de la VDR). Ejemplos de modelo comerciales de VDR son: el V39ZAG, que tene una tensión de disparo de 25 V y el V320LA20A, que es de 320 V.
Actividadesfinales 1. Explicar la función básica de los componentes NTC y PTC. Representar su simbología y su función básica de forma gráfica. ¿Qué significan las siglas NTC y PTC? ¿Con qué nombre genérico se conocen este tpo de componentes?
2. ¿Qué es una LDR, qué función básica realiza? Indicar algún ejemplo de aplicación. ¿Qué significa LDR? 3. ¿Qué es una VDR? Indicar algunos ejemplos de aplicación. ¿Qué significa VDR? ¿Con qué nombre genérico se conocen este tpo de componentes?
4. Representar la curva característca completa de un diodo tpo 1N4007, indicando sus valores más importantes.
5. Dibujar el esquema para el encendido de dos diodos LED en serie (rojo y verde), mediante una batería de 12 V. Calcular el valor de la resistencia para una intensidad en los LED de 10 mA.
206
Unidad 12C irc uitos básicos
de alimentación
Objetivos: Proporcionar los conocimientos necesarios teórico-prácticos sobre los circuitos fundamentales de alimentación, que se ba san en la rectific ac ión de la corriente alterna y su filtrad o; o sea, proporcionan filtrado una tensión continua partiendo de la tensión alterna de la red eléctrica. A veces, además del se necesita una cierta estabilización de la tensión, para lo cual se utilizan los denominados diodos zener.
En este capítulo: 12.1 Partes Introducción. 12.2 bá sicas de una fuente de alimentac ión. 12.3 C irc uito rectifica dor de media onda . 12.4 C irc uito rectificad or de dob le onda.
12.5 12.6 12.7
Filtrado. Diodo zener. C irc uito estabilizador de tensión básico.
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación
12.1
Introducción
Los circuitos electrónicos se alimentan con corriente con tnua; por ello, en todos los aparatos electrónicos que se conectan a la red eléctrica (que es corriente alterna) existe una parte denominada fuente de alimentación , cuya función principal es convertr la corriente alterna a contnua (fig. 12.1). En cualquier caso, existe una parte fundamental imprescindible que se llama rectficador; que es el circuito que realiza la conversión de la corriente alterna a corriente contnua.
Figura 12.1.
Tensión de la red (230 V)
La fuente de a limentación se encuentra en todos los ap aratos elec trónicos que
Tensión connua (que puede ser estabilizada) +V Fuente de alimentación
se alimentan a través de la red eléctrica. Se encarga de convertirla tensión alterna en tensión continua del valor adecuado.
+V
(F.A.) 0V
12.2
t
Partes básicas de una fuente de alimentac ión
En la figura 12.2 se representa la estructura de bloques general de una fuente de alimentación pica básica; lo que sería un alimentador básico, que proporciona una tensión contnua (sin estabilizar) partendo de la tensión alterna de la red eléctrica. 230 V
Tensión de salida
Figura 12.2. Partes fundamentales de un alimentador bá sico, q ue proporciona una tensión c ontinua (sinestabilizar) partiendo d e la tensión alterna d e la red.
12.2.1 Transformador El primer elemento que aparece en dicha estructura es el transformador, que es lo que permite reducir los 230 V que se reciben de la red eléctrica a un valor de voltaje más o menos bajo, adecuado a la aplicación que se requiera (6, 9, 12, 24 V, etc.). 12.2.2 Rectificación Como el objetvo es disponer de un valor de tensión con tnua, el siguiente paso consiste en lo que se llama rectficación. Mediante la rectficación se convierte la tensión alterna que proporciona el transformador en una tensión con tnua pulsatoria. Los circuitos rectficadores se basan en el componente electrónico diodo, que tene la característca de dejar circular la corriente en un único sen tdo; esto es lo que permite obtener una corriente unidireccional, o sea, con tnua. 12.2.3 Filtrado Como la tensión contnua que se obtene del rectficador todavía no es adecuada para alimentar la mayoría de circuitos electrónicos, debido a que es pulsatoria, se precisa de otra etapa que se denomina filtrado. Mediante el filtrado se obtene un aplanamiento de la tensión pulsatoria que entrega el rec tficador; se consigue así una tensión contnua con menos ondulación, que se aproxima bastante a una tensión contnua ideal. Esta etapa es la más simple; normalmente se realiza con un condensador de relatva elevada capacidad (ejemplo, 2200 F) que se conecta a la salida del rectficador; el aplanamiento de los pulsos que entrega el rec tficador se basa en la característca que tenen los condensadores de almacenar carga eléctrica y el retraso en su descarga.
208
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación
Recuerda
• • •
Los componentes electrónicos se fabrica n en ba se a los materiales semiconductores (normalmente silicio). Debidamente procesados químicamente, se obtienen semiconductores de tipo N y tipo P; en base a estos materi a les, se fabrican los componentes electrónicos, desde el diodo hasta los circuitos integrados complejos (memorias RAM, C PU del ordenad or, etc.).
Mediante estas etapas simples (transformador, rec tficador y filtrado) se obtene ya una estructura simple de alimentador, que proporciona una tensión con tnua que puede ser aceptable para ciertas aplicaciones. Esta estructura (fig. 12.2) es la que suelen tener los alimentadores simples.
12.2.4 Regulación de tensión Pero en la mayoría de aplicaciones se necesita una tensión contnua de mayor calidad, con menor ondulación y con cierto grado de estabilidad frente a las variaciones de la tensión de la red y de la corriente de la carga. Esto se logra aplicando la tensión filtrada a un circuito electrónico estabilizador , que se basa en dos componentes puramente electrónicos: el diodo zenery el transistor(fig. 12.3). El circuito electrónico estabilizador recibe la tensión del filtro, y proporciona una tensión contnua con muy poca ondulación, práctcamente plana, y estable frente a las variaciones de la tensión de la red y de la corriente de salida; o sea, una tensión contnua casi ideal. Al ser esta una aplicación muy general, existen circuitos integrados (CI) específicos que realizan esta función; circuitos integrados reguladores de tensión, siendo muy populares los de la serie 78XX/79XX y LM317/337. Tensión connua filtrada
Tensión connua estabilizada + VO
+V
+
Figura 12.3. C irc uito estabilizad or. Proporciona una tensión c ontinua estab ilizad a.
Estabilizador
Actividades propuestas 1. ¿Todos los aparatos electrónicostenen fuente de alimentación, aunque no se conecten a la red eléctrica? el circuito de las partes fundamentales de una fuente de alimentación (transformador, rectfi2. Representar cador y filtrado) y explicar la función que realizan.
3. ¿Qué es un circuito estabilizador de tensión?, ¿qué función realiza? ¿Todos los circuitos de alimentación deben tener circuito estabilizador? ¿En qué componente básico se fundamenta el circuito estabilizador de tensión?
12.3 Figura 12.4. C irc uito recti fica dor de media onda. Es el más sencillo de todos.
fic ador de media onda Circuito recti
En base a la característca que tene el diodo de dejar circular la corriente en un único sentdo, se obtene la conversión de la corriente alterna en corriente con tnua; a esto se denomina rectficación. En la figura 12.4 se muestra un circuito práctco del rectficador más sencillo; se conoce por rectficador de media onda. 17 V 5,4 V 1N4004
0
Vm = 5,4 V
12 V
Im ≈ 0,2 A
RL 27 Ω
230 V
209
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Su funcionamiento es muy sencillo; el diodo únicamente deja pasar hacia la carga ( RL) el semiciclo positvo de la onda senoidal que recibe del transformador, o sea, media onda (de ahí la denominación de rectficador de media onda). Esto es porque sólo durante el semiciclo positvo el diodo se puede polarizar de forma directa (el ánodo tvo no lo deja pasar porse hace positvo con respecto al cátodo). El semiciclo nega que durante dicho semiciclo el diodo queda polarizado de forma inversa (el ánodo es negatvo con respecto al cátodo) bloqueando así el paso de la corriente. tnua, pero pulsatoEste circuito rectficador proporciona por tanto una tensión con ria; aparece un pulso positvo por cada ciclo de la red, o sea, 50 pulsos por segundo.
En la figura 12.5 se representan la tensión alterna de entrada y la tensión contnua (pulsatoria) de salida. Tensión de entrada:
17 V
12 2 ≈ 17VP 0
π
2π
ωt
-17 V
17 V
Tensión de salida:
Vm =
5,4 V 0 Figura 12.5. Tensión de entrada y tensión de salida del circuito rectificador.
VP
π
≈
17 ≈ 5,4 V 3,14
C álculo de latensión y corriente de salida El valor medio de la tensión de salida, que es la que mediría un vol metro, se calcula en base a la fórmula siguiente:
El valor de pico (VP) se halla conociendo la tensión de salida del transformador (que fi
VRMS se da de siempre valortensión e caz, es ). Si17elV:transformador da 12 V de salida, pues el valor pico deendicha casi
Y el valor medio de la tensión contnua de salida será por tanto:
El polímetro en medida de tensión contnua (VDC) marcaría este valor de tensión. Y el valor medio de la corriente de salida, se calcula mediante la siguiente fórmula:
12.4
Circuito recti fic ador de doble onda
El circuito rectficador de doble onda es el normalmente utlizado en la práctca, ya que proporciona un mejor rendimiento que el de media onda. La tensión rectficada de salida que se ob tene es la mostrada en la figura 12.6. En el intervalo de duración del periodo de la red eléctrica se ob tene dos pulsos positvos; la tensión contnua tene menos espacios sin tensión que el rec tficador de media onda. Al tener menos huecos sin tensión, tene menos ondulación; la tensión se aproxima más a una tensión contnua ideal, que la que se obtene con la rectficación de media onda.
210
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación
VP Vm = Figura 12.6. Tensión c ontinua pulsatoria que proporciona el rectificad or de dobl e onda.
2VP
π
0 T = 0,02
Tensión de salida Al tener dos pulsos positvos en vez de uno dentro del ciclo de la red, el valor de la tensión media contnua es doble del que se consigue con la rec tficación en media onda.
12.4.1 Puentes erc tificadores Los llamados puentes rectficadores son componentes que integran 4 diodos conectados para formar un circuito denominado puente rectficador. A este tpo de circuito también se le llama puente de Graetz . En la figura 12.7 se muestra la simbología de este componente, y el circuito que integra. Aplicando una tensión alterna en los terminales de entrada (los marcados con el símbolo de alterna), se ob tene en los terminales de salida una tensión contnua (pulsatoria).
Figura 12.7. Símbolo de un puente rectifica dor y su circ uito equivalente.
El aspecto práctco de dos tpos de puentes rectficadores muy utlizados se representa en la figura 12.8. Tienen 4 terminales; dos para la alterna de entrada (c.a.), y otros dos para la con tnua de salida (c.c.).
Figura 12.8. Aspecto práctico de puentes rectific ad ores típic os.
12.4.2
fi
c ador de doble onda cCircuito on puentrecti e de diodos Un ejemplo de circuito práctco rectficador de doble onda con puente rec tficador se muestra en la figura 12.9. Su funcionamiento se basa en la conducción de un par de diodos en cada semiciclo de la onda de entrada; en el semiciclo positvo conducen 211
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación los diodos D2 y D3, y en el negatvo lo hacen D1 y D4. Por tanto, se aprovecha toda la energía de la onda alterna de entrada (a diferencia del rectficador de media onda, que se aprovecha sólo la mitad de la onda).
≅ 17V
Vm = 10V
0
+ D1
D2
D3
D4
12 V
RL
230 V
47 Ω Im = 0,21 A
Figura 12.9. C irc uito de un rec tificador de o nda c ompleta mediante puente a diodos.
Esto reporta que por la carga (RL) aparezca dos pulsos positvos por cada ciclo de la red, como se representa en el diagrama de ondas de la figura 12.10. tnua media de salida: Tensión con
Intensidad con tnua media de salida:
17 V
Tensión de entrada
0V
2π
π
-17 V
Tensión de salida
15,6 V
Vm
10 V Figura 12.10. Tensión de entrad a y de salida e n el rec tificador de doble onda.
0V
Conducen D2 y D 3 T
Conducen D1 y D 4
= 0,02 s
Así, en el circuito de la figura 12.9, la tensión de pico de salida del transformador será por tanto de:
212
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Si restamos los 1,4 V de caída directa de los dos diodos que conducen en cada semiciclo, la tensión de pico de la tensión pulsatoria de salida será: El valor de tensión con tnua media de salida (Vm), será:
Éste es el valor de tensión con tnua que marcaría un volmetro conectado en la salida (casi 10 V). Y conociendo el valor medio de la tensión de salida, la corriente media en la carga ( RL) será:
Actividades propuestas 1. Dibujar el esquema de un circuito rec tficador de media onda y poner el diagrama de ondas de entrada y salida. Explicar su funcionamiento.
2. Si en un circuito rectficador de media onda la tensión de salida del transformador es de 12 V, ¿qué valor de tensión contnua se mediría con un tester en la salida del rec tficador? Si a la salida del rec tficador se conecta una resistencia de 10 , calcular el valor de corriente que circulará por dicha resistencia.
3. Dibujar el circuito de un rectficador de doble onda utlizando 4 diodos 1N4007 y explicar su funcionamiento. 4. Suponiendo una tensión alterna de entrada al rec tficador de doble onda de 12 V y una carga en la salida de RL = 10 , representar el diagrama de ondas de la tensión de entrada, tensión de salida y corriente de salida.
5. Representar y explicar el puente de Graetz. Dibujar el circuito de un rectficador de doble onda basado en un puente de Graetz. Si queremos una tensión con tnua de salida de 10 V, ¿qué valor de tensión deberá entregar el transformador?
12.5
Filtrado
La tensión contnua que proporcionan los rec tficadores, al ser pulsatoria, no resulta adecuada para la alimentación de la mayoría de circuitos electrónicos. Para lograr aproximarla a una tensión contnua ideal, se hace lo que se llama filtrado. Esto, en la práctca, se consigue mediante un condensador de una rela tva elevada capacidad conectado a la salida del rec tficador, o sea, en paralelo con la carga, como se muestra en la figura 12.11. Condensador de filtro
VO
C RL Figura 12.11. Filtrad o d e la tensión continua pulsatoria.
Carga del condensador en el semiciclo posivo
Descarga del condensador a través de R L
En base al efecto característco que tene el condensador de almacenar carga eléctrica y tardar un cierto tempo en descargarse, se consiguen llenar más o menos los "huecos" que presenta la onda de tensión con tnua pulsatoria (fig. 12.12). Cuando
213
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación aparece el pulso positvo, el diodo conduce y RL recibe corriente; además, el condensador tende a cargarse hasta la tensión de pico. Después, cuando aparece el hueco de la onda pulsatoria (el diodo no conduce), la tensión almacenada en el condensador queda aplicada sobre RL y éste inicia su descarga. El condensador sirve pues para alimentar la carga RL cuando el diodo no conduce. De esta manera se obtene una tensión contnua que puede tener baja ondulación; una aproximación a la tensión con tnua ideal. El diodo conduce, se carga el condensador
El diodo no conduce, se descarga el condensador
VP
0 Figura 12.12. Efecto que produce el co ndensado r de filtro.
π
2π
t
T
12.5.1 Cálculo práctico del condensadorfiltro de Una fórmula práctca sencilla para saber el valor (muy aproximado) de la capacidad del condensador, para un cierto valor de tensión de rizado y de corriente de salida es:
C = Capacidad (F) IO = Intensidad de salida (A) Vr(pp) = Tensión de rizado (pp) f = Frecuencia de la onda pulsatoria (Hz) En el rectficador de media onda, como aparece un pulso positvo por cada ciclo de la onda senoidal de entrada, f = 50. Y en el rec tficador de doble onda, que es el normalmente empleado, como aparecen dos pulsos positvos por cada ciclo, f = 100.
Ejemplo Supongamos que nos interesa saber el valor del condensador en un circuito rec tficador de doble onda, que tene que entregar una intensidad de salida de 50 mA y que interesa que el rizado no sea mayor de 0,4 Vpp.
12.5.2
Cálculo de un c irc uito un alimentador básico
En la figura 12.13 se muestra el circuito práctco de un alimentador básico, el más sencillo. Proporciona una tensión contnua de salida de unos 9 V, y para una intensidad de salida de 50 mA el valor de la tensión de rizado es de unos 0,4 Vpp. Como el transformador entrega una tensión de salida (e ficaz) de 7,5 V el valor de pico de dicha tensión es: Y la tensión contnua media de salida, la que mediría un vol metro si el condensador no está conectado, sin tener en cuenta la caída directa de los dos diodos que conducen, será:
214
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Pero para tensiones bajas, como en este caso, se obtene un valor más exacto si tenemos en cuenta la caída directa de los dos diodos que conducen en el puente rectficador; lo cual significa que a la tensión de pico hay que restar 2 x 0,7 V = 1,4 V. Así, un valor de la tensión contnua media de salida más real será:
Este sería el valor que marcaría un vol metro si el condensador de filtro no está conectado. Al conectar el condensador de filtro, la tensión de salida aumenta a un valor muy próximo a la tensión de pico. Así, restando los 1,4 V de los dos diodos que conducen, la tensión contnua de salida filtrada será:
7,5 × 2 ≅ 10,6V
INT4004
+9 V
50mA
230V 7,5V
RL 180 Ω 1250 µF 16V
Figura 12.13. C irc uito prác tic o a limentador; propo rciona una tensión c ontinua d e 9 V.
Actividades propuestas 1. Explicar el concepto de filtrado y cómo se obtene. 2. Representar la tensión de salida de un rec tficador de doble onda sin filtrar y filtrada. ¿Qué es la tensión de rizado?
3. Si en un circuito rectficador de doble onda la corriente de salida es de 50 mA y el condensador de filtro es de 1250 F, ¿de qué valor será la tensión de rizado?
4. Dibujar el esquema de un alimentador básico (transformador, puente rectficador y condensador de filtro). Si nos interesa una tensión de salida de 5 V para una carga máxima de 100 mA y no interesa un rizado mayor de 0,5 V, calcular: a) La tensión de salida del transformador b) El valor de capacidad del condensador de filtro
12.6
Diodo zener
Para lograr una cierta estabilización en las tensiones se necesitan circuitos reguladores, los cuales siempre se basan en un componente que se llama diodo zener, cuya simbología y aspecto práctco se muestra en la figura 12.14.
215
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación
K K
Figura 12.14.
A
Símbolo y aspec to prác tic o de un d iodo zener.
A Su aspecto práctco es como la de cualquier otro diodo de pequeña o mediana potencia; por ello, a simple vista puede confundirse con un diodo normal. Estabilizador de tensión
Tensión de entrada variaciones Figura 12.15. con (no estable)
Tensión de salida de valor constante (estable)
La aplicac ión princ ipal del diodo zener es c omo estabilizador de tensión.
Aunque la aplicación principal del diodo zener es como estabilizador de tensiones (fig. 12.15), también se puede utlizar para limitar picos de tensión, como elemento protector en circuitos; o sea, se puede comportar también como un varistor (VDR), como se representa en la figura 12.16.
Z2
Z1
I
VZ 1 VZ 2
Figura 12.16. El diodo zener también se puede utilizar para recortar picos de tensión.
VDR El diodo zener se u tliza en polarización inversa, o sea, la tensión en el cátodo debe ser positva con respecto al ánodo. Y el valor de tensión se encuentra en el punto donde empieza a conducir por efecto de ruptura. Son diodos fabricados especialmente para funcionar en polarización inversa y para unas tensiones muy concretas, por ejemplo, 12 V. Podemos encontrar diodos zener en una amplia gama de tensiones; desde unos 3,3 V a 200 V (y más).
12.6.1 Curva característica típica del zener En la figura 12.17 se muestra la curva caracterís tca del diodo zener en su zona de trabajo, polarización inversa. Tensión zener
VR
VZ
Conducción brusca, que se inicia a parr de la tensión zener Figura 12.17. El diodo zener trabaja en polarización inversa, en el punto dond e se inic ia la conducción.
216
IZ
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Al igual que cualquier otro diodo, práctcamente no circula corriente en polarización inversa (sólo la de fugas); pero al llegar a una determinada tensión, que se llama tensión zener , empieza a conducir; en este punto, la intensidad puede aumentar bruscamente para pequeños aumentos de la tensión. O sea, al llegar a la tensión zener, muy pequeñas variaciones de tensión dan lugar a variaciones rela tvamente grandes de corriente. El valor de la tensión zener la determina el fabricante en el proceso de fabricación del zener. La potencia máxima que disipa se ob tene por:
El fabricante indica su potencia máxima (a una cierta temperatura); por ello, se debe limitar el valor de la intensidad máxima que circule por el zener, que siempre deberá ser:
Ejemplo En un diodo zener de 10 V y 0,4 W la intensidad máxima es:
También se tene que saber que por el zener debe circular siempre un valor mínimo de intensidad, que el fabricante indica por IZK; en la práctca se toma un valor entre 1 y 5 mA.
12.7
Circuito estabilizador de tensión básico
El montaje del circuito estabilizador de tensión básico se basa en el zener, como se representa en la figura 12.18.
+ VE
Resistencia limitadora de intensidad R
VS = VZ
IR = IZ + IL Tensión de entrada con variaciones (no estable)
IL IZ
0V Figura 12.18. C irc uito estabilizador zener básico.
VZ
Carga
(RL )
Tensión de salida de valor constante (estable)
0V El diseño de un circuito estabilizador zener se basa en el cálculo adecuado de la resistencia limitadora; a través de ella tene que circular la corriente del zener y la que circule por la carga. En general, y en primera aproximación, se calcula mediante la fórmula:
VE = Voltaje de entrada VZ = Voltaje del zener IZ = Intensidad en el zener IL = Intensidad en la carga 217
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación En su cálculo se deben considerar los factores; tensión mínima y máxima de entrada, la intensidad máxima que puede circular por el zener (que depende de su potencia) y la intensidad a través de la carga que se alimenta. El efecto de estabilidad de tensión que proporciona el diodo zener se basa en que: Variaciones relativamente grandes de la intensidad inversa que circula por el diodo zener (dentro de un margen), sólo dan l ugar a pequeñas variaciones en su tensión.
12.7.1 Cálculo del circuito estabilizador Supongamos el siguiente circuito (fig. 12.19), el cual alimenta una carga que consiste en un simple diodo emisor de luz (LED), con su correspondiente resistencia limitadora. Se utliza el zener 1N961B, que es de 10 V y 0,5 W, cuya intensidad máxima es IZD = 38 mA. El resultado tene que ser que la corriente que circule por la carga (el LED) sea la misma aunque la tensión de entrada tenga variaciones (dentro de un cierto rango). Esto será así porque el zener mantendrá estable a 10 V la tensión de salida, aunque varíe la tensión de entrada (dentro de un cierto rango). La carga es el LED con su correspondiente resistencia limitadora (R2), lo cual equivale a una carga total de 10 mA, como se deduce a con tnuación: al ser la tensión de salida de 10 V, considerando los 2 Vpicos del LED, se deduce que la intensidad de salida será de 0,01 A = 10 mA:
O sea, la carga (el LED y la resistencia de 820 Ω) equivale a una resistencia de 1 k , ya que:
Figura 12.19. Ejemplo d e c ircuito prác tic o estabilizador.
La tensión de entrada mínima necesaria (para IZK = 1 mA): Y la tensión de entrada máxima (para IZM = 38 mA): Y en este punto de trabajo la potencia disipada en el zener es: Que es inferior a la máxima indicada por el fabricante (0,5 W).
218
Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Así, en resumen, dentro del margen de variación de la tensión de entrada entre unos 13 y 23 V, la intensidad del zener variará entre 1 a 38 mA; pero la tensión e intensidad de salida permanecerá (aproximadamente) constante: VL = 10 V,IL = 10 mA.
Figura 12.20. Valores de las intensidades y tensión de salida que muestra pa ra una margen de variac ión de la tensión de entrada entre 13 y 23 V.
En la figura 12.20 se muestran los resultados de la experimentación del funcionamiento del circuito mediante el programa Mul tsim, para los valores de tensión de entrada mínima y máxima. Las variaciones de la tensión de entrada afectan a la intensidad a través del zener, pero no a la intensidad por la carga. Para la tensión de entrada de 13 V, la intensidad en el zener es de alrededor de 1 mA y su tensión unos 10 V. Y cuando la tensión de entrada sube a 23 V, la intensidad en el zener aumenta a 38 mA; pero su tensión permanece a unos 10 V. Obviamente, la tensión en el zener no se mantene exacta; pero sus variaciones son muy pequeñas.
IR1
IL
Vsal . ≅ 10 V R1 270 Ω IZ
820 Ω
13V Tensión de entrada mínima
10V
1N961B
IR 1
IL
Vsal . ≅ 10 V R1 270 Ω IZ
820 Ω
23V Tensión de entrada máxima
10V
1N961B
Actividadesfinales 1. Representar la simbología y función que realiza un diodo zener. ¿Cómo se debe polarizar el zener, en forma directa o inversa?
2. Explicar con la curva característca del zener, la estabilización de tensión del zener. 3. En un zener de 12 V / 0,4 W, ¿de qué valor máximo puede llegar a ser la corriente? 4. ¿Entre qué margen se considera que debe estar el valor de corriente mínima del zener? 5. Dibujar el esquema básico de un ci rcuito estabilizador de tensión basado en un diodo zener y explicar cómo funciona.
219
Unidad 13Introducción
a los transistores
Objetivos: • • • • •
C onoc er el aspecto prác tic o y función que realiza el transistor bipolar (BJ T); el componente en el cua l se fundamenta la electrónica. Familiarizarse con los c onc eptos elementales sobre amplificación. Sab er, c omprender, el co ncepto de electrónica. C onoc er conc eptualmente, los circ uitos integrad os. C onoc er los diferentestipos de transistores (FET, MOS, UJ T), y su campo de aplicac ión.
En este capítulo: 13.1 Función que realiza el transistor. 13.2 Amplificador. 13.3 Aspectos prác ticos sobre transistores.
13.4 El Transistor bipolar (BJ T).
13.5
Transistores de efec to de c ampo (FET). 13.6 Transistores MOS. 13.7 Transistor UJT.
Unidad 13 · Introducción a los transistores
Recuerda
• • •
Transistor BC 547
13.1
Función que realiza el transistor
El transistor es, sin lugar a dudas, el componente electrónico fundamental en electrónica; es la base de todos los sistemas electrónicos. Los transistores se encuentran en todos los aparatos electrónicos, desde los más sencillos hasta los más avanzados. Un transistor es un componente de tres terminales (patllas), fabricado mediante materiales semiconductores (normalmente silicio), pequeño y de bajo coste, capaz de realizar una función básica imprescindible en electrónica: amplificar.
Aspecto real de un transistor (de los más utilizados). Es el componente fundamental en electrónica.
13.1.1 C oncept o de amplificación Partendo de una débil señal eléctrica (señal de entrada), que puede ser la de un micrófono, de una antena de TV, etc., obtener una señal de salida (idén tca en frecuencia y forma de onda) de mayor magnitud. Por ejemplo, podría ser una señal de entrada de 0,01 V, procedente de un micrófono, y mediante un ampli ficador obtener una señal de 20 V para actvar un altavoz. En este caso, se diría que el factor de amplificación, ganancia, es:
O sea, en este caso, la señal de salida obtenida es 2000 veces mayor que la de entrada; esto es amplificación. Y gracias a ello, se podrían escuchar con alto nivel sonoro los sonidos captados por el micrófono. La función de amplificar la realizan los circuitos o aparatos que se llaman amplificadores, que se realizan en base a los transistores. Por ejemplo, son señales eléctricas débiles, que se tenen que amplificar, las captadas por: • El cabezal magnétco de un disco duro • Una antena (de móvil, TV…) • Una pastlla de guitarra eléctrica • Un sensor de electrocardiógrafo • Un micrófono Y existen otros muy diversos ejemplos. Gracias a la función de amplificar, podemos, por ejemplo: escuchar la radio, ver la TV, controlar un ascensor con una simple pulsación, y otras muy diversas cosas. Antes de aparecer el transistor ya exisa la electrónica, y por tanto la radio y la TV, incluso el principio de los ordenadores; pero la amplificación de señales se realizaba con componentes denominados válvulas, algo parecido a bombillas, que eran de un tamaño considerable, frágiles y que necesitaban de una corriente eléctrica para encender su filamento. Es seguro que de no haberse descubierto los semiconductores y en consecuencia el transistor (1948), gracias a su pequeño tamaño y a los avances en la microelectrónica, la electrónica actual no existría. Se puede decir, pues, que los ordenadores, los PDA, teléfonos móviles, etc., existen gracias al descubrimiento del transistor y posteriormente al desarrollo de los circuitos integrados (popularmente conocidos por microchips).
13.2
Amplificador
La estructura básica de un ejemplo de ampli ficador se representa en la figura 13.1. Se trata, a modo de ejemplo, de un ampli ficador de guitarra eléctrica. Dentro del bloque amplificador ya se ha representado el símbolo esquemátco del transistor (el tpo más usual). Con esto se indica que el amplificador está realizado en base al transistor, pueden haber varios transistores, además de los componentes adicionales picos como resistencias, condensadores, etc.
221
Unidad 13 · Introducción a los transistores Como es obvio, y así es en todos los aparatos electrónicos, para que funcionen se necesita de una tensión de alimentación, para suministrar la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. De hecho, la potencia sonora que se ob tene la suministra la energía eléctrica de la alimentación. Si, por ejemplo, el amplificador entregará al altavoz una potencia de 100 W, la tensión de alimentación tendría que suministrar al amplificador más de 100 W (hay que tener en cuenta que, como el rendimiento nunca es del 100%, parte de la energía que entrega la fuente de alimentación es perdida en forma de calor en los componentes).
Recuerda
• • •
Las pastllas de la guitarra eléctrica son una especie de cabezales magnétcos (se basan en unos bobinados sobre un núcleo de imán), que convierten las vibraciones de las cuerdas (que son de material ferro magnétco) en unas débiles señales eléctricas. Las señales de las pas tllas consttuyen la señal de entrada del amplificador, mediante el cual se obtene una señal eléctrica de salida (idéntca a la de entrada, en forma de onda y frecuencia) de una magnitud que puede ser mucho mayor.
Transistor rea l y su símbolo Esquemático; este pequeño componente permite la amplificación de señales eléctricas (audio, TV, etc.).
La señal salida del ampli ficador, aplicada a un altavoz (que convierte la señal eléctrica en sonido), permite obtener una gran potencia sonora; así es como se ob tenen los potentes sonidos de una guitarra eléctrica. Hay que tener en cuenta que si la señal de salida apareciera con alguna modificación en su forma de onda o frecuencia (esto se conoce por distorsión), podría pasar que el sonido fuera desagradable. Y en el caso de un ampli ficador de voces, hasta podría pasar que la voz pareciera diferente a la srcinal (la captada por el micrófono). Para que esto no suceda, la señal de salida debe conservar la frecuencia y forma de onda de srcinal (la de la señal de entrada); pero en la prác tca, siempre existe algo de distorsión, aunque sea muy pequeña, que se procura reducir al máximo, sobre todo en los equipos de música. Está realizado en base al transistor. Señal eléctrica +V
Señal eléctrica de entrada
Amplificador
20 V ≈ 0,1V Altavoz Sonido
Figura 13.1. Ejemplo de representación del concepto de A mpli ficación: Amplificador de guitarra eléctrica. Las pastillas de la guitarra convierten las vibrac iones de las c uerda s en débiles señales eléctricas; fi
mediante el amp li cador, se obtienen dic has señales con una a mplitud mucho mayor, adec uada p ara ac tivar el altavoz.
222
Un caso partcular se da en los equipos ampli ficadores de guitarra eléctrica; en este caso, se parte de un potente amplificador de calidad, pero con circuitos para producir efectos, normalmente de distorsión y reverberación, para que aparezcan cuando el usuario lo decida. Esto es sólo un ejemplo de la amplificación; como se deduce, gracias a los amplificadores, podemos escuchar la radio y TV con potencia, escuchar el teléfono móvil, enviar las señales electromagnétcas (telefonía, radio, TV) con potencia, escuchar los mensajes de megafonía del metro, avión, etc.
Unidad 13 · Introducción a los transistores
El concepto de electrónica Como ya se debe saber, el concepto de electrónica se puede resumir en: La electrónica es la ciencia o tecnología que trata sobre los componentes (o circuitos) en los cuales la conducción eléctrica es a través de materialessemiconductores , donde se manifiestan efectos actvos como es la amplificación.
Que dicho de otra manera: Electrónica, es el estudio y aplicación de los componentes cuyo funcionamiento se basa en los semiconductores, donde aparecen circuitos con efectos de ampli ficación (amplificadores de sonido, generadores de ondas, sistemas de control, etc.).
Es obvio que el transistor es el componente fundamental de la electrónica.
Actividades propuestas 1. Explicar el concepto de electrónica. 2. ¿Qué se entende por amplificar? ¿Qué es un ampli ficador? 3. Indicar 3 ejemplos de señales eléctricas. 4. ¿Cuántos terminales tene un transistor?
13.3
Aspec tos prác ticos sobre transistores
Los transistores se pueden utlizar como un componente suelto, discreto, pero normalmente se utlizan masivamente formando parte de circuitos rela tvamente complejos como son los circuitos integrados (CI). Así, por ejemplo, mediante dos transistores se puede hacer un simple circuito para encender dos diodos LED de forma alternatva, o bien u tlizar un CI digital programable (microcontrolador) para controlar un sistema de alarma. En las dos aplicaciones se ha utlizado el transistor como componente base; en el primer caso, dos transistores sueltos con sus componentes adicionales (resistencias y condensadores), y en el segundo caso un CI donde pueden encontrarse miles de transistores, formando circuitos completos. En la figura 13.2 se representa la foto de un transistor y de un circuito integrado, de los tpos más utlizados.
Figura 13.2. Aspec to real de un transistor y un circuito integrado, de los más utilizados.
13.3.1 El circuito integrado En el CI pueden haber perfectamente miles de transistores; pero, obviamente, construidos(se todos a la vez en un mismo proceso de integración y formando completos encuentran también resistencias y diodos, y alguna pequeñacircuitos capacidad). Hay que tener en cuenta que el tamaño interno del transistor es mucho más pequeño de cómo se ve, ya que para que se pueda manipular se tene que encapsular
223
Unidad 13 · Introducción a los transistores en un tpo de formato manejable. Y en los circuitos integrados pasa lo mismo; el tamaño real, lo que es el chip, es mucho más pequeño de cómo los vemos. Dentro del encapsulado se encuentra el chip, que es bloque formado por semiconductores donde se encuentran los circuitos. Una representación de esto se muestra en la figura 13.3.
Figura 13.3. Aspecto de parte interna de un circuito integrad o, do nde ap arece el chip (diminuto bloque basad o e n silicio donde están integrados los c omponentes que forman los circuitos electrónicos).
Chip; aquí se encuentran todos los componentes formando los circuitos
En general, para que los componentes semiconductores los podamos manipular se tenen que “empaquetar”, y de ahí que aparezcan los diferentes tpos de encapsulados. Para tener una idea del tamaño real de un transistor y de un circuito integrado, se muestra otra foto (figura 13.4) donde aparece un bolígrafo al lado de dichos componentes.
Figura 13.4. Foto de un transistor y un circuito integrado , q ue nos da ideal del tamaño real de dichos componentes.
Otros tpos de encapsulados de transistores también muy utlizados se muestran en la figura 13.5.
Figura 13.5. Tipos de enc ap sulad os de los transistores normalmente más utilizados.
Existen dos diferentes grupos de tpos de transistores; los que se conocen por bipolares (NPN y PNP) y los de efecto de campo (FET-MOS). Y de todos ellos, los que normalmente se utlizan más de forma general, y que su estudio resulta imprescindible, son los transistores bipolares .
224
Unidad 13 · Introducción a los transistores
13.4
El T ransistor bipolar (BJT)
Este es el tpo de transistor más popular, el normalmente más utlizado, y que se debe estudiar en un principio. Las siglas BJT significan Bipolar Juncton Transistor ; o sea, transistor bipolar de unión, que nos da información sobre sus consttución fsica. Está fabricado en base a dos uniones (juncton) de materiales semiconductores (N y P), y su funcionamiento interno se basa en dos portadores de carga; los electrones y los huecos (de ahí lo de bipolar). Transistor es una expresión derivada de Transfer resistor . Este componente es el fundamental en electrónica, el más importante; se podría decir que, sin ellos, no habría electrónica (tal como la conocemos). En la figura 13.6 se muestra la simbología general de un transistor bipolar (tpo NPN) y la foto de un modelo de los más comerciales (BC547). Todos los transistorestenen 3 patllas; en los bipolares se denominan emisor (E), base (B) y colector (C). Colector (C) C Base (B)
NPN
B
Figura 13.6. Simbología y modelo c omercial de un transistor (NPN); el c omponente fundamental de la electrónica.
E Emisor (E)
13.4.1 Función básica que realiza el transistor La función básica del transistor es amplificar corriente. Una débil corriente ( A o mA) que circule a través de la pa tlla denominada base (B), puede hacer circular una corriente mucho mayor (100 veces mayor, y más), entre los terminales colector (C) y emisor (E). Esta función básica del transistor es lo que permite realizar las aplicaciones denominadas amplificador, que van desde simples etapas basadas en un solo transistor hasta circuitos complejos integrados de instrumentación, comunicaciones, etc. Así pues, el transistor bipolar (BJT), que se empezará a estudiar detalladamente a partr del siguiente capítulo, existe en dos versiones; los NPN y los PNP. A efectos prác tcos, sólo se diferencian en las polaridades de su polarización, como pronto se verá.
Actividades propuestas 1. Explicar la función básica que realiza un transistor. 2. Representar un transistor NPN con sus nombres de patllas. 3. ¿Qué significan las siglas BJT? 4. Básicamente, ¿qué es un circuito integrado?
13.5
Transistores deefec to de c ampo (FET)
El transistor de efecto de campo, que se representa por FET (Field Effect Transistor), aunque sus principios fueron descubiertos antes que el transistor bipolar, no se empezó a comercializar hasta bastante después que el BJT, por cues tones de tecnología de fabricación; además, sus aplicaciones no resultaban tan generales como las del BJT, son más especificas. 225
Unidad 13 · Introducción a los transistores En los transistores FET, aparecen dos grupos: los de unión, que se llaman JFET (Juncton Field Effect Transistor), y los de puerta aislada que se conocen por MOS (Metal Oxide Semiconductor), o bien por MOSFET. A su vez, tanto en los JFET como en los MOS, aparecen dos modelos: los de canal N y los de canal P. Y dentro de los MOS, se produce otra división; los de empobrecimiento (depleton) y los de enriquecimiento (enhancement). A contnuación se presenta una visión general de todos ellos, para tener idea de su concepto básico y campo de aplicación.
ransistore s FETde unión (J FET) 13.5.1 T Al igual que los transistores bipolares, el FET aparece con dos variantes: los de canal N y los de canal P. En lafigura 13.7 se muestra su simbología general. Se trata de un FET de canal N. Drenador (D)
Graduador (G)
Figura 13.7.
Surdor (S)
Simbología de un transistor FET (canal N).
Sus terminales (patllas), se denomina surtdor, graduador y drenador, que se representan por S (source), G (gate) y D (drain) respectvamente. Un modelo práctco popular, es el BF245; es un FET de canal N.
13.5.2
Función básica que realizan los transistores FET
La función básica que hacen los transistores de efecto de campo en general, consiste que: mediante una tensión de entrada) aplicada alcorriente terminal graduador (G),enpor efecto de campo eléctrico,(señal se puede hacer circular una (de salida) a través de los terminales drenador (D) y surtdor (S). Y esto es con efecto de amplificación; señales débiles de entrada dan lugar a señales mucho mayores (amplificación) en la salida. O sea, mediante un voltaje de entrada, se controla una corriente de salida. Y mediante este efecto, se logran aplicaciones similares a las de los transistores bipolares, con algunas característcas diferentes; la más relevante, es que su control es mediante tensión, siendo su corriente de entrada práctcamente cero, lo cual le confiere la característca de muy alta impedancia de entrada. En cambio, en los transistores bipolares su control es fundamentalmente mediante una corriente (una muy pequeña corriente de entrada permite el control de una corriente de salida mucho mayor). Los FET, son necesarios en especial cuando se necesita un circuito de amplificacióncontrol de muy alta impedancia de entrada. Se encuentran en etapas ampli ficadoras para ciertos tpos de micrófonos, para el acoplo de ciertos sensores, en aparatos de telecomunicaciones, etc. Los transistores FET en general, también se conocen por transistores unipolares, debido a que su funcionamiento se basa en un solo portador de carga (los electrones, en los FET canal N). En cambio, en los transistores BJT, su funcionamiento se basa en dos portadores de carga (electrones y huecos), por eso se conocen por bipolares. Este tpo de transistor se fabrica en base a la unión de una zona de material P en medio de una barrita de material N (FET de canal); son transistores FET de unión.
226
Unidad 13 · Introducción a los transistores
13.6
Transistores MOS
Además de los transistores JFET, están los FET de puerta aislada, que son conocifigura 13.8 se muestra su dos por transistores MOSFET, o simplemente MOS. En la simbología; se trata de un MOS de canal N. Sus terminales se llaman igual que en los JFET, y su función básica es la misma. La diferencia está en que el terminal de control graduador (G) se encuentra aislado del material semiconductor por medio de un aislante (óxido de silicio); su función de ejercer campo eléctrico de control sobre la corriente de salida (drenador-surtdor) se realiza a través de una pequeña capacidad. Drenador
D Graduador
Figura 13.8. Simbología de un transistor MOS de canal N. Estos transistores son los que normalmente se encuentran en los circ uitos integrados.
Canal N
G
S Surdor
Los transistores MOS, son los normalmente u tlizados en la fabricación de circuitos integrados, debido a que resultan más fácilmente integrables que los bipolares, ocupan menos superficie del sustrato (materia base donde se fabrica el circuito integrado). Son los normalmente utlizados para la fabricación de circuitos integrados digitales de alta escala de integración, como memorias RAM, microprocesadores (CPU), microcontroladores PIC, etc. También existen transistores MOS de potencia, que se utlizan en las etapas de potencia de equipos de sonido, fuentes de alimentación, control de motores, etc. Un ejemplo de MOSFET comercial bastante popular es el BUZ71 cuyo encapsulado es TO-220 ( figura 13.9). Soporta una intensidad de drenador máxima de 17 A, aunque su tensión es más bien baja ( VDS = 50 V).
BUZ71 D G Figura 13.9.
S G
Aspecto práctico de un transistor MOS de potencia.
13.7
D
S
Transist or UJT
Por últmo, hay que decir que aún existe otro tpo de transistor más; un tpo especial que se llama UJT (UniJuncton Transistor). Es un tpo de transistor especial cuyas aplicaciones son muy limitadas; se centran en la industria, como generador de impulsos, picamente para el control de otros componentes semiconductores que se llaman Tiristores. O sea, que la función básica que realiza el UJT no es amplificar; sino generar impulsos. En la figura 13.10 se muestra su simbología y el aspecto de un modelo comercial. Su nombre proviene de su construcción; se fabrica en base a una sola unión semiconductora, por lo cual se conoce por transistor de una sola unión, y de ahí viene lo de unijuncton (UJT).
227
Unidad 13 · Introducción a los transistores
Base 2 (B2)
Figura 13.10. Simbología y aspec to prác tico de un transistor UJT comercial (2N2646). Es un tipo especial de transistor; su aplicación se centra en la industria, como generador de impulsos.
Emisor (E) Base 1 (B1) Aunque, como se ha presentado en esta visión general sobre transistores, existen varios tpos de transistores, de todos ellos el que resulta imprescindible estudiar con cierta profundidad, es el bipolar; es de aplicación básica y general. Los JFET es conveniente conocer, ya que también se encuentran en ciertas aplicaciones. Y los MOS básicos, hay que saber que son los transistores que normalmente se utlizan en la fabricación de CI, y rara vez se encuentran como componente suelto. Los MOS de potencia si son utlizados bastante en ciertas aplicaciones de potencia (regulación y control de motores, etapas de potencia de sonido, fuentes de alimentación, etc.), y por ello resulta conveniente también estudiarlos.
Actividades propuestas 1. Representar la simbología con sus nombres de terminales de un transistor FET. 2. ¿Qué significan las siglas FET? 3. Explica diferencias entre un transistor NPN y un FET. 4. Además de los transistores BJT y FET, ¿qué otros dos transistores se han explicado? Indicar su simbología y característcas básicas.
Resumen sobre simbología de transistores Transistores bipolares BJT ( ):
Colector
Colector
C Base
C NPN
B
Base
PNP
B
E
E
Emisor
Emisor
Transistores de efecto de campo de unión JFET): (
Drenador (D)
Graduador
Canal N
Surdor (S)
228
Drenador (D)
Graduador
Canal P
Surdor (S)
Unidad 13 · Introducción a los transistores
Transistores de efecto de campo de puerta aislada MOS ( ):
Enriquecido (enhancement) Drenador
Drenador
D Graduador
G
Canal N
D Graduador
G
S Surdor
Canal P
S Surdor
Empobrecido (depleon) D
G
D
G
S
S
TransistorUJT (UniJuncton Transistor ):
Base 2
Emisor (E) Base 1 (B1)
Encapsulados de transistores normalmente utilizados
229
Unidad 13 · Introducción a los transistores
Actividadesfinales 1. ¿El circuito de encendido de la lámpara de iluminación de un comedor se puede considerar electrónica? 2. ¿Cuántos terminales (patllas) tenen los transistores? 3. Cuál es la f unción básica que realiza un transistor BJT. ¿Qué significa BJT? 4. La etapa de potencia de un equipo de sonido, alimentada con la red eléctrica (230 V), ¿dónde se puede incluir en electricidad o electrónica?
5. Explicar la función ampli ficación y poner 3 ejemplos prác tcos donde aparezca. 6. Conceptualmente, ¿qué es un circuito integrado? Dibujar la simbología de un transistor bipolar NPN y de un MOS canal N, con el nombre de sus patllas.
7. 8. De todos los transistores, ¿cuál es el que se utliza más en la fabricación de circuitos integrados? ¿Por qué? 9. Indicar dos modelos comerciales de transistores bipolares y dibujar sus tpos encapsulados. 10. Explicar la cualidad partcular que tenen los transistores de efecto de campo en general (JFET y MOS), qué los caracteriza y diferencia de los bipolares.
11. ¿Qué función básica realiza un transistor UJT? Dibujar su símbolo. 12. De todos los transistores que se han presentado, ¿cuál de ellos es el que resulta imprescindible estudiar con cierta profundidad, dado su campo general de aplicaciones? Dibujar su simbología con sus nombres de patllas.
13. Hacer un resumen sobre los diferentes tpos de transistores estudiados en cuanto a: • Simbología • Característcas básicas diferenciales • Tipo de aplicaciones
230
Unidad 14El
transistor bipolar Principios y aplicaciones
Objetivos: • • • • • •
C onoc er la constitución física y funcionamiento básic o del transistor bipolar (BJ T). Saber las utilidades principales del transistor, en espec ial en los equipos de consumo (Radio, TV, amplific ad ores de sonido, etc.). C onoc er su ap lic ac ión en c onmutac ión y en modo lineal. C omprobar el transistor mediante el polímetro. C onoc er los estados de polarizac ión. Analizar, razonar, c ircuitos prác ticos senc illos.
En este capítulo: 14.1 Introducc ión al transistor bipolar (BJ T). 14.2 El transistor NPN. 14.3 Funcionamiento resumido del transistor. 14.4 El transistor PNP. 14.5 Ejemplo de aplic ac iones del transistor. 14.6 C omprobac iones del transistor con el polímetro. 14.7 Ap licac ión prác tic a del transistor.
14.8 14.9
El c irc uito amplifica dor lineal bá sico. Intensidades y tensiones en el transistor. 14.10 El transistor operando en conmutación. 14.11 C irc uitos prácticos con transistores. 14.12 Estudio del transistor en amplificación lineal.
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Recuerda
• • •
Transistor BC 547
14.1
Introducc ión al transistor bipolar (BJ T)
En el capítulo anterior se ha hecho una introducción general a los transistores, donde se han presentado la mayoría de transistores que setulizan en electrónica general. Y de todos lostpos de transistores que se han presentado sólo en los BJT resulta imprescindible su estudio con una cierta profundidad, por ser de aplicación general; con toda seguridad, en todas las aplicaciones electrónicas se encuentran los transistores BJT, pero no en todas se encuentran transistores FET y menos aún los tnuación el estudio del transistor bipolar; el BJT. MOS o UJT. Por ello, iniciamos a con Los transistores son componentes semiconductores que tenen 3 terminales (pa tllas), que se denominan emisor ( E), colector (C) y base (B). Cada una de las pa tllas están conectadas internamente a un bloque de material semiconductor, que puede ser de tpo N o P, como después se verá. El transistor fue descubierto, o inventado, en 1948 por John Bardeen, Walter H. Braain y William Shockley (Premio Nobel de Física en 1956). La función que realiza el transistor es básicamente amplificar; una pequeña corriente de entrada permite el control de una corriente de salida mucho mayor.
Aparecen dos tpos de transistores bipolares: los NPN y los PNP, cuya simbología se muestra en la figura 14.1. Como se puede ver, la simbología entre el NPN y PNP sólo varía en el sentdo de la flecha del emisor. A efectos práctcos, los dos realizan la misma función, pero las polaridades de las tensiones para su funcionamiento son diferentes. Normalmente, el más u tlizado es el NPN, pero se utlizan los dos tpos según la aplicación. Nuestro estudio inicial lo centraremos en el transistor NPN, lo cual es válido también para el PNP. Colector
Colector
C
C
Base
Base B
Figura 14.1. Simbología del transistor bipolar (BJT), en sus dos tipos (NPN y PNP). Es el componente fundamental de la elec trónica; su función bá sica e s amplificar.
NPN
E
Emisor
14.2
B
PNP
E
Emisor
El transistor NPN
La consttución fsica del transistor bipolar NPN (el más usual de todos) se basa en dos zonas de material tpo N separadas por una zona de material tpo P (fig. 14.2). La zona de material N del colector es la más gruesa de las tres y la base es la más fina. • La zona del emisor es la más dopada de las tres, o sea, la más rica en portadores de carga mayoritarios (electrones). El nombre de emisor es debido a que es de donde parte, se emite, la fuente de electrones que da lugar a la corriente de salida del transistor (ICE). • La zona de la base es la menos dopada y más fina de las tres, y es la que permite el control de la corriente de salida. • La zona del colector está medianamente dopada y es las más gruesa, es donde se recibe la corriente del emisor ( IE), y donde se disipa más potencia. Se le llama colector, debido a que es donde se “recolectan” los electrones que han partdo del emisor. 232
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Esta construcción fsica determina al transistor bipolar (BJT), el tpo de transistor de aplicación más general; por ello, es normal referirse a ellos por simplemente transistor.
Recuerda
• • •
La tensión típica base−emisor es de unos 0,7 V.
14.3
Funcionamiento resumido del transistor
Como se observa en la formación fsica del transistor NPN ( fig. 14.2), entre la base y el emisor aparece la con figuración de un diodo; es una unión P-N. O sea, entre las patllas base y emisor, tendremos un comportamiento eléctrico como un diodo normal. Si se polariza directamente, aplicando una tensión positva en la base con respecto al emisor, aparecerá una caída directa pica de unos 0,7 V y circulará una pequeña corriente (corriente de base, IB). Colector (C)
N
Base (B)
Transistor NPN
Transistor BC 547
Colector
P
Base
N
Emisor
C
B
E
Emisor (E) Figura 14.2. C onstitución física del transistor bipolar (tipo NPN).
Recuerda
• • •
Modelo c omercial de transis tor NPN (BC547), donde se muestra la correspondencia de sus patillas con el símbolo esquemático .
Dicha corriente de base (IB) hará que por el emisor se emita un flujo electrónico (IE) que se dirigirá, en principio, hacia la base; pero debido a que el espesor de la base es muy fino y poco dopado (tene pocos huecos, pocas posibilidades para que se recombinen electrones), sólo unos pocos electrones del emisor se pueden recombinar con los huecos de la base; la mayoría de electrones que salen del emisor atraviesan la base y entran en la zona del colector, dando lugar a la corriente de colector (IC). Este funcionamiento se representa en la figura 14.3. Este efecto “transistor” se produce porque el espesor de la base es muy fino y poco dopado (tene pocos huecos), y además porque la tensión posi tva del colector es bastante más alta que la tensión en la base ( VB); por ello, los electrones, entre que tenen pocas posibilidades de recombinarse con los huecos de la base y se encuentran un potencial posi tvo más alto en el colector, prefieren atravesar la fina zona de la base y dirigirse hacia el positvo del colector. Este efecto, inesperado, es elefecto “ del transistor ”; lo que en 1948 descubrieron John Bardeen, Walter H. Braain y William Shockley. La corriente de base es muy pequeña y controla una corriente mucho mayor, que circula entre colector y emisor. La corriente de base se comporta como un mando de control que casi no requiere esfuerzo, y que permite accionar un dispositvo pesado. Un símil, puede ser un servo freno; con una pequeña fuerza ejercida en el pedal de freno, se realiza una gran fuerza de frenado (y de forma proporcional a la acción del pedal de freno).
233
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
+ VC Debido a que: La tensión en colector (+ VC) es bastante mayor que la de la base (+ VB) La base es muy fina y poco dopada. El emisor está muy dopado.
Colector > 99 % N
+ VB
Base
Base
<1%
P N
La mayoría de electrones salen del emisor prefierenque irse al colector (sólo unos pocos se recombinan en la base); una pequeña corriente (de base) controla a una corriente mucho mayor (colector-emisor).
100 % Emisor
- VE Figura 14.3. Representación simplificada del “efec to transistor” (amplificación).
Hay que tener muy en cuenta que las variaciones de corriente aplicadas en la base (IB) determinan unas corrientes de colector −emisor (ICE) mucho mayores; pero que son fiel reflejo a la corriente de base. O sea, la forma de onda y frecuencia de la corriente de base es obtenida en el colector con una amplitud mucho mayor; esto es un efecto de amplificación. Por eso, si aplicamos una débil señal eléctrica de entrada procedente de un micrófono, de una antena, de una pas tlla de guitarra, etc., a la base de un transistor, se obtene una señal de salida igual a la de entrada (forma de onda y frecuencia) pero de mayor amplitud: se logra una amplificación de la señal de entrada.
14.4
El transistor PNP Colector (C)
Transistor PNP
P C
Figura 14.4. C onstitución física del transistor bipolar tipo PNP. Las polaridades de las zonas semiconductoras están intercambiadas con respecto al NPN y eso d a lugar a que las polaridade s de las tensiones de alimentación también ca mbien; pero funcionalmente son igual que los NPN.
Base (B)
B
N
E
P
Emisor (E) En el transistor PNP, las polaridades de las zonas de material semiconductor están intercambiadas; el emisor y colector son de tpo P, y la base detpo N. Por ello, los portadores de carga mayoritarios, los que emite el emisor, son huecos en vez de electrones; esto hace que las corrientes y tensiones en el transistor PNP sean opues-
234
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Recuerda
• • •
tas a las del NPN. En el símbolo del transistor PNP, la flecha del emisor también está en sentdo contrario al del NPN. En la figura 14.4 se representa la cons ttución fsica y símbolo de un transistor PNP. Un ejemplo de modelo comercial muy utlizado, es el BC 557, que es el equivalente en PNP al también muy utlizado BC547 (NPN).
BC 557 (PNP)
14.5
Ejemplo de aplicaciones del transistor
Gracias al efecto de amplificación del transistor, además de su aplicación en amplificadores de sonido, en radio y TV, telefonía, etc., permite realizar otras muy diversas aplicaciones tanto en equipos de consumo como industriales (generadores de señal, regulación y control, circuitos de alarma, PDA, ordenadores, etc.). Una muestra de ejemplo de aplicaciones se muestra a con tnuación.
EBC
14.5.1 Ampli fic ador de sonido La aplicación pica, que ya es obvia, es el amplificador de sonido, tanto como equipo de música como de instrumentos musicales (guitarra, bajo, de voces) lo cual se representa en la figura 14.5. Señal eléctrica de salida
Señal eléctrica de entrada Amplificador
Sonido Sonido
Micrófono
Figura 14.5. Representac ión de un equipo de sonido (megafonía); el amplifica dor se basa en transistores.
Altavoz
14.5.2 Equipos de radio-TV En los equipos de radio y TV, y en telecomunicaciones en general, su aplicación también resulta imprescindible, sea como componente suelto o en forma de circuitos integrados (fig. 14.6.). En este caso, debe amplificar señales de radiofrecuencia, muy débiles (del orden de V), procedentes de una antena, y también las señales de audio para que se pueda escuchar el sonido por el altavoz. En un aparato de TV, también aparecería la amplificación de señales de vídeo (señales de imagen) para que se puedan actvar las pantallas de imagen. 14.5.3 Contr ol industrial Una aplicación bastante diferente se representa en la figura 14.7; en este caso, se trata del control de cargas de cierta potencia, como el control del motor de un ascensor, alimentado con la red eléctrica. La conexión y desconexión del motor se realiza mediante un componente electromecánico que se llama contactor (un tpo de relé de potencia) que al ac tvarse (24 V) mueve unos contactos y hace que el motor reciba la tensión de la red eléctrica. Pero para eso se necesita de unos circuitos de control que, cuando son electrónicos, se basan en circuitos digitales; pero a su vez, sus circuitos están realizados en base a los transistores. También, de una forma sencilla, mediante una muy pequeña corriente de control aplicada a un transistor (al actvar un pulsador), gracias al efecto amplificador, se podría actvar un pequeño relé y sus contactos actvar al contactor de potencia; el motor se pondría en marcha con la simple pulsación de un pequeño interruptor o pulsador, por el cual podría circular una corriente de menos de 1 mA. 235
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Ondas electromagnécas
La antena convierte las ondas electromagnécas en señales eléctricas
(Alimentación) +V
Señal eléctrica de salida
Aparato(ydeotros radio Amplificación pos de circuitos) Altavoz
Señal eléctrica de entrada (µV)
Figura 14.6. Representación simplificada de un equipo radio; gracias a la ampli fica ción de los transistores se consigue que las señales débiles que proporciona la a ntena se c onviertan e n sonido.
Sonido
L1 Red eléctrica trifásica (380 V) L2 L3 Fusibles Sistema de control
24 V A 1
Contactor A2 - Transistores - Circuitos integrados - Autómata programable Figura 14.7. Mediante circuitos integrados (y otros dispositi vos semiconduc tores) cuya realización se basa en los transistores, se obtienen sistemas de control en la industria.
Motor Señales de entrada:
Pulsadores, finales de carrera, detectores de proximidad, etc. Para que se tenga una idea más real de cómo es un circuito práctco real (sencillo) de aplicación del transistor, en la figura 14.8 se muestra el esquema de una etapa amplificadora para señales de audio (sonido). Se ha realizado con un transistor BC547 y proporciona una amplificación de 10; esto signi fica que a la salida se tene una señal 10 veces mayor que la de entrada. Se puede experimentar su funcionamiento muy fácilmente con el programa Multsim. La utlidad de este tpo de circuito es como preamplificador para equipos de sonido.
236
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
VCC 12 V R1 5,1 k R2 100 k Entrada C1
Q1
150 nF Figura 14.8. Ejemplo d e e squema práctico d e aplicac ión
0V
C2
Salida
150 nF
BC547C R3 10 k
R4 510
0V
transistor; una fica dora de etapa adel mpli gananc ia 10, utilizad a en equipos de sonido.
Como ejemplo, y para ver la diferencia, en la figura 14.9 se muestra el mismo circuito realizado con un transistor PNP. La diferencia, como se puede ver, únicamente es que se alimenta con tensión negatva en vez de posi tva. VCC -12 V (Se alimenta con tensión negava) R1 5,1 k C2
R2 100 k Entrada
Q1
C1
Salida
150 nF
BC557A Transistor PNP 150 nF R3 10 k
0V
R4 510 0V
Figura 14.9. Ejemplo d e c ircuito prác tic o c on transistor PNP. Etapa amplifica dora de ganancia 10.
14.6
Comprobac iones del transistor con el polímetro
Debido a que el transistor se compone de dos uniones P-N, una entre el emisor y la base y otra entre la base y el colector, esta da lugar a una estructura que forma dos diodos en serie en contraposición, como se representa en la figura 14.10.
237
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Colector (C)
N Figura 14.10.
Base (B)
Las dos uniones que forman el transistor forman dos diodos en contraposición. En este c irc uito de diodos no se produce el efecto transistor; pero nos vale c omo p rinc ipio básico y tiene utilidad pa ra saber comprobar el transistor mediante el polímetro.
P N
Emisor (E) Pero debe quedar muy claro que dos diodos montados así no forman un transistor, debido a que los espesores y niveles de dopado de las zonas N y P no son como tenen que ser. Pero esta similitud de circuito nos sirve para comprender las tensiones y corrientes que se pueden dar entre las patllas y sobre todo para saber comprobar los transistores con el polímetro. En la figura 14.11 se muestra la con figuración de los diodos para los dos tpos de transistores, el NPN y el PNP. Colector C Base B
NPN E Emisor
Figura 14.11. En estas configuraciones de los diodos que forma la constitución del transistor nos basamos para su comprobac ión mediante un po límetro (poniendo en prueba de diodos y también se puede hacer poniéndolo en Ω).
Colector C Base B
PNP E Emisor
Así pues, como el transistor tene dos uniones que forman diodos (una entre el colector y base, la otra entre el emisor y la base), dichas uniones se pueden polarizar de forma directa o inversa. Pues basándonos en esto podemos comprobar si un transistor está estropeado mediante un polímetro; realizamos las pruebas como si el transistor se tratara de dos diodos.
14.6.1
Verific ac ión de las unionesc olector-base y emisor-base
Si el transistor es NPN, tocando con la punta roja (+) del polímetro en la patlla base y con la punta negra (−) en el emisor o colector; en el display del polímetro tene que aparecer un valor alrededor de 0,65 (650 mV), que es la caída directa de la unión (figura 14.12). Obviamente, si apareciera un valor cero o de alta resistencia es porque la unión está cortocircuitada o abierta; en cualquier caso, el transistor estaría averiado. Después se repite la prueba invir tendo las puntas de prueba (punta negra en la base) para verificar que las uniones no conducen en polarización inversa; si el resultado de la prueba anterior ha sido normal, el resultado que aparezca en el display del polímetro tene que ser de circuito abierto, como si las puntas estuvieran sin tocar nada (“al aire”). Si no es así, pueden haber fugas en polarización inversa y el transistor estar mal. 238
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones En el caso de un transistor PNP, es todo igual; salvo que las polaridades de las puntas de prueba son al revés. Con esta prueba se veri fica que las uniones base colector y base emisor no están abiertas o en cortocircuito; o sea, que el transistor no está mal de forma contundente. Hay que tener en cuenta que se pueden dar fugas anormales (“pequeñas corrientes”) en las uniones en polarización inversa y pueden no detectarse, o no darnos cuenta. En el display pueden aparecer los valores de conducción (caída directa) y no conducción.
ON/OFF
A
V
A
V
mA
COM
V
Cable negro (-) Cable rojo (+) Figura 14.12. Representac ión de la prueba del transistor mediante el polímetro en p rueba de diodos. Se b asa en p roba r las uniones base−emisor y base −co lector co mo si fueran diodos y después verificar entre las patillas colector y emisor.
BC 547
Unión base colector polarizada de forma directa; en el display aparece la tensión pica de caída directa (0,65 V).
14.6.2 Veri ficación entre colector y emisor Como segundo paso de la prueba, comprobamos que entre las pa tllas colector y emisor no conduzca nada; y lo hacemos en las dos polaridades de las puntas de prueba. En el display tene que salir el símbolo de no conducción, el equivalente a que las puntas estuvieran al aire, sin tocar nada. Y hay que tener en cuenta cuando se hace la prueba, que si tocamos con un dedo en la pa tlla base, puede aparecer una pequeña conducción colector emisor que puede interpretarse como de fugas, avería; cuando lo único que ocurre es que a través del dedo con que se toca en la patlla base, le aplicamos a la base una pequeña corriente y esto hace que aparezca, por el efecto de amplificación, una corriente colector−emisor (ICE). Este efecto se da cuando las puntas de prueba quedan con el positvo en el colector y el negatvo en el emisor (si es un NPN); de esta manera, el transistor queda polarizado para poder amplificar la corriente de base. Esta es un prueba muy utlizada que nos puede asegurar, al menos, que el transistor está mal, o sea, que alguna unión este cortocircuitada o abierta; pero no tendríamos una seguridad total de que el transistor esté bien del todo, porque podría tener fugas. 239
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Las fugas (corrientes bajas en polarización inversa), en según qué aplicaciones, pueden hacer que el circuito vaya mal. Podemos saber si hay fugas poniendo el polímetro en , en la escala de alta sensibilidad (x1000 o más), y esto nos podría detectar posibles fugas entre colector y emisor; idealmente, la resistencia entre colector−emisor debería ser infinita, en la práctca muy grande (casi indetectable); si aparece una resistencia sospechosamente baja, el transistor puede tener fugas y es mejor susttuirlo por otro. En cualquier caso, al menos con el polímetro en prueba de diodos, sí podemos asegurarnos sí el transistor está averiado. Mediante este tpo de pruebas, además de poder saber si el transistor está averiado, también es posible deducir cuáles son las pa tllas colector, emisor y base, y si se trata de un transistor NPN o PNP. Actualmente, la mayoría de mul metros tenen comprobador de transistores; llevan un zócalo especial para la inserción de los transistores. Poniendo el conmutador de selección de funciones del mulmetro para esta función se obtene en el display el valor de ganancia (β) del transistor; o sea, fácilmente se puede deducir su estado. Es una opción más fácil para la comprobación de transistores. Ahora, como primera experiencia de comprobaciones del transistor, se propone la siguiente actvidad práctca.
Actividades pr ácticas Comprobación de transistores con el polímetro Los transistores a comprobar se muestran en lafig. 14.13; un NPN y un PNP. Comprobaciones del NPN (BC 547): Se trata de comprobar el estado de di-
cho transistor mediante el polímetro en prueba de diodos. Se realizarán las medidas ya explicadas y se apuntará en el recuadro de la hoja de actvidades práctcas (figura 14.14) donde pone display los valores que aparezcan en la pantalla del polímetro en cada medida. Comprobaciones de un PNP (BC 557): Basándonos en la actvidad explica-
da para el transistor NPN (BC 547) realizar las mismas pruebas con un transistor tpo PNP; el BC 557, cuyo patllaje es el mismo que el del BC 547. Colector
Transistor ransistor BC BC547 547
C Base B
NPN E Emisor
Colector
BC C 557 (PNP) ( P
C Base B Figura 14.13. Transistores pa ra comprobac iones con el multímetro.
240
EBC
PNP E Emisor
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Actividades prácticas C omprobac ión del transis torBJ T tipo NPN Transistor BC 547
Polímetro en prueba de diodos
C omprobación base−emisor
C omprobac ión c olec tor−emisor
1. Polarización directa
Punta roja (+) en la base
Punta roja (+) en colector
Punta negra (−) en el emisor
Punta negra (−) en el emisor
Display polímetro (Poner lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)
Display polímetro (Poner lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)
2. Polarización inversa
Punta negra (−) en la base
Punta negra (−) en colector
Punta roja (+) en el emisor
Punta roja (+) en el emisor
Display polímetro (Apuntar lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)
Display polímetro (Apuntar lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)
Observaciones: • Explicar, razonar los resultados obtenidos • ¿En qué estado se encuentra el transistor? ¿Por qué? (Bien, averiado, fugas)
Figura 14.14. C omprobac iones del transistor con el polímetro (e n prueba de diodos).
241
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
14.7
Aplicación práctica del transistor
14.7.1 Polarización del transistor Polarizar el transistor es aplicarle unas determinadas tensiones y corrientes adecuadas al tpo de aplicación que se le vaya a dar. De una forma general y sencilla, en un NPN, se necesita aplicar una tensión positva entre colector y emisor, y una corriente en la patlla base (que permitrá el control de la corriente de colector −emisor). Hay que saber que una tensión aplicada entre los terminales colector−emisor, si a la base no se aplica corriente, no da lugar a corriente colector−emisor (porque entre colector−emisor es como dos diodos en contrasentdo (figura 14.15). En general, se necesita polarizar de forma directa la unión base −emisor, para que circule una cierta corriente de base (que normalmente es muy pequeña, A o mA); y ésta es la corriente de entrada que dará lugar a una corriente entre colector−emisor (la corriente de salida), que procederá de la fuente de alimentación (VCC). + VCC + VCC
+ VCC
C
I =0
I =0 C
N B
B
P
E
N E
Figura 14.15. Si no se aplica corriente de base, no existe circulación de co rriente entre co lector y emisor; el transis tor se dice que está en co rte (o bloqueado).
14.7.2
El circuito fundamental: Montaje en emisor común
La aplicación más común, la más conocida, se llama montaje en emisor común . En la figura 14.16 se muestra un circuito práctco de ejemplo, basado en un transistor NPN, que nos sirve para su estudio. Aparecen dos fuentes de tensión; una ( VCC) que se aplica entre el circuito de colector y emisor, y otra (VBB) para polarizar la unión base−emisor de forma directa (y que pueda así circular una determinada corriente de base). Como más adelante se verá, la polarización se puede realizar también con una sola fuente de tensión (VCC) y mediante resistencias aplicar la corriente de base. Este primer circuito de polarización, por cues tones tradicionales, se hace así; pero más adelante se polarizará mediante una sola fuente de alimentación. Puesto que entre base −emisor, internamente, es como un diodo (unión P-N), al aplicar tensión positva entre la base y emisor puede circular una cierta corriente (corriente de base, IB), y aparece entre base y emisor una tensión de unos 0,7 V (la pica caída directa de un diodo). Para que la corriente de base sea la adecuada, se limita ésta con una resistencia ( RB). Es muy importante saber que el terminal base siempre se conectará a través de una resistencia. La intensidad que circulará, la intensidad de base, será pues:
242
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Ejemplo Si VBB = 12 V y RB = 22 k, la intensidad de base será:
IE = IB
RC VCC
RB
VBB
IB
0,7 V
IE = IB + IC
Figura 14.16. C irc uito de polarizac ión básica del transistor.
Hay que tener en cuenta que la unión base −emisor se comporta como un diodo de muy pequeña potencia; o sea, cuando se polariza de forma directa aparece una tensión pica de unos 0,7 V y la corriente será normalmente muy baja (entre A y pocos mA). Esto es así en general en los transistores de baja potencia, por ejemplo, el transistor BC 547. En transistores de mayor potencia, la corriente de base puede ser mayor, pero las consideraciones son las mismas.
14.7.3 Factor de ampli ficación del transistor β) ( Como ya se debe saber, el efecto transistor consiste en que una pequeña corriente de base da lugar a una corriente de colector que puede ser mucho mayor; se produce un efecto de ampli ficación. Básicamente, dependiendo del tpo de transistor, este factor puede ser mayor o menor y se representa por el símbolo β. Dicho factor de ganancia se expresa por la relación entre la corriente de colector y la corriente de base:
Esta expresión se puede considerar como la primera fórmula fundamental en el ficación, la ganancia de corriente del transistor, la que representa el factor de ampli transistor.
243
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Ejemplo Si un transistor tene β = 200 y se aplica una corriente de base de IB = 0,1 mA, la corriente de colector que podría circular es:
Esto significa que el transistor ha producido una ampli ficación de 200; la intensidad de salida ( IC) es 200 veces mayor que la intensidad de entrada (IB).
Sobre este factor se tene que hacer un matz; aparece el factor β en contnua y el factor β en alterna(para pequeñas señales variables). La β en contnua, que también se puede representar por hFE (así lo ponen los fabricantes) se refiere a valores fijos, o sea, en contnua; nos da el valor de ganancia de corriente para valores constantes de corriente de base. En cambio, la β en alterna, o para pequeñas señales variables, que se representa por hfe, se refiere a la ganancia de corriente considerando pequeñas señales variables. O sea, es la relación entre una variación de la corriente de colector y la variación de la corriente de base que da lugar a ello. Esto se expresa así:
Ejemplo Supongamos que al circuito anterior (fig. 14.16), se aplica (debidamente) la señal de un micrófono a la base; las variaciones sonoras harán que el micrófono genere una pequeña señal eléctrica variable (mV), que hará que varíe algo la corriente de base del transistor. Si la corriente de base varía entre 0,01 y 0,02 mA, y ello da lugar a unas variaciones de corriente de colector entre 1 y 2 mA, la ganancia de corriente será de:
En este caso, se ha producido una ampli ficación de 100 de la corriente de entrada; o sea, la señal de salida (variaciones de corriente de colector de 1 mA) es 100 veces mayor que la señal de entrada (variaciones de la corriente de base de 0,01 mA). Las variaciones de la corriente de colector ( ∆IC) harán que la tensión de colector (∆VC) también varíe de forma proporcional; lo cual hará que aparezca una tensión de salida entre colector y emisor, que es la señal de salida amplificada, correspondiente a la señal de entrada (la del micrófono, en este caso). Esta señal de salida, tensión variable entre colector y emisor, se puede expresar por:
14.8
El circuito ampli ficador lineal básico
En la figura 14.17 se muestra este circuito, que representa el principio de una etapa amplificadora lineal; amplifica señales variables como, por ejemplo, la de un micrófono.
244
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
+ VCC
Señal de entrada
iC = iB RC νCE VCE
RB
IB
VBE ≅ 0,7 V
Señal de salida: νCE = VCC – iCRL
VBB
0V Figura 14.17. Principio del circuito de una etapa a mplific ado ra lineal. La señal de entrad a p roduc e pequeñas variaciones en la c orriente d e b ase que, por el efecto de amplificación del transistor, dan lugar a variaciones mucho mayores en la c orriente d e c olector y a la vez en la tensión de colector (señal de salida).
En general, cuando se trata de señales variables, éstas se representan por letras minúsculas; por ello, en este caso, las señales de colector (tensión o corriente) se han puesto como vC e iC. Esto se hace para diferenciar las corrientes o tensiones fijas de polarización (que se representan por mayúsculas) de las señales que se procesan. En la base del transistor se encuentra una tensión fija de polarización proporcionada por la fuente de tensión VBB a través de la resistencia RB; esta tensión de polarización se representa por VBE y es de unos 0,7 V. Y en el colector también se encuentra una tensión fija de polarización, que cuando el transistor tene que operar de forma lineal (como es este caso) debe hacerse que sea la mitad de la tensión de alimentación:
Pues estas tensiones de polarización se ven afectas por la señal de entrada. La tensión fija de base de unos 0.7 V, al aplicar la señal de entrada, se ve afectada por las variaciones de ésta (unos pocos mV); y estas pequeñas variaciones aparecen en el colector con una amplitud mucho mayor (amplificada). Este mismo circuito, de una forma más completa, se corresponde con el circuito de ejemplo que se mostró en la figura 14.8, realizado en base a un transistor NPN tpo BC 547.
14.9
Intensidades y tensiones en el transistor
La intensidad que se considera de salida es la de colector (aunque hay aplicaciones donde la corriente de salida es la de emisor) que, según el sen tdo convencional de la corriente, circulará de colector a emisor (transistor NPN, polaridad posi tva en el colector). La pequeña corriente de base hará que, de alguna manera, entre colector y emisor la resistencia se reduzca y la tensión VCC (aplicada entre el circuito colector y emisor) pueda dar lugar a una determinada magnitud de corriente. Dependiendo del factor β y la magnitud de la corriente de base (dentro del margen determinado) la intensidad de colector podrá ser menor o mayor (siempre que el circuito de carga, RC en este ejemplo, y la VCC lo permita).
245
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Es muy importante saber que las variaciones de corriente aplicadas en la base se manifiestan de forma amplificada en la corriente de colector. Por el terminal emisor circula la corriente de base y también la de colector; podemos ver este terminal como un nudo donde concurren estas dos corrientes. Por eso, aparece otra fórmula fundamental en el transistor que es:
Ejemplo Si la corriente de base es de IB = 0,1 mA y la de colector de IC = 200 mA, la corriente de emisor es:
Como se deduce fácilmente, la intensidad de colector y emisor son casi del mismo valor, y esto es así cuanto mayor sea el factor β. Por ello, en la prác tca se puede llegar a considerar que IC ≅ IE. Pero hay que tener en cuenta que esto tene un error mayor cuanto más pequeño sea β. En transistores de baja ganancia (como ocurre en según qué transistores de cierta potencia) hay que considerar siempre la IB.
14.9.1
El transistor polarizado Efecto de ampli ficación
Teniendo en cuenta el circuito prác tco de polarización, o sea, las corrientes de base y de colector, en lafigura 14.18 se representa de forma más detallada el efecto de amplificación del transistor. RC
IC
C Corriente electrónica
> 99 % N
RB
B
<1%
Unión colector-base: Polarización inversa. VBC > VBE
VCC
P Unión base-emisor: Polarización directa. VBE = 0,7 V
IB
100 % VBB
E IE = IB + IC
Figura 14.18. Transistor NPN polarizad o en su zona ac tiva, en e l cual se representa el efec to de amplificación.
246
Al polarizarse el transistor en su zona actva, la mayoría de electrones que salen del emisor son captados por el colector (más de 99 %) y sólo unos pocos electrones (menos del 1 %) se pueden recombinar en la base. La intensidad de base es muy pequeña, pero controla un flujo grande de electrones que cons ttuye la intensidad de colector; cualquier variación en la corriente de base se transmite a la corriente de colector (si el transistor está polarizado en su forma actva).
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Este efecto de amplificación, “efecto transistor”, sólo aparece si la fabricación de las uniones de los materiales semiconductores (N y P) es como tenen que ser: • La zona de la base tene que ser muy fina en (comparación con las otras) y con bajo nivel de dopado, para que los electrones que salen del emisor tengan pocas posibilidades de que se puedan recombinar con los huecos de la base. • La zona del emisor tene que estar fuertemente dopada para que disponga de muchos portadores de carga (electrones), es la fuente emisora de la corriente (por eso se llama emisor). • El colector tene que tener un espesor algo mayor que el emisor, y estar medianamente dopado; en el colector es donde se recoge la mayoría de electrones que salen del emisor, es donde se “recolecta” la corriente de salida. Para tener una idea de los tamaños de los materiales de las zonas de material semiconductor del transistor, la anchura de la base puede ser de unos 0,025 mm y entre colector y emisor puede haber unos 3,5 mm. Debido a que la mayoría de electrones que salen del emisor llegan al colector, la corriente de colector es casi igual a la corriente de emisor. En la práctca, se puede considerar que IC = IE . Pero en el emisor concurren la corriente de base y de colector, y de ahí aparece la expresión: El sentdo de las corrientes en los terminales del transistor se considera en sentdo convencional, o sea, de positvo a negatvo (que es el contrario al sen tdo de circulación de los electrones).
14.9.2 Polarización activa. Ampli ficación lineal Como resumen sobre la polarización y aplicación práctca del transistor BJT como amplificador lineal (también se denomina polarizado en su zona ac tva) tenemos: • Unión base colector ⇒ Polarización inversa • Unión base emisor ⇒ Polarización directa En el caso del transistor NPN, las tensiones de base y colector son posi tvas con respecto al emisor, siendo la tensión en el colector bastante mayor que la de la base (figura 14.19). Se tene que cumplir que:
En el caso del transistor PNP, las polaridades son contrarias; en el emisor se encuentra el positvo, y la base y el colector son de polaridad negatva. + VCC IC VCB >> VBE
VCE = VCB + VBE
+ VB IB VBE ≈ 0,7
Figura 14.19. Representac ión g eneral de la polarización en el transistor NPN (para que ope re en su zona ac tiva, amplifica dor lineal).
IE –V
247
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
14.10
El transistor operando en conmutación
Cuando el transistor se hace funcionar en conmutación, el transistor puede tomar dos estados de polarización, que se llaman: • Corte(o bloqueo) • Saturación En la figura 14.20 se muestra un circuito básico general que trabaja en conmutación, cuyo objetvo es comprender el comportamiento del transistor cuando se u tliza de esta manera, lo cual es muy importante porque su aplicación es fundamental; así es como opera el transistor en los circuitos digitales. Por ejemplo, en los circuitos integrados microprocesadores, que pueden haber millones de transistores (MOS) en el chip, sus circuitos operan en conmutación. De esta forma se tratan fsicamente los dígitos binarios, los bits; como niveles de tensión definidos, que se llaman niveles lógicos. Existe un estado lógico que se llama nivel alto (high), que se representa por un 1, y fsicamente es una tensión picamente de 5 V. El otro estado lógico se llama nivel bajo ( low), que se representa por 0, y fsicamente se corresponde con el potencial de masa (0 V). Pues una señal, una línea, que pueda tomar estos dos estados (0 y 1) da lugar a un bit, que es la mínima expresión de un dígito binario. + VCC
RC R
IC ≅
VCC RCC
VCE = VCC
Corte
B
Salida VCE = VCC – IC RC
IB
Saturación VCE ≈ 0 V
Señal de Mando: Abierto ⇒ saturación Cerrado ⇒ corte
0V Figura 14.20. Ejemplo d e c ircuito bá sico general que trab aja en modo co nmutación. De esta manera, operan los transistores en los sistemas digitales.
14.10.1 Estado de corte El transistor se encuentra en estado de corte, también llamado de bloqueo, cuando no circula corriente de colector, debido a que la base no está polarizada ( IB = 0). En dicho estado, en las aplicaciones práctcas, en el colector se mide una tensión muy próxima a la tensión de alimentación ( VCC); ya que al no circular corriente de colector tampoco se produce caída de tensión en la resistencia RC. En el circuito de la figura 14.20, el estado de corte se da cuando el interruptor de mando está cerrado; entonces, la base se encuentra conectada a masa (0 V) y esto hace que no exista corriente de base, por lo cual VBE = 0 y IBE = 0. Y por ello, tampoco circulará corriente de colector ( IC = 0) y en consecuencia la tensión de salida (VCE) resulta igual a la tensión de alimentación, ya que en la resistencia R no se produce C caída de tensión. Esto se puede expresar así:
248
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones En funcionamiento normal esto es así; pero, por averías (unión interna del colector cortada, por ejemplo) puede ser que no exista corriente de colector y que sí exista corriente de base. Esta avería se deduce fácilmente mediante el polímetro; basta medir la tensión entre base y emisor ( VBE). Si VBE es de unos 0,7 V y no hay corriente de colector, está claro que hay alguna avería; puede ser que el transistor esté averiado, o también un fallo en la tensión de alimentación o en la RL.
14.10.2 Estado de saturación Se dice que el transistor está en estado de saturación, cuando la intensidad de colector es máxima; no aumenta más aunque se aumente la intensidad de base. El estado de saturación se da en el circuito de la figura 14.20 cuando el interruptor de mando está abierto; entonces, a través de la resistencia RB puede circular una corriente de base tal que la corriente de colector sea la máxima (según la resistencia RC y VCC). En dicho estado, la tensión entre colector y emisor es muy baja (próxima a
0 V). Esto, se puede expresar de la manera:
En este estado, como se deduce, aunque se aumente la corriente de base, la intensidad de colector no puede aumentar más (para que aumentara, se tendría que aumentar la tensión VCC o disminuir el valor de RC). Para asegurarse de que un transistor queda saturado en la prác tca, se toma una corriente de base que sea superior a la necesaria teórica (según la β del transistor):
Ejemplo Si los datos son VCC = 5 V, RC = 1k y la ganancia del transistor β = 150, la intensidad de base necesaria (teórica) que saturaría al transistor es 33 A:
Pero para asegurarse de la saturación, como el factor β puede variar hasta en transistores del mismo tpo y fabricados en el mismo momento (además de por la temperatura y otras cosas), se tomaría una corriente de base unas 10 veces mayor; o sea, una corriente de base de IB(sat) = 0,00033 = 330 A. El valor de la resistencia de base ( RB) debería ser por tanto de:
que se podría poner del valor normalizado de 12 k. Otra cosa que hay que saber es que en estado de saturación la unión colector base también queda polarizada de forma directa; ya que al ser VCE = 0 la base también resulta positva con respecto al colector. En resumen, cuando el transistor trabaja en aplicaciones de conmutación se comporta como un interruptor electrónico; conduce al máximo (saturación ⇒ interruptor cerrado) o está en corte (no conduce nada ⇒ interruptor abierto).
14.11
Circuitos prácticos con transistores
A contnuación se explican algunas aplicaciones práctcas del transistor operando en modo de conmutación.
249
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Recuerda
• • •
La tensión típica en un LED es de unos 2 V, y su corriente de unos 10 mA.
14.11.1 Control de encendido de un LED El circuito más sencillo de todos para empezar a u tlizar práctcamente el transistor es el que se muestra en la figura 14.21. Se trata de un circuito mediante el cual se puede encender y apagar un LED mediante un pulsador o interruptor. Como resulta obvio, para hacer esto no hace falta utlizar un transistor, pero esto nos vale para empezar a manejar el transistor y hacer medidas de tensiones y corrientes. El LED se tene que encender cuando el elemento de control se ac tve; con el interruptor abierto, el transistor recibe corriente en la base a través de la resistencia RB , cuyo valor se obtene por:
+ VCC = 5 V 330
RB
10 k
RC
LED (rojo)
BC 547
BC 547 Figura 14.21. Ejemplo de circuito d onde el transistor trabaja en c onmutac ión. Se a ctiva un LED mediante una pe queña c orriente de c ontrol. Es un circuito muy utilizado para visualizar estados de entradas y salidas.
Control
Abierto ⇒ LED encendido Cerrado ⇒ LED apagado
C B E
0V La pequeña señal de control (menos de 0,5 mA) hará que el transistor conduzca con una corriente de colector que, en el supuesto de que la ganancia ( β) de transistor fuera de 100, daría lugar a una corriente de colector de: Esto significa que por el colector y el LED podría llegar a circular una intensidad máxima de 43 mA; pero para eso, la resistencia o tensión de alimentación deberían ser de los valores adecuados. Con los valores del circuito, la intensidad que circulará por el colector y por lo tanto también a través del LED será de:
Se considera que la tensión en el LED es de unos 2 V (que es un valor pico en los LED rojo o verde) y que la tensión entre colector y emisor es VCE ≈ 0 V (porque el transistor está saturado). Al cerrarse el interruptor, la base queda conectada a masa y por tanto no puede haber corriente de base ya que VBE = 0 V; en consecuencia, tampoco habrá corriente de colector, el LED estará apagado y la tensión entre colector y emisor será la de VCC. Sobre esto, hay que tener en cuenta que si medimos con el polímetro la tensión entre colector y emisor cuando el transistor está en dicho estado (corte, IC = 0), se puede medir una tensión que puede ser más baja que la de V ; esto es porque a CC través del polímetro circulará una pequeña corriente que provocará una cierta caída de tensión en la resistencia RC. O sea, se tendría: Pero, en teoría y a efectos práctcos, en estado de corte: VCE = VCC. 250
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Actividades propuestas Suponiendo que en el circuito (fig. 14.21) la tensión de alimentación se aumenta a VCC = 10 V, calcular los nuevos valores de RB y RC para que los valores de las intensidades sean las mismas, o sea:
Actividades prácticas C irc uito de activación de un E LD Se trata de montar, experimentar el funcionamiento y hacer medidas e n el circuito figura de la14.21. I n t e rru pt o r d e m a n do a bi e rt o
Hacer las mediciones siguientes:
I n t e r r u p t o r d e m a n d o c e r ra d o
Hacer las mediciones siguientes:
VBE =
IB =
VBE =
IRB =
IC =
IE =
IC =
IE =
VCE =
VLED =
VCE =
VLED =
¿De qué valor es la tensión en la resistencia RC? Calcular y medir.
¿De qué valor se deduce que deberá ser la tensión en la resistencia RC? ¿Y la corriente de base?
VRC =
¿En qué estado se encuentra ¿Por qué? el transistor?
R a z on arre s u l t ad os :
14.11.2
¿En qué estado se encuentra ¿Por qué? el transistor?
R az o n a rre s u l t a do s :
Control de un relé para activar una carga en alterna
Otro circuito similar al anterior, o sea, donde el transistor funciona en conmutación es el mostrado en la figura 14.22. En este caso, se trata de actvar un pequeño relé, mediante el cual se podría ac tvar directamente una carga alimentada por la red eléctrica, que podría ser una bombilla, motor, etc. Si el montaje se realiza en el aula, por cuestones práctcas y sobre todo de seguridad, se sugiere que la carga sea una lamparita de 12 V; de esta manera se consiguen los mismos resultados didác tcos que siV)lay evitamos carga fuera un pequeño motor o bombilla conectada a la red eléctrica (230 utlizar la red eléctrica.
251
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
+ 12 V Diodo de protección (f.c.e.m del relé).
Motor Relé
1N4004 Red eléctrica (230 V)
Control IC = 50 mA RB
Corriente de mando
IB ≈ 0,5 mA
Fusible BC 547
22 k 100 k
IE = 50,5 mA
Masa (0 V) Figura 14.22. Mediante un pequeño interruptor de mando c on una débil corriente, gracias al efecto a mpli ficador, se puede poner en marcha, por ejemplo, un motor alimentado con la red eléctrica.
Se puede utlizar el relé de marca Finder (tpo 40.32) que es de 12 V con doble circuito de conmutación. Según medidas (por el autor), aplicándole 12 V la intensidad que circula por la bobina es de unos 50 mA, por lo cual se puede utlizar para su control un transistor BC 547 (que permite una corriente máxima de colector de 100 mA). Siempre que se actva un relé mediante un transistor es aconsejable o necesario poner un diodo en paralelo con la bobina del relé, en el sen tdo que se muestra en el circuito (fig. 14.22). Dicho diodo es para eliminar al pico rápido de tensión (f.c.e.m.) que genera toda bobina cuando se interrumpe el paso de la corriente, cuyo valor puede llegar a ser bastante 100Mediante V); esto ocurrirá en el (que circuito cuando el transistor pase al estado de elevado corte ( IC(> = 0). dicho diodo puede ser un 1N4004), se evita por tanto que aparezca una tensión demasiado alta en el colector que podría dañar al transistor. Cuando el interruptor de control se encuentre abierto, no habrá corriente de base porque la base se encontrará a potencial de masa (0 V) a través de la resistencia de 100 K. El valor de esta resistencia no es crí tco, podría ponerse de un valor entre unos 47 K y 270 K; ya que no circulará corriente a través de ella, su misión es no dejar “al aire”, sin conectar, la base del transistor. Si la base de un transistor se deja sin conectar, al aire, puede existr una cierta corriente (residual, de fugas) de colector, debido a cuestones internas del transistor y por “efecto antena” (las señales eléctricas ambientales podrían ser captadas por la base). Así pues, con el interruptor abierto no circulará corriente de colector y por lo tanto el relé no se actvará, sus contactos estarán abiertos y la carga estará sin alimentar. Al cerrar el interruptor de control, circulará una pequeña corriente que polarizará de forma directa la base y ello hará que el transistor entre en el estado de saturación; circulará corriente de colector y también a través de la bobina del relé. De esta manera, el relé se actvará, se cerraran sus contactos y la carga se alimentará. En el caso de que la carga fuera alimentada mediante la red eléctrica, se debe poner un interruptor y un fusible de protección. (Si el montaje se realiza en el aula y la carga es una simple lamparita de 12 V, esto no es necesario). Cuando la base reciba corriente (interruptor cerrado) su tensión será de unos 0,7 V; por tanto, por la resistencia R1 circulará una corriente de:
252
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
A efectos práctcos, la corriente en esta resistencia (cuya misión es evitar que la base del transistor quede al aire y quede a potencial de masa) se puede despreciar. La corriente que circulará a través de la resistencia RB, que es práctcamente la corriente de base, será de:
De una forma más exacta, si consideramos que 7 A se derivan a través de la resistencia R1, la corriente de base es de 506 A. La corriente de base, basta que la ganancia del transistor sea de 100 (que en la práctca es bastante mayor), para que dé lugar a una corriente de colector de: Y esta será la corriente que circulará a través de la bobina del relé, cuando el transistor conduzca. De hecho, la ganancia de un transistor tpo BC 547, y de la mayoría, es bastante mayor de 100 (puede ser perfectamente de 300); pero por cuestones de simplicidad y seguridad de que el transistor quede saturado, se suele tomar β = 100.
Actividades prácticas C irc uito de c ontrol con relé Se trata de montar el circuito defila gura 14.23 para experimentar su funcionamiento y hacer medidas de tensiones y corrientes.
+ 12 V R3
Relé 1N4004 D1
Control
R1
LED1
LED2
BC 547A 10 k 100 k
Verde
Rojo
R2
0V Figura 14.23. C ircuito de co ntrol mediante relé para su estudio prác tico .
Como se puede ver, el circuito está basado en el de la figura 14.22. En este caso, por cues tones didáctcas, la cargacorriente son dos diodos uno verde otro rojo. en En estado estado de de corte reposo de control altno recibir de baseLED; el transistor seyencuentra y (interruptor en consecuencia el reléabierto), no está ac vado; en dicho estado, el circuito conmutador que acciona el relé debe alimentar el LED verde.
253
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Actividades pr ácticas Cuando se actve (se cierre) el interruptor de control, el transistor recibirá corriente de base y éste pasará al estado de saturación con lo cual el relé se actvará y cambiará de posición el circuito conmutador; el LED verde se apagará y se encenderá el LED rojo. Así pues, mediante la actvación del interruptor de control, se encenderá un LED y se apagará el otro; sólo uno de ellos podrá estar encendido.
Medidas arealizar C o n e l i n t e r r u p t o r d e c o n t ro l a b i e r t o
Hacer las mediciones siguientes y anotar el valor obtenido:
C o n e l i n t e r r u p t o r d e c o n t ro l c e r ra d o
Hacer las mediciones siguientes y anotar el valor obtenido:
VBE =
IB =
VBE =
IB =
IC =
VCE =
IC =
VCE =
VLED1 =
VLED2 =
VLED1 =
VLED2 =
VRelé =
IR3 =
VRelé =
IR3 =
¿En qué estado se encuentra el transistor? ¿Por qué?
¿En qué estado se encuentra el transistor? ¿Por qué?
Preguntas: • ¿Qué función realiza el diodo D1? • ¿Por qué se utliza una sola resistencia (R3) para los dos diodos LED (rojo y verde)? • Calcular la intensidad que podrá circular por la base del transistor (IB) y la que circulará por los diodos LED. Comparar el resultado con los valores medidos.
14.11.3
Amplificador para emitir señales acústicas. Circuito Darlington
El circuito de la figura 14.24 resulta muy ú tl para emitr señales acústcas mediante señales binarias, que son las generadas por circuitos que operan en conmutación, por ejemplo los sistemas digitales. Es la forma más sencilla de emi tr sonidos, con una cierta potencia sonora. Sonidos de este tpo los emiten el altavoz interno del ordenador, relojes, algunas alarmas, etc. Este simple circuito amplificador, como es obvio, opera en conmutación. Se u tlizan dos transistores formando un montaje que se llama circuito Darlington, con el cual se consigue una muy alta ganancia de corriente. 14.11.3.1 El circ uit o Darlington El circuito Darlington es un montaje que se realiza con dos (o más) transistores, de manera que la corriente de emisor del transistor de entrada consttuye la corriente
de base del transistor de salida. Los dos transistores se comportan como si fuera un
254
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones solo transistor pero con una ganancia de corriente que equivale al producto de la ganancia de los dos; o sea:
Se obtene así el equivalente a un solo transistor de muy alta ganancia, o sea, muy sensible. VCC = + 5 V
Altavoz Sonido
Z=8Ω T1
BC 547 10 K VI
BD 137 T2
5V
BD 137 BC 547
0V
E C B
Señal binaria (f ≈ 1000 Hz) C B 0V Figura 14.24. Med iante un c ircuito llamado circuito Darlington, se ac tiva un p equeño altavoz mediante una señal binaria. Así se p ueden produc ir señales ac ústica s con una c ierta po tencia sonora.
Ejemplo Si los dos transistores tuvieran una ganancia de 100, la ganancia resultante del circuito sería: Es un valor enormemente grande, de manera que mediante una señal muy débil se podría actvar algún dispositvo de cierta potencia. Por ejemplo, con el simple tacto de la entrada con el dedo (tocando entre la entrada y el positvo de la tensión de alimentación a la vez) se podría hacer la ac tvación de elemento de salida (LED, relé, etc.). El funcionamiento del circuito Darlington se resume así: La pequeña corriente de base del transistor de entrada (T1) hace que circule una corriente mayor por su colector −emisor (ICE1); y esta corriente cons ttuye la corriente de base del transistor de salida ( T2); el transistor de salida, el que controla la carga, recibe por tanto una corriente de entrada que ya ha sido ampli ficada por el otro transistor. Así, en el circuito de la figura 14.24, cuando la señal de entrada se encuentra en el estado alto, cuyo nivel de tensión es de unos 5 V, el transistor T2 entra en estado de saturación y a través de la carga, que es un pequeño altavoz de Z = 8 Ω, circulará una intensidad que podrá ser de unos:
255
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Recuerda
• • •
C ircuito Darlington
Obviamente, se considera que la tensión VCE del transistor en estado de saturación es cero (VCE = 0). En la práctca, es de un valor muy bajo, por eso se considera cero. Por otra parte, en los altavoces, el valor de la impedancia nominal ( Z) no significa que la resistencia del hilo (de la bobina móvil) sea exactamente del valor de Z, ya que la impedancia es la suma vectorial de la resistencia del hilo y de la reactancia de la bobina, es decir:
Pero a efectos práctcos, podemos considerar el valor de Z como si fuera una resistencia, ya que el valor de la resistencia del hilo ( R) es mucho mayor que la reactancia (XL). La intensidad de entrada, la de corriente de base de T1, será:
Como la corriente de entrada se encuentra dos uniones base −emisor en serie, en la fórmula debemos poner 2 VBE, lo cual da una valor de unos 2 × 0,7 = 1,4 V. En el supuesto de que las ganancias de los transistores fueran sólo de 100 (que pueden ser bastante mayores), la intensidad que podría circular por el transistor de salida (T2), y a la vez por el altavoz, sería de: El transistor de salida ( T2), como se puede deducir, debe ser adecuado para soportar la corriente máxima de salida. En el circuito en cuestón, el BD 137 soporta una corriente máxima de colector de 1 A. Pero otros tpos de transistores permiten corrientes de salida de más de 10 A. Así pues, con este montaje y la pequeña corriente de entrada se asegura que el transistor de salida se sature con seguridad y la carga (altavoz) reciba su corriente máxima. Puesto que la corriente de entrada es de sólo 0,00036 A y la corriente de salida es de 0,625 A, se podría decir que mediante los dos transistores se ob tene una ganancia, amplificación, de corriente de:
Cuando la señal de entrada se encuentre en el estado bajo, 0 V, como se comprende fácilmente la tensión base−emisor y la corriente de base serán cero ( VBE = 0 , IB = 0); por lo cual no existrá corriente de colector, los transistores estarán en estado de corte y no circulará corriente por el altavoz. El sonido se produce cuando la frecuencia de la señal de entrada está dentro del margen audible, que es 20 Hz a 20.000 Hz. El altavoz es un tpo de motor eléctrico; produce vibración del cono (diafragma), fuerza mecánica, al recibir corriente eléctrica variable. Las variaciones de corriente que recibe (en una pequeña bobina móvil), debido a un efecto magnétco, hacen que el cono se desplace hacia dentro y hacia fuera, lo cual mueve el aire y hace que se produzca sonido. Las ondas sonoras son vibraciones de las moléculas del aire, cuya vibración se propaga de una molécula a otra; y cuando dichas vibraciones las recibimos en el oído, sentmos una sensación que llamamos sonido. 14.11.3.2
Transistor Darlington
El circuito Darlington se encuentra también montado en un mismo encapsulado, como si fuera un solo transistor (de muy alta ganancia). Un ejemplo es el BDX53C, que es un montaje Darlington tpo NPN (figura 14.25). Puede soportar una corriente máxima de colector de 8 A y una tensión de 100 V, y su ganancia de corriente (hFE) es de 750 (y más). Está también en versión PNP (BDX54).
256
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
C
B
B
Figura 14.25. Transistor Darlington (NPN). Un modelo c omercial es el BDX53.
C
E
E
14.12
Estudio del transistor en amplific ac ión lineal
De forma resumida, el transistor trabaja en su zona actva, o lineal, cuando: • La unión colector−base se polariza de forma inversa • La unión base−emisor se polariza de forma directa • La tensión entre colector y emisor (VCE) es de alrededor de la mitad de la tensión de alimentación (VCC) En este estado de polarización, el transistor puede operar como amplificador lineal; las pequeñas variaciones de tensión de la señal de entrada (de un micrófono, por ejemplo) hacen que varíe la corriente de base del transistor, y dichas variaciones se transfieren al colector con una amplitud que puede ser mucho mayor. Esto es debido al factor de amplificación del transistor; las muy pequeñas variaciones de corriente de base se manifiestan en la corriente de colector multplicadas por el factor β. Y las variaciones de la corriente de colector, a su vez, dan lugar a variaciones de la tensión de colector; esto es la tensión (señal) de salida. La ganancia total de señal del circuito depende de algunos valores de los componentes, pero en general tendremos:
14.12.1
Circuito ampli ficador elemental Etapa en emisor común
Un ejemplo de circuito prác tco donde el transistor opera en su zona ac tva, o sea, de forma lineal, se muestra en la figura 14.26. Se trata de una etapa amplificadora de señales como la de un micrófono, guitarra eléctrica, etc. Para que funcione como ampli ficador lineal, dentro de una máxima linealidad, sin señal aplicada, la tensión entre colector y emisor debe ser la mitad de la tensión de alimentación (VCC).
Este montaje práctco se ha diseñado para que cumpla esto. Con fines didáctcos, a contnuación hacemos un estudio sencillo y práctco de dicho circuito. Partendo de la medida de tensión en la resistencia de emisor ( R ) se pueden hallar E muchos datos y deducir razonamientos sobre el funcionamiento del circuito. El análisis práctco de los circuitos, y más en el comienzo del estudio de los circuitos a transistores, lo ideal es hacerlo montando el circuito en una placa protoboard o de topos (soldando los componentes). Pero también es posible realizarlo mediante el programa Multsim, que es como, en este caso, se ha hecho. 257
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Como actvidad práctca, se recomienda hacer esto de las dos maneras; montaje real de los componentes y simulación mediante el programa Mul tsim.
14.12.2 Tensión de emisor La medida de la tensión en la resistencia de emisor ( RE) ha dado: 14.12.3 Intensidad de emisor y colector Conociendo la tensión en el emisor, por simple aplicación de la ley de Ohm, hallamos la corriente de emisor:
Y de aquí se deduce la corriente de colector: IC ≈ IE = 0,92 A.
14.12.4
Tensión en la resistencia de colector
Y puesto que la corriente de colector es muy aproximadamente igual a la corriente de emisor, hallamos que la tensión en la resistencia de colector será:
Lo cual era un resultado a esperar, ya que la resistencia RC = 5k1 es 10 veces mayor que la resistencia RE = 510 ; por eso, la tensión en la resistencia RC resulta también 10 veces mayor que la tensión en la resistencia RE. VCC = 12 V
R1 100 k
RC 5k1 C2
10 VPP
C1
1 VPP
Señal de entrada (VEnt)
BC547
R2 10 k
RE 510
Señal de salida (VSal )
0V
Figura 14.26. Circuito que opera de forma lineal; el transistor está polarizad o e n su zona a c tiva. Es una etapa amplificadora de gananc ia 10.
14.12.5 Ganancia de señal del circuito Los valores de RC y RE se tomaron de esta manera en el diseño para que la ganancia del circuito fuera de 10; ya que la ganancia de un circuito como este viene dada por la relación entre la resistencia de colector y la resistencia de emisor:
De esta manera, se consigue una ampli ficación de 10; lo cual signi fica que la señal de salida será unas 10 veces mayor que la señal de entrada:
258
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Ejemplo Si la señal de entrada tene una amplitud de 1 VPP, la señal de salida tendrá una amplitud de 10
VPP :
14.12.6 Tensión entre colector y emisor Conociendo las tensiones en la resistencia de emisor ( RE) y la de colector (RC) deducimos la tensión entre colector y emisor: Un valor que está muy de acuerdo a como debe ser; aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación ( VCC = 12 V).
14.12.7 Tensión y corriente de base Ahora deducimos la tensión en la base del transistor (VB). Puesto que sabemos que entre base y emisor la tensión debe ser de unos 0,7 V y la tensión en la resistencia de emisor (RE) es de 0,47 V; la tensión en la base deberá ser de: El valor de la corriente de base ( IB) se puede hallar conociendo la β del transistor (para esa corriente de colector, IC = 0,92 mA) o bien mediante cálculos más avanzados (que no son necesarios en la práctca). A efectos práctcos, lo que nos interesa saber es que el punto de trabajo del transistor es correcto, está bien polarizado y funciona bien. Pero como referencia, según los datos que proporciona Mul tsim sobre el transistor BC 547C, su β podría estar entre unos 420 y 800 (es un transistor de alta ganancia). Según esto, considerando un valor promedio de β = 600, la corriente de base sería:
Hay que tener en cuenta que el transistor BC547C es el que tene mayor ganancia de la serie BC547. Por ejemplo, está también el BC 547A que (según el fabricante) la β puede estar entre unos 120 y 450 (para IC = 2 mA). Y medidas hechas en clase han dado valores de β = 290. O sea, el BC 547C tene una ganancia mucho mayor que el BC 547A. Cuando se hacen montajes práctcos sencillos con el BC 547, que es el transistor NPN más popular de los de baja potencia, se toma el que se disponga; los resultados serán práctcamente los mismos. El circuito que se encarga de polarizar la base del transistor, o sea, hacer que circule la corriente de polarización fija (IB), son las resistencias R1 y R2, que forman un divisor resistvo. La corriente que debe circular por dichas resistencias tene que ser al menos unas 10 veces mayor que la corriente de base (por cues tones de estabilidad de la polarización). En este montaje (sin tener en cuenta la IB, por lo pequeña que es) la corriente por dichas resistencias es:
Que es mucho mayor que la corriente de base; de esta manera, aunque varíe la IB (debido a diferentes valor de β, etc.), el valor de la corriente que circula por el divisor resistvo práctcamente no variará; con lo cual se mantendrá la misma tensión en la base y las característcas generales de polarización del circuito variarán muy poco.
259
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Así pues, como se ha mostrado, partendo de la medida de la tensión en la resistencia de emisor (RE), aplicando conceptos lógicos básicos, hemos deducido fácilmente muchos datos del circuito, así como conceptos básicos sobre funcionamiento del circuito. Pues de esta sencilla manera se pueden analizar, estudiar muchos circuitos de electrónica; todo es cuestón de aplicar conceptos básicos y lógica de funcionamiento.
ización 14.12.8 Medidas de lapolar En las figuras 14.27 y 14.28 se muestra el circuito con las tensiones y corrientes de polarización; resultados obtenidos mediante el programa Multsim. El transistor es el BC547C, que tene una β muy alta (puede llegar a 800).
Figura 14.27. Tensiones de po larizac ión del c ircuito ob tenida s mediante el programa Multisim. El transistor (BC 547C ) está polarizad o e n su zona ac tiva.
Figura 14.28. Corrientes de polarización del c ircuito ob tenida s mediante el programa Multisim.
Para ver la diferencia utlizando un transistor de menos ganancia, en las figuras 14.29 β es alrededor de y 14.30 muestra el mismoComo circuito con BC547A la mitadse que la del BC547C). se realizado observa en la el medida de(su los instrumentos, las diferencias son mínimas con respecto al circuito realizado con el BC547C. Hay que tener en cuenta que, puesto que los transistores pueden tener notables variaciones de la β aun siendo del mismo tpo, los circuitos se diseñan para que su polarización
260
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones sea estable aunque varíen característcas como la β; de eso se encarga el divisor resistvo (R1 y R2) y la resistencia de emisor (RE). Aparece un efecto que se llama “realimentación negatva”, que es lo que proporciona la estabilidad en la polarización y, además, mejora las característcas de respuesta de señal.
Figura 14.29. Tensiones de p olarizac ión del c irc uito ob tenidas mediante el programa Multisim. En este c aso, a nivel c ompa rativo, se ha utilizado el transistor BC 547A, cuya ga nanc ia es ba stante más baja que la de l BC547C .
Figura 14.30. Corrientes de polarización del circuito con el transistor BC547A.
is y medidas con señal 14.12.9 Anális Para finalizar el estudio de esta etapa ampli ficadora, que es un circuito fundamental en electrónica, en la figura 14.31 se muestra su aplicación como ampli ficador, que es su utlidad. Se le aplica la señal de un generador (que simula la señal real de entrada, que podría ser la de un micrófono) y mediante el osciloscopio se observa la señal de salida. Como es de esperar, puesto que la ganancia de señal del circuito es de 10, la señal de salida es unas 10 veces mayor que la señal de entrada.
261
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
XSC1
OSCILOSCOPIO
VCC 12 V R1 5.1 k
Señal de entrada (Vp = 0,5 V) V1
Figura 14.31. Montaje d el circuito para estudiar su función amplificadora. Aplicando una señal de entrada de 0,5 V P (500 mV) se obtiene una señal de salida de 10 veces mayor (5 V PP ).
500 mV 1 kHz 0 Deg
C2
R2 100 k C1
Señal de salida (Vp = 5 V)
470 nF Q1
470 nF
BC547C R3 10 k
R4 510
El resultado que mostraría el osciloscopio se representa en la figura 14.32; aparecen la señal de entrada y la de salida.
f = 1000 Hz Señal de salida (≈ 5 V) Figura 14.32. Representación de las señales de entrada y salida (osciloscopio). Obsérvese también que las señales están en c ontrafase; cuand o la señal de entrada está en el pico positivo, la señal de salida está en el pico negativo.
Señal de entrada (0,5 V)
Actividades propuestas Aplicando el mismo proceso de estudio y análisis explicado anteriormente, hallar los valores del siguiente circuito que se muestra en la figura 14.33. En este caso, se trata de un circuito más sencillo. Como dato de partda, se tene la tensión entre colector y emisor ( VCE), cuyo valor (medido con el programa Multsim) es de unos 5,4 V. Calcular:
• La intensidad de colector (IC) • La tensión en la resistencia de colector (VRC) • La intensidad de base (IB) ¿De qué valor se deduce que es la ganancia de corriente del transistor (β)? ¿En qué estado se encuentra el transistor; polarización actva, saturación, corte?
262
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Actividades propuestas
Figura 14.33. C irc uito pa ra c alcular. Es una etapa a mpli fica dora muy simple (para su estudio).
Actividades prácticas Cálculo, montaje y medidas de la polarización de un circuito Objetvos:
Hacer el cálculo del circuito, después montarlo y hacer las medidas que se indican en la tabla; comparar los resultados calculados con los medidos.
Valores
VCE
Calculados
X
VRC
VE
VB
VBE
IE
IC
IR1
IR2
IB
X
Medidos
263
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Actividades pr ácticas Formulas básicas que se pueden utilizar
Preguntas ¿Según las medidas, de qué valor es el factor delβtransistor ¿De qué valor es la ganancia de señal,
? ?
Si se aplicara una señal de entrada de f = 1kHz de 1 VPP, ¿de qué valor sería la señal de salida?
Actividadesfinales 1. Dibujar, representar, la estructura semiconductora (uniones N y P) y la simbología del transistor NPN y PNP.
2. De una forma resumida, explicar el efecto de amplificación de corriente del transistor. ¿De qué manera se expresa matemátcamente ?
3. Si al circuito de la figura X.7 se le aplicara una señal de entrada de 0,5 VPP de f = 1000 Hz, ¿de qué valor sería la señal de salida? Montar el circuito (o simular mediante el programa Multsim) y verificar los resultados.
4. Dibujar las polaridades picas de las tensiones en las pa tllas de un transistor NPN y un PNP (polarización en zona actva).
5. Si a un transistor se le aplica una variación de corriente de base de 0,001 A y ello da lugar a una variación de corriente de colector de 20 mA, ¿de qué valor es el factor β del transistor?
6. ¿Qué representan los símbolos β, hFE y hfe? ¿Son equivalentes? 7. Si la corriente de colector de un transistor es de 200 mA y el factor β = 290, ¿de qué valor será la corriente de emisor?
8. En el caso de tener que amplificar las señales de un micrófono, ¿cómo debe trabajar el transistor, en conmutación o en la zona ac tva?
9. Para que un transistor se encuentre polarizado en su zona ac tva, ¿cómo tenen que estar polarizadas las uniones base−emisor y base−colector?
10. Dado el siguiente circuito, deducir o calcular las tensiones y corrientes cuando el LED se encuentre encendido y cuando se encuentre apagado:
264
Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones
Actividadesfinales
Preguntas • ¿Cómo trabaja este circuito, en su forma actva o en conmutación? • ¿Funcionaría correctamente el circuito si la resistencia RB fuera de 10 kΩ? ¿Y si fuera de 100 kΩ? Razonar las respuestas. • Si la tensión de alimentación fuera de 5 V, ¿de qué valor debería ser la resistencia RC para que la intensidad del LED sea la misma? • Montar el circuito (o simular mediante el programa Multsim) y comprobar todos los resultados. Valores
VBE
VCE
VRC
IB
IC
Calculados Medidos
265
Unidad 15Características
del transistor Circuitos prácticos
Objetivos: • • • •
C onoc er las c aracterísticas bá sicas de los transistores. Familiarizarse c on la documentación técnica de los fabricantes (datasheet ). Montar c irc uitos pa ra hallar experimentalmente datosc arac terístic os del transistor. Sab er comprobar el estad o, hallar la β y d educir el tipo de transistor mediante el polímetro.
En este capítulo: 15.1 Introducción. 15.2 Datos c aracterísticos de los tra nsistores (BJT). 15.3 C urvas c aracterísticas y circuitos de experimentac ión.
15.4 15.5
El fac tor de amplificación α. C omprobac iones del transistor mediante la función transistómetro del tester.
Unidad 15 · Caracterís
Recuerda
• • •
El transistor trabaja en su zona activa (lineal cuando): • La unión colector − base se polariza de forma inversa • La unión ba se − emisor se polariza de forma directa
15.1
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
Introducción
Al igual que los diodos y otros componentes semiconductores, en los transistores tcos que también se tenen que conocer e interpretar correctamente datos caracterís los fabricantes proporcionan en sus databook. Por ejemplo, el transistor BC 547 (según datos del fabricante Motorola)tene como característcas práctcas destacables: Tensión (máxima) entre colector y emisor de 45 V, intensidad (máxima) de colector de 100 mA y su β está entre 120 y 450. Pues estos datos el fabricante los representa (aproximadamente) así:
Transist or BC 547
• La tensión entre colector y emisor V(C E) es de alrededor de la mitad de la tensión de alimentación (V C C ).
Valores máximos Característc a
(Collector-Emier Voltaje) Tensión colector–emisor
(Collector-Current-Con tnuous) Intensidad de colector
(DC Current Gain) Ganancia de corrienteβ()
Sí m b ol o
BC 547
Unida d
VCEO
45
V
IC
100
mA
hFE
Mínimo: 120 Máximo: 450 (VCE = 5 V IC = 2 mA)
Así pues, es necesario conocer e interpretar los datos de los transistores, lo que los fabricantes denominan datasheet (hojas de datos). Aunque la información que proporcionan suele ser bastante extensa y puede resultar complicada de entender, si todos esos datos se reducen a lo mínimo, los que normalmente se u tlizan en la práctca (algo parecido a la tabla anterior), entonces esto se simpli fica mucho.
15.2
Datos d e los tcaracterísticos ransistores (BJT) En los transistores bipolares, los BJT, los datos característcos los podemos resumir a los siguientes, que son los normalmente u tlizados en la práctca: • Tensión colector–emisor (VCE ) • Intensidad colector (IC ) • Ganancia de corriente (β) • Potencia disipada Pero hay otros más, que aunque no son fundamentales, también pueden resultar interesante conocer. Esto depende deltpo de aplicación; no es lo mismo un simple circuito para encender un LED intermitente para la alarma de un coche que un amplificador de señales de un equipo de electro medicina. O sea, según el tpo de aplicación puede ser necesario tener más o menos en cuenta ciertas característcas técnicas.
15.2.1 Tensión colector–emisor (VCE) La tensión entre colector y emisor que el transistor puede soportar, el fabricante lo expresa por VCEO. Este valor se proporciona teniendo en cuenta que la pa tlla base está sin conectar (al aire), que es la condición donde la VCE resulta más baja. Si la patlla base se une al emisor (VBE = 0), puede soportar una VCE algo mayor. Esto es debido a que cuando la base está sin conectar aparece una corriente residual, de fugas, muy pequeña que se expresa por ICEO, que hace que la tensión máxima VCE sea más pequeña que si la base está unida al emisor.
267
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos Y también aparece la expresión BVCEO, que es la tensión colector–emisor a partr de la cual se puede producir la ruptura ( Breakdown) en la unión, o sea, se puede estropear el transistor. Este dato se proporciona para una cierta corriente de colector.
Ejemplo Transist or BC 547 Tensión colector-emisor máxima: VCEO = 45 V Tensión colector-emisor de ruptura: BVCEO = 65 V (para IC = 1 mA)
Relatvo también a la tensión colector-emisor, aparece VCE(sat); es la tensión colector– er Saturaton Voltaje). emisor cuando el transistor saturado ( Collector-Emi Este dato se da para una ciertaestá corriente de colector (y de base).
Ejemplo Transist or BC 547 Para IC = 10 mA ( IB = 0,5 mA) ⇒ VCE(sat): 0,09 a 0,25 V Para IC = 100 mA ( IB = 5 mA) ⇒ VCE(sat): 0,2 a 0,6 V
15.2.2 Intensidad de colector IC ) ( Existe un valor máximo de intensidad de colector, a partr del cual si se supera puede averiarse el transistor. En el popular transistor BC 547, la corriente máxima de colector de forma contnua (Collector-Current-Contnuous) que puede soportar es IC (máx.) = 100 mA. Y se da la variante de la corriente máxima de pico (Peak), intensidad máxima en un instante determinado, que en el BC 547 es ICM = 200 mA.
15.2.3 Ganancia de c orriente (β) La ganancia de corriente en con tnua (DC Current Gain), el fabricante lo expresa por hFE , y su valor lo da para unas ciertas condiciones de trabajo. En el BC 547A, para IC = 2 mA y VCE = 5 V, el valor hFE puede variar entre 120 (mínimo) y 450 (máximo). Un valor (medido en las clases práctcas) está alrededor de 300.
Ejemplo Transist or BC 548C DC Current Gain(ganancia de corriente en contnua, β)
(para IC = 2 mA, VCE = 5 V): hFE (mínimo) = 420 hFE (pico) = 520 hFE (máximo) = 800
15.2.4
Potencia disipada PD)(
Estedada datopor se larefitensión ere a laentre máxima potencia que puede el transistor, que viene colector y emisor y por lasoportar intensidad de colector:
268
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
Lo proporciona el fabricante para una determinada temperatura ambiente, que es TA = 25 °C. Y también se relacionan otros datos como la temperatura de la unión, resistencia térmica, etc. Estos datos son más bien interesantes de cara a los transistores de una cierta potencia, como por ejemplo, el popular 2N3055. En el transistor de baja potencia BC 547, el fabricante indica una potencia máxima (Total Device Dissipaton) de: PD = 625 mW.
Ejemplo Si en el transistor BC 547 la corriente de colector es IC = 0,05 A y la tensión colector emisor es de VCE = 10 V, la potencia disipada será: Está dentro del margen permisible; no llega a 0,625 W = 625 mW.
15.2.5 Otros datos característicos Además de los datos anteriores, que son los que resultan imprescindible conocer, hay otros como:
V C BO( ) Tensión colector–base Se refiere a la tensión (inversa) máxima permisible que puede soportar la unión colector–base; es similar a la característca tensión colector–emisor, por lo que su valor suele ser aproximadamente igual. En el caso del BC 547, se tene: VCBO = 50 V. Obviamente, si la unión colector–base se polariza de forma directa, la tensión será la pica; unos 0,7 V. Pero el transistor normalmente trabaja con la unión colector– base polarizada de forma inversa. (La unión colector–base sólo queda polarizada de forma directa cuando el transistor está saturado).
BV EBO () Tensión (inversa) emisor–base Es la tensión inversa máxima (Emier-Base Breakdown Voltage) que se debe aplicar entre base y emisor. En el transistor BC 547, el fabricante indica: BVEBO = 6 V.
Tensión (direc ta) base–emisor V( BE ) Si se polariza de forma directa la unión base emisor, que es como normalmente trabaja, su valor pico es de unos 0,7 V (aunque varía algo según la temperatura, y también se ve in fluenciada algo por la corriente de colector). En el BC 547, para IC = 2 mA y VCE = 5 V, la tensión base emisor puede variar entre 0,55 y 0,7 V. El fabricante puede poner para expresar esto: Base Emier On Voltage(VBE(on)).
Intensidad residual (fugas) colector–base IC BO ) ( Es la intensidad de fugas (debido a los portadores de carga minoritarios) que puede aparecer cuando la unión colector-base se polariza de forma inversa. En teoría, debería ser cero; pero en la práctca puede tomar un valor de algunos nA. El fabricante (Fairchild) indica (Collector Cut-off Current) una corriente que, como máximo, puede ser de 15 nA (para VCBO = 30 V e IE = 0). Además de los datos explicados existen otros; pero los explicados son los más representatvos, los mínimos que son necesarios conocer de cara a la práctca. A contnuación se explican más característcas del transistor, las que se representan por medio de gráficos; es lo que se llama curvas característcas. Y de paso, aparecerán, otros datos complementarios.
269
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos
15.3
C urvas carac terísticas y circ uitos de experimentac ión
De entre las diversas curvas, gráficos sobre característcas sobre el transistor, que los fabricantes proporcionan, destacamos las siguientes: • Característca de transferencia • Característcas de salida El gráfico de característca de transferencia nos proporciona información sobre cómo varía la corriente de colector en función de la corriente de base, para una tensión colector–emisor constante, lo cual se pude representar por: Y las curvas característcas de salida nos proporciona cómo varía la corriente de colecV(CE) para una determinada corriente tor (IC) en(I función de laEsto tensión colector–emisor de base ) constante. se puede expresar de la forma: B
15.3.1 Curva característica de transferencia Mediante este gráfico se representa la variación de la corriente de colector en función de la variación de la corriente de base, para una determinada tensión colector– emisor constante. Es un gráfico que se aproxima mucho a una recta, en especial en los transistores de baja potencia (por ejemplo, el pico BC 547). En la figura 15.1 se muestra un ejemplo. IC (mA) 100
80
60
40
20
Figura 15.1. Grá fico de la corriente de colector en función de la corriente de base; esto es la curva d e transferencia.
50
10 0
15 0
20 0
25 0
IB (µA)
Esto nos dice que la corriente de colector es (aproximadamente) proporcional a la corriente de base multplicada por el factor de ampli ficación β. Y de aquí se deduce fácilmente el factor de amplificación de corriente, la β; es cuestón de hacer la división entre una variación de la corriente de colector ( ∆IC) y la variación de corriente de base ( ∆IB) que da lugar a ello.
Ejemplo Si, para una tensión VCE = 10 V, la variación de la corriente de colector es de∆IC = 20 mA y la variación de corriente de base que da lugar a ello es de ∆IB = 50 A, la ganancia de corriente resultante del transistor será de:
Este es una valor de ganancia que está dentro de lo normal en transistores de baja potencia (como el BC 547C).
270
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
Esto se representa gráficamente en la figura 15.2, con unos valores prác tcos de ejemplo. IC (mA) 100
80
60
ΔIC = 20mA 40
ΔIB = 50
20
A
Figura 15.2. De la ca rac terístic a d e transferencia se halla fácilmente la gananc ia de corriente (β) del transistor.
50
10 0
150
20 0
25 0
IB (µA)
Actividades prácticas Curva de transferencia Característca de transferencia: Objetvos: Obtener experimentalmente el gráfico de la característca de transferencia de un transistor BD 137 (mediana potencia; VCEO = 60 V,IC = 1,5 A). Montaje a realizar(figura 15.3): Procedimiento:Mediante una fuente de alimentación ( VCC), se ajusta la tensión colector–emisor a 10 V. Mediante otra fuente (VBB), se ajusta una tensión de 5 V, que se conectará al potenciómetro de ajuste P1. Después,
mediante P1, se va variando la corriente de base de 50 a 300 A, en intervalos de 50 A, y a cada valor de corriente de base se mide (y apunta en la tabla) el valor de la corriente de colector. La resistencia R1 se pone como medida de seguridad, para limitar la corriente máxima y evitar así que de forma accidental la corriente de colector pudiera llegar a ser excesiva y deteriorar el transistor. R1
100
VBB = 5 V IC
P1
VCC = 10 V
IB
10 k
BD 137
10 k RB
Ajuste de la corriente de base (IB)
E C B
Figura 15.3. Montaje a realizar para experimentar la característica de transferencia.
271
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos
Actividades pr ácticas Hacer una tabla de valores como la representada a contnuación y pasar los resultados de las medidas a un grá fico (figura 15.4); tene que salir (aproximadamente) una recta.
Tabla de valores VCE = 10 V IB
IC
50 100 150 200 250 300 Observaciones:
IC (mA)
Figura 15.4.
Poner aquí los valores deIC medidos. Se obtiene así, de forma real, la representación gráfica de la ca rac terística de transferencia.
0
15.3.2
5
10
15
20
25
30
IB (µA)
Curva característica de salida IC (mA)
IB6 = 300
µA
IB5 = 250
µA
IB4 = 200
µA
IB3 = 150
µA
40
IB2 = 100
µA
20
IB1 = 50
100 80 60
Figura 15.5. Ejemplo de gráfico de c urvas ca rac terístic as, obtenido experimentalmente.
272
2
6
10
14
18
µA
22
VCE (V)
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
La curva característca de salida nos proporciona información de cómo varía la corriente de colector (IC) en función de la tensión colector–emisor (VCE), para una determinada corriente de base ( IB) constante, lo cual se representa por: IC = f (VCE)|IB = cte. Este gráfico lo proporcionan los fabricantes, pero también lo podemos hallar experimentalmente haciendo las medidas adecuadas. En la figura 15.5 se muestra un ejemplo de gráfico de este tpo, obtenido experimentalmente (en clase), con un transistor BC 547. Este tpo de gráfico es el más representatvo del transistor, el más conocido. También se conoce por familia de curvas de colector, ya que se proporcionan varias curvas; una para cada valor de corriente de base utlizada en las medidas. En cada curva se representa cómo varía la corriente de colector (IC) en función de la tensión de colector–emisor (VCE), para una determinada corriente de base. De este tpo de gráfico se deducen característcas de las más importantes del transistor. • Si la tensión entre colector y emisor (V ) es muy baja, menor de 1 V, el valor de la corriente de colector es muy bajoCE(o práctcamente cero) aunque haya corriente de base. La corriente de colector, empieza a establecerse de forma normal a partr de una tensión de colector de alrededor de 1 V. Cómo se observa en el gráfico de la figura 15.5, para una corriente de base de 150 A la corriente de colector es de unos 50 mA a partr de VCE ≥ 1 V. • Y como se deduce también, a partr de una determinada tensión VCE mínima (≥ 1 V), la corriente de colector casi no aumenta aunque lo haga la tensión VCE . (Como es obvio, si se aumenta mucho la tensión de colector se puede producir un efecto de ruptura y aumentar bruscamente la IC, lo cual puede deteriorar el transistor). O sea, la VCE, dentro de su margen normal de funcionamiento, apenas influye en la IC. • Para una tensión VCE constante, pequeñas variaciones de la corriente de base (IB) producen variaciones mucho mayores de la corriente de colector ( IC); esto es el efecto de ampli ficación de corriente del transistor. De este grá fico se puede hallar por tanto el valor de ganancia (β) del transistor. • Para que el transistor funcione como amplificador lineal (amplificador de señales analógicas) aprovechando el máximo rango de variaciones (máxima amplitud de señal), su punto de funcionamiento (polarización) debe situarse alrededor del punto medio de estas curvas, aproximadamente, esto podría ser: VCE = 12 V, IB = 150 A, IC = 50 mA. Un gráfico de este tpo proporcionado por el fabricante (Fairchild) en sus datasheet, para los transistores NPN de baja potencia BC 546 / 547 / 548 / 549 / 550, se representa en la figura 15.6. Como se observa, es muy similar al obtenido experimentalmente (fig. 15.5). 100
IB = 400 µ A 80
IB = 350 µ A IB = 300 µ A IB = 250 µ A
60
IB = 200 µ A 40
IB = 150 µ A IB = 100 µ A
20
IB = 50 µ A
Figura 15.6. C urvas c arac terísticas del transistor BC 547 (cortesía de Fairchild).
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Otros datos proporcionados por el fabricante (Fairchild) sobre este transistor se representan a contnuación; tal como aparece en los datasheet, para que el alumno se familiarice con la documentación técnica real que proporcionan los fabricantes.
273
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos
Datos característicos del grupo de transistores de baja potencia
BC546/547/548/549/550 Switching and Amplifier High Voltage: BC546, V CEO=65V • Low Noise: BC549, BC550 • Complement to BC556 ... BC560
TO-92
1
1. Collector 2. Base 3. Emitter
NPN Epitaxial Silicon Transistor Ab so lu te Max im um Rating s
Ta=25°C unless otherwise noted
Sy m b o l
Par am et er
Val u e
Un i t s
VCBO
Collector-Base Voltage
: BC546 : BC547/550 : BC548/549
80 50 30
V V V
VCEO
Collector-Emitter Voltage : BC546 : BC547/550 : BC548/549
65 45 30
V V V
VEBO
Emitter-Base Voltage
6 5
V V
: BC546/547 : BC548/549/550
IC
Collector Current (DC)
100
mA
PC
Collector Dissipation
500
mW
TJ
Junction Temperature
150
°C
TSTG
Storage Temperature
-65 ~ 150
°C
Electrical Chara cteristic s Sy m b o l
Ta=25°C unless otherwise noted
Par am et er
Tes t Co n d i t i o n
ICBO
CollectorCut-offCurrent
V
hFE VCE (sat)
DC Current Gain Collector-Emitter Saturation Voltage
VCE=5V, IC=2mA I C=10mA, IB=0.5mA IC=100mA, IB=5mA
VBE (sat)
Base-Emitter Saturation Voltage
I C=10mA, IB=0.5mA IC=100mA, IB=5mA
Mi n .
Ty p .
110 90 200
Un i t s
15
nA
800 250 600
mV mV
700 900
VBE (on)
Base-Emitter On Voltage
V CE=5V, IC=2mA VCE=5V, IC=10mA
fT
Current Gain Bandwidth Product
V CE=5V, IC=10mA,f=100MHz
300
Cob
OutputCapacitance
V
f=1MHz CB=10V, IE=0,
3.5
Cib
InputCapacitance
V
f=1MHz EB=0.5V, IC=0,
9
NF
Noise Figure
: BC546/547/548 : BC549/550 : BC549 : BC550
Max .
CB=30V, IE=0
580
VCE=5V, IC=200µA f=1KHz, RG=2KΩ VCE=5V, IC=200µA RG=2KΩ, f=30~15000MHz
660
mV mV 700 720 6
pF pF
2 1.2 1.4 1.4
10 4 4 3
h FE Classification Classification hFE
274
A 110 220 ~
B 200 450 ~
mV mV MHz
C 420 800 ~
dB dB dB dB
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
Actividades prácticas Características de salida Objetivos Obtener experimentalmente el gráfico de la curva caracterís tca de salida de un transistor BD 137, para un valor constante de corriente de base de IB = 100 A, de lo cual se deducirá una importante información.
Montaje a realizar ( figura15.7) BD 137 R1
100 VBB = 5 V
IC
E C B P1
10 k
VCE
10 k
(2 a 20 V)
RB
Ajuste de la corriente de base (IB)
VCC
IB
Figura 15.7. C irc uito pa ra o btener la c urva c arac terístic a d e intensidad de co lector en func ión de la tensión c olector – emisor, para una cierta intensidad de base c onstante.
IB = 100 µA VCE (V)
IC (mA)
IC (mA)
0,1 0,3 0,5 1
IB =
100 µA
2 4 8 12 20
VCE
Figura 15.8. fic o. Los resultados de las medidas se ponen en la tabla y después se pasan al grá
275
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos
Actividades pr ácticas Procedimiento Se trata básicamente de medir la corriente de colector (IC) en función de la tensión colector–emisor (VCE), entre 0,1 V y 20 V, para una corriente de basefija de 100 A. Mediante un polímetro (para medir intensidad de A), ajustando el potenciómetro P1, se mide una corriente de base de 100 A. Una vez hecho esto, se quita el polímetro y se deja la resistencia RB conectada al punto medio del potenciómetro; de esta manera, sabemos que el transistor recibe una corriente de base de 100 A. Después se conecta un polímetro para medir la intensidad de colector ( IC) y con otro polímetro se mide la tensión entre colector y emisor (VCE). Se empieza ajustando la fuente de tensión VCC para que la tensión VCE sea de 0,1 V y en este punto se mide la corriente de colector. Después se repite esto para otras tensiones de VCE , según la tabla de la figura 15.8. Los valores medidos de VCE e IC se pasan después a un g ráfico; se obtendrá así la curva de variación de la IC en función de VCE, para una corriente de base de 100 A (figura 15.8).
Actividades de evaluac ión 1. Consultar los datos característcos del BC 547 y BD 137 y hallar los valores máximos de: IC, VCEO, VCBO, VEBO. Explicar el significado de dichos valores.
2. ¿En qué margen puede variar la ganancia ( hFE) del tpo BC 547A? 3. En el circuito práctco de ensayo, ¿qué valores máximos se podrían llegar a dar de IB y IC? ¿En qué circunstancias se darían?
4. Para una IB constante, ¿aumenta la IC si aumentamos la VCE? 5. ¿Aumenta la tensión en la resistenciaR1 (de protección) si aumentamos la tensiónVCC? Razonar la respuesta.
Actividades desarrolladas Repetr el desarrollo práctco, ahora para las corrientes de base de 100 y 200 A. Representar los datos obtenidos en la misma grá fica (figura 15.8), junto con la curva de IB = 150 A. Se obtendrá así una familia de 3 curvas, lo cual nos aportará una buena información técnica práctca sobre el transistor. De estas curvas, deducir el valor de ampli ficación (β) del transistor. Es cuestón de hacer la división entre un incremento de IC y otro de IB, para un valor constante de VCE:
Ejemplo En el gráfico de Fairchild (figura 15.6), para VCE = 8 V, tenemos:
El valor de β que se deduce es por tanto:
276
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
15.3.3 Las tres zonas de la curva de colector En la figura 15.9 se muestra la curva de colector, también llamada caracterís tca de salida, para un cierto valor de corriente base, con tres zonas determinadas que conviene conocer. 15.3.3.1
Zona de saturación
La primera de ellas, se llama zona de saturación; es la comprendida entre el inicio de la curva y llega hasta el codo (a par tr del cual se estabiliza la curva). En dicha zona, la tensión entre colector y emisor es muy baja, menor de 1 V (VCE ≤ 1 V); el transistor actúa como una resistencia de bajo valor, y aunque se aumente la corriente de base la corriente de colector no aumenta (por eso se llama saturación). Como la tensión VCE normalmente es muy baja (puede ser de 0,1 V), la unión colector base también se encuentra polarizada de forma directa (al igual que la unión base emisor). Si, por ejemplo, VBE = 0,7 V y VCE = 0,1 V, eso hace que la unión colector base tenga una tensión de VCB = 0,7 – 0,1 = 0,6 V; o sea, queda en polarización directa. IC Zona Acva - Unión colector – base: polarización inversa. - Unión base – emisor: polarización directa. - Se cumple IC = βΔIB - Ampliación lineal.
IB
Zona de ruptura Se supera la VCE máxima, se produce una conducción descontrolada
VCE = 1 V VCE Zona Saturación Figura 15.9. C urvas de co lector, con las tres zonas destacables.
La unión base – emisor y la unión colector – base quedan en polarización directa.
15.3.3.2
Zona activa
Es la parte aproximadamente plana, que aparece a partr del codo. La tensión VCE es superior a 1 V y puede llegar hasta un valor máximo que depende de la tensión de alimentación. En esta zona es donde debe operar el transistor para que amplifique de forma lineal. La unión colector–base se encuentra polarizada de forma inversa, y la unión base emisor de forma directa. Las variaciones de la corriente de base hacen variar proporcionalmente la corriente de colector, o sea se cumple que:
15.3.3.3
Zona de ruptura
Se entra en esta zona cuando se supera la tensión máxima permisible de colector emisor; entonces, el transistor puede entrar en ruptura (la corriente aumenta de forma descontrolada) y se puede averiar el transistor.
Ejemplo Valores máximos de tensión en Transistor BC 547 Tensión colector–emisor máxima: VCEO = 45 V Tensión colector–emisor de ruptura: BVCEO = 65 V (para IC = 1 mA)
277
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos De esta información tenemos que saber que el transistor BC 547 lo podemos hacer funcionar normalmente con una tensión VCE por debajo de 45 V, y que si se llega a 65 V se puede producir la ruptura. Normalmente, este transistor se suele hacer funcionar con tensiones que van de unos 5 V a 30 V (como máximo).
15.3.4
Familia de curvas características del transistor
Existe un una representación gráfica que se conoce por curvas caracterís tcas del transistor, en el cual aparecen 4 cuadrantes que aportan una información técnica bastante completa del transistor. En lafigura 15.10 se muestra un gráfico de este tpo (que se ha realizado experimentalmente). • En el cuadrante 1 aparecen las curvas de colector, que es el gráfico ya visto anteriormente (fig. 15.5); o sea, la corriente de colector ( IC ) en función de la tensión colector emisor ( VCE ) para determinados valores de corriente de base. • En el cuadrante 2 se representa la variación de la corriente de colector en función de la corriente de base, para una determinada tensión constante de VCE. Se han puesto dos valores de VCE para mostrar que el valor de VCE casi no afecta a la corriente de colector. Esto es como el grá fico ya visto en la figura 15.1. • En el cuadrante 3 se representa la variación de la tensión VBE en función de la corriente de base (IB), para una determinada tensión constante de VCE. Se han puesto dos valores de VCE para mostrar que la tensión colector emisor casi no afecta a la tensión VBE. • En el cuadrante 4 se representa la relación entre la tensión VCE y la tensión VBE , para valores constantes de IB ; de donde se deduce que la in fluencia de la tensión VCE sobre la tensión VBE es despreciable. IC (mA)
100 80 60 40 20
(
IB
A)
VCE
300
225
150
75
2
6
10
14
18
22
(V )
0,7 V
VBE
(V ) Figura 15.10. C urvas c arac terísticas típicas del transistor.
278
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
De estas curvas se pueden deducir ciertas característcas del transistor, como laβ, la resistencia de entrada, la resistencia de salida y el coe ficiente de readmisión. Para hacerse una idea, vamos a deducir la β y la resistencia de entrada, que son los datos que consideramos de mayor interés práctco. 15.3.4.1 Deducción
de la ganancia de corriente β) (
La ganancia de corriente, β, como ya se sabe, se ob tene mediante la relación entre una variación de corriente de colector y una variación de la corriente de base, para una determinada tensión VCE constante.
Pues este dato se puede hallar tanto en el cuadrante 1 como en el 2 del gráfico de la figura 15.10. Si nos fijamos en el cuadrante 1, por ejemplo, para una VCE = 10 V trazamos una recta y tomamos dos puntos de la corriente de base, y para dichos puntos observamos los valores de IC correspondientes; con ello, ya tenemos los valores de ∆IC y de ∆IB. Esto se representa en la figura 15.11.
Ejemplo Para VCE = 10 V:
IC (mA) VCE = 10 V
100
IB6 = 300
80
IB5 = 250
60
IB4 = 200 IB3 = 150
40
IB2 = 100
20
IB1 = 50 µA
2 Figura 15.11. Deducción del valor de la ganancia de corriente ( β).
6
10
14
18
22
VCE
(V)
La ganancia de corriente también la podemos hallar en el cuadrante 2. En la figura 15.12 se muestra su obtención; como se observa, aparece el mismo valor que el obtenido anteriormente (como debe ser, ya que se deduce del mismo gráfico).
279
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos
IC (mA)
100
VCE = 10 V
80 60 40 20
(
IB
A)
300
225
150
75
Figura 15.12. Deducción del valor de la ganancia de corriente ( β).
Deducción de la resistencia de entrada
15.3.4.2
Este dato lo podemos obtener en el cuadrante 3, donde aparece la tensión base emisor (VBE) en función de la corriente de base para un valor constante de VCE . Todo es cuestón de hacer la relación entre una variación de tensión base emisor (∆VBE) y la correspondiente variación de corriente de base (∆IB). Está claro que esto da lugar a una resistencia (dinámica), que es la resistencia de entrada:
ΔIB = 75 μA (
IB
A)
300
225
150
75
0,64 V 0,7 V VCE = 10 V
VBE
(V)
Figura 15.13. Deducción del valor de la resistencia de entrada.
280
ΔVBE = 0,06 V
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
Ejemplo Si los valores de las variaciones fueran ( figura 15.13):
Esto nos daría un valor de resistencia de entrada de:
Actividades prácticas En una actvidad práctca en el aula, se han obtenido los siguientes valores en las medidas de corriente de base (IB) y de tensión base emisor (VBE) con un transistor BC 547:
Para realizar esta medida, el procedimiento es (figura 15.14): Primero se ajusta P1 para que el polímetro mida IB = 80 A, y en dicho punto se mide la correspondiente VBE. Después se mide la VBE para IB = 175 A. Esto se puede hacer con un solo polímetro, aunque con dos resulta más rápido y fácil. Esto nos da las variaciones: De lo cual se ob tene el siguiente valor de resistencia:
El circuito práctco realizado se muestra en la figura 15.14. Para ser rigurosos, la tensión VCE se debería tener a 10 V; pero los resultados serían similares porque la VCE casi no afecta a la VBE. Así lo que hemos obtenido es la resistencia dinámica del diodo que forma la unión base-emisor del transistor.
5V BC 547 P1
22 k
10 k Ajuste de la corriente de Figura 15.14.
C B E VBE
V
base (IB)
C ircuito pa ra medir la resistencia de entrada.
281
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos
15.4
El factor de ampli ficación α
Además del factor de amplificación de corriente β del transistor, existe otro factor de amplificación de corriente que se representa por α. El factor de amplificación de corriente α relaciona la corriente de colector con la corriente de emisor, y se ob tene por:
Como que la corriente de colector es siempre muy aproximadamente igual a la corriente de emisor, el factor α resulta muy aproximado a 1. Un valor pico está alrededor de 0,98. Como se sabe, la corriente de emisor viene dada por: Supongamos un transistor cuya β = 100. Si la corriente de base es de 1 mA, las corrientes de colector y de emisor serán:
Siendo en este caso el factor α:
Esto indica que, de los electrones que salen del emisor, el 99 % va hacia el colector y el 1 % se recombina en la base. Así pues, mediante el factor α podemos obtener:
15.4.1
Relaciones entre βyα
Combinando expresiones básicas, se ob tene una relación entre los factores α y β; o sea, conociendo uno de ellos se puede conocer el otro. Par tendo de:
Obtenemos: Y de aquí se puede obtener el valor de β conociendo el valor de α:
Ejemplo Si un transistor tene α = 0,98, el valor de β será:
Como se deduce, cuanto mayor se acerque el factor α a 1 mayor será el factor β.
282
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
También, conociendo el factor β se puede deducir el factor α. Como que:
Ejemplo Si la ganancia de corriente β de un transistor sabemos que es β = 49, el valor de α será:
Como es obvio, aparece el mismo valor de α que el hallado anteriormente, porque el factor β también es del mismo valor.
15.5
Comprobac iones del transistor mediante la función transistómetro del tester
El análisis de estado del transistor mediante el polímetro se puede hacer de dos maneras: • En base a la prueba de diodos • Con la función transistómetro
Comprobaciones del transistor con el tester en prueba de diodos.
Colector (C) N
Base (B) Figura 15.15. C omproba ciones del transistor con el polímetro en prueba de diodos.
C B
P
E
N
Emisor (E) 283
Unidad 15 · Característcas del transistor. Circuitos práctcos La prueba utlizando la función de prueba de diodos. Como ya se debe saber, se basa en utlizar el polímetro en la función de prueba de diodos y considerar la estructura interna del transistor como dos diodos en contrasentdo ( figura 15.15). Y también se pueden hacer las mismas verificaciones utlizando la función óhmetro, como si fuera un tester analógico. También existe la comprobación de lo que podemos llamar “prueba con el dedo”; un truco que permite deducir cuál es la pa tlla emisor o colector. En principio, haciendo las comprobaciones que sabemos en base al circuito interno basado en los diodos en contrasentdo ( fig. 15.15), si no conocemos el transistor, no se sabe cuál es la patlla emisor o colector, porque entre ellas y la base se comporta como un diodo. Pero, suponiendo un transistor es NPN, si la punta positva del tester está en el colector y la punta negatva en el emisor, tocando con los dedos entre la base y colector se aplica una pequeña corriente en la base que puede hacer que circule una corriente mucho mayor por el colector (por el efecto de amplificación); y esto lo sabremos porque el tester lo indicará. En un tester de aguja (analógico), esto se nota enseguida, la aguja se mueve al tocar con los dedos entre la base y colector. Con un tester digital, se vería que la resistencia pasaría de un valor infinito a un valor más bajo. En el caso de un transistor PNP, el proceso sería el mismo pero u tlizando polaridades contrarias en las puntas del tester. Hay otro “truco” que permite deducir cual es la pa tlla emisor o colector; se basa en que la resistencia (polarización directa) entre base y emisor es un poco más elevada que la resistencia entre base y colector; la diferencia es muy pequeña, pero se puede llegar a medir con el tester en x 1. La otra forma de comprobar los transistores, más fácil, es u tlizando la función transistómetro, que actualmente la mayoría de polímetros ya suelen tener. Un aparato exclusivo para comprobar transistores se llama transistómetro; pues esta es la función especial que los polímetros suelen tener. Esto nos proporciona el valor de la ganancia de corriente (β) del transistor (NPN o PNP), y a la vez se pueden deducir fácilmente las patllas del transistor, sin necesidad de aplicar los trucos anteriores. Es cuestón de conectar el transistor en un zócalo especial, que el polímetro dispone para ello, y seleccionar la función hFE ( figura 15.16).
Zócalo para poner el transistor
Figura 15.16. La mayoría de polímetros disponen d e un zóc alo para la prueba de transistores NPN y PNP.
Si el transistor está en buen estado y las patllas bien conectadas en el zócalo, en la pantalla del tester aparece el valor de la ganancia de corriente (hFE) del transistor (figura 15.17). Esto permite deducir el estado del transistor. El zócalo está previsto para la prueba de transistores NPN y PNP. Así, aunque sea un transistor desconocido, se puede deducir: si el transistor es NPN o PNP, el valor de su ganancia β( ) y cuáles son las patllas E, B y C, y también deducir
284
Unidad 15 · Caracterís
tcas del transistor. Circuitos prác tcos
si el transistor está averiado. Todo es cues tón de ir probando, conectando las tres patllas del transistor en el zócalo; sólo si el transistor está bien, aparecerá un valor de hFE razonable. Si no se consigue esto, es que el transistor está mal. Ganancia de corriente del transistor (hFE)
Transistor
Selector en hFE
Figura 15.17. Comprobación del transistor utilizando la función transistómetro del polímetro.
Actividadesfinales 1. Indicar, explicar, 4 datos fundamentales de las caracterís tcas del transistor. 2. Hallar de la documentación técnica que proporciona el fabricante sobre los datos (máximo) siguientes del transistor BC 547, y explicarlos:
3. En un transistor BC 547 la corriente que circula por el colector es de 0,05 A y VCE = 10 V; calcular la potencia
disipada. ¿Está dicho valor de potencia dentro del margen permisible de este transistor? (consultar la documentación técnica).
4. En un transistor BC 548 con una tensión aplicada de VCE = 10 V, se obtene una variación de corriente de colector de ∆IC = 20 mA cuando la corriente de base varía ∆IB = 50 A. Hallar el factor β del transistor y deducir el factor α.
5. Explicar y representar gráficamente las zonas: saturación, actva y ruptura del transistor. Normalmente, ¿en qué zona trabaja el transistor? Y, ¿qué zona hay que evitar?
6. Representar de forma genérica y simplificada la familia de curvas característcas del transistor, y explicar cada cuadrante.
7. ¿Qué significa el concepto
resistencia de entrada del transistor? Dibujar el circuito que permite realizar
dicha medida y explicar el proceso.
8. Explicar la manera de comprobar un transistor mediante la función de prueba de diodos del tester. ¿En qué característca del transistor se basa dicha comprobación? Permite este tpo de comprobaciones hallar el valor de β? ¿Y distnguir entre la patlla colector y emisor?
9. Comprobar-analizar los transistores BC 557 y BC 547 mediante la función transistómetro del tester; anotar los valores de β y las patllas E, B y C. Qué ventajas tene la comprobación de transistores mediante la función transistómetro del tester, frente a la comprobación clásica (función o diodo).
10. Hallar los valores máximos de corriente de base, corriente de colector y potencia disipada en el circuito de la figura 15.7. Comparar los resultados con la documentación técnica del transistor BD 137 ¿Están los valores hallados dentro del margen permisible?
285
Unidad 16Introducción
a los amplific adores. Circ uitos prácticos con transistores
Objetivos: Estudiar los c onc eptos bá sicos generales sobre los amplific ad ores, asíc omo algunos circ uitos prác ticos c on transistoresque son fundamentales. Deben c onoc erse las c arac terístic as básicas generalesde los amplificad ores, talescomo: Gana ncia, potencia de salida, sensibilidad, distorsión, impedanc ias, etc.). Para c onseguir dichos conoc imientosse estudian y, sobre todo, nos basaremos en la experimentac ión de circuitos básicos con transistores.
En este capítulo: 16.1
Introducción.
16.6
Amplificación multietapa.
16.2
Amplific ad ores. C onc eptos generales.
16.7
Estudio prác tic o de la polarizac ión básica.
16.8
Expe rimentac ión de los estado s lineal, c orte y saturac ión.
16.3 Los dec ibelios (dB). 16.4 C arac terístic as de un amplificador. 16.5 C irc uitos amplific ad ores básicos.
Unidad 16 · Introducción a los ampli
Recuerda
• • •
- La ganancia de corriente de un transistor (β), es la relación entre corriente de colector y la c orriente de base (para una determinada tensión V C E). - La corriente de emisor es:
IE = IC + IB
16.1
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Introducción
Aunque desde hace tempo la realización de los circuitos de electrónica se basan en los circuitos integrados, ya que simplifican en general el diseño y el montaje, los circuitos sencillos realizados con transistores siguen siendo necesarios en muchas aplicaciones, por lo cual se hace necesario su estudio. Esto mismo ocurre en electrónica digital. Los sistemas digitales se basan en bloques integrados rela tvamente complejos como memorias RAM, contadores, decodificadores, microcontroladores, etc.; pero también se necesitan circuitos digitales sencillos como las puertas lógicas. Por ejemplo, en un circuito para la actvación de una carga como una bombilla de 230 V por medio de un sonido (con una palmada, por ejemplo), se encuentran etapas amplificadoras lineales, etapas ampli ficadoras en conmutación, circuitos de filtro, etc. O sea, en las diferentes aplicaciones electrónicas se pueden encontrar de forma combinada diferentes tpos de circuitos básicos, muchas veces de forma auxiliar a otros circuitos integrados complejos. En general, el concepto que siempre está relacionado en cualquier aplicación es la amplificación, por lo cual este es un tema de especial importancia en todas las ramas de la electrónica, y en esta unidad centramos su estudio.
16.2
Amplific adores. Conceptos generales
La estructura básica de la función amplificador se representa en la figura 16.1. Se trata de un amplificador para micrófono, cuya aplicación se centra en aplicaciones de megafonía y equipo de voces para cantantes. +V (Alimentación)
Señal de salida
Señal de entrada
Sonido Micrófono
Sonido
Amplificador Altavoz
0 V (masa)
Figura 16.1. Representac ión de un equipo ampli fic ador de voz.
o de amplificación 16.2.1 C oncept La señal de entrada, en este ejemplo, es la de un micrófono. El micrófono es un traductor que convierte las ondas sonoras en señales eléctricas, siendo su valor de salida muy bajo (mV); por ello, para poder obtener una cierta potencia sonora se necesita de un amplificador. El amplificador puede proporcionar una señal de salida de mucha potencia, de tal manera que puede actvar un altavoz, pero la señal de salida debe ser idéntca en característcas de forma de onda a la señal de entrada. Si la señal de salida apareciera con alguna modi ficación en su forma de onda, entonces se diría que existe distorsión, lo cual da lugar al sonido desagradable que se conoce por distorsión. O sea, la señal de salida debe conservar las mismas caracterís tcas frecuenciales (composición armónica) que la señal de entrada. En la prác tca, en todo proceso de ampli ficación, siempre se produce algo de distorsión, aunque sea muy pequeña, que se tene que procurar reducir al máximo. 287
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores Y como es obvio, y así es en todos los aparatos electrónicos, para que el ampli ficador funcione se necesita de una tensión de alimentación, que suministre la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. De hecho, la potencia sonora que se obtene procede de la energía eléctrica de la tensión de alimentación. Si, por ejemplo, el amplificador entregará al altavoz una potencia de 100 W, la tensión de alimentación tendría que suministrar al amplificador más de 100 W, porque el rendimiento siempre es menor del 100 %; parte de la energía que entrega la fuente de alimentación se pierde en forma de calor en los componentes.
16.2.2 Características básicas de un ampli ficador Las característcas básicas generales que, al menos en un principio, se tenen que conocer son: • Ganancia, factor de amplificación • • • •
Impedancia de entrada salida Respuesta de frecuencia Distorsión Sensibilidad
Pero además, existen otras como: relación señal-ruido, diafonía, diferentes tpos de distorsiones, potencia de salida (especialmente si se trata de ampli ficadores de potencia), etc.
Ganancia del ampli ficador En general, ganancia es la relación entre la señal de salida y la señal de entrada:
Y esto nos da cuenta de lo grande que es la señal de salida con respecto a la señal de entrada, o sea, el factor de ampli ficación.
G V() Ganancia de tensión
Siendo: VO = Tensión de salida VI = Tensión de entrada La ganancia también se suele representa por AV, que viene de amplificación de tensión, por lo cual también se puede poner:
Ejemplo Si señal de entrada es de 0,01 V = 10 mV, procedente de un micrófono, y el ampli ficador entrega una señal de salida de 20 V, el factor de amplificación, ganancia, es:
O sea,20 enV.este caso, la señal de salida obtenida es 2000 veces mayor que la de entrada; le entran 0,01 V y salen
288
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Actividades de evaluac ión 1. Explica el concepto de ampli ficación, con algún ejemplo. 2. Indicar al menos tres ejemplos de aparatos de electrónica donde se utlice la amplificacióncomo función fundamental. ¿Conoces alguna aplicación electrónica donde no se utlice la función amplificación?
3. Indica tres característcas fundamentales de un amplificador. 4. Supongamos que tenemos una guitarra eléctrica que proporciona una señal de salida de 20 mV. Si necesitamos que la señal sea de 1 V (para poder ac tvar debidamente una etapa amplificadora de potencia) ¿de qué valor deberá ser la ganancia de la etapa preampli ficadora?
16.3
Los decibelios (dB)
El decibelio (dB) es una unidad de medida logarítmica, normalmente u tlizada para expresar ganancias o atenuaciones (pérdidas) de señal. Es de suma importancia en equipos de sonido, ecualizadores, instalaciones de antenas, de telefonía, de megafonía, etc.
16.3.1 El sistema auditivo. Sonido En un principio, el dB se “invento” como resultado de las medidas o respuestas halladas sobre el sistema audi tvo con las señales de sonido. El oído no responde de forma lineal frente a los esmulos de sonido; conforme aumenta la potencia sonora el oído se va haciendo más resistente, de manera que las sensaciones sonoras que percibimos no son proporcionales al nivel fsico de sonido que recibimos. La respuesta del oído frente a los es mulos sonoros es de tpo logarítmica, y el dB es una unidad de variación logarítmica. Se podría decir que, cuanto mayor es la potencia sonora, más “duro se hace el oído” y mayor potencia se necesita para percibir los cambios de sensación sonora. Esto es lo que se indica en el gráfico representa en la figura 16.2. Conforme el nivel sonoro es mayor, se necesita mayor variación de nivel sonoro para percibir las mismas variaciones de sensación sonora. Por encima de un cierto nivel sonoro (unos 80 dBSPL), debido a una contracción de ciertos músculos del oído medio, se produce un efecto de reducción de la ganancia del oído; es una especie de control automátco de ganancia. Sensaciones sonoras
La respuesta audiva no es lineal; el aumento de las sensaciones sonoras no es proporcional a los aumentos de la potencia sonora.
sensación
sensación
Figura 16.2. C urva d e respuesta del sistema auditivo (oído).
Δ dB
Δ dB
Nivel sonoro (dBSPL)
Debido de al tmedida po de respuesta del sistema audi tvo, se hacía necesario por tanto una unidad que estuviera más acorde a nuestra forma de percibir las sensaciones sonoras; según experiencias, se hallo que la respuesta del oído es de tpo logarítmica y, como resultado se dedujo, apareció, el decibelio (dB). Por ello, en práctcamente todos los equipos de sonido las medidas se hacen en base al dB.
289
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores Los mandos de volumen y controles de tono (potenciómetros) son por ello de tpo logarítmico, y en los gráficos de los mandos (volumen, tono, ecualizadores, etc.) aparecen por esta razón las variaciones en dB. Esta unidad de medida se ha convertdo en la habitual también en sistemas que no son de sonido, por ejemplo, en las instalaciones de antenas; ejemplo, el nivel de señal en una toma de antena puede ser 85 dBV.
16.3.2
Los dB : Unidad de medida del sonido SPL El sonómetro
El sonómetro es el instrumento normal de medida del sonido. Se basa en un micrófono que capta el sonido, y los correspondiente circuitos electrónicos de amplificación, filtrado y dispositvo de salida. Un ejemplo de modelo se representa en la figura 16.3.
Figura 16.3. El sonómetro es el instrumento de med ida d el sonido. La unidad de medida es el dBSPL.
La unidad de medida es el dBSPL (SPL = Sound Pressure Level), que viene dada por:
P = Valor instantáneo de presión sonora (pascales). PO = 20 Pa = 20 10-6 Pa (valor de presión sonora umbral de audibilidad). Así, para el valor de presión sonora mínimo audible, P = PO, se obtene:
Y para una presión de P = 20 Pascales, se ob tene:
Los dB permiten también comprimir la escala de valores. Por ejemplo, en sonido, la escala de valores normal va de 0 dB SPL (nivel sonoro umbral de audibilidad) a 120 dBSPL (nivel sonoro que puede estar en el umbral de dolor), lo cual en valores lineales (en pascales) sería una relación que iría de 0,00002 (20 Pa) a 20 pascales, una relación de 1.000.000.
16.3.3 Ganancia de tensión en dB Para representar la ganancia de tensión en dB, es cuestón de aplicar la fórmula:
Por ejemplo, una ampli ficación de:
expresada en dB, es:
O sea, una ganancia de 100 dB equivale a una amplificación lineal (de tensión) de 100.000.
290
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
A veces interesa saber la amplificación lineal (AV) o el valor de la señal de salida conociendo los dB, en este caso, se hace así:
Ejemplo 1. Si la ganancia son 40 dB, la ampli ficación lineal es:
2. Si la ganancia son 100 dB y la señal de entrada es de 100 V, ¿de qué valor será la tensión de salida?
16.3.4 G anancia de intensidad De la misma manera que existe ganancia de tensión, también existe ganancia de intensidad. Se puede obtener una intensidad de salida grande par tendo de una intensidad de entrada muy pequeña. Esto es así, por ejemplo, en los transistores (BJT); la pequeña intensidad de aplicada en la base (corriente de entrada) da lugar a una corriente de colector mucho mayor (corriente de salida). En general, la ganancia de intensidad es:
Siendo: IO = Intensidad de salida II = Intensidad de entrada En decibelios es:
encia 16.3.5 Ganancia de pot La ganancia de potencia aparece como consecuencia de una ampli ficación de tensión (GV) y de intensidad (GI). Como se sabe, potencia es: En general, la ganancia de potencia es la relación entre la potencia de salida ( PO) y la potencia de entrada (PI):
En decibelios, la fórmula es:
En la fórmula de los dB con potencias, en vez de multplicar por 20 el logaritmo se multplica por 10. Y como se puede comprobar, la ganancia de potencia también viene dada por el producto de las ganancias de tensión e intensidad:
291
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
Ejemplo Los valores de las ganancias de tensión, de intensidad y de potencia en el ampli ficador que se representa en la figura 16.4 son los siguientes: VO = 10 V
VI = 100 mV
II = 100 mA G
Amplificador
IO = 100 mA
Figura 16.4. Ganancia de tensión
Ganancia de intensidad
Ganancia de potencia
Potencia de entrada: Potencia de salida:
Que también se puede hallar así:
Y en dB, resulta:
Actividades de evaluac ión 1. Dar una explicación del concepto de dB, y explicar algunas de sus aplicaciones. 2. ¿Qué es un sonómetro? 3. ¿Qué representa la fórmula?. Explicar el significado de dBSPL.
292
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Actividades de evaluac ión 4. ¿De qué valor de presión es el umbral de audibilidad (PO)? ¿Y el valor máximo audible, el umbral de dolor? Expresar dichos valores en pascales y en dB SPL.
5. Calcular el valor en dBSPL corresponde a una presión sonora de 20 pascales. ¿Cómo se puede considerar dicho valor; un sonido bajo, alto o demasiado alto?
6. Si un sonómetro indica un valor de 90 dB, ¿cuál es valor de presión sonora (pascales) correspondiente? 7. Hallar el valor de la ganancia en dB de un amplificador, sabiendo que la señal de salida es de 20 V y la señal de entrada de 0,04 V.
8. Si un amplificador tene una ganancia 40 dB, ¿de qué valor es la amplificación lineal? 9. Si la ganancia del ampli ficador es de 100 dB y la señal de entrada es de 100 V, ¿de qué valor será la tensión de salida?
10. Si en un amplificador de potencia medimos en la entrada 200 mV y una corriente de 20 mA, y en la salida (altavoz) medimos una tensión de 20 V y una corriente de 5 A, calcular en dB: a) La ganancia de corriente b) La ganancia de tensión c) La ganancia de potencia
16.4
Características de un ampli ficador
16.4.1 Sensibilidad La sensibilidad de un ampli ficador nos da cuenta del nivel de señal necesario que se tene que aplicar en la entrada para obtener la potencia de salida máxima nominal. Por ejemplo, si un amplificador entrega una potencia de salida máxima de 20 W para una señal de entrada de 100 mV, la sensibilidad del ampli ficador es 100 mV (0,01 V); porque con este nivel de señal se ob tene el nivel máximo de salida. Si la señal de entrada fuera mayor a dicho valor (100 mV), la señal de salida tendería a recortarse en amplitud conforme la señal de entrada es mayor, hasta un cierto límite. O sea, aplicando una señal de entrada de forma senoidal, si su amplitud es demasiado elevada, puede ser que la señal de salida se deforme y parezca más bien una onda cuadrada. Cuando esto ocurre, aparece lo que se llama distorsión; el sonido cambia, si es música, se hace desagradable. Este tpo de distorsión es la más conocida, se llama distorsión armónica , y aparece cuando, por ejemplo, se aplica una fuente de señal demasiado alta (por ejemplo, la señal de un MP3 con volumen al máximo en la entrada phono de un ampli ficador). También se puede experimentar este tpo de distorsión poniendo a tope el volumen de un equipo de música; la distorsión aparecería debido a los altavoces, porque la fuente de alimentación no proporciona la suficiente potencia al amplificador, alinealidades en los circuitos de entrada, etc. Un valor normal de sensibilidad en ampli ficadores de sonido está entre unos 0,1 V a 1 V. Así, por ejemplo, si un amplificador de guitarra eléctrica tene una potencia nominal 100 W y su sensibilidad es 100 mV, quiere decir que aplicando en su entrada una señal de 100 mV (onda senoidal de f = 1000 Hz) la potencia de salida es 100 W. Con una señal de entrada menor a 100 mV se obtendría una potencia máxima menor a los 100 W, y con una señal de entrada mayor a 100 mV no aumentaría la potencia de salida y aparecería distorsión.
16.4.2 Impedancias de entrada y de salida En todos los amplificadores tenemos una estructura general que se representa en la figura 16.5, donde aparecen los conceptos de impedancia de entrada (ZI), impedancia de salida (ZO) y amplificación de tensión (AV).
293
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
Impedancia de entrada
Impedancia de salida Señal de salida VL = VO – IOZO
ZO
ZI Señal de entrada
Figura 16.5. Estructura que representa las tres características básicas de un amplificador.
16.4.2.1
V
RL
O
VO = VI AV
Impedanciade salida
La impedancia de salida equivale a la resistencia interna que aparece en todos los generadores de señal; se puede representar por la relación entre la variación de amplitud de la señal de salida y la variación de la corriente de salida:
Por ello, cuanto más baja sea la impedancia de salida, menor se verá afectada la tensión de salida cuando varíe la corriente de salida. Es el mismo concepto que la resistencia interna en los generadores de tensión. La impedancia de salida se puede ver como la resis tvidad interna de salida que presenta el amplificador, la cual queda en serie con la carga (por ejemplo, un altavoz). La impedancia de salida conviene pues que sea muy baja, para que no produzca perdida de señal de salida: Si la corriente de salida es cero (o muy baja) no se producirá caída de tensión en la salida y tendremos: VRL = VO = AV VI. Pero cuanto mayor sea la corriente de salida, mayor será la caída de tensión en la impedancia de salida; por ello, en los ampli ficadores (de tensión) conviene que la impedancia de salida sea todo lo baja posible (ZO ⇒ 0 ). 16.4.2.2
Impedancia de entrada
La impedancia de entrada es la resis tvidad que se encuentra la señal de entrada, debido a característcas internas del amplificador. En general es:
Como se deduce, cuanto más alta sea la ZI más baja será la corriente de entrada y menos se verá afectada la señal de entrada por la impedancia de entrada. Hay que tener en cuenta, que la señal de salida proviene de algún tpo de generador, que también tendrá su impedancia de salida (un micrófono, la señal de una antena, la señal de un instrumento generador de funciones, etc.). Esto es así en los ampli ficadores de tensión. Se puede dar el caso de un amplificador de corriente; en este caso interesaría que la impedancia de entrada sea baja. Idealmente, un amplificador debería tener una amplificación enorme (AV ⇒ ∞), una impedancia de entrada enorme (ZI ∞), lo cual daría lugar a una corriente de entrada nula, una impedancia de salida de Z = 0 , un ancho de banda infinito, y no O generaría ningún tpo de ruido ni distorsión. En la prác tca esto no es así, pero sus valores se pueden conseguir muy buenos, en especial en los ampli ficadores denominados de instrumentación. →
294
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Ejemplo Supongamos el amplificador representado en la figura 16.6.
II = 2
ΔIO = 0,5 A
A
RL
Amplificador
G VI = 100 mV (f = 1000 Hz )
ΔVO = 2 V Figura 16.6.
Si aplicando una señal de entrada de 100 mV la corriente de entrada es de 100 A, la impedancia de entrada será:
Y si se mide una variación en la tensión de salida de 2 V para una variación de la corriente de salida de 0.5 A, la impedancia de salida será:
16.4.3 Ancho de banda Ancho de banda, en general, se refiere a un cierto conjunto de frecuencias, que se encuentra entre dos frecuencias límites (– 3 dB). Por ejemplo, en audio frecuencias (sonido), el ancho de banda estándar va de 20 Hz a 20.000 Hz. La frecuencia mínima límite es 20 Hz, y la frecuencia máxima límite es 20.000 Hz; en ambas frecuencias, la atenuación máxima de la señal es – 3 dB con respecto a una frecuencia central de referencia. Un gráfico de este tpo se representa en la figura 16.7. dB 0 -3 Ancho de banda (Estándar en sonido)
20
Figura 16.7.
20.000
f(Hz)
Un amplificador tendría este ancho de banda si, dentro de ese grupo de frecuencias, la señal de salida no se atenúa más de 3 dB. Una respuesta plana sería la ideal, pero no es así; normalmente siempre existen variaciones dentro del ancho de banda (que no deben ser mayores de 3 dB). 295
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores En todo ancho de banda, siempre hay una frecuencia mínima límite en la cual la señal se atenúa 3 dB, cuya atenuación va en aumento conforme la frecuencia se va haciendo más baja. De la misma manera, también hay una frecuencia límite máxima en la cual la señal se atenúa 3 dB, y la atenuación es mayor conforme la frecuencia aumenta. En la figura 16.8 se representa una curva de respuesta frecuencial general, con un ancho de banda limitado por el conjunto de frecuencias entre f1 y f2. El nivel de señal dentro del ancho de banda, idealmente debería ser constante (respuesta plana); pero en la práctca pueden existr ciertas variaciones en la amplitud de señal (que no tenen que llegar a los 3 dB). dB
Respuesta real
Respuesta ideal
0 -3 Ancho de banda Figura 16.8. C urva d e respuesta, a ncho de b anda, de tipo g eneral.
f1
f2
f(Hz)
16.4.4 Distorsión Cuando se amplifica una señal, idealmente, la señal de salida (amplificada) tene que conservar las mismas característcas de la señal de entrada, en cuanto a frecuencia y forma de onda; todo cambio en la señal de salida, es distorsión. La distorsión se manifiesta como sonidos desagradables, y es srcinada por componentes de señal de salida que no forman parte de la señal de entrada. Así, el que la señal de salida no tenga exactamente la misma forma de onda que la señal de entrada (se diría que está deformada) hace que aparezcan una serie de señales (armónicos) que son los que hacen que el sonido sea diferente; hay distorsión. El espectro armónico de la señal de salida no sería igual al espectro armónico de la señal de entrada (la srcinal). En todo proceso de amplificación siempre se introduce algo de distorsión, que hay que procurar minimizar al máximo. 16.4.4.1
Dist orsión rmónic a a (THD)
La distorsión armónica es la más conocida, se representa por THD (Total Harmonic Distorsion). Se basa en la más o menos deformación de la forma de onda de la señal de salida con respecto a la señal de entrada, lo cual da lugar a que aparezcan señales con frecuencias no presentes en la señal de entrada. La distorsión armónica se expresa en porcentaje y viene dada por la fórmula:
Es una relación (porcentual) entre una suma de todos los armónicos que aparecen en la señal de salida con respecto a la seña pura (componente fundamental, A1). Las componentes frecuenciales creadas por el sistema de amplificación, son lo que se conoce por armónicos (frecuencias que son múltplo de la señal fundamental, A1). Así, tenemos que las amplitudes de los armónicos son: A2, A3, A4, … En los ampli ficadores de sonido de cierta calidad se consiguen valores de THD < 0,1 %. Pero también se pueden encontrar amplificadores con valores de 1 %. Es importante saber que la distorsión aumenta conforme aumenta la potencia de salida, por ello en los equipos de sonido suele darse el valor de la potencia de salida y también el valor de distorsión.
296
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Ejemplo: Esto significa que el amplificador entrega una potencia de 50 W, a un altavoz de Z = 4 , con una distorsión de THD = 0,2 % y la frecuencia de prueba es de f = 1 kHz (senoidal). Si la potencia de salida aumentara a 100 W, entonces podría ser que la distorsión fuera de THD = 0,4 %.
Actividades de evaluac ión 1. Explicar los conceptos de impedancia de entrada y de salida. ¿Cómo convienen que sean dichos valores en un amplificador de tensión?
2. Si en un amplificador se aplica una señal de entrada de 200 mV y se mide una corriente de entrada de 40 A, calcular el valor de la impedancia de entrada.
3. Calcular el valor de impedancia de salida, sabiendo que logrando una variación en la tensión de salida de 2 V la variación de la corriente de salida es de 0,5 A.
4. Representar el gráfico de ancho de banda estándar en sonido, con sus valores picos, y explicar (frecuencias límites, el significado de – 3dB, etc.).
5. ¿Qué es distorsión armónica?Explicar sus efectos en la práctca y por qué puede aparecer. ¿Cómo se representa, de qué valor suele ser?
16.5
fic adores básicos Circuitos ampli
Los amplificadores se realizan en base a los transistores, aunque es normal u tlizar los circuitos integrados; pero los circuitos integrados internamente también están basados en los transistores. Existen unos circuitos de ampli ficación fundamentales que se deben estudiar. El más representa tvo y básico es la etapa amplificadora en ficadora en base común (BC) y coemisor común (EC). También está la etapa ampli lector común (CC), cada uno de estos circuitos amplificadores posee característcas partculares que los hace apropiados para según qué aplicaciones. Por ejemplo, la etapa en emisor común es la de aplicación más general, y la más conocida, puede proporcionar una señal de salida con mucha ampli ficación, y amplifica tensión y corriente. En cambio la etapa en colector común proporciona sólo ampli ficación de corriente (VO = VI), pero tene muy alta impedancia de entrada y muy baja impedancia de salida, lo cual lo hace muy interesante en ciertas aplicaciones. Y la etapa en base común, sólo amplifica tensión y tene baja impedancia de entrada. Con estos circuitos básicos se puede obtener una alta ampli ficación, pero de baja potencia (el producto de salida P = V × I es bajo); son circuitos denominados de baja señal. Para obtener ciertas potencias de salida, se realizan circuitos más complejos, pero que también necesitan etapas amplificadoras básicas como la de emisor común.
16.5.1 Etapa ampli ficadora en emisor común (EC) En la figura 16.9 se muestra el circuito práctco de una etapa amplificadora en emisor común. Se basa en el transistor BC 547. La denominación de emisor comúnes porque, a efectos prác tcos de la señal, el emisor del transistor es como si estuviera conectado a masa (0 V), y entonces el emisor es común en la entrada y en la salida. Es importante saber que en la etapa amplificadora emisor común, la señal entra por la base y sale por el colector. Y esto no es siempre así en una etapa amplificadora a transistor. En las otras dos configuraciones, base común y colector común, es diferente. En base común, la señal entra por el emisor y sale por el colector; y la base es el terminal común, por eso se llama así. Y en la configuración colector común, la señal entra por la base y sale por emisor. En la figura 16.10 se muestran estos montajes. 297
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
+ 12 V
R1
RC
100 k
5k1 C2
C1
BC547
Señal (de V entrada )
Señal(Vde) salida
Ent
Sal
R2
RE
10 k
510 Ω 0V
Figura 16.9. C ircuito de una etapa ampli ficad ora en emisor común (EC ).
+ VCC
+ VCC
Base se común
Colector común R1
RC
Salida Entrada Salida
Entrada trada R2
RE
0 V (masa) Figura 16.10. C irc uitos de las c onfiguraciones base común y colector común.
0 V (masa)
La configuración en emisor común es fundamental en ampli ficación, es de aplicación general. Permite obtener una señal de salida con una amplitud mucho mayor que la entrada. Suele ser un circuito de entrada (donde se aplica la señal de entrada), con el cual se realiza la primera amplificación de la señal. En todo amplificador completo, por ejemplo, el de un equipo de música, existen internamente al menos tres partes: • Circuito de preamplificación (etapas de entrada) • Circuitos de filtro, controles de tono (ecualización) • Etapa de potencia (salida a los altavoces) Y, obviamente, además está la fuente de alimentación, que debe proporcionar el voltaje adecuado y con la suficiente corriente para que se obtenga la potencia de salida nominal; o sea, la fuente de alimentación determina la potencia máxima de salida del amplificador. fi pica en los circuitos de entrada del amLa fietapa ampli emisor común es llama pli cador; o sea,cadora formaen parte de lo que se preamplificación ( etapas previas). En la figura 16.11 se muestra su aplicación; en este ejemplo, la señal de entrada procede de una guitarra eléctrica.
298
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
+V
Etapa potencia
Figura 16.11.
16.5.1.2
El c irc uito en emisor común suele ser un circuito de entrada (preamplificación).
G ananc ia (amplificación)
En el circuito amplificador en emisor común, el valor de la ganancia (o factor de amplificación) viene dado aproximadamente por la relación entre el valor de la resistencia de colector y la resistencia de emisor:
Así, en el circuito de la figura 16.9, la ganancia es:
O sea, amplifica 10 veces la señal de entrada. Y esto en dB, es: La etapa en emisor común, se caracteriza también porque la señal de salida aparece invertda respecto a la señal de entrada; produce un desfase de 180°. Esto se representa en la figura 16.12; cuando la señal de entrada se encuentra en el pico negatvo, la señal de salida se encuentra en el pico positvo.
Señal de salida
Figura 16.12. Cuando en el circuito emisor común la señal de salida apa rece desfasada 180º respecto a la señal de entrada se produce una inversión de fase.
Señal de entrada 16.5.1.3
El condensador de emisor
En el circuito emisor común es muy normal encontrarse un condensador en paralelo con la resistencia de emisor (RE); en este caso, la ganancia de señal aumenta de una forma muy notable, aunque de la misma manera otras caracterís tcas empeoran (distorsión, impedancias de entrada y salida, etc.). En la figura 16.13 se muestra el circuito amplificador anterior (fig. 16.9) con el condensador de emisor.
299
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
+ 12 V
RC
R1
5k1
100 k
VEnt
C2
VS
C1
BC547
Figura 16.13. Poniendo un condensador (C E) en paralelo con la resistencia de emisor R(E), la gananc ia aumenta notablemente.
R2
10 k
RE
CE
510
Ω
En este caso, la fórmula de la ganancia queda modificada, ya que ahora la resistencia total que se encuentra el emisor a masa es la impedancia determinada por la capacidad del condensador CE, la resistencia RE y la resistencia interna dinámica de emisor. La resistencia interna dinámica de emisor, de forma resumida, viene dada aproximadamente por:
Esta es la resistencia que se encontraría el emisor hacia masa si no se pusiera la resistencia RE; en este caso, la ganancia vendría dada por:
Ejemplo Si la corriente de emisor es IE = 0,92 mA, el valor de dicha resistencia interna es:
Ahora el valor de la ganancia, en vez de 10, sería:
El aumento de la ganancia es muy notable; ha pasado de 10 (sin condensador) a 180. Pues esto es lo que puede pasar cuando se pone un condensador en paralelo con la resistencia de emisor, si la capacidad del condensador es lo suficiente elevada; si la reactancia del condensador es muy baja en comparación con la resistencia de emisor, la resistenciaRE es como si no estuviera de cara a la señal. Pero la resistencia RE debe estar porque ejerce su función de cara a la tensión contnua (polarización). Normalmente, se considera que la reactancia del condensador (a la frecuencia más baja del ancho de banda que se vaya a ampli ficar) sea menor al 10 % del valor de la resistencia de emisor. O sea:
300
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Ejemplo Si la frecuencia más baja del ancho de banda que se tene que amplificar es 50 Hz, y la resistencia de emisor es de 510 , entonces la capacidad del condensador debería ser de:
, que es 10 veces meUn condensador de esta capacidad, a la frecuencia de 50 Hz tendría una reactancia de 51 nor al valor de la resistencia de emisorR(E = 510 ). A frecuencias más altas, su reactancia aun sería más baja.
16.5.1.4
Impedancia de entrada
La impedancia de entrada total de este circuito, de cara a la señal de entrada, depende del circuito resistvo (R1 y R2) de polarización, de la resistencia interna de entrada del transistor, de la resistencia de emisor (RE), y de la capacidad del condensador de entrada. Su valor resultante característco es del orden de ZI = 50 k; la señal de entrada se puede encontrar pues un valor de impedancia de ese orden. 16.5.1.4.1
Resist encia interna de entrada del transis tor
Este concepto ya ha sido introducido anteriormente para hallar la ganancia cuando se pone condensador en paralelo con la resistencia de emisor. Es un factor muy importante de cara a la impedancia que se encuentra la señal de entrada; es la resistencia interna del transistor para pequeñas señales (se puede ver como una resistencia dinámica entre base–emisor). Su valor viene dado (para una temperatura de 25 °C) por:
Que también puede encontrarse así:
Ejemplo Si la corriente de emisor es IE = 0,92 mA, la resistencia de entrada es:
Esta sencilla fórmula se ob tene haciendo operaciones, arreglos y simpli ficaciones para T = 25 °C, con la fórmula deducida por Shockley (uno de los descubridores del transistor):
Si no se pone resistencia de emisor RE (emisor a masa), la impedancia de entrada del transistor de cara a la señal de entrada es: Y si se pone resistencia de emisor:
301
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
Ejemplo Suponiendo una β = 290 de un transistor BC 547 (que es un valor medido con el transistómetro de un tester), una corriente de emisor de IE = 1 mA y una resistencia de emisor de 510 , la impedancia de entrada es:
Así, en resumen, en un circuito como el que se vio de la figura 16.9, la impedancia total de entrada de cara a la señal, desde la base a masa, es el valor resultante del 1 R2 montaje paralelo de las resistencias , emisor). y la impedancia de entrada del transistor ZEnt (teniendo en cuenta la resistenciaR del
Como el paralelo de R1 y R2 es:
Y tenemos que: ZEnt = 155.440 , el valor de la impedancia de entrada total del circuito de la figura 16.9 es:
Se puede resumir todo esto a la fórmula:
La impedancia de entrada es el valor resultante del montaje paralelo de la resistencia interna de entrada del transistor con el paralelo de las resistencias R1 y R2. No se tene en cuenta la capacidad del condensador de entrada ( C1), cuyo valor se suele tomar para que su reactancia (XC) sea menor al 10 % de la ZEnt. 16.5.1.5
Impedanciade salida
La impedancia de salida de cara a la señal viene dada fundamentalmente por el valor de la resistencia de colector (RC); su valor depende pues del valor de dicha resistencia. En el caso del circuito que se vio en la figura 16.9, la impedancia de salida es de unos 5 k porque la resistencia de colector es RC = 5k1 . Así, un valor característco de la impedancia de salida de la etapa en emisor común es del orden de 5 k , aunque puede tomar otros valores según el valor de la resistencia de colector y también la impedancia de la carga ( ZL); su valor característco puede estar entre unos 470 a 10 k. 16.5.1.6
C ondensadoresde ac oplo de señal (entrada-salida)
Los condensadores C1 y C2 de circuito de la figura 16.14 (etapa en emisor común), son para el acoplo de la señal. Hay que tener en cuenta que en la base y en el colector hay tensiones fijas para la polarización del transistor.
302
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Figura 16.14.
En la entrada y salida se enc uentran unas tensiones fijas deb ido a la polarizac ión; los co ndensadores de ac oplo permiten aislar dichas tensiones de la señal.
Así, si conectáramos directamente por ejemplo un micrófono a la entrada (base del transistor) éste se vería afectado por la tensión contnua en la base (1,075 V). Asimismo, en la salida (colector) nos encontraríamos con la señal ampli ficada pero también con la tensión contnua de polarización (7,309 V). Pues para aislar de la señal dichas tensiones de polarización se utlizan unos condensadores, que se llaman condensadores de acoplo. El condensador permite conectar la señal de entrada o disponer la señal de salida sin que se encuentren las tensiones fija de la polarización. En la figura 16.15 se muestra la pantalla de osciloscopio (de Multsim), donde se observa cómo las señales de entrada y salida no tenen componente contnua (el valor medio es 0 V). La señal de entrada es de 100 m VP f = 1000 Hz, y la señal de salida es de casi 1 VP (la ganancia del circuito es de aproximadamente 10).
Señal de entrada (100 mVP)
Señal de salida (≈ 1 VP)
Figura 16.15. Señales de entrada y salida; su valor medio es 0 V (no tienen c omponente c ontinua) grac ias a los co ndensadores de ac oplo.
Entrada
16.5.1.6.1
Salida
Cálculo de los condensadores de acoplo
Condensador de entrada La capacidad del condensador de entrada se toma para que su reactancia sea igual 303
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores o menor a un 10 % de la resistencia total de entrada, a la frecuencia más baja del ancho de banda que se vaya a ampli ficar:
Ejemplo Suponiendo una impedancia de entrada de ZEnt = 10 k y la frecuencia más baja del ancho de banda f = 50 HZ, la capacidad del condensador de acoplo de entrada debería ser de:
Que se puede tomar del valor normalizado de 3,3 F.
C ondensador de salida En el caso del condensador de acoplo de salida, todo es similar. El valor del condensador se toma para que su reactancia a la frecuencia más baja sea un 10 % de la resistencia que se encuentre en la salida (la carga, RL), que podría perfectamente la impedancia de entrada de otra etapa amplificadora:
Ejemplo Si la señal de salida de la etapa amplificadora se conecta, por ejemplo, a la entrada de otra etapa amplificadora cuya impedancia de entrada es 47 k (lo cual se comporta como resistencia de carga, RL) y la frecuencia más baja es f = 50 Hz, la capacidad del condensador de salida debería ser:
Que se puede tomar del valor normalizado de 680 nF.
Actividades de evaluac ión 1. Calcular el valor de la resistencia interna de emisor ( re) de un transistor BC 547, sabiendo que la corriente de emisor es IE = 0,98 mA.
2. Explicar la función de los condensadores de acoplo de entrada y salida en los circuitos amplificadores (fig. 16.13).
3. Suponiendo que en una etapa emisor común la impedancia de entrada es de
ZEnt = 10 k y la frecuencia más baja que se tene que amplificar es de f = 100 HZ, calcular la capacidad del condensador de acoplo de entrada (CEnt).
4. Dar una explicación diferencial entre lo que son las tensiones y corrientes de polarización del circuito y el concepto de señal.
5. En base al circuito de la figura 16.9, suponiendo que la beta del transistor sea de β = 310, si la corriente de emisor es de IE = 1 mA y la resistencia de emisor es de 470 , calcular el valor de la impedancia de entrada (ZEnt).
6. En base al circuito amplificador de la figura 16.14, calcular: a) La ganancia en dB
304
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Actividades de evaluac ión b) La impedancia de entrada (ZIN) c) La corriente de colector d) La tensión en la resistencia de emisor (R4)
7. Según la información que se observa en la pantalla de osciloscopio representada en la figura 16.15, hallar los valores eficaces (rms) de las señales, su frecuencia y la ampli ficación del circuito (fig. 16.14). ¿Existe desfase entre las señales de entrada y salida? ¿Por qué? Explicar.
8. Explicar la función que realiza el condensador en paralelo con la resistencia de emisor. Si en el circuito de la figura 16.14 se pone un condensador en paralelo con la
resistencia de emisor (R4), ¿cómo afectaría esto en la ganancia del circuito? ¿De qué valor (aproximado) debería ser la capacidad de dicho condensador (si la fi
frecuencia más baja a ampli car es de 100 Hz)?
16.6
Amplific ac ión multietapa
Normalmente para conseguir una cierta amplificación se necesitan varias etapas de amplificación. Por ejemplo, en un equipo de música, siempre hace falta una amplificación previa de la señal de entrada (señal de radio, CD, etc.), esto se llama preamplificación, y después una etapa de salida (también llamada etapa de potencia) que actva el altavoz. En total, se ob tene una cierta potencia de salida, que se encargará de transformar en sonido el altavoz. Un ejemplo se muestra en la figura 16.16; son tres etapas amplificadoras, de diferentes ganancias.
V2 = 0,5 V
VS = 0,01 V
V1 = 0,05 V
Z= 4
VE = 0,01 V
Ω
I =5A S
Figura 16.16. Tres etap as amplifica doras en cascada.
16.6.1 Etapa de salida (potencia) La últma etapa, la que actva el altavoz, sería la de potencia. Esta etapa, tene que amplificar la tensión y la corriente de su señal de entrada (V2); o sea, realiza una amplificación de potencia, para que el altavoz reciba la energía necesaria para emitr energía sonora. En este caso, la etapa de salida recibe una señal de entrada de 0,5 V y entrega al altavoz una tensión de 20 V con una corriente de 5 A; esto signi fica una potencia de salida de: La potencia de salida también se puede hallar de otras maneras:
305
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
16.6.2 Etapas preampli ficadoras Los 0,5 V de señal de entrada de la etapa de potencia se consiguen mediante dos etapas amplificadoras previas, partendo de una señal de entrada de VE = 0,01 V = 10 mV. La primera etapa recibe la señal de entrada de 0,01 V y proporciona una señal de salida de V1 = 0,05 V, por lo cual su ganancia es:
La segunda etapa:
Y la etapa de salida (potencia):
La ganancia total del amplificador (las tres etapas) es: Que también se puede hallar así:
Y la ganancia total en dB es: Que también se puede hallar de esta otra manera:
16.6.3
Circuito práctico de doble etapa amplificadora
Un circuito práctco de dos etapas amplificadoras conectadas en cascada se muestra en la figura 16.17; la señal amplificada de la primera etapa se aplica a la entrada de la siguiente etapa. Cada etapa amplificadora tene una ganancia de aproximadamente de 10 (en la prác tca, según medidas, resulta más baja). La ganancia (lineal) total de las dos etapas es el producto de las dos ganancias, como se deduce:
En dB, la ganancia total es la suma de las ganancias de cada etapa: Esto es por la propiedad de los logaritmos; los productos se transforman en sumas. Así se ha visto anteriormente en el ampli ficador de tres etapas (16.15). Si la ganancia de cada etapa es 10, tenemos: Ganancia total (lineal)
La señal de salida (VS2) será 100 veces mayor que la señal de entrada. Ganancia total en dB
Como la ganancia en dB de cada etapa es:
La ganancia total es:
306
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
El condensador C2 es el de acoplo de la señal de salida de la primera etapa a la siguiente etapa. Este condensador resulta imprescindible, ya que en el colector del transistor Q1 se encuentra una tensión con tnua de unos 6 V, y de forma superpuesta está la señal amplificada; el condensador acopla la señal de salida de Q1 a la base del transistor Q2 aislando la componente contnua; o sea, la base de Q2 sólo recibe la señal de Q1.
Figura 16.17. C irc uito de d os etapas amplificadoras.
Figura 16.18. Experimentación del circuito amplifica dor con señal.
Podemos experimentar este circuito, preamplificador de dos etapas, muy fácilmente mediante el programa Multsim. En la figura 16.18 se muestra la conexión del generador de señal y osciloscopio. El generador se ha ajustado apara una señal senoidal de f = 1kHz y una amplitud de 100 mV.
Las señales que se ob tenen a través del osciloscopio se representan en la figura 16.19. Como se observa, en este caso no existe desfase de la señal de salida con respecto a la señal de entrada; la señal de salida está en fase con la señal de entrada. Esto es debido a que, como cada etapa produce un desfase de 180°, el desfase total es 360°, que equivale 0°. 307
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
Figura 16.19. Señales de entrada y salida de c irc uito amplificador; como se observa, no existe desfase entre las señales de entrad a y salida.
Actividades de evaluac ión 1. En un equipo ampli ficador completo, explicar la función que realizan las
etapas preampli ficadoras y la etapa de potencia . Representar la estructura de un ampli ficador completo, la interconexión de las etapas
hasta llegar al altavoz.
2. Si en el amplificador se sabe que la señal de entrada (por ejemplo, de un micrófono) es de 100 mV y la señal de salida de la etapa de potencia (la que recibe el altavoz) es de 30 V, calcular: a) La ganancia total en dB del amplificador. b) Si la impedancia del altavoz es de Z = 4 , calcular la potencia que recibirá el altavoz. c) De qué valor será la corriente de salida de la etapa de potencia. d) Si la etapa de potencia necesita una señal de entrada de 300 mV para proporcionar el valor máximo de ficador (del micrófono) es de 100 mV, hallar el valor de potencia denecesaria salida, y ladel señal de entrada al ampli la ganancia circuito preampli ficador.
3. Si en un circuito preamplificador de tres etapas en cascada, las ganancias de cada etapa son G1 = 20, G2 = 10, G3 = 5; hallar el valor de ganancia total en dB. En este circuito, ¿existrá desfase entre la señal de entrada y
la de salida? Razonar.
4. Explicar por qué en el circuito de la figura 16.18 no existe desfase entre la señal de salida y la señal de entrada, según se observa en la pantalla de osciloscopio representada en la figura 16.19.
16.7
Polarizac ión básica de una etapa amplific adora (EC ). Anális is prác tico
El circuito de la figura 16.20 es la expresión mínima de una etapa ampli ficadora en emisor común. Para que resulte adecuado para la ampli ficación de señales analógicas, se necesita que el transistor esté polarizado en la zona ac tva, para que opere de forma lineal. Para conseguiré esto, se parte de la base de que la tensión entre colector y emisor sea lo más aproximado a la mitad de la tensión de alimentación (VCC).
308
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
IC = IB β
RC = 2k7 VCC = 10 V IB 5,1 V RB = 1 MΩ BC 547A IE = IB + IC
Figura 16.20. C ircuito elemental de polarización en emisor común.
Así, en este circuito, puesto que VCC = 10 V, se debería conseguir que:
De esta manera, la amplitud máxima de la señal de salida podría variar entre unos valores próximos a 0 V y VCC = 10 V; o sea, se podría obtener una onda senoidal de salida de unos 10 VPP. Si se supera un cierto nivel de señal de entrada, se empieza a producir saturación; como la señal de salida no podría aumentar más de 10 VPP, aparecería recorte en los picos de la señal de salida y esto daría lugar a distorsión armónica. Si el circuito está bien polarizado, centrado en VCE = 0,5 VCC, el recorte sería igual tanto en los picos posi tvos como negatvos; de lo contrario, puede aparecer mayor corte de señal en un pico que en el otro. El cálculo básico de este circuito es:
Y las medidas efectuadas en laboratorio han dado los siguientes valores: Valores muy aproximados a los calculados.
16.7.1 Recta de carga En la figura 16.21 se muestra un gráfico que se conoce por recta de carga. Representa de forma gráfica la situación del punto de reposo de la polarización; los valores de IC y VCE para una cierta corriente de base. Y de aquí se puede deducir el margen de variación de IC y VCE. Al aplicar una señal de entrada, se modifica el valor de corriente de base y en consecuencia también de colector; pero, en cualquier caso, los valores máximos de I deben estar por debajo de los límites I = 0 y I , para evitar que la C C(máx.) señal de salida quede recortada y aparezca distorsión.C
309
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
IC
IB =
9 μA
IC = 1,7 mA
Figura 16.21.
VCC = 10 V
G rá fico conocido por recta de c arga; representa el estad o d e po larizac ión del c irc uito.
VCE = 5,1 V
VCE(máx.)
VCE
Actividades pr ácticas Análisis práctco del circuito siguiente ( figura 16.22): + VCC = 10 V RC 2k7 100 KΩ
RC 22 k
IC
BC 547A IB
Ajuste corrient e de base Figura 16.22.
Proceso operativo: En primer lugar, hallar, medir, el valor deβ del transistor. Ajustar para que VCE = 5 V y medir la corriente de colector (IC) y la corriente de base (IB). La β será:
Calcular: 1. El valor máximo de corriente de colector que se podría dar 2. Los valores mínimo y máximo de VCE 3. Los valores de corriente de base que harían que VCE = 1 V y VCE = 9 V Montaje y medidas: Montar el circuito y hacer las medidas de IC y V CE para el valor de corriente de base IB que haga que VCE = 0,5 VCC, y también para los valores de IB calculados que hace que: VCE = 1 V y VCE = 9 V. Representar la recta de carga con los valores hallados. Razonar todos los resultados.
310
Unidad 16 · Introducción a los ampli
16.8
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Experimentación de los estados lineal , corte y saturac ión
Por medio de un circuito muy simple ( figura 16.23) se pueden estudiar y experimentar los estados lineal, corte y saturación del transistor. • El estado de polarización lineal es el que tene que tener un circuito para amplificar señales analógicas de audio (voz, música). • El estado de corte y saturación se da en los circuitos que operan en conmutación (por ejemplo, para actvar relés, LEDs, circuitos digitales, etc.). El montaje que nos permite experimentar todo esto se muestra en la figura 16.23. Es un circuito muy simple. Se basa en el ajuste de la corriente de base por medio de un potenciómetro; según el valor de la corriente de base, el punto de polarización puede ser para operar de forma lineal, o bien se puede poner el circuito en estado de corte o saturación. El diodo LED es para visualizar el estado del circuito; sólo se apagará cuando el transistor este en corte. VCC = 12 V
RC = 470Ω 100 KΩ
RB = 12 KΩ BC 547A
Figura 16.23. Circuito para experimentar los diferentes estados de polarización.
Ajuste polariza ción
16.8.1 Ajuste en zona lineal El ajuste para que el circuito opere en la zona lineal, como debe ser para amplificar, tpo música, se consigue ajustando el potenciómetro de mapor señalesentre neraejemplo, que la tensión colector y emisor (VCE) sea aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación (VCC). En la figura 16.24 se representa dicho estado; se ha conseguido para una corriente de base de 0,046 mA, lo cual da lugar a una corriente de colector de 9,65 mA y una tensión de colector de 5,8 V. Se ha experimentado mediante el programa Multsim.
Figura 16.24. C irc uito ajustado para que ope re de forma lineal. 311
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores Mediante cálculo, considerando 2 V para el LED, la corriente de colector es:
Y el valor de la ganancia (β) que s deduce es:
Los valores máximos de IC y VCE que se pueden dar son: Corriente de colector máxima (para VCE = 0 V)
O sea, para IC = 0,021 A, considerando VLED = 2 V, la tensiónVCE es casi 0 V: Tensión en la resistencia de colector ( RC) Tensión entre colector emisor ( VCE) La tensión colector-emisor máxima, como se deduce; se dará para IC = 0; y se aproximará al valor de la tensión de alimentación (VCC) La recta de carga del circuito, la representación gráfica de su estado de polarización, se muestra en la figura 16.25. Las variaciones que se pueden dar en la corriente de colector y tensión VCE (debido a la señal de entrada) son muy simétricas respecto al punto de reposo, como debe ser en una polarización lineal. IC
IB =
46 μA
IC = 9,6 mA
Figura 16.25. Grá fico recta de carga del c irc uito en ope rac ión lineal.
VCE = 5,8 V
VCC = 12 V
VCE
16.8.2 Ajuste para estado de saturación El ajuste para que el circuito se encuentre en estado de saturación se consigue haciendo que la corriente de base sea de un valor tal que la tensión colector emisor sea VCE ≈ 0 V; a partr de un cierto valor de corriente de base, aunque se aumente dicha corriente, la corriente de colector ya no aumenta y la tensión VCE tampoco disminuye más. Este es el estado de saturación. Los valores obtenidos son los que se muestran en el circuito de la figura 16.26.
312
Unidad 16 · Introducción a los ampli
ficadores. Circuitos práctcos con
transistores
Figura 16.26. C irc uito ajustado para e stado de saturac ión.
16.8.3 Ajuste para estado de corte El ajuste para conseguir el estado de corte se consigue para una corriente de base igual a cero (IB = 0); esto hace que IC = 0 y también que VCE ≈ VCC. En la figura 16.27 se muestra el circuito con los valores hallados. Obviamente, el LED se encontrará apagado (aunque circulará una muy débil corriente debido al volmetro).
Figura 16.27. C irc uito ajustado para e stado de c orte.
Actividadesfinales 1. Explicar con ejemplos, algunas aplicaciones donde se necesite que los circuitos tengan que operar de forma lineal y aplicaciones donde tengan que operar en conmutación.
2. Dibujar un esquema como el presentado en la figura 16.20, pero con una alimentación de VCC = 15 V. • Calcular:el valor de la resistencia de base ( RB) para que el transistor opere de forma lineal. La ganancia del transistor es β = 200 y la resistencia de colector RC = 2k2. fico recta de carga • Dibujar el grá , con los valores hallados.
313
Unidad 16 · Introducción a los ampli ficadores. Circuitos práctcos con transistores
Actividadesfinales • Realizar el montaje y verificar los resultados. Experimentar también mediante el programa Multsim, y comparar resultados.
3. Mediante Multsim, experimentar los estados de corte, saturación y polarización lineal en base al circuito de la figura 16.24. Anotar los resultados obtenidos, y representarlos de forma gráfica (recta de carga).
4. Calcular y experimentar mediante el programa Multsim, el circuito preampli ficador de tres etapas que se muestra en la figura 16.28. Proceso:
• Según los valores de los componentes, hallar la ganancia de cada etapa y la ganancia total del circuito; resultados dB.para una onda senoidal de frecuencia f = 1 kHz y amplitud 10 m V . • expresar Ajustar ellos generador deen señal PP • Mediante el osciloscopio, medir la ganancia de cada etapa y la ganancia total de las tres etapas. Comparar los resultados medidos con los calculados, y razonar las posibles diferencias. • Hacer las medidas de ganancia ahora con una frecuencia de f = 20 kHz, y anotar las posibles diferencias; razonar los resultados.
Figura 16.28.
314
Unidad 17Introducción a los circuitos
integrados (CI). Generador de señales 555
Objetivos: Introducirse en el imprescindible tema de loscirc uitos integrados, sus conc eptos básic os y aplic ac iones. Para ello nos basaremos en un circuito integrado muy popular y versátil; el 555. Este es un circuito integrad o muy barato que permite diversas aplicaciones senc illas, que se basan en la generación de señales. Sus ap lic ac iones bá sicas son c omo temporizad or y generador de ondas.
En este capítulo: 17.1 Introducc ión a los c irc uitos integrados.
17.5
El 555 c omo monoestable. Temporizad or.
17.6 17.7
C irc uito prác tic o temporizador. Sirena electrónica ba sad a
17.2 El c irc uito integrado 555: G ene ra do r de señales.
17.3 C irc uito prác tic o generador de señales (clock) con el 555. 17.4 C irc uito prác tic o generad or de onda s asimétricas.
en el CI 555.
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
Recuerda
• • •
El decibelio (dB) es una unidad de medida logarítmica, normalmente utilizada para expresar ganancias o atenuac iones de señal. Con potencias ( W ):
dB = 10 log W2/ W1 C on tensiones (V ):
dB = 20 log V 2/ V 1
17.1
Introducción a los circuitos integrados
Cuando en un mismo proceso de fabricación se construyen los componentes debidamente interconectados para formar circuitos completos para realizar una cierta función, aparece lo que se denominan: circuitos integrados (CI), también conocidos por chips. Así, existen circuitos integrados que pueden ser ampli ficadores de sonido, fuentes de tensión reguladas, circuitos especí ficos de radio y TV, memorias RAM, microprocesadores, etc. El circuito integrado se construye en base a un soporte de material semiconductor (llamado sustrato), donde se forman todos los componentes a la vez (en el mismo proceso de fabricación) de un determinado circuito completo ( figura 17.1). Las dimensiones del sustrato, el chip, son de entre unos 2 mm 2 (CI de baja escala de inte2
gración) y unos pocos cm (en CI de muy alta escala de integración). Externamente sus dimensiones son mucho mayores porque tenen que resultar manejables y estar protegidos; de ahí que, por ejemplo, un microprocesador puede tener unas dimensiones de unos 4x4 cm y en cambio el chip sólo es de alrededor de 1 cm. Los primeros trabajos sobre circuitos integrados fueron obra de J. Kilby ( Texas instruments) y R. Noyce (Fairchild) que, alrededor de 1959, diseñaron lo que se dio a conocer por circuito integrado. El primer modelo comercial lo saco Fairchild en 1961; un circuito biestable, compuesto por 4 transistores y 4 resistencias.
Chip: Base de silicio donde pueden haber miles de componentes electrónicos (en unos pocos mm 2) interconectados, formando un circuito completo (por ejemplo, un amplificador).
Figura 17.1. Representac ión de un tipo de c ircuit o int eg rado (C I) de los más populares (DIL 14, tiene 14 patillas).
1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
En la actualidad pueden integrarse hasta decenas de millones de componentes en una superficie de unos pocos cenmetros, es el caso, por ejemplo, de los microprocesadores(CPU de ordenadores Pentum IV, AMD Athlon, Intel Core duo… ). Otros circuitos integrados muy u tlizados son los amplificadores de sonido, circuitos de radio y TV, memorias RAM, microcontroladores PIC, etc. En la figura 17.2 se muestra el aspecto real de un circuito integrado de los más populares (DIL 14), con visión de su estructura interna. Se puede decir que la electrónica moderna está basada en los chips, que son consecuencia de los incesantes avances que se producen en la tecnología de los semiconductores, lo que ha dado lugar a una espectacular miniaturización de los componentes. Tiene que quedar claro, que el soporte de la electrónica moderna son los materiales semiconductores (en especial, el silicio). Y todo ello ha sido posible gracias a las investgaciones que llevaron a cabo, alrededor de 1948 (en los laboratorios Bell de Estados unidos) los cienficos Bardeen, Braain y Shockley, que les llevó al descubrimiento del transistor; el componente fundamental de la electrónica.
316
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
Chip
Figura 17.2. Aspec to real de un c irc uito integrado de 14 patillas (DIL 14) y una visión de su estructura interna.
Como ejemplo de la complejidad y tpo de componentes que normalmente se integran para formar los circuitos, en la figura 17.3 se muestra el esquema interno del circuito integrado 556, que contene dos temporizadores 555 (un CI que se explicará a contnuación). Como se puede observar, en el esquema sólo aparecen transistores, diodos y resistencias; los tres tpos de componentes que normalmente prefieren integrar los fabricantes (por cues tones de tecnología), ya que son los que ocupan menos espacio, los que mejor se integran.
Figura 17.3. C irc uito interno del c irc uito integrado 556.
Actividades propuestas 1. Explicar qué se entende por CI. Poner algunos ejemplos de modelos de aplicación comerciales. 2. Dibujar un formato de CI tpo DIL y representar el chip con su conexionado a las patllas externas. 3. ¿Qué es el sustrato? ¿Con qué material base se realiza? ¿De qué orden pueden ser sus medidas? 4. Observar el esquema interno del CI 556 (fig. 17.3). ¿Por qué en el circuito hay mayormente componentes semiconductores? (No hay condensadores, ni bobinas…)
17.2
El circ uito integrado 555: Generador de señales
El 555 es un circuito integrado muy popular, dada su versa tlidad como generador de señales. Mediante unos pocos componentes externos, permite eficaces aplica317
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 ciones, básicamente, como generador de impulsos(clock) y como monoestable (temporizador). Puede funcionar con una tensión de alimentación entre unos 4,5 y 18 V y tene una alta cargabilidad de salida (puede proporcionar una corriente de salida de 200 mA).
erna funcional 17.2.1 Estructura int En la figura 17.4 se representa su estructura interna y del patllaje del CI en su versión más popular (DIL de 8 patllas). Se basa en dos comparadores de tensión, un biestable, un transistor y la etapa de salida. Un divisor resistvo, compuesto por las tres resistencias R (de 5 KΩ), produce dos tensiones de referencia: V1 = 1/3 VCC y V2 = 2/3 VCC. Estas tensiones consttuyen las tensiones de comparación de los comparadores. Los dos comparadores controlan el estado del biestable SR y en consecuencia el estado de la salida (patlla 3). 17.2.2 Funciones básicas de sus patillas Las funciones básicas que se deben conocer para saber diseñar o comprender aplicaciones con el 555 son, de una forma resumida: Tensión umbral (patlla 6):
Cuando la tensión umbral(patlla 6) supera 2/3 de la tensión de alimentación (VCC), las patllas 3 (salida) y 7 (descarga) se ponen a 0 V (masa).
Tensión de disparo (patlla 2):
Cuando la tensión en la patlla 2 desciende por debajo de 1/3 de VCC, la salida (patlla 3) se pone a nivel alto ( ≅ VCC) y se bloquea el transistor de descarga (la patlla 7 se pone en estado de alta impedancia, colector abierto).
Reset(patlla 4):
Cuando se actva el reset (la patlla 4 se poner a 0 V), la salida (patlla 3) pasa a nivel bajo (0 V) y se satura el transistor de descarga (patlla 7 queda a masa):
Tensión de control (patlla 5):
Esta entrada permite modificar los niveles de tensión de referencia, aplicando una tensión externa. Tiene utlidad para hacer modulaciones, controles de frecuencia por tensión. Cuando no se u tliza, esta entrada se desacopla a masa por medio de un condensador picamente de 100 nF.
318
GND
1
8
+ VCC
Disparo
2
7
Descarga
Salida
3
6
Umbral
Reset
4
5
Control
555
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
+ VCC
8
R Umbral Control
6 5
R Disparo
Comparador 2
V2
2
Buffer
R Comparador 1
S
V1
Q Biestable
3 Salida
Q
CL
R Descarga
7
Transistor de descarga
Figura 17.4. Estructura interna y patillaje del 555.
1
4
GND
Reset
Para el montaje de sus dos aplicaciones básicas (generador de señales y temporizador) sólo se necesitan conectar dos resistencias y dos condensadores en las pa tllas correspondientes, como se verá más adelante. Además de sus dos aplicaciones básicas, se pueden realizar muchas otras; pero todas se basan en su con figuración básica; son variantes de los montajes básicos, con añadidos de otros circuitos. Su aspecto real es según se muestra en la foto de la figura 17.5; es un CI de 8 patllas, y también existe en versión doble (dos circuitos) en un formato de CI de 14 pa tllas (se llama 556).
Figura 17.5. Aspec to real de un c irc uito integrado 555.
La información del fabricante es como se representa en la figura 17.6, que se corresponde con la representación que se ha puesto en la figura 17.4. GND
Figura 17.6. Estructura de patillaje del 555 (co mo lo representa el fabric ante).
VCC
TRIGGER
DISCHARGE
OUTPUT
THRESHOLD
RESET
CONTROL VOLTAGE
Actividades propuestas 1. ¿Qué funciones básicas realiza el CI 555? ¿Con qué tensión de alimentación puede funcionar, y qué corriente de salida puede entregar?
2. ¿En qué circuitos fundamentales se basa el circuito interno del CI 555? Explicar y representar la estructura interna.
3. Explicar las funciones de las patllas disparo (trigger), umbral (Threshold) y Reset.
319
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
17.3
Montaje como generador de señales (clock) del 555
+ VCC
RA
CI 555
8
RB 6
Salida
5
Q R Biestable
2
S
CL
3
Q
7
100 nF
C 1
4
+ VCC Figura 17.7.
Según el conexionado exterior de las pa tllas, se obtenen diferentes aplicaciones. En la figura 17.7 se muestra la configuración conocida como astable; que es un generador de señales, ondas tpo cuadrada, que puede ser de diferentes frecuencias y ciclo de trabajo (según los valores de unas resistencias y un condensador). La señal
Montaje d el 555 c omo generad or de señales de clock.
generada tene utlidad como clock en circuitos digitales, señal de sonido, impulsos indicadores de estado, etc.
17.3.1
Diagrama de ondas + VCC
Salida (Palla 3) 0
2/3 VCC (tensión umbral)
Tensión en el condensador (Pallas 2 y 6)
1/3 VCC (tensión disparo)
0
t
t
d
c
T Figura 17.7. Montaje de l 555 co mo generad or de señales de cloc k. 320
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 En la figura 17.8 se representa el diagrama de ondas que ilustra el funcionamiento de esta configuración de circuito. La carga del condensador (C) es través de las resistencias RA + RB y su descarga sólo a través de la resistencia RB (que se hace a masa a través del transistor interno), por lo cual las constantes de tempo de carga y descarga, en principio, son diferentes; la onda generada es asimétrica (el nivel bajo dura menos tempo que el nivel alto). Obviamente, en el condensador se encuentra una señal en diente de sierra, como consecuencia de su carga-descarga.
17.3.2 Funcionamiento del circuito El funcionamiento básico del circuito se deduce del diagrama de ondas. Cuando la tensión en el condensador (C) llega a 2/3 VCC, se actva la señal umbral (patlla 6) y esto hace que la salida (patlla 3) pasa a nivel bajo (0 V); en ese instante, se satura el transistor y el condensador inicia su descarga (a través de RB). Cuando la tensión en el condensador, en su descarga, llega a 1/3 VCC, se actva la señal de disparo (patlla 2); entonces, la salida cambia a nivel alto ( VCC), el transistor pasa a estado de corte y el condensador vuelve a cargarse. Este proceso se va repitendo periódicamente, y los tempos de carga-descarga dependen de los valores de RA, RB y C. Se puede obtener una onda de salida casi simétrica haciendo RB muy grande respecto a RA, por ejemplo, si RB ≈ 100 RA. De esta manera, los tempos de carga-descarga no dependen casi de RA. El tempo del nivel alto de la señal de salida ( t1), que corresponde con el de carga del condensador, desde 1/3 hasta 2/3 de VCC, viene dado por:
Y el tempo del nivel bajo de la señal de salida (t0), que corresponde al de descarga del condensador desde 2/3 de VCC a 1/3 de VCC, es: Se deduce así que la fórmula de la frecuencia es:
A contnuación se explican algunos ejemplos de aplicaciones práctcas de las configuraciones básicas del 555, con los cálculos práctcos mínimos necesarios.
17.4
Circuito práctico generador de ondas asimétricas
Dados los valores del circuito de la figura 17.9, calcular la frecuencia de la señal de salida.
Puesto que los valores son todos conocidos, tenemos: Cálculo de los tempos de nivel bajo (t0) y nivel alto (t1) de la onda de salida:
Al ser los tempos de nivel alto y nivel bajo diferentes, la señal generada es asimétrica, y su frecuencia será:
321
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
+ VCC
t1 10 k
RA
4
8
7
10 k
555
RB
5 2
Figura 17.9.
1
100 nF
C 10 nF
17.4.1
0
t0
3
6
C ircuito p rác tic o del 555 co mo generado r de ondas asimétricas.
+ VCC
Generador de ondas simétricas def ≅ 1 Hz
Dados los valores RA = 1 k, RB = 100 k, calcular el valor del condensador (C) para que la frecuencia sea de 1Hz.
A partr de la fórmula de la frecuencia, se deduce el valor del condensador:
Que se pondría del valor normalizado de 6,8 F. En este caso, al ser el valor de RB (100 k) mucho mayor que el de RA (1 k), la onda generada es práctcamente simétrica; o sea, los tempos de nivel alto (t1) y nivel bajo (t ) son iguales: 2
El circuito práctco resultante se muestra en la figura 17.10. + 12 V
1k 1 2 3 4
8
555
7 6
100 k
5
f = 1Hz Salida
100 nF
Figura 17.10. C ircuito p rác tic o del 555 co mo generado r de ondas simétricas de frecuencia 1 Hz.
322
6,8 µF 16 V
0V
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 Se puede hacer una variación en el montaje y poner dos diodos LED, de manera que cuando uno se encienda el otro se apague; una especie de intermitente con una secuencia de, aproximadamente, 1 segundo. El montaje se muestra en fi lagura 17.11. + 12 V
1k 1
8
2
7
3
555
LED 1
6
4
560
100 k
5
f = 1Hz 560 100 nF
Figura 17.11.
6,8 µF 16 V
LED 2
Circuito práctico del 555 como señalizad or intermitente.
0V
Actividades de evaluac ión 1. Explicar algunas aplicaciones del montaje en modo astable, generador de señales (clock) del 555. 2. Dibujar el esquema básico de conexionado para que el 555 funcione en modo estable. 3. Indicar la expresión de la potencia eléctrica, y su unidad de medida. 4. Explicar el diagrama de ondas representado en la figura 17.8. 5. Hallar el valor del condensador C para que la frecuencia generada sea de 1000 Hz. 6. En el circuito de la figura 17.11, calcular el valor de corriente a través de los LED. Calcular el valor del condensador para que la frecuencia de la onda de salida sea de 5 Hz.
Actividades prácticas Realizar el montaje del circuito generador de señales (astable)figura de la 17.11, y hacer las medidas de:
• Corriente en los diodos LED. • Con osciloscopio, medir los niveles de señal de salida (patlla 3) y la frecuencia.
17.5
Montaje del CI 555 como monoestable. Temporizador
La aplicación característca y más popular del circuito integrado 555 es como monoestable, un circuito temporizador. El montaje se basa en la configuración general que se representa en la figura 17.12. La salida está normalmente en estado bajo (0 V), estado estable. Y cuando se aplica un impulso de nivel bajo a la pa tlla 2 (se pone a 0 V), la salida cambia de estado y se pone a nivel alto (+ VCC); y permanece en dicho estado sólo un determinado tempo, después vuelve a nivel bajo. El tempo que la salida permanece en estado alto depende del valor de una resistencia ( R) y de un condensador (C). 323
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
17.5.1 Funcionamiento del circuito Su funcionamiento da lugar al diagrama de ondas representado en la figura 17.13. Inicialmente, en reposo (estado estable), el condensador (C) se encuentra descargado y la salida (patlla 3) está a nivel bajo (0 V). + VCC
8
R 6 5 Impulso de entrada
R
Q
3
Bi2
S
Q
CL
100 nF
Impulso de Salida
7
C 1
Figura 17.12.
4 + VCC
Montaje d el 555 como monoestable.
Al aplicar un impulso de nivel bajo a la entrada de disparo (pa tlla 2), la salida (patlla 3) pasa a nivel alto ( VCC) y el transistor pasa al estado de corte. En dicho estado (temporal), el condensador (C) se puede cargar a través de la resistencia R y cuando su tensión llega a los 2/3 VCC se actva la entrada umbral (patlla 6); entonces, la salida (patlla 3) pase a nivel bajo (0 V), a la vez se satura el transistor y el condensador se descarga; o sea, vuelve al estado estable y permanece así hasta que no se actve otra vez la patlla 2 (impulso de disparo). VCC Impulso de disparo 1/3 VCC 2/3 VCC Tensión en el condensador
0V ≈ VCC
Impulso de salida Figura 17.13.
0V
Evolución de señales en el tiempo d urante la produc ción del impulso de salida .
El tempo que la salida permanece en el estado temporal (nivel alto), es el tempo que tarda el condensador en cargarse hasta 2/3 de VCC:
324
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
Por ejemplo, para un tempo de t = 10 segundos, si C = 100 μF, la resistencia deberá ser de:
17.6
Circuito práctico temporizador
En la figura 17.14 se muestra un circuito práctco temporizador basado en el 555. Se obtene un retardo de unos 10 segundos, visualizado por medio de un LED. El impulso de entrada se aplica actvando el pulsador start, lo cual inicia la temporización; al pulsarlo, se encenderá el LED durante el tempo de temporización, unos 10 segundos. En cualquier instante, al ac tvar el pulsador reset se fuerza la salida a nivel bajo y el circuito queda en condiciones iniciales. VCC = 12 V
R
10 K
100 K
T ≅ 10 s
Reset
7
10 K
8
4
3 6
555
2
Start
100 nF
C 100
Figura 17.14.
470
5
1
F
C irc uito temporizad or de 10 segundos.
Podemos poner unos LED indicadores de estado y un relé, de manera que se podría actvar algún dispositvo (ventlador, luz, sirena, etc.). El circuito sería de la manera que se muestra en la figura 17.15. + 12 V
10 k
10 k
100 k 1 2 3 4
330 Ω
8
555
7
Verde
6 5
T ≅ 12 s Reset
Relé 12 V
330 Ω Start
100 nF
100 µF 16 V Rojo
Figura 17.15. Temporizador de 10 segundos.
0V
325
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 El diagrama de tempos del funcionamiento sería como se representa en la figura 17.16. Al actvar el pulsador de start, se aplica un pequeño impulso a la pa tlla 2 (se pone a 0 V), y esto hace que la salida (pa tlla 3) se actve (pase a nivel alto, + 12 V) durante unos 10 segundos. +V Start (pin 2) 0V
+V
Salida (pin 3)
0V T = 10 s
Figura 17.16.
Actividades de evaluac ión 1. Explicar algunas aplicaciones del montaje monoestable (temporizador) del 555. 2. Dibujar el esquema básico de conexionado para que el 555 funcione como temporizador (monoestable). 3. Explicar el diagrama de ondas de funcionamiento representado en la figura 17.13. 4. Hallar el valor del condensador C del circuito de la figura 17.14 para que el impulso de salida sea de 5 segundos.
Actividades pr ácticas Realizar el montaje temporizador defila gura 17.15 y veri ficar su funcionamiento. Medir la corriente que consume la bobina del relé.
• Modificar los valores para conseguir una temporización 5 y 30 segundos. • ¿Qué componente se podría cambiar por un potenciómetro para poder así ajustar diferentes valores de tempos de temporización?
17.7
Sirena electrónica basada en el CI 555
Basándonos en el circuito generador de ondas (astable) con el CI 555, se puede realizar un circuito sencillo muy e ficaz y útl que genera un sonido de sirena. Se pueden generar dos efectos de sirena; una rápido (fast) y otro lento (low). La potencia del sonido puede ser muy elevada, depende de la etapa ampli ficadora que se u tlice y el altavoz. Para estas aplicaciones ya se existen altavoces especiales. Este es un circuito de práctcas realizado normalmente en los CF, y con mucho interés por los alumnos.
17.7.1 Estructura de bloques del c irc uito El circuito se basa en dos CI 555 y un amplificador que actva al altavoz (fig. 17.17). Los dos 555 funcionan como generadores de señal, modo astable. Uno de ellos es el generadorEldeotro tono degenera sonido,una cuya frecuencia se ajusta para unos que sea audibilidad. 555 frecuencia muy baja, entre 0,5de Hzmáxima a 5 Hz; esta es la señal moduladora, (que se aplica a la patlla 5 del otro 555).
326
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
Modulador de frecuencia
Generador de tono
CI 555
CI 555 Amplificador Señal moduladora
Fast/Low Ajuste de tono Figura 17.17. Estructura de bloques de la
Así, el funcionamiento general se basa en un generador de tono audible cuya frecuencia va variando en función de la señal moduladora. Se consigue así el efecto
sirena electrónica.
conocido de sirena.
17.7.2 Circuito práctico de la sirena El circuito completo práctco se muestra en la figura 17.18. + 12 V
4k7 1 2 3
RA
8
555
4
7 6
2k2
RB
5
Fast Low
470 µF 16 V 100 nF
47 µF 16 V
0V
2k2 1 2 3
Z=8
RA
8
555
4
7
BUZ71
6
50k
5
Tono
BUZ71
2k2
D Volumen
G S
Señal moduladora
C 100 nF
50k
22k Figura 17.18. C irc uito prác tic o d e la sirena electrónic a. 327
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555
17.7.3
Circuito modulador y generador de ton o audible
Como se puede ver, el circuito modulador está en con figuración astable, y su frecuencia puede cambiarse con un conmutador; en una posición, el condensador conectado a la patlla 6 es de 47 μF (efecto fast) y en la otra posición se conecta en paralelo otro condensador de 470 μF (efecto low). Las frecuencias (aproximadas) que genera el circuito modulador, según la posición del conmutador, son: Efecto rápido(fast)
El sonido cambiará de tono (frecuencia) con una secuencia de unas 3 veces por segundo. Efecto lento(low)
Al ser la frecuencia moduladora muy baja, el efecto de cambio de tonalidad (frecuencia) del sonido se producirá muy lento. Variando los valores de las resistencias o del condensador, se puede cambiar el efecto lento-rápido según nos guste más. La salida del circuito modulador se toma de la pa tlla 2, en la cual se genera una señal tpo diente de sierra, debido a la carga-descarga del condensador. Esta es la señal moduladora, que se aplica a la patlla 5 del otro circuito, el generador de tono audible. De esta manera, la frecuencia del generador de tono va cambiando al ritmo de la señal moduladora, produciéndose así el efecto de aumento y disminución de frecuencia que da lugar al efecto de sirena. El tono del sonido se puede ajustar mediante un potenciómetro; debe ajustarse un sonido de máxima sensibilidad auditva, para el sonido se perciba al máximo, sea más molesto al oído. La frecuencia base del sonido, según los valores del circuito es: Ajuste para el tono más grave (frecuencia mínima) ),kal cual se tene que sumar la El potenciómetro debe estar a su valor máximo (50 resistencia de 4k7 que está serie; esto forma el valorRde . La frecuencia generada es: B
Ajuste para el tono más agudo (frecuencia máxima)
Potenciómetro al mínimo (0 ):
Como es obvio, variando los valores de RA, RB y C podemos ajustar la tonalidad según nos interese más, aunque los valores que se proponen son bastante adecuados.
ansistor MOSFET 17.7.4 Ampli fic ador c on tr La amplificación de la señal de salida del 555, para obtener potencia sonora, se consigue utlizando un transistor MOSFET canal N BUZ71 (de fácil adquisición), al cual se le aplica (patlla G) la señal de salida (patlla 3) del 555. Mediante un potenciómetro se puede ajustar el nivel de potencia sonora (volumen); se puede así controlar el nivel dedel señal que se aplica al transistor MOSFET y en consecuencia la corriente a través altavoz. El altavoz puede ser uno cualquiera, pero lo indicado son unos especiales para esta aplicación, que tenen un cono de material plás tco.
328
Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 La potencia total sonora máxima que se puede conseguir dependerá fundamentalmente del tpo de altavoz y la intensidad que pueda proporcionar la fuente de alimentación.
Actividadesfinales 1. Explicar el funcionamiento del esquema de bloques de la sirena electrónica (figura 17.17). 2. Calcular el circuito modulador para que la frecuencia de la señal moduladora vaya de 0,5 a 10 Hz. Los valores de los condensadores dejarlos igual.
3. Modificar los valores para que la frecuencia del generador de tono pueda llegar a 3.000 Hz (frecuencia de máxima audibilidad auditva).
4. Con el volumen al máximo, sabiendo que la impedancia del altavoz es de Z = 8 y que la tensión de alimentación es de 12 V, calcular la corriente máxima que circulará por el altavoz y la potencia máxima recibida.
5. Hacer el montaje del circuito completo de la sirena (fig. 17.18) y experimentar con los valores calculados. 6. Observar y analizar con osciloscopio: a) Las ondas de carga-descarga del condensador (patlla 2) del 555. b) La onda de salida (patlla 3) aplicada al transistor MOSFET. c) Medir la corriente máxima que circulará por el altavoz y el consumo total del circuito.
329
Unidad 18C irc uitos integra dos
Amplific adores operac ionales
Objetivos: Ampliar el tema de losc ircuitos integrados,en este c aso basándonosen losdenominadosamplificadores operacionales; CI de bajo precio y que permiten muy diversas aplicaciones. Primeramente se hace ficadores operaciones, y después se explica su una introducción a las características de los ampli utilizac ión práctica, c on varios montajes de ap lica c ión práctica.
En este capítulo: 18.1 Introducción. 18.2 C arac terístic as bá sicas de los C I amplific ad ores ope rac ionales.
18.3 El c irc uito integ rado amp lificador operacional μA 741.
18.4 18.5
18.6
C onsideraciones práctic as de aplica ción general. C irc uitos prácticos co n amplifica dores operac ionales.
Amplificador de potencia de sonido.
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
18.1
ficadores operacionales
Introducción
Los amplificadores operacionales son circuitos integrados ampli ficadores que permiten realizar diversos tpos de circuitos (amplificadores de audio, filtros, generadores de ondas, etc.) de una forma sencilla y barata. Es por ello que desde que se dieron a conocer de forma comercial, muchos circuitos realizados picamente con transistores ahora se realizan con amplificadores operacionales, de una forma más sencilla y con mejores característcas. El nombre de amplificador operacional viene de la época an tgua del principio de los ordenadores, donde exisan circuitos que realizaban operaciones matemátcas mediante circuitos electrónicos, realizados con válvulas y después con transistores. Aun ahora, con los amplificadores operacionales se pueden realizar de forma sencilla circuitos que hacen operaciones de suma, resta, media aritmé tca, etc., incluso que hacen operaciones logarítmicas e integraciones con señales analógicas. Por ejemplo, un circuito sumador, que podría dar lugar a un mezclador de señales (en sonido, una mesa de mezclas) se puede realizar fácilmente con unos pocos ampli ficadores operacionales. El primer amplificador operacional apareció en el mercado en 1964, un producto del fabricante Fairchild; fue el μA 702, y al año siguiente sacó el μA 709. Estos amplificadores operacionales fueron el precursor del todavía popular μA 741, fabricado por la mayoría de fabricantes de circuitos integrados (Texas instruments, Philips components, Motorola, etc.). La simbología y aspecto de un amplificador operacional se muestra en la figura 18.1. Se representa el circuito integrado amplificador operacional comercial más popular; el μA 741. Su versión pica es en DIL 8, un circuito de 8 patllas (de aspecto igual al también popular CI 555). Es un circuito amplificador con dos entradas porque es de tpo diferencial; amplifica la diferencia de tensión entre las dos entradas. +V
Amplificador operacional
+
VI
VO −V
μA 741
Figura 18.1. Simbología y aspec to práctico de un ampli ficador operacional.
El μA 741 es de muy bajo precio y permite realizar de forma fácil muchos circuitos práctcos, por eso es muy u tlizado especialmente en la enseñanza. Cuando interesan mejores característcas se utlizan otros circuitos que, aunque básicamente son igual, sus característcas técnicas son más refinadas, por lo cual se denominan amplificadores de instrumentación. Una aplicación muy representatva de estos circuitos es para la ampli ficación y acondicionamiento de señal de sensores. Un ejemplo de amplificador operacional de instrumentación es el AD522, del fabricante Analog Devices. Pero hay que saber que estos operacionales son bastante más caros que el popular μA 741.
331
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
18.2
Características básicas de los CI amplific adores operac ionales
El concepto de amplificador significa obtener una señal de salida de mayor magnitud correspondiente a una señal denominada de entrada. Por ejemplo, la señal de salida de un amplificador de megafonía (que es la que recibe el altavoz) es mucho mayor que la señal de entrada (que es la que entrega el micrófono). En el caso de un amplificador de antena, la señal de salida es mayor que la señal de entrada (la que recibe de la antena). En todo amplificador debemos tener en cuenta al menos las siguientes característcas fundamentales: • •
Ganancia Impedancia de entrada
• •
Impedancia de salida Ancho de banda
Las característcas de impedancias de entrada-salida y ganancia quedan representadas según una estructura representada en la figura 18.2. En los CI amplificadores operacionales, los fabricantes proporcionan abundante información técnica, aunque en la práctca sólo nos suelen interesar unos pocos datos, aunque depende también del tpo de aplicación que se le vaya a dar. Impedancia de salida
Impedancia de entrada
Señal de salida
ZO
ZI Señal de entrada
VO
RL VO = VI AV
Figura 18.2. Estructura que repres enta las tres características básicas de un amplificador.
18.2.1 G ananc ia El efecto de amplificación, la ganancia (también se puede representar por GV) se puede ver como un generador que proporciona la señal de salida ( VO), que es la señal de entrada amplificada (fig. 18.2). Y, como se sabe:
En decibelios, es:
18.2.2 Impedancia de salida La impedancia de salida equivale a la resistencia interna que aparece en todos los generadores de señal; se puede representar por la relación entre la variación de amplitud de la señal de salida y la variación de la corriente de salida:
332
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
Ejemplo Si la impedancia de salida es ZO = 5 , una variación en la corriente de salida de 0,1A daría lugar a que la tensión de salida variara 0,5 V: Y la tensión de salida debe ser estable frente a las variaciones de la corriente de salida. Por ello, cuanto más baja sea la impedancia de salida, menor se verá afectada la tensión de salida cuando varíe la corriente de salida. Es el mismo concepto que la resistencia interna en los generadores de tensión. La impedancia de salida se puede ver como la resis tvidad interna de salida que presenta el amplificador, la cual queda en serie con la carga (por ejemplo, un altavoz). La impedancia de salida conviene pues que sea muy baja, para que no produzca perdida de señal de salida: Si la corriente de salida es cero (o muy baja) no se producirá caída de tensión en la salida, y tendremos: VRL = VO = AV VI. Pero cuanto mayor sea la corriente de salida, mayor será la caída de tensión en la impedancia de salida; por ello, en los amplificadores (de tensión) conviene que la impedancia de salida sea todo lo baja posible (ZO ⇒ 0 ).
18.2.3 Impedanc ia de entrada La impedancia de entrada es la resistvidad que se encuentra la señal de entrada, debido a característcas internas del amplificador.
Como se deduce, cuanta más alta sea la ZI más baja será la corriente de entrada y menos se verá afectada la señal de entrada por la impedancia de entrada. Hay que tener en cuenta, que la señal de salida proviene de algún tpo de generador, que también tendrá su impedancia de salida (un micrófono, la señal de una antena, la señal de un instrumento generador de funciones, etc.). Esto es así en los ampli ficadores de tensión, que es el caso de los ampli ficadores operacionales. Se puede dar el caso de un amplificador de corriente; en este caso interesaría que la impedancia de entrada sea baja. Pues en los amplificadores operacionales estas característcas fundamentales se consideran muy próximas a las ideales; en la prác tca, son muy buenas. Idealmente, un amplificador tendría una amplificación enorme (AV ⇒ ∞), una impedancia de entrada enorme (ZI ∞), lo cual daría lugar a una corriente de entrada nula, una impedancia de salida de ZO = 0 , un ancho de banda in finito, un tempo de respuesta nulo y no generaría ningún tpo de ruido ni distorsión. En la práctca esto no es así, pero sus valores son muy buenos, en especial en los ampli ficadores denominados de instrumentación. Por ejemplo, en un μA 741 la ganancia puede ser de 100.000, la impedancia de entrada de 2 M , la impedancia de salida de menos de 100 y el ancho de banda de 1 MHz. Estos datos pueden variar mucho según el modelo. Además, en el montaje de aplicación, todos estos datos se pueden ver afectados y variar mucho, según el tpo de aplicación. Por ejemplo, sería normal realizar un circuito amplificador con AV = 20, ZI = 100 k, ZO = 1 y un ancho de banda de 100 kHz. →
18.2.4 Ancho de banda Ancho de banda, como se debe saber, es el conjunto de frecuencias que se ampli fica sin que la señal de salida disminuya más de 3 dB ( figura 18.3). En los ampli ficadores
333
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales operacionales, el ancho de banda puede ser muy bueno, pero disminuye según la ganancia del montaje; cuanto más ganancia, menor ancho de banda. dB
Respuesta real
Respuesta ideal
0 -3 Ancho de banda Figura 18.3. C urva d e respuesta d e frec uencia d e tipo general.
f1
f2
f(Hz )
Actividades propuestas ¿Cuál es el ancho de banda que se considera estándar en sonido? ¿Qué significa el valor 3 dB que se pone en el gráfico de respuesta de frecuencia?
18.2.5
Los ampli fic adores oper ac ionales son ampli ficadores diferenciales
Los circuitos integrados amplificadores operaciones tenen dos entradas de señal, y es porque son amplificadores diferenciales. Esto quiere decir que amplifican la diferencia de tensión entre las dos entradas ( fig. 18.4). La entrada V+ recibe el nombre de entrada inversora, y la entrada V– entrada no inversora. A veces, también se representan por V2 (entrada no inversora) y V1 (entrada inversora). V2
+
V O
Figura 18.4. Simbología de un amplifica dor operac ional.
=
A (VV V 2 −
) 1
V1
La señal de entrada diferencial es: VI = V2 – V1 Por ello, la señal de salida se puede expresar por: Esto proporciona una característca de cierta inmunidad a las señales de entrada en modo común, como puede ser las señales de ruido eléctrico.
Ejemplo Si las tensiones en las entradas son, respecto a masa,
Y si la ganancia es 1000, la tensión de salida sería:
334
V2 = 2
Vy
V1
= 1,985 V, la tensión diferencial de entrada es:
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
18.2.6 Alimentación simétrica Otra de las característcas picas de los amplificadores operacionales es que se alimentan con una tensión simétrica, por eso tene dos entradas de alimentación; + V y – V. Con respecto a masa (0 V), en una entrada se aplica una tensión posi tva (+ V) y en la otra una tensión negatva (– V). Un valor pico de alimentación es + 12 V y – 12 V. Esto permite que la señal de salida pueda variar entre un valor negatvo y positvo, con respecto al cero, como se representa en la figura 18.5. Cuando interesa alimentarlos con una sola polaridad de alimentación se tenen que realizar ciertas modificaciones en el circuito de aplicación para obtener resultados satsfactorios (depende del montaje de aplicación). También existen algunos modelos de CI diseñados para funcionar con alimentación simple (una sola polaridad). + 12 V V2
+
VO
+VO
V1
− 12 V
0V
Figura 18.5. Los amplificadores ope rac ionales se alimentan con dos tensiones (alimentación simétrica).
−VO Masa(0 V)
18.2.7 Entrada no inversora El nombre de entrada no inversora (V+) es debido a que la polaridad de la señal en esta entrada (con respecto a la otra entrada) se ob tene en la salida con la misma polaridad; no se produce efecto de inversión. Esto se representa en la figura 18.6. Se aplica una señal de entrada de 0,01 V en la entrada no inversora, lo cual proporciona una señal de salida de 10 V porque la ganancia es de 1000.
AV = 1000
+12 V
Tensión posiva V+ = 0,01 V
+
V− = 0 V
V= O
0,01 × 1000 =+ 10V Tensión posiva
V= O
0,01 × 1000 =− 10V Tensión negava
−12 V
+12 V Tensión negava −0,01 V Figura 18.6.
0V
V+
+
V−
Las tensiones aplicadas en la entrada no inversora, apa rec en en la salida con la misma p olarida d q ue la tensión de e ntrad a (pero amplificadas).
−12 V
335
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales Cuando la señal de entrada es posi tva, la salida es positva; y cuando la polaridad de entrada es negatva, la salida también es negatva. La señal de salida siempre aparece con la misma polaridad que la señal de entrada; no se produce inversión de fase.
18.2.8 Entrada inversora En cambio, la polaridad de la señal aplicada en la entrada inversora (con respecto a la otra entrada) se manifiesta en la salida con polaridad contraria; se produce un efecto de inversión de fase, de ahí su nombre de entrada inversora. En la figura 18.7 se representa esto. La señal de salida aparece amplificada, pero con polaridad contraria a la señal de entrada. Obsérvese que siempre se toma como referencia la masa (0 V), y la otra entrada se conecta a masa.
A V = 1000
+12 V 0V +
Tensión posiva 0,01 V
VO=
−12 V
0,01 × 1000 =− 10V Tensión negava
+12 V 0V
+
Tensión negava −0,01 V
Figura 18.7.
V= O
−12 V
× =+ 0,01 1000 10V Tensión posiva
Las tensiones aplicadas en la entrad a inversora aparecen en la salida ampli ficadas pero con polaridad contraria (inversión de fase)
18.2.9 Curva de respuesta saturación-saturación Un valor pico de ganancia es 100 dB, esto se conoce por ganancia en lazo abierto; es la ganancia del operacional sin componentes adicionales, sin aplicación de señal de salida a la entrada inversora (esto se llama realimentación, feedback).
Ejemplo Si interesa una señal de salida de VO = 10 V, puesto queAV(dB) = 100 dB, la señal de entrada (VI) que se deduce deberá aplicarse es:
336
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
La tensión de alimentación debe ser siempre mayor que el valor máximo de tensión de salida que interese (unos 2 V más); así, para una VO = 10 V, la alimentación normal puede ser 12 V. En lafigura 18.8 se muestra un grá fico que representa el margen de variación de la señal de salida, hasta llegar a la saturación, con el montaje que aparece (la señal de entrada se aplica a la entrada no inversora). AV = 10
+V
+VI
+VO
5
+12V
Tensión posiva +
VO
100k −12V
10 V
100µV
−100µV
−VI
Saturación AV = 10
+V
−VI
Figura 18.8.
+
−10 V
−VO −VO
100k
C urva d e respuesta d e saturación a saturación.
+VI
5
+12V
Tensión negava
Saturación
Zona lineal
−12V
Variando la tensión de entrada entre – 100 V y + 100 V, la tensión de salida varía de forma lineal entre – 10 V y + 10 V. Si se aumentara la tensión de entrada por encima de los 100 V la salida dejaría de aumentar, se entraría en la zona de saturación; la señal de entrada aumenta pero la tensión de salida no aumenta. Para que la salida aumentara más, se debería aplicar una tensión de alimentación mayor de los 12 V; hay tener en que la tensión máxima salida siempre resulta baja que que la tensión de cuenta alimentación. Por ejemplo, si ladealimentación se hace conmás 15 V, la señal de salida podría aumentar hasta unos 13 V ( fig. 18.9).
+15 V 5 A V = 10
VO = 0,00013 × 105 = 13 V
+
VI = 0,00013 V
100 k Figura 18.9. La tensión de salida máxima siempre es algo menor que la tensión de alimentación.
−15 V
Actividades de evaluac ión 1. Dibujar el símbolo de un ampli ficador operacional e indicar un modelo comercial popular de CI operacional. 2. Resumir el concepto y característcas de un CI ampli ficador operacional. 3. Buscar en Internet la documentación técnica del 741 y hacer un resumen de sus característcas básicas.
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Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Actividades de evaluac ión 4. ¿Por qué los operacionales son ampli ficadores diferenciales? Explicar. 5. Dibujar el circuito de un operacional alimentado con una alimentación simétrica de 10 V, conectar una de las entradas a masa y a la otra una tensión de 0,001 V, de manera que la polaridad de la tensión de salida sea positva. Si la ganancia del operacional (lazo abierto) es de 5000, ¿de qué valor será la tensión de salida?
6. Si las tensiones en las entradas son, respecto a masa, V2 = 4 V y V1 = 3,985 V, suponiendo una ganancia de 1000, ¿De qué valor será la tensión de salida?
7. Si interesa una señal de salida de VO = 10 V, siendo la ganancia en lazo abierto de valor deberá ser la señal de entrada diferencial aplicada? fi
AV(dB) = 100 dB, ¿De qué
fi
8. Explicar la información que aporta el grá co representado en la gura 18.8.
18.3
El circuito integrado ampli ficador operacional uA 741
Antes de empezar con los montajes práctcos de aplicación, veremos una introducción al circuito integrado amplificador operacional más popular de todos; el μA 741, diseñado por Fairchild en 1964, pero que aun sigue siendo muy u tlizado, en especial por su bajo precio. En la figura 18.10 se representa su patllaje y aspecto práctco. Ajuste Offset 1 Ent. inversora (V-) 2 Ent. No inversora (V+) 3 –V 4 Figura 18.10. fi
El ampli ca dor operac más popular; μA 741. ional
8 N.C. 7 +V 6 Salida 5 Ajuste Offset
8 1
4
Las dos entradas de alimentación, la posi tva (+V) y la negatva (–V) se corresponde con las patllas 7 y 4 respectvamente. Y las entradas de señal, inversora y no inversora se corresponde con las patllas 2 y 3. La salida es la pa tlla 6.
18.3.1 C aracterísticas básicas del 741 La tensión de alimentación máxima puede llegar hasta ± 18 V. En la práctca, no se suele alimentar a más de ± 12 V. La corriente de consumo pica es de unos 2 mA, sin carga (RL = ∞). La salida está protegida contra cortocircuitos (se limita a 25 mA), lo cual es importante de cara a la experimentación de circuitos (práctcas en clase). La resistencia de entrada (ZI) pica es de 2 M. La ganancia (en lazo abierto) es AV(dB) > 100 dB
18.3.2 Ajuste del Offset Además de las patllas fundamentales, tene dos entradas más que son para el ajuste del offset (fig. 18.11). Estas patllas son opcionales, en muchos montajes no hace falta utlizarlas. Son para conseguir que la tensión de salida sea 0 V cuando las dos entradas están a 0 V. Debido a algunas imperfecciones del circuito integrado, cuando la tensión diferencial de entrada es cero la tensión de salida puede no ser cero; ser de un cierto valor positvo o negatvo. Esto se llama error de offset. Para corregir este desplazamiento, error, de la tensión de salida, se u tlizan las patllas 1 y 5; se conecta un potenciómetro de 10 k (u otro valor) con el punto medio al negatvo de la alimentación (– V).
338
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
El ajuste se realiza de manera que, con las entradas a 0 V, la salida también sea de tcos no es necesario este ajuste y dichas 0 V. Pero en la mayoría de circuitos prác patllas no se utlizan. +V 3
V+
7
+
6
µA 741 2
V−
VO
5 4 1 10k
Figura 18.11.
−V
Las patillas 1 y 5 son para el ajuste d el offset.
Ajuste offset Si el operacional no tene patllas específicas para el ajuste de o ffset, se puede hacer dicho ajuste aplicando una tensión con tnua adecuada a una de las entradas, procurando que la resistencia a través de la cual se le aplica la tensión sea de valor lo suficiente elevado como para que no se vea afectada la señal de entrada.
18.3.3
Ganancia (en lazo abierto) en función de la frecuenc ia
La ganancia de tensión del operacional en lazo abierto es muy elevada, mayor de 100 dB; pero esto es así para frecuencias muy bajas. Conforme aumenta la frecuencia, la amplificación va disminuyendo, pudiendo llegar a 0 dB. Esto se representa en el gráfico de la figura 18.12, donde aparece la ganancia (dB) en función de la frecuencia. dB = 20log VO / VI 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
Figura 18.12. G rá fico que representa la ganancia (dB) en función de la frecuencia.
0 -10 1
10
100
1k
10k
100k
1M
10M
Frecuencia (Hz)
Para una frecuencia de unos 10 Hz, la ganancia es de unos 100 dB; pero para una frecuencia de 1 MHz la ganancia ha disminuido a 0 dB. Un valor 0 dB signi fica que AV = 1, no hay amplificación: el valor de la señal de salida es igual al de la entrada.
A modo de referencia, para hacerse una idea de la complejidad interna de los circuitos integrados, en la figura 18.13 se representa el esquema interno del μA 741.
339
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Figura 18.13. C irc uito interno del μA 741.
Actividades de evaluac ión 1. Hacer un resumen de las característcas del operacional 741 y representar su patllaje. 2. Explicar el concepto de o ffset. Dibujar el circuito para la corrección del offset y explicarlo. 3. ¿Qué información nos aporta el gráfico representado en la figura 18.18? A la frecuencia de 10 kHz, ¿cuál es la ganancia del operacional?
18.4
C onsiderac iones prác ticas de aplicación general
A contnuación se explican los circuitos de aplicación prác tca fundamentales, y se verá con que sencillez y e ficacia se pueden diseñar muchos circuitos electrónicos, picamente realizados con componentes discretos (transistores); ahora, con los operacionales es más fácil.
18.4.1
Operación en lazo abierto y lazo cerrado Realimentación
En principio, se dice que el operacional trabaja en lazo abiertocuando se utliza sin realimentación(feedback), que es cuando no hay componentes que conecten la salida con las entradas. Normalmente se u tliza con realimentación, o sea, en lazo cerrado; pero también hay circuitos que funcionan en lazo abierto. Normalmente, los montajes de aplicación siempre tenen realimentación, que consiste en aplicar una fracción de la señal de salida (normalmente a través de una resistencia) a hacia la entrada inversora. Cuando se hace esto, se produce lo que se llama realimentación negatva; y esto da lugar a una cierta regulación y estabilización del circuito, lo cual mejora característcas como las impedancias de entrada y de salida, ancho de banda, etc. En según qué circuitos, la realimentación se hace a través de la entrada tva. Esta aplicación no inversora; en este caso, esto se llama realimentación posi normalmente se utliza para hacer circuitos generadores de señal (osciladores).
340
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
18.4.2
ficadores operacionales
La fuente de alimentación debe ser simétrica
Los amplificadores operacionales se alimentan con una fuente de tensión simétrica; o sea, necesitan un positvo (+V), un negatvo (–V) y el 0 V. Un alimentador así se comporta como dos fuentes de tensión en serie con un punto medio que es el 0 V. En la figura 18.14 Se representa este tpo de fuente de alimentación.
Alimentador simétrico V
Figura 18.14.
V
+
+
Fuente d e a limentación simétrica. Suministra dos tensiones de polaridad contraria respecto al 0 V; una tensión positiva (+V ) y una tensión negativa (–V ).
−V
+V
0V
Un circuito de alimentación de este tpo se puede realizar fácilmente con dos circuitos integrados reguladores; el 7812 y 7912, se obtene una fuente de alimentación simétrica estabilizada y protegida de ± 12 V, cuyo montaje se muestra en la figura 18.15. 500 mA 10 V
0V
230 V
10 V
1N4004
1000 µF 25 V
1 V 7812 V I O GND 2 100 nF
3
100 nF 0V
100 nF 1000 µF 25 V
Figura 18.15. Esquema de una fuente de alimentación simétrica sencilla.
+12 V
2
100 nF 1 GND
VI
7912
VO
3
−12 V
18.4.3 Circuitos de ajuste del offset El primer montaje que se propone es el ajuste del offset. Lo haremos en lazo abierto y lazo cerrado, así se podrán comparar las diferencias y razonar resultados. 18.4.3.1
Ajuste en lazo abierto
El circuito a realizar se muestra en la figura 18.16, que se puede realizar en placa protoboard. El objetvo es conseguir que, con las dos entradas a masa (0 V), ajustar el potenciómetro hasta conseguir que la tensión de salida sea 0 V. Debido a la alta ganancia en lazo abierto que tene el operacional, el ajuste del o ffset puede ser crítco; la más mínima variación se manifiesta de forma notable en la salida. En vez de poner un potenciómetro de ajuste del valor pico de 10 k, puede resultar más fácil con un potenciómetro de un valor más bajo, como 1 k (en algunas práctcas, incluso se ha puesto de 100 ). El ajuste de o ffset en lazo abierto se hace más bien como experimento, porque en la práctca lo normal es que los circuitos tengan realimentación y entonces el ajuste de offset resulta muy fácil.
341
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Alimentador simétrico V
V
−V
+V
0V
+ 10 V 3 0V
V+ V
7 +
VO
6
µA 741 2
−
5
4
V
− 10 V
1 1 kΩ
Figura 18.16. Ajuste d el offset en lazo ab ierto. Se resalta la c onexión de la fuente de alimentación simétrica.
Ajuste offset
18.4.3.2
Ajuste en lazo cerrado
En este caso, el circuito a realizar tene realimentación; el circuito trabaja en lazo cerrado. En la figura 18.17 se muestra el circuito a realizar. La señal de salida se aplica a la entrada inversora a través de un divisor resistvo, compuesto por una resistencia de 470 k y una resistencia de 470 . O sea, a la entrada inversora se le aplica una fracción de la señal de salida, que viene dada por:
La fracción de señal de salida realimentada (Vf) es el 0,001 de la señal de salida. El proceso operatvo de ajuste es igual que en el circuito anterior; consiste en conseguir, mediante ajuste del potenciómetro, que la tensión de salida sea igual a 0 V. Pero en este caso el ajuste se hace mucho más fácil, porque la ganancia, debido a la realimentación negatva, se ha reducido a un valor que viene dado por:
Y en la misma proporción, se han mejorado, regulado, las característcas del circuito (que es un amplificador inversor, como más adelante se explicará). Rf 470 Ω +10 V R1
VI = 0 V 470 Ω
7
2
3
+
VO
6
µA 741 5 4
1
V 5 kΩ
Figura 18.17. Ajuste d el offset en lazo cerrado. 342
Ajuste offset
−10 V
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
18.4.4
ficadores operacionales
Consideraciones básicas de cálculo de c irc uitos con operacionales
El diseño de circuitos de aplicación prác tca resulta mucho más sencillo con amplificadores operacionales que con transistores. Se parte de unos principios básicos, que son: • Al ser la ganancia de los amplificadores operacionales muy elevada ( AV ≥ 105), la señal de entrada resulta muy baja, de tal manera que a efectos práctcos se considera que la tensión de entrada diferencial es cero; de manera que las dos entradastenen la misma tensión . • Por otra parte, considerando que la impedancia de entrada (ZI) es muy grande, la corriente de entrada resulta muy pequeña; o sea, se considera que la corriente de las entradas es cero :
Existen otras consideraciones y característcas importantes (offset, slew-rate etc.); pero como introducción, es suficiente para empezar a realizar circuitos de aplicación práctca; otras cuestones serán tratadas conforma vaya siendo necesario.
Actividades de evaluac ión 1. Explicar los conceptos de trabajo en lazo abiertoy lazo cerradodel amplificador operacional. 2. ¿Qué significa realimentación? ¿En qué casos la realimentación es nega tva o positva? Explicar las diferencias en una y otra.
3. Dibujar el conexionado de un operacional con la entrada no inversora (V+) a masa, la entrada inversora (V–) conectada a la salida (VO) y alimentar simétricamente con ± 12 V. ¿Qué tpo de realimentación existe, positva o negatva?
4. Explicar el concepto de offset y dibujar el circuito para su corrección en lazo cerrado. ¿Se podría hacer dicho ajuste también en lazo abierto? Explicar.
5. A efectos práctcos, ¿cómo se considera el valor de la tensión diferencial de entrada y el valor de la corriente de entrada?
18.5
C irc uitos prác ticos con amplificadores operacionales
18.5.1 Circuito seguidor de tensión El esquema del circuito seguidor de tensión se muestra en la figura 18.18. Este circuito es muy utlizado como adaptador de impedancias, ya que presenta una muy alta impedancia de entrada (del orden cientos de M ) y una muy baja impedancia de entrada (del orden de m ). En cambio, no tene ganancia de tensión; en la salida aparece casi el mismo nivel de señal que en la entrada:
De ahí la denominación de seguidor de tensión; la señal de salida sigue a la señal de entrada. Considerando el principio práctco de cálculo de que la tensión diferencial de entrada es cero, las dos entradas se encuentran al mismo potencial, y como la señal de salida está conectada a la entrada inversora, tenemos:
343
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales De lo cual se deduce por tanto, que la ganancia de este circuito es:
Seguidor de tensión +10 V
VI
3
7 +
6
µA 741
VO ≈ VI
2 4 −10 V
Figura 18.18.
0V
C irc uito seguidor de tensión.
Ejemplo En el circuito seguidor de tensión de lafigura 18.18, si la señal de entrada es una onda senoidal deVI = 2 VPP, a la salida del operacional tendremos también una señal de VO ≈ 2 VPP. Pero la señal de entrada se encontrará una muy alta impedancia de entrada, y la señal de salida se obtendrá con una muy baja impedancia de entrada. En este circuito la señal realimentada es completa, ya que la salida está conectada directamente a la entrada inversora; esto da lugar a una reducción máxima de la ganancia, y de la misma manera que la ganancia se ha reducido mucho también han mejorado las característcas impedancia de entrada, impedancia de salida y ancho de banda, además de otras cosas. En este caso, el ancho de banda es el máximo que indica el fabricante (1 MHz). Este tpo montaje también se llama a veces bu ffer, o separador, porque las señales de entrada se encuentran una impedancia de entrada muy grande, y la señal de salida se obtene con una muy baja impedancia de salida.
18.5.2 Circuito ampli ficador inversor El circuito amplificador inversor es muy probablemente el montaje más conocido de los amplificadores operacionales, y el que normalmente se realiza como primera práctca. Permite realizar amplificadores de una forma muy sencilla y precisa. En la figura 18.19 se muestra su esquema básico. Es un circuito que trabaja en lazo cerrado, tene realimentación negatva proporcionada por la resistencia Rf. En consideración a que las dos entradas se encuentran al mismo potencial, y puesto que la entrada no inversora (patlla 3) está a masa (0 V), la entrada inversora (patlla 2) también se encuentra a potencial 0 V. Pero hay que hacer una observación importante; la entrada inversora se encuentra a potencial 0 V, pero en cambio no se deriva corriente a masa porque existe una alta impedancia hacia masa; a esto se conoce por cero virtual, el punto A es una masa virtual.
344
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
Amplificador inversor Rf
+V R1
VI
7
2 A
6
µA 741 3
+
VO
4
−V 0V
Figura 18.19. C irc uito a mplificador inversor.
Aplicando Kirchhoff al punto A, masa virtual, tenemos ( fig. 18.20): Y como la corriente de entrada se considera cero: Esto significa que los valores de las corrientes de entrada de señal ( I1) y de la corriente de realimentación (If) son del mismo valor, no se deriva corriente hacia la entrada del operacional, y las corrientes van en el mismo sentdo (en vez de en sentdo diferente, como aparece en el esquema). Rf
+V
If R1
VI
I1
A
VO
IIN
+
−V Figura 18.20.
0V
El punto A es una “masa virtual”.
Los valores de las corrientes, teniendo en cuenta que la tensión en el punto A es 0 V:
Y como que I1 = – If:
El símbolo de negatvo indica que el amplificador invierte la fase de la señal de entrada. La impedancia de entrada del amplificador inversor es igual al valor de la resistencia R1. O sea, ZIN = R1. 18.5.2.1
Ejemplo de cálculo y montaje práctico
Interesa un ampli ficador de ganancia VfA= 10 y con una impedancia de entrada de 47 k.
345
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales Aplicando lo explicado, se deduce que la resistencia R1 deberá ser de 47 k, y el valor de la resistencia de realimentación:
El circuito práctco se muestra en la figura 18.21. Se procura ir resaltando la conexión de la alimentación de los circuitos porque la alimentación simétrica no suele estar muy claro por los alumnos, en un principio. Aplicando, por ejemplo, una señal senoidal de f = 1kHz y VPP = 1 V se obtendría una señal de salida de VO = 10 V; se produce una ampli ficación de 10. En la figura 18.21 se muestran el grá fico de ondas de entrada y de salida; la señal de salida tene una amplitud 10 veces mayor que la señal de entrada. Obsérvese cómo la señal de salida va en contrafase con la señal de entrada; se produce una inversión de fase, por eso este circuito se llama amplificador inversor. Al alimentarse el operacional con tensión negatva y positva, permite que las señales de salida tengan polaridad posi tva y negatva, pasando por 0 V; una verdadera señal alterna. Fuente de alimentación
V
−V
V
+V
0V
Rf 470 k
+ 10 V
R1
47 k
VI
7
2 3
6
µA 741
V = 10V
5 +
O
4
1
I
−10 V
5k
offset
0V f = 1000 Hz
0V
Tensión de entrada 1VPP
5V
Figura 18.21.
0
Señal de entrad a y d e salida del amplificad or inversor; la señal de salida es 10 veces mayor que la señal de entrada, invertida en fase.
346
−5V
Tensión de salida 10VPP
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
18.5.2.2
ficadores operacionales
Experim entación con Mult isim
El circuito probado y analizado con el programa Mul tsim se representa en la figura 18.22. Los resultados son los correctos. El cálculo de circuitos básicos mediante operacionales, como se puede comprobar, resulta sencillo y muy preciso en resultados, además de barato.
Señal de salida (10 Vpp )
Señal de entrada (1 Vpp )
f = 1000Hz
Figura 18.22. Amplificador inversor experimentado c on el programa Multisim.
18.5.3 Circuito ampli ficador no inversor Si en vez de aplicar la señal de entrada por la entrada inversora se hace por la entrada no inversora, se obtene un amplificador que no invierte la fase; un amplificador no inversor. El circuito básico se muestra en la figura 18.23. Ahora no hace falta detallar tanto las cosas, porque ya se va teniendo una base sobre el tema, los circuitos y la teoría se puede representar de forma más simpli ficada. En este montaje tenemos: • Muy alta impedancia de entrada • Muy baja impedancia de salida Altainvierte ganancia • No la fase
347
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Amplificador no inversor VI +
VO
Rf
R1
Figura 18.23.
C ircuito a mplificador no inversor.
Proceso para hallar la fór mula de la ganancia Considerando que la tensión de entrada diferencial es cero (ganancia in finita), las dos entradas se encuentran al mismo potencial, y que la corriente de entrada es cero (impedancia infinita), tenemos:
Así, la ganancia se puede expresar por:
La ganancia se regula por la fracción de señal realimentada ( Vf), que viene dada por el divisor resistvo compuesto por Rf y R1:
Cuanto mayor sea el valor de R1 y más bajo sea el valor de Rf mayor será la ganancia. El si el circuito se dejara sin realimentación (Rf desconectada), la ganancia aumentaría hasta su valor en lazo abierto ( AV = 100.000). La impedancia de entrada del circuito puede ser muy elevada, viene dada por:
Y la impedancia de salida, muy baja:
ZI, ZO y AV son las característcas de impedancia de entrada, de salida y ganancia del
operacional en lazo abierto. 18.5.3.1
Ejemplo de cálculo práctico
Si interesa un amplificador de AVf = 11, poniendo R1 = 10 k el valor de Rf deberá ser:
348
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
El circuito práctco es el representado en la figura 18.24. Como se puede deducir del diagrama de ondas de entrada y salida, se ob tene una señal de salida ampli ficada (11 veces en este caso), pero en fase con la entrada. Este circuito no invierte la fase. VI
3 +
VO
6
µA 741 2
Rf 100 k
R1
10 k
f = 1000 Hz
Tensión de entrada 1VPP
0V
5,5 V
Tensión de salida 11VPP
0V Figura 18.24.
Amplificador no inversor, c on el gráfico de la señal de entrad a y de salida; la salida está amplificada 11 veces, en fase con la señal de entrad a.
−5,5 V
18.5.4 C irc uito sumador Un circuito sumador se basa en el ampli ficador inversor con varias entradas, de manera que en la salida tenemos la suma de varias señales de entrada. El circuito sumador inversor básico se muestra en la figura 18.25. Rf
VI V2 V3
R1 R2 R3 VO +
Figura 18.25. C irc uito sumador inversor.
349
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales El principio de funcionamiento es igual que el amplificador inversor, pero con varias entradas; en este caso se han puesto 3, pero pueden ser más. La expresión general de salida es: Siendo los coeficientes K la ganancia de cada entrada, o sea:
Ejemplo Si todas las resistencias son del mismo valor (Rf = R1…), se obtene un sumador que responde a la fórmula: Si las tensiones de entrada fueran: La tensión de salida sería:
V1 = 1 V, V2 = 3 V,V3 = 4 V
Un ejemplo de circuito práctco comprobado con el programa Multsim se muestra en la figura 18.26, en el cual el mulmetro muestra un resultado de casi – 8 V, lo cual es la suma de las tres tensiones de entrada.
Figura 18.26. Experimentación de un sumador inversor con Multisim.
18.5.5 Sumador no inversor Si queremos que la salida no se invierta, se puede poner un ampli ficador inversor en la salida, y de paso podemos obtener la suma de las señales mul tplicadas por un coeficiente (la ganancia del amplificador inversor de salida).
El circuito podría ser como el mostrado en la figura 18.27.
350
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
RRRR = 1= f
2
=
ficadores operacionales
3
Rf
Rf 2
R1
V1
R2
V2
R3
V3
VO +
R4 VO
VO = − [V1+ +V2
V3 ] +
VO =
Rf2 V[ V + V R4 1
2
+ 3]
Figura 18.27. C irc uito sumador no inversor. fi
fi
tpo, En la gura 18.28 tseene representa un montaje de este en el cual el ampli inversor de salida una ganancia de 10, por lo cual el circuito efectúa una cador suma con amplificación del resultado:
La simulación mediante el programa Multsim da un resultado de 7,946 V en la salida, como resultado de la suma de las 3 señales de entrada mul tplicado por 10:
Figura 18.28. Experimentación de un sumador no inversor con Multisim.
18.5.6 C irc uito de media aritmética Basándonos en el circuito sumador anterior, se puede realizar fácilmente un circuito que realiza la suma aritmétca de las señales de entrada. Por ejemplo, si tenemos 4 entradas el circuito realizaría la operación:
Si todas las resistencias de entrada son del mismo valor, RE, la tensión de salida vendría dada por la fórmula:
Haciendo que:
siendo n = el número de entradas, tendremos:
351
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales Así, en el caso de n = 4 (4 entradas) el circuito realiza la media aritmé tca de las tensiones en las 4 entradas:
Ejemplo Si tomamos RE = 33 k, el valor de Rf deberá ser:
Un circuito práctco de media aritmétca se representa en la figura 18.29, experimentado con el programa Mul tsim.
Figura 18.29.
Ejemplo práctco de aplicación de un circuito de media aritmétca.
C irc uito que realiza la media aritmética de las 4 señales de entrada.
18.5.7
Circuito restador
Este circuito (fig. 18.30) proporciona una tensión de salida que es proporcional a la tensión diferencial entre las entradas, multplicada por un factor de ganancia. La expresión general de salida es: Rf
VI
R1 VO R2
V2
+
R3
Figura 18.30. C irc uito restador.
Haciendo que R1 = R2 y R3 = Rf, se obtene la ecuación simplificada que nos da la tensión de salida:
Y si todas las resistencias fueran del mismo valor, pues se obtendría la tensión diferencia pero sin amplificación.
352
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
18.5.7.1
ficadores operacionales
Ejemplo práctico de cálculo
Interesa un circuito restador que proporcione la tensión diferencia de entrada mult plicada por 10.
Tomando R1 = R2 = 10 k y Rf = R3:
En la figura 18.31 se representa un montaje prác tco, en el cual se le aplican una señal de 40 mV y otra de 10 mV, y el circuito proporciona una tensión que es la diferencia multplicada por 10.
Figura 18.31. C irc uito restador, experimentado con Multisim.
18.5.8
Circuitos convertidores temperatura-tensión
En muchas aplicaciones se necesita tener una tensión que dependa de la temperatura. De esta manera, además de poder disponer de alguna medida de temperatura (a través de un convertdor analógico-digital), actvar algún dispositvo según el valor de la temperatura; por ejemplo, un ven tlador, un relé, un sonido (como señal de alarma). 18.5.8.1
Sensor de temperatura: diodo
En este ejemplo de circuito simple (fig. 18.32), más bien con enfoque didáctco, como sensor de temperatura se u tliza un diodo simple como el 1N4148. Se parte del principio de que la tensión directa de un diodo disminuye unos 2 mV por cada °C. Haciendo un circuito puente de Wheastone con el diodo 1N4140 en uno de los brazos, y con un potenciómetro de ajuste en el otro brazo del puente, se ob tene una pequeña tensión diferencial de salida en el puente en función de la temperatura, que después se amplifica con un restador de ganancia 10. Se ob tene así una tensión de salida dependiente de la temperatura, que con el ajuste adecuado puede ser interesante en ciertas aplicaciones de control. Pero el enfoque de este circuito es más bien didáctco, para ver la posibilidad del diodo como sensor de temperatura y la aplicación del circuito restador. Es un circuito de aplicación práctca didáctco y sencillo. Para controles más precisos existen otros componentes sensores especializados como el LM35, elementos PT100, etc.
353
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Figura 18.32. Circuito convertidor temperatura-tensión, utilizando c omo sensor un simple diodo.
18.5.8.2
Sensor de temperatura: NTC
En el circuito de aplicación práctca siguiente, también con fines didáctcos, se utliza como sensor de temperatura un NTC; una resistencia cuyo valor disminuye con la temperatura. Como se sabe, NTC significa resistencia de coeficiente negatvo de temperatura. El circuito se basa también en un puente de Wheastone, en el cual en unos de los brazos del puente se ha puesto una NTC de 10 k y un potenciómetro de ajuste. El circuito práctco para su experimentación se representa en la figura 18.33. En función de la temperatura que reciba la NTC, la tensión de salida irá variando. El ajuste del potenciómetro se hace para que, a una cierta temperatura de referencia (por ejemplo, 20 °C), la tensión de salida sea una que nos interese (por ejemplo, 4,7 V). Se puede comprobar, experimentar, tocando con los dedos la NTC o acercándole el soldador; la NTC se calentará y la tensión de salida aumentará.
Figura 18.33. C irc uito c onvertidor temperatura-tensi ón, utilizando c omo sensor un NTC .
354
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
18.5.9 Generador de onda cuadrada Este circuito permite generar ondas cuadradas como si fuera un circuito multvibrador a transistores o un circuito integrado 555. En la figura 18.34 se representa su circuito básico. Se basa en un divisor resistvo, compuesto por R1 y R2, y un circuito de carga-descarga basado en un condensador y la resistencia Rf. El condensador se carga a través de la resistencia Rf, y cuando su tensión alcanza una cierta tensión de disparo (Vp) la tensión de salida del operacional cambia de polaridad; entonces, el condensador se descarga (también a través de Rf) y se carga con polaridad diferente. Este proceso se repite contnuamente, de manera que en la salida aparece una onda cuadrada y en el condensador una onda tpo triangular, debido a la carga-descarga del condensador.
Figura 18.34. Circuito generador de onda cuadrada.
La tensión de disparo es la tensión que tene que alcanzar el condensador para hacer que la tensión de salida cambie de polaridad; viene dada por el divisor resistvo:
Haciendo que R1 = R2, la tensión de disparo es la mitad del valor de la tensión de salida (VO). La frecuencia de la señal de salida es:
Ejemplo Si ponemos R1 = R2 = 10 k y C = 100 nF, el valor de la resistencia Rf debería ser:
Se puede poner del valor normalizado 4k7.
El circuito práctco, basado en el operacional μA 741, se representa en la figura 18.35.
355
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Figura 18.35. Circuito práctico generador de una onda cuadrada de f ≈ 1000 Hz, y 10 V P.
Su experimentación mediante el programa Mul tsim se representa en la figura 18.36; en el osciloscopio aparecen las dos ondas, la cuadrada de salida y la de cargadescarga del condensador. Como se puede comprobar, el valor (de pico) de la tensión en el condensador es 5 VP, que se corresponde con la tensión de pico ( VP) calculada (determinada por R1 y R2). Y el valor de la onda cuadrada de salida es de unos 10 VP, y de frecuencia aproximadamente 1000 Hz.
356
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
f ≈ 1000 Hz
1 1 f = T = 0,001 = 1000 Hz Figura 18.36. Resultados de la experimentac ión d el generado r de onda cuad rada mediante el programa Multisim.
Actividades de evaluac ión Nota: Las actvidades se pueden realizar práctcamente o simular mediante el programa Multsim; se recomienda hacerlo de las dos formas.
1. Dibujar el esquema de un amplificador inversor basado en operacional 741, y calcularlo para que tenga una ganancia de AVf = 20 y que la impedancia de entrada sea de ZI = 10 k. Hacer el montaje y experimentarlo: • Aplicar una señal de entrada senoidal de 0,4 VPP y f = 1kHz. • Analizar con osciloscopio las señales de salida y entrada. ¿Existe desfase? ¿De qué valor es la ganancia real del amplificador?
2. Calcular y experimentar un amplificador no inversor, de manera que su ganancia sea AVf = 2, y una de las resistencias sea de 100 k. • Dibujar el esquema práctco con el 741, alimentado con ± 12 V. • Aplicar una señal de entrada de VI = 1 VPP f = 1000 Hz. • Analizar las señales de entrada y salida. ¿Existe desfase? ¿Cuál es la ganancia real del amplificador? • Buscar de la hoja de datos (datasheet) del fabricante los valores (en lazo abierto) de ZI, ZO y AV; calcular los valores de ZIf y ZOf (impedancias de entrada y de salida en lazo cerrado).
3. Realizar el esquema práctco de un sumador no inversor, con dos operacionales 741, para que la salida sea: • Hacer el montaje y experimentarlo. • Aplicar a las entradas las tensiones contnuas de los valores: • Medir la tensión de salida del operacional. ¿VO = ? • Ahora aplicar las tres señales de entrada con ondas senoidales de f = 1000 Hz; analizar la señal de salida en el osciloscopio.
4. Dibujar el circuito correspondiente a la ecuación siguiente: ¿De qué tpo de circuito se trata? Explicarlo.
5. Realizar el montaje del circuito convertdor temperatura-tensión de la figura 18.32. El sensor se puede calentar simplemente tocándolo con los dedos, y más aún acercándole el soldador; ello debe afectar notablemente en la tensión de salida del operacional. Experimentarlo y hacer un resumen sobre su funcionamiento y aplicaciones.
357
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Actividades de evaluac ión 6. Realizar el montaje del circuito generador de ondas que se muestra en la figura 18.35. Se recomienda realizarlo práctcamente y también mediante simulación con Multsim. a) Analizar la señal de salida con el osciloscopio: Nivel de salida (VPP) = ? Frecuencia (Hz) = ? b) Calcularlo para que f = 2000 Hz, y verificar la señal de salida.
18.6
Amplificador de potencia de sonido C I TDA 2003
Además de los amplificadores operacionales picos normales, también hay modelos de cierta potencia para ampli ficar señales de audio (sonido), para actvar altavoces; son amplificadores utlizados en las etapas de audio en auto radios, TV, amplificadores de ordenador, etc. Existen diversos tpos de circuitos integrados amplificadores de potencia, siendo uno muy u tlizado el TDA 2003. Este circuito integrado puede proporcionar una potencia de salida nominal de 6 W e ficaces, con un ancho de banda de 40 a 15.000 Hz. Puede servir perfectamente para actvar altavoces en aparatos de radio, TV, Walkman, etc. En lafigura 18.37 se muestra su símbolo y tpo de encapsulado. Este tpo de encapsulado se llama Pentawa.
+
+V
1
TDA 2003
8 a 18 V
1
5
3 2
+
TDA 2003
4
5 4
VO
Figura 18.37.
−V
Amplifica dor operac ional de potencia; un amplificador de audio que puede proporcionar una potencia de 6 W (radio, TV, equipos de música).
2 3
Masa (0 V) Al igual que los amplificadores operacionales normales, también tene dos entradas; en cambio, este modelo está diseñado para funcionar con una alimentación simple (una sola polaridad), no necesita alimentación simétrica.
18.6.1
Circuito práctico ampli fic ador de pot encia de sonido
El circuito práctco de aplicación básico del TDA 2003 se representa en la ra 18.38.
figu-
Se ha puesto un potenciómetro (100k) en la entrada para poder regular el nivel de señal que recibe el TDA 2003; así se ajusta el volumen en los equipos de sonido. Su ganancia de tensión en lazo cerrado (closed loop) es de unos 40 dB (para Z = 4 y f = 1000 Hz). Como la tensión de salida para PO = 6 W es:
Si la ganancia es AV = 40 dB, la tensión de entrada necesaria es:
358
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli
ficadores operacionales
Según medidas en laboratorio, para señales de entrada superiores a 0,1 VPP se empieza a recortar la señal de salida, de manera que la distorsión empieza a aumentar bruscamente. 12 V
P<6W (d < 10%
100 µF 35 V
< 0,1 VPP
10 µF 25 V
Ajuste volumen 100 kΩ
1
f = 1000 Hz)
100 nF
5 +
4
TDA 2003
1000 µF 35 V
2 220 Ω
3
39 Ω
100 nF
39 nF
2,2 Ω
Z=4Ω
1Ω
470 µF 25 V Figura 18.38. Esquema del montaje b ásico del amplific ad or TDA 2003.
La tensión de alimentación en aparatos de auto radio es 12 V (tensión de la batería), pero en otras aplicaciones también se utliza normalmente una alimentación de 12 V; aunque el TDA 2003 puede funcionar con una alimentación desde 8 a 18 V. La impedancia pica de los altavoces es 4 o 8 . Según datos del fabricante, con una altavoz de Z = 4 el TDA 2003 puede proporcionar una potencia de salida de 6 W (con una distorsión d =10 % a una f = 1000 Hz). Y su respuesta de frecuencia va de 40 Hz a 15.000 Hz; no cubre toda la gama estándar de sonido (20 Hz a 20 kHz) pero es más que suficiente para las aplicaciones de sonido normales en radio, TV, etc. Es muy importante saber que cuanto más baja es la impedancia del altavoz mayor potencia proporciona el amplificador, porque la tensión de salida del amplificador es constante para una cierta señal de entrada; por ello, por la bobina móvil del altavoz circulará más corriente cuanto más baja sea la impedancia.
Ejemplo Si un amplificador puede dar una potencia nominal e ficaz de 6 W para una impedancia de altavoz de Z = 4 , la tensión de salida a esa potencia es:
Y la corriente de salida será por tanto:
359
Unidad 18 · Circuitos integrados. Ampli ficadores operacionales
Ejemplo Esta corriente y tensión de salida a un altavoz de
Z
= 4 es evidente que da lugar a una potencia de:
Pero si ponemos un altavoz de impedancia más baja, por ejemplo, dos altavoces de Z = 4 en paralelo, lo cual da una impedancia resultante de Z = 2 ; entonces, como para la misma señal de entrada la tensión de salida será la misma, la corriente de salida del amplificador será:
Es el doble de la corriente de salida para Z = 4 , por lo cual la potencia de salida ahora sería el doble: Pero esto tene sus consecuencias; a mayor potencia de salida mayor consumo de corriente y mayor potencia disipada en el amplificador, por lo cual existen límites en cuanto a la impedancia mínima del altavoz. Según datos del fabricante, la potencia máxima que puede disipar el TDA 2003 es PD= 20 W, lo cual significa que con 12 V de alimentación y Z = 2 se superaría la potencia máxima disipada: Por otra parte, la potencia máxima que se puede obtener de un ampli ficador, como el amplificador obtene la energía de la fuente de alimentación, la potencia máxima depende de la potencia que pueda proporcionar la fuente de alimentación (o sea, la fuente de alimentación limita la potencia máxima de salida de un amplificador).
Actividadesfinales fic ador de poten Montaje y análisis del ampli c ia CI TDA2003
1. Buscar (Internet) la documentación técnica del fabricante del CI amplificador de potencia TDA2003, y hacer un resumen sobre las característcas: • Potencia de salida • Distorsión • Tensión de alimentación • Sensibilidad • Respuesta frecuencial • Tipo de encapsulado (dibujar el patllaje)
2. Realizar el montaje del ampli ficador de potencia que se muestra en la figura 18.38. Para poder analizar el ampli ficador sin sonido, se puede susttuir el altavoz por una resistencia equivalente a la impedancia del altavoz; o sea, de 4 ó 8 . Aplicar una señal de entrada senoidal de f = 1000 Hz. Ajustar el nivel de la señal de entrada justo en el punto donde se empieza a recortar la señal de salida; este será el nivel máximo de señal de entrada. VI(PP)máx. = ? Medir el nivel de señal de salida (VO) para VI(PP)máx. a las frecuencias:
100 Hz, 1000 Hz, 5000 Hz, 10.000 Hz y 20.000 Hz y obtener: • El nivel de señal de salida, en VPP y valor eficaz. VO(PP) = ? • La potencia de salida eficaz. • La ganancia en dB.
VO(rms) = ?
Hacer un resumen de dichos datos y representar de forma grá fica la respuesta de frecuencia.
360
Unidad 19Fuentes
de alimentación reguladas
Objetivos: Aprender los principios básicos sobre las fuentes de alimentación reguladas, en base a los circuitos integrados reguladores de tensión de las series más utilizadas. Se explican las características básicas prácticas de las series de reguladores 78XX/ 79XX y LM317/337, las más populares, y sus circ uitos práctic os de utilización.
En este capítulo: 19.1 Introducción. 19.2 Reguladores de tensión serie 78XX/79XX.
19.6 19.7
Reguladores de 100 mA. Serie 78LXX. Reguladores de la serie LM317/337.
19.3 de Montaje análisis un alimentador 12 V cyon un C I de 7812. 19.4 Alimentador con salida simétrica basad o en un 7812 y 7912.
19.8
Fuentelede alim variab con elentación LM317. de salida Fuentes c onmutada s.
19.5 Reguladores de 3 A. Serie 78TXX.
19.9
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
19.1
Introducción
Los circuitos reguladores de tensión son componentes fundamentales en electrónica, ya que todos los aparatos, equipos, incorporan fuente de alimentación y es muy normal que sea estabilizada y con protecciones; y para ello, los CI reguladores de tensión son la solución más interesante, por sencillez, precio y e ficacia. Básicamente, los CI reguladores de tensión proporcionan una tensión contnua estabilizada y con protección frente a sobre cargas o cortocircuitos. Internamente, se basan en la estabilidad de tensión que proporciona el diodo zener y la ampli ficación que proporcionan los transistores. El regulador se pone a la salida del circuito rec tficador; se obtene así una tensión de salida sin casi rizado y con una muy buena regulación frente a las variaciones de tensión de entrada o por la carga (figura 19.1). Tensión connua con rizado y no estabilizada
Tensión de salida regulada
230 2 ≅ 325V Tensión alterna (ej. 15 V)
+
Regulador f = 50 Hz
Figura 19.1. El circuito regulador de tensión se c onec ta a la salida del c irc uito recti ficador.
19.2
Reguladores de tensión serie 78XX/79XX
La serie de CI reguladores de tensión más conocida y utlizada es la 78XX/79XX. Dispone de modelos de muy baja potencia (I = 100 mA, serie 78LXX) y de mediana potencia (IO = 3 A, serie 78TXX), en una ampliaO gama de tensiones de salida. La realización de circuitos reguladores de tensión con estos CI resulta muy sencilla. En la nomenclatura (78XX), la tensión de salida es posi tva y “XX” representa el valor de la tensión de salida. Y en el caso de los modelos 79XX, la tensión de salida es negatva.
Recuerda
• • •
Los C I reguladores de tensión proporcionan una tensión continua estabilizada y con protección frente a sobrecargas o cortocircuitos. Internamente, se basan en la estabilidad de tensión que proporciona el diodo zener y la amplificación que proporcionan los transistores.
362
Así pues, con un 7812 y un 7912 se puede realizar fácilmente una fuente de alimentación de doble polaridad; el 7812 proporciona una salida de + 12V y el 7912 una tensión de salida de – 12V. Estetpo de fuente, doble polaridad, se llama fuente simétrica.
19.2.1 El 78XX. Regulador de salida positiva La versión pica, la más normal de estos reguladores es la 78XX; puede dar una intensidad máxima de salida de 1 A y su encapsulado es TO-220. En la figura 19.2 se representa información técnica (del fabricante). En dicha información se indica la gama de tensiones de salida, la intensidad de salida, y que está protegido frente a sobrecargas y cortocircuitos.
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
LM78XX
Figura 19.2. C I regulador LM78XX; enc ap sulad o y c arac terística s del fabricante.
El circuito de aplicación básico es sumamente sencillo, como se representa en la figura 19.3. Para su funcionamiento sólo necesitan dos condensadores de desacoplo; uno en la entrada (330 nF) y otro en la salida (100 nF). Estos condensadores son para el filtrado de posibles picos de tensión, transitorios, que se pueden dar debido a la conexión y desconexión de la carga, picos de la red, oscilaciones del circuito, etc.
Figura 19.3. Ejemplo de aplicación básica propuesta p or el fabric ante.
Para que regule, es necesario que la tensión de entrada sea al menos 2 V más elevada que la tensión de salida, y con la precaución de que la potencia disipada en el regulador sea inferior ay15 W. Como deduce, cuanto mayor seaserá la diferencia de tensión entrada-salida mayor sea lasecorriente de salida, mayor la potencia que disipará y por tanto más se calentará: Así, para la corriente máxima de salida de 1 A, la tensión de entrada no debe ser mayor de 15 V que la tensión de salida, ya que esto supondría una disipación de 15 W.
Ejemplo En un CI regulador 7805 la tensión de entrada máxima, para una corriente de salida de 1 A, no debería ser mayor de 20 V, ya que:
En todos los CI reguladores de tensión, a excepción de los de muy baja potencia (serie 78LXX), normalmente es necesario la utlización del algún tpo de radiador para disipar el calor que se produce en el regulador y así evitar temperaturas excesivas.
19.2.2
Estructura y circ uito interno de un regulador 7812
En las figuras 19.4 y 19.5 se representa la estructura de circuitos y el esquema interno de los componentes de un circuito integrado regulador 7812. De esta manera, 363
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas nos hacemos una idea de la complejidad que tenen los circuitos integrados, incluso los más sencillos. Los circuitos integrados reguladores de tensión, generadores de señal como el 555, amplificadores operacionales, circuitos de control de disparo de tristores, etc., son de baja escala de integración; o sea, de los más sencillos, los que menos componentes contenen. Pero aun así, los circuitos internos son de cierta complejidad. Los circuitos integrados de mayor complejidad son los microprocesadores de los ordenadores (CPU), memorias RAM, procesadores gráficos (GPU), etc.
Figura 19.4. Estructura interna de los diferentes circuitos que c ontiene un c irc uito integrado de la serie78XX.
En todos los casos, la u tlización de circuitos integrados se basa en conocer sus funciones, o sea, estudiar la documentación técnica que proporcionan los fabricantes. Es trabajar con bloques funcionales, con cosas hechas, lo cual siempre es más sencillo que realizar todos los circuitos con componentes sueltos (antguamente era así).
Figura 19.5. Esquema del circuito interno de un 7812. La regulación se ba sa e n el efecto estabilizador del diodo zener y la amplifica ción de los transistores.
19.2.3 Circuito básico de aplicación con el 7812 El circuito de aplicación de este tpo de reguladores es el más sencillo de todos los tpos de reguladores. En la figura 19.6 se muestra el montaje de referencia básico de un 7812, cuya corriente máxima de salida es 1 A. Se muestra el tpo de encapsulado (TO-220), con la identficación de las patllas y el circuito a realizar.
Para simplificar, normalmente, los condensadores de desacoplo de entrada-salida se ponen los dos de 100 nF. La tensión de entrada se supone procede del circuito 364
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas rectficador, que deberá entregar una tensión al menos 2 V mayor que la tensión de salida; o sea: VI > 2 + 12 = 14 V. Y menor a: 12 + 15 = 27 V, para que la disipación de potencia, en el peor de los casos, sea inferior a 15 W. La situación en la cual la disipación será máxima es cuando la tensión de entrada y la corriente de salida son máximas; IO = 1 A y VI = 27 V, lo cual daría: VI – VO = 27 – 12 = 15 V y PD = 15 × 1 = 15 W
7812
1
2
3
VI Entrada
+ VI
Figura 19.6. C ircuito básico de aplica ción de los CI 78XX.
VO GND
1 V 7812 V O I GND 2 100 nF
Salida
3
+VO = 12 V
100 nF
0V
0V
19.2.4 El 79XX. Regulador de salida negativa El regulador de la serie 79XX es como el 78XX pero para tensiones de salida negatvas, lo cual permite realizar alimentadores con salida simétrica, por ejemplo + 12 V y – 12 V. El circuito básico de aplicación se muestra en la figura 19.7, basado en un 7912. Es muy importante saber que el patllaje de la serie 79XX no es igual que el de la serie 78XX; las patllas 1 y 2 están intercambiadas. 0V
0V 100 nF
7912
100 nF 1 GND
Figura 19.7.
−V
2 Entrada
C ircuito básico de aplica ción del 7912.
VI
7912
1
VO
3 Salida
−12 V
GND
2
3
VO
VI
Actividades de evaluac ión 1. Indicar las funciones básicas que proporcionan los reguladores de tensión. 2. ¿En qué componentes (internos) se basa la función de estabilización de tensión de los CI reguladores de tensión?
3. Dibujar el esquema básico general de un circuito alimentador con regulación de tensión, con todos los detalles de componentes.
4. Sobre el CI 7805: a) Explicar la función de cada patlla. b) ¿De qué valor es la tensión de salida? ¿Y la corriente máxima nominal de salida? VO = ? IO = ? c) ¿De qué valor mínimo debe ser la tensión de entrada para que regule normalmente? VI(mín.)= ?
365
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Actividades de evaluac ión d) Si la tensión de entrada fuera de 20 V y la corriente de salida 1 A, ¿qué potencia disiparía el 7805? ¿Estaría dentro de lo normal?
5. Dibujar el circuito básico de aplicación de un CI 7805 y un 7905. Explicarlos.
19.3
Montaje y análisis de un alimentador de 12 V con un CI 7812
Un montaje completo se muestra en la figura 19.8. La tensión alterna de entrada se supone procede de un transformador con salida de 15 V, que un puente rectficador y un condensador de filtro se encargan de conver tr en tensión contnua filtrada. El regulador 7812 recibe dicha tensión, con un cierto rizado y suscep tble de variaciones debido a la red y a la carga, y proporciona una tensión con tnua de 12 V sin casi rizado y muy estable frente a variaciones de entrada y en la carga; además, está protegido frente a cortocircuitos en la salida. Un LED indica que existe tensión de salida.
Figura 19.8. Ejemplo de aplicación práctica del 7812.
366
Para tener una idea más práctca, en la figura 19.9 se muestra el circuito alimentando una carga de 24Ω (lo que supone una corriente de salida 0,5 A) y con las medidas de las tensiones de entrada y salida, así como la corriente de salida. Con una tensión alterna de entrada de 15 V, el circuito rectficador entrega un valor medio de tensión contnua de 18,4 V, con un cierto rizado (que se puede observar y medir con el osciloscopio). Con una carga RL = 24 Ω, lo cual en teoría supone una corriente de salida de 0.5 A, la tensión de salida del regulador es de 11,7 V. Como se puede comprobar, en la práctca, la tensión de salida nominal de los reguladores puede variar algo en función de la carga, etc.
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Figura 19.9. Med idas en el circuito alimentador con 7812.
Un osciloscopio permite asimismo poder observar y medir el rizado de la tensión contnua en la entrada y salida del regulador. En la figura 19.10 se puede ver una captura de lo que muestra la pantalla del osciloscopio. El rizado de la tensión de salida se observa en el canal A del osciloscopio; aparece una forma de onda en diente de sierra de unos 3 m VPP. Y el rizado de entrada al regulador se observa en el canal B; aparece una señal de unos 3,5 × 500 mV = 1750 m VPP. El efecto de regulación en el rizado del 7812 es obvio; además, las variaciones de la tensión de entrada debido a la red o la carga casi no afectarán a la tensión de salida.
Canal B: Ent. 7812 Vr ≅ 1750 mVPP
Canal A: Sal. 7812 Vr ≅ 3,5m VPP
Figura 19.10. Resultad os que muestra el osciloscopio sobre la tensión de rizad o en la e ntrad a y salida del regulador.
19.4
Alimentador con salida simétrica basado en un 7812 y 7912
La utlidad del 79XX es realizar alimentadores con salida simétrica, lo cual es necesario en muchas aplicaciones electrónicas; un caso muy conocido es para la alimen-
367
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas tación de circuitos integrados ampli ficadores operacionales. Estos CI picamente se alimentan con tensión positva (+ V) y tensión nega tva (– V); aunque, en según qué montajes, hay formas para alimentarlos con tensión de una sola polaridad. La configuración básica de un circuito alimentador simétrico basado en un 7812 y 7912 se muestra en la figura 19.11. Con respecto a la línea de 0 V (masa), se dispone de una tensión de + 12 y otra de – 12 V.
1
+ VI
VI
7812
3
VO
+ 12 V
GND 2 100 nF
100 nF
100 nF
100 nF
0V
0V
Figura 19.11.
2
−V
Ap lic ac ión básica de un 7812 y un 7912 para realizar un alimentador simétrico.
19.5
1 GND VI
7912
3
VO
−12 V
Reguladores de 3A. Serie 78TXX
Además de la gama básica 78XX, que pueden dar una corriente máxima de salida de 1 A, están los modelos 78TXX que pueden entregar una intensidad máxima de salida de 3 A. Pueden por tanto disipar más potencia (25 W).
19.5.1
Fuente de alimentación de 5V3A basada en un 78T05
En la figura 19.12 se muestra el esquema prác tco de una fuente de alimentación realizada en base a un 78T05. Se ob tene una tensión de salida de 5 V que puede proporcionar una corriente de salida de hasta 3 A, y con una buena regulación y protección a sobre cargas. Obviamente, conseguiraluna corriente salida de 3 A, elfrente transformador deberá ser capaz depara proporcionar menos 3,5 A de (hay que tener en cuenta que su tensión de salida baja conforme mayor es la corriente de salida, y si baja demasiado el CI regulador deja de regular).
1 VI 230 2 ≅ 325V
2 8V 3,5 A
368
GND
MC78T05
f = 50 Hz
Figura 19.12.
3
VO 3A
1
Fuente de alimentac ión de 5V y 3A, basada en un 78T05.
2
330 nF
3300 F 25 V
5V
3
100 F 100 nF 16 V
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas En cuanto a los condensadores, en principio deben de ponerse los de desacoplo de señales transitorias. El de entrada, el fabricante recomienda 330 nF y el de salida de 100 nF, pero normalmente se ponen los dos de 100 nF. Son condensadores casi de tpo opcional; si no se pusieran, en principio, funcionaría todo normal; pero se aconseja ponerlos. El condensador de 100 F en la salida es opcional, depende del rizado de salida que se admita y el tpo de carga. A este tpo de regulador (serie 78TXX) se debe poner disipador con más razón que al 78XX normal; ya que puede dar una corriente de salida de 3 A y se puede calentar más.
19.6
Reguladores de 100 mA. Serie 78LXX
Dentro de esta serie de reguladores, también está la gama de baja potencia; se representa por 78LXX, cuya corriente de salida máxima es de 100 mA. Su encapsulado es de tpo TO-92 (como los transistores de baja potencia BC 547). En la figura 19.13 se muestra el patllaje del 78LXX y del 79LXX.
78L XX
VO
Figura 19.13. Reguladores de la serie 78/ 79XX, de baja potencia.
GND
79L XX
VI
GND
VI
VO
Básicamente, el circuito de aplicación prác tca es igual que en los modelos de 1 A, como se muestra en la figura 19.14. 78L 05
230 2 ≅ 325V
V O
8V 0,15 A Figura 19.14.
I
VI 78L05 VO GND 100 nF 100 nF
f = 50 Hz
Ejemplo d e c ircuito prác tic o c on el 78L05.
V GND
5V 0,1 A
470 μF 16 V
Actividades de evaluac ión 1. Montar y analizar una aplicación con el CI regulador 7812 ( figura 19.8). Se puede realizar con el programa Multsim, pero se recomienda también hacer el montaje práctco. Poner una carga de RL = 24 , y medir: a) Tensión de entrada al 7812: VI = ? b) Tensión de rizado del rectficador: Vriz = ? c) Tensión de salida del 7812: VO = ? d) Corriente en carga: IO = ? e) Tensión de rizado en la salida: Vriz(sal.) = ? Cambiar la carga por otra de RL = 15 , y el condensador de filtro cambiarlo por uno de 1000 F (25 V), y repetr las medidas. Hacer un resumen de los resultados, razonarlos.
369
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Actividades de evaluac ión 2. Dibujar el esquema de un alimentador simétrico de ± 5 V, basado en la serie 78XX. 3. Explicar las diferencias de los CI 78T05 y 78L05 con respecto a la serie normal (7805). Dibujar los patllajes del 78T05, 78L05, 7805, 79L05.
19.7
Reguladores de la serie LM317/337
Además de la serie 78/79XX, existen otras series de CI reguladores, siendo una muy popular y ampliamente utlizada la LM317/337. Estos reguladores permiten obtener tensiones de salida variables entre 1,2 y 37 V con una corriente de salida de 1,5 A, con una muy buena estabilización y protección frente a sobrecargas. El LM317 es para tensión de salida posi tva y el LM337 para tensión de salida negatva. Se pueden obtener con encapsulado TO-220 (LM317T) y también en TO-3 (LM317K). Hay también una versión que puede dar una corriente de salida de 5 A; es el LM318 (encapsulado TO-3).
19.7.1 C aracterísticas generales La tensión de entrada debe ser unos 3 V mayor que la tensión de salida, o sea: VI – VO ≥ 3 V. Y la potencia disipada debe ser menor de 20 W (en las versiones TO-220 y TO-3). En general, en todos los disposi tvos de este tpo, hay que procurar que la temperatura sea la mínima, por ello se deben de montar los reguladores con disipadores, y tener en cuenta la potencia disipada, que vendrá dada por la diferencia de tensiones entrada-salida y la corriente de salida: En la figura 19.15 se muestra el pa tllaje de los modelos 317 y 337. Este tpo de encapsulado es el TO-220; es la versión más popular, en la nomenclatura aparece una T al final, o sea: LM317T.
317
337
Figura 19.15. Patillaje del LM317 (salida positiva) y del LM337 (salida negativa), en el encapsulado más usual (TO-220).
VI
ADJ
ADJ VI
VO
VO
El LM317 también se dispone en encapsulado TO-3; en este caso aparece una K en la nomenclatura: LM317K (fig. 19.16). La corriente de salida máxima también es 1,5 A, pero permite una mejor disipación de potencia. Para disponer de mayor corriente de salida, está el LM318 (en TO-3), que puede entregar una corriente de salida de 5 A.
A DJ
Figura 19.16. Patillaje del LM317K (enca psulado TO-3).
370
VO
VI
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
19.7.2 C irc uito básic o de aplicac ión del L M317 El circuito práctco de un regulador se representa en lafigura 19.17; se basa en lospicos condensadores en la entrada y salida de 100 nF más dos resistenciasR1(y R2). El valor de la tensión de salida depende de los valores de dichas resistencias, según la fórmula siguiente:
Pero como que Vref = 1,25 V y la corriente Iref es de un valor muy bajo (< 50 A), la fórmula se puede simplificar:
VO ≅ 1,2 1 +
VI > VO + 3
+ VI
VI
LM317
VO
R2 R1
+ VO
ADJ Vsalida 1,2 a 37 V
R1
100 nF
100 nF R2
C ircuito básico de aplica ción del LM317.
ADJ
VO
Ajuste tensión de salida
Figura 19.17.
0V
317
Isalida < 1,5 V
VI
0V
Así pues, si R2 es un potenciómetro la tensión de salida se puede variar en un amplio margen. O bien, se puede obtener un valor fijo de tensión poniendo los valores adecuados de R1 y R2. Lo mejor, es poner siempre un valor fijo de R1 y un potenciómetro para R2, de manera que se pueda ajustar la tensión al valor que sea necesario.
19.7.3
Circ uito experimental del LM317 Contacto con VO LM 317
IADJ ≅ 47
VR2 + Vref = VO
A R1
VI > 25 V
270 Ω
+
Vref ≅ 1,2 V 1,25 a 22,5 V
VR2 = VO – Vref
Figura 19.18. C ircuito práctico de ap lica c ión experimental del LM317.
0V
R2
5 kΩ
En la figura 19.18 se muestra un montaje práctco experimental del LM317, con los valores que se han medido de la corriente y tensión de referencia, que son: 371
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas IADJ ≅ 47 A y Vref ≅ 1,2 V. Con los valores deR1 =270 Ω y R2 un potenciómetro de 5 k Ω,
se puede obtener una tensión de salida entre 1,2 V y unos 22,5 V.
Según datos del fabricante, la tensión de salida puede ir de unos 1,2 hasta 37 V, con una corriente máxima de salida de 1,5 A. Y la tensión de entrada debe ser al menos unos 3 V mayor que la tensión de salida, con un máximo de 40 V. Y hay que procurar que la disipación de potencia en el regulador no supere 20 W. En el caso del LM337, es todo igual salvo que está diseñado para que la salida de tensión sea nega tva, de manera que se puedan realizar circuitos alimentadores de tpo simétrico (+ VO y – VO). Y hay que tener en cuenta que el pa tllaje del LM337 no es igual que el del LM317. En la figura 19.19 se muestra el circuito básico de aplicación del LM337.
– VI
VI
LM337
– VO
VO
ADJ
R1
100 nF
337
100 nF
R2
ADJ
VI
Figura 19.19. Circuito básico de aplicación del LM337.
0V
19.7.4
VO
0V
Circuito para ajustar la intensidad de salida máxima
La corriente máxima nominal de salida del LM317 es 1,5 A; a partr de este valor empieza a actuar el circuito interno de protección. Pero podemos hacer que la corriente máxima de salida sea un valor más bajo, según nos convenga. Hay que tener en cuenta que cuando se alimentan circuitos, especialmente haciendo pruebas de experimentación, se pueden hacer conexiones indebidas que pueden dar lugar a corrientes excesivas y estropearse componentes (en especial, semiconductores). Por ejemplo, si con una fuente de alimentación que pueda dar una corriente de 1 A alimentamos un LED de 2 V, sin nos pasamos de tensión éste se puede estropear porque la intensidad puede tomar valores demasiado elevados para el LED. Pero si hacemos que la corriente máxima de salida de la fuente sea 50mA, en cualquier caso, nunca le aplicaremos más de 50 mA al LED, y así podemos evitar que se deteriore haciendo experimentos, pruebas. El poder limitar la intensidad máxima de salida a valores que, en principio, no puedan dañar componentes es muy importante de cara a la prueba, experimentación de circuitos o componentes. Con cierta práctca, con una fuente de alimentación de salida ajustable y con limitación de intensidad, se pueden hacer diversas comprobaciones de componentes muy rápidas, como conocer la tensión de un zener, probar diodos LED, comprobar tristores, etc. Para logar limitar la corriente máxima de salida del LM317 se pone una resistencia en la salida, de un valor bajo (para que perturbe los menos posible la estabilidad), según se muestra en el circuito de la figura 19.20. La intensidad máxima de salida viene dada por:
372
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Ejemplo Para un valor deRS = 1 Ω, la intensidad máxima de salida quedará limitada a par tr de:
Y si RS = 10 Ω, el valor máximo estaría en:
La tensión de salida, sin las resistencias (R y R ) de ajuste de tensión, es aproxima1 2 damente igual a la tensión de entrada. Este montaje se hizo para evaluar y hacer medidas sobre la limitación de corriente de salida del LM317. LM 317
Imáx. =
Vref RS
=
RS = 1 Ω VI
1,25 ≅ 1,25A 1 IO
RL
Figura 19.20. C irc uito para limitar la corriente de salida en el LM317.
0V Si unimos la patlla ADJ y VO, como se muestra en la figura 19.21; no hay límite de intensidad, la corriente de salida es la máxima que pueda proporcionar el regulador y VO ≅ VI. LM 317
VI Figura 19.21. Uniendo las patillas ADJ y V O , la corriente máxima de salida q ueda limitada sólo por el circ uito de p rotec c ión interno.
Sin límite de intensidad; la corriente máxima de salida es la nominal del 317. IO
RL 0V
Una forma práctca de conseguir un ajuste de la corriente máxima de salida es poniendo la resistencia serie ( RS) del valor adecuado para la corriente máxima que interese, y conectar la patlla ADJ a un potenciómetro en paralelo con RS, como se muestra en la figura 19.22. De esta manera, se consigue ajustar la corriente de salida máxima entre el valor mínimo calculado y la máxima nominal que pueda dar el regulador.
373
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Ejemplo Si la resistencia RS = 1,8 Ω la corriente máxima quedaría limitada a:
Así, ajustando el potenciómetro, la corriente máxima de salida se podría ajustar entre unos 0,7 A y 1,5 A.
LM 317
Vref 1,25 Imáx. = RS = 1,8 ≅ 0,7A RS = 1,8
VI
IO
1 kΩ Imáx. = 1,5 A
Imáx. ≅ 0,7 A
Ajuste intensidad
RL
Figura 19.22. C irc uito que permite ajustar la corriente máxima de salida.
0V
19.8
Fuente de alimentac ión desalida variable con el LM317
El circuito base que permite obtener una tensión de salida que se puede variar entre unos 1,2 V y unos 22 V se muestra en la figura 19.23. Es un montaje muy interesante de cara a la prác tca, ya que permite obtener las tensiones normalmente necesarias para alimentar circuitos de electrónica para su experimentación. Y una corriente de salida de 1,5 A puede ser su ficiente para la mayoría de aplicaciones.
LM317 25 V
VO
VI
1,2 a 22 V
ADJ R1 270 100 nF Figura 19.23. C irc uito pa ra o btener tensiones de salida entre 1,2 y 22 V.
100 nF Ajuste tensión de salida
0V
R2 4k7 0V
El circuito completo de una fuente de alimentación de laboratorio sencilla basada en ese circuito se muestra en la figura 19.24. Como ya se debe saber, el LM317 se debe montar con un radiador para evitar que se caliente demasiado. Dependiendo del tpo de montaje práctco y el radiador utlizado, puede resultar mejor utlizar el LM317K, encapsulado en TO-3. 374
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas Hay que saber que el regulador se calentará más cuanto más baja tengamos ajustada la tensión de salida y mayor sea la corriente de salida; porque la potencia disipada viene dada por: Con los valores de
R1
= 270 Ω y R2 = 4k7, el margen de tensiones de salida es:
Cuando el potenciómetro se ponga al mínimo, o sea, R2 = 0 Ω, la tensión de salida será la mínima:
Y cuando el potenciómetro se sitúe al máximo, R2 = 4k7, la tensión de salida será la máxima:
Por ello, la tensión de entrada al regulador deberá igual o mayor a 25 V, para que se cumpla que sea unos 3 V mayor que la tensión de salida. Si el transformador da 20 V, la tensión de pico será: Con el condensador de filtro conectado, si la corriente de salida es de 1 A, el valor de la tensión de rizado es:
La tensión media contnua de salida, despreciando la caída en los diodos, vendrá dada por: La disipación de potencia en el LM317, para una corriente de salida de 1 A y tensión de salida de 5 V, es: Como el máximo son 20 W, hay que tener la precaución de que con una salida de 5 V la corriente de salida no sea mayor a: Figura 19.24. Circuito práctico completo de una fuente de alimentac ión de laboratorio sencilla, basada en el LM317.
Como es obvio, estos son cálculos aproximados; pero que nos aportan información técnica muy importante de cara a la práctca.
VI
VO
LM317T
1,2 a 22 V
ADJ 330 nF
20 V 2A
2k2
270 100 µF 35V 4k7
3300 µF 35 V Rojo
100 nF
Ajuste tensión de salida
375
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Actividades de evaluac ión 1. Sobre el CI regulador LM317: ¿Cuál es el valor de la corriente máxima de salida? IO(máx.) = ?
¿Qué margen de tensiones de salida podemos tener? VI(mín.) = ?
VI(máx.) = ?
Si queremos que VO = 12 V ¿de qué valor mínimo debería ser la tensión de entrada? VI = ? Si la tensión de salida es de 5 V y alimenta una carga de 1 A, siendo la tensión de entrada de 12 V, ¿de qué valor será la potencia disipada por el LM317? ¿Está dicho valor dentro de lo normal?
2. Dibujar el esquema básico de aplicación del LM317: a) Calcular el valor de la resistencia R1 para obtener una tensión de salida que se pueda ajustar entre 1,2 V y 13 V. El valor del potenciómetro es de 4k7. b) Calcular la tensión de salida que debe tener el transformador, para que la tensión de entrada del LM317 sea normal.
3. Hacer el esquema completo de una fuente de alimentación basada en LM317, para una tensión de salitficador, condensador de filtro y el regulador da ajustable entre 1,2 y 15 V. Poner el transformador, rec LM317. a) Poner un LED en la entrada del LM317, y calcular la resistencia para que la corriente del sea de 15 mA. b) Calcular el valor de capacidad del condensador de filtro, para una corriente de salida de 0,5 A y una tensión de rizado de Vr = 1,5 VPP c) Calcular la potencia máxima que disipará el LM317.
4. ¿Qué modificación se podría hacer si nos interesa limitar la corriente de salida del LM317 a 0,5 A? Dibujar el montaje, explicar y calcular los componentes.
19.9
Fuentes de alimentación conmutadas
19.9.1 Fuentes lineales Las fuentes de alimentación reguladas, las basadas en, por ejemplo CI 78XX o LM317, se llaman lineales; son los reguladores clásicos. En este tpo de reguladores, se parte de una tensión de entrada que entrega el rectficador y el regulador se encarga de reducir y estabilizar la tensión de salida. Entre la entrada y la salida existe un dispositvo regulador, un transistor, que mediante un circuito de control, permite reducir la tensión de salida al un valor deseado, y lo man tene constante. El transistor regulador trabaja como resistencia variable en serie con la carga; entre colector y emisor se encuentra la diferencia de tensión entre la entrada y la salida. En dicho transistor se puede desarrollar por tanto una potencia que puede ser muy considerable, que es perdida y se transforma en calor. Así son los reguladores clásicos, los lineales; se caracterizan por su simplicidad, necesitar un transformador de entrada que puede ser bastante pesado y caro, y también por generar bastante calor para potencias medianas y altas; o sea, tenen bajo rendimiento.
es conmutadas 19.9.2 Fuent Existe otro sistema de fuentes de alimentación, que se conoce por fuentes de alimentación conmutadas, que gracias a los avances en los circuitos integrados se han ido simplificando y su aplicación actualmente ya es masiva. Este tpo de reguladores de tensión se caracteriza por su elevado rendimiento; casi toda la potencia de entrada la recibe la carga, las pérdidas son muy bajas. Por ello, también se calientan muy poco. Además, pueden ser pequeñas y poco pesadas, debido a que pueden prescin376
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas dir del pico transformador de entrada de las fuentes lineales. El transformador que pueden necesitar es de pequeñas dimensiones y por tanto poco pesado. Pero este tpo de fuentes también se caracteriza por su complejidad, no resultan tan sencillas como las lineales; pero actualmente se disponen de circuitos integrados que facilitan mucho su realización. Y también pueden ser fuente de señales de interferencias (señales no deseadas) que pueden afectar a otros aparatos de electrónica. Al trabajar en conmutación con frecuencias que puede ser de 200 kHz, se producen ondas tpo cuadrada, que son muy ricas en componentes frecuenciales armónicos. Las fuentes conmutadas son las que tenen, por ejemplo, los ordenadores, alimentadores de ordenadores portátles, alimentadores de móviles, etc. Por ejemplo, un alimentador de ordenador portátl, puede entregar una tensión de unos 20 V con una corriente de 4 A; y es pequeño y poco pesado, y casi no se calienta. Una fuente de estas mismas característcas de tpo lineal sería muy pesada (por el transformador), de mayor tamaño, se calentaría bastante, y tendría bajo rendimiento (parte de la energía de entrada se perdería en forma de calor). 19.9.2.1
Principios de los reguladores conmutados
El principio de funcionamiento de los reguladores conmutados consiste en transformar la fuente de tensión con tnua (del rectficador) en pulsos de ancho determinado (fig. 19.25). Estos pulsos pueden ser estrechos o anchos, su duración es controlada; la tensión de salida dependerá de la anchura de dichos pulsos. Así pues, la regulación de la tensión de salida se consigue controlando la anchura de los pulsos, lo que equivale a controlar el tempo de conducción del dispositvo de salida (transistor o tristor). Estos pulsos, mediante filtrado (condensadores y alguna bobina), da lugar después a una tensión contnua estable.
Conmutador electrónico Impulsos de control
Fuente de tensión connua
Figura 19.25. Princ ipio de funcionamiento de los reguladores conmutados.
Unidad de control
RL
Ajuste manual
Este sistema, debido a que el disposi tvo de control actúa en conmutación (abierto o cerrado) permite variar la tensión que recibe la carga sin que se desperdicie casi energía, cosa que no ocurre si el regulador se basa en una resistencia de valor variable (regulador lineal). El dispositvo de control, interruptor electrónico, suele ser un transistor bipolar o MOSFET de cierta potencia, que actúa en conmutación (como si fuera un interruptor); siempre circula la máxima corriente (interruptor cerrado) o la corriente es cero (interruptor abierto). Cuando un transistor funciona en conmutación, casi no disipa potencia; ya que o la corriente de colector es cero o la tensión entre colector-emisor es (casi) cero.
Tensión continua desalida En una onda de tpo cuadrada, aparecen unos tempos de duración en el estado alto (t1) y en el estado bajo ( t0). Y dependiendo de dichos tempos el valor medio de tensión contnua resultante es diferente; por ello, variando dichos tempos se varía la tensión contnua media de salida; pero, lo relevante, es que este control se realiza haciendo que el elemento de control actúe siempre en conmutación. 377
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
19.9.2.2
Ciclo de trabajo (Duty cycle)
Se define por ciclo de trabajo ( duty cycle) de una onda tpo cuadrada (figura 19.26) a la expresión:
t1
Onda simétrica; los empos son iguales t1 = t0
VBB Figura 19.26. Onda cuadrada simétrica; los tiempost1 (nivel alto) y t0 (nivel bajo) son iguales. El ciclo de trabajo es ½.
t0 La tensión contnua media resultante viene dada por:
Ejemplo Para una tensión de entrada de VBB = 100 V y con una frecuencia de conmutación de f = 1000 Hz, si la duración del nivel alto es t1 = 0,0005 ms, el valor medio de tensión contnua en la carga sería:
La estructura de un circuito así se muestra en la figura 19.27. f = 1000 Hz 100 V
50 V
VBB
100 V
378
f = 1000 Hz
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
t1 = 0,5 ms VBB = 100 V
t0
Vmedio
= 50 V
T = 1ms (f = 1000 Hz) Figura 19.27.
Así, como se puede deducir, el obtener una tensión con tnua de magnitud baja, media o alta consiste en variar el ciclo de trabajo de la onda, como se representa en la figura 19.28.
Alto ciclo media de trabajo: Tensión alta
Figura 19.28.
Bajo ciclo de trabajo: Tensión media baja
El control del valor (medio) de tensión de salida se b asa en regular el ciclo d e trab ajo de la onda.
Actividades de evaluac ión 1. ¿Explicar la diferencia fundamental entre las fuentes de alimentación lineales y conmutadas? Indicar otras característcas diferenciales de las fuentes conmutadas. ¿En qué aparatos muy u tlizados normalmente se utlizan las fuentes conmutadas?
2. Explicar el principio de funcionamiento de un regulador conmutado. 3. ¿Qué es ciclo de trabajo (duty cycle)? 4. Calcular el ciclo de trabajo de una onda de f = 10.000 Hz, si la duración del nivel alto es t1 = 33 s. 19.9.3
Estructura básica general de una fuente conmutada
En una fuente conmutada, aparecen cuatro bloques básicos (fig. 19.29): • Rectficador y filtro de entrada • Inversor (c.c./c.a) • Controlador (PWM) • Rectficación-filtro de salida En primer lugar se rectfica y filtra la tensión alterna de entrada (230 V 50 Hz), convirténdola en una tensión contnua (con cierto rizado). El inversor (conmutador electrónico) convierte la tensión contnua que entrega el rec tficador en una onda tpo cuadrada de una frecuencia entre unos 10 kHz a 200 kHz, que excita una bobina o transformador. El ciclo de trabajo de la onda de salida del inversor se controla por un circuito de control rela tvamente complejo. La tensión de salida del inversor es rectficada y filtrada, de manera que se ob tene en la salida una tensión contnua estable. En el filtro de salida, además de condensadores, suele ponerse alguna bobina. El circuito de control se basa en un generador de onda cuadrada de frecuencia fija (clock),deuna tensión referencia, un comparador de tensión y el onda modulador de ton). El PWM ancho pulso PWMde (Pulse Width Modula recibe una cuadrada (clock) y la tensión contnua (variable) del comparador; en función de la comparación de estas dos señales, el PWM produce una onda de ciclo de trabajo variable, dependiente de la tensión del comparador. A la vez, la tensión del comparador reci-
379
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas be una muestra de la tensión de salida; existe por tanto una realimentación, ya que la tensión de salida ( VO) actúa sobre el circuito de control; así se efectúa la regulación de la tensión de salida. A diferencia de las fuentes lineales, que funcionan partendo de la tensión de 230 V de frecuencia f = 50 Hz, las fuentes conmutadas funcionan a una frecuencia propia, de entre unos 10 a 200 kHz.
Recficador y filtro de entrada
Conmutador electrónico Inversor cc/ca
Recficador y filtro de salida
Opera en conmutación
230 V 50 Hz
VO
Comparador +
PWM VRef. Clock Circuito de control Figura 19.29. Estructura de bloques básicos de una fuente conmutada.
19.9.4 Circuitos prácticos de fuentes conmutadas Los circuitos de fuentes conmutadas suelen ser rela tvamente complejos, en especial se basanse sólo transistores. Y su diseño y análisis puede complejo. Perositambién puede ver todo más o menos sencillo,también y al menos así ser debe hacerse al principio, gracias a los circuitos integrados específicos diseñados para este fin. 19.9.4.1
Regulador conmutado con el CI 78S40
El circuito integrado 78S40, de Natonal Semiconductor, permite realizar de forma sencilla reguladores de tensión conmutados de baja potencia (añadiéndole transistores externos se pueden lograr mayores potencias). Como es caracterís tco en las fuentes conmutadas, se pueden obtener también tensiones de salida más altas que la de entrada, incluso tensión negatva. El CI 78S40 es un regulador conmutado, pero no una fuente conmutada completa; se necesita el transformador y rec tficador pico. Característcas básicas
• Tensión de salida ajustable: 1,25a 40 V • Corriente (máxima) de salida: 1,5 A • Tensión de entrada: 2,5 a 40 V tllaje Estructura interna y pa
La estructura interna del 78S40 se representa en la figura 19.30; se basa en unos comparadores (operacionales), una tensión de referencia de 1,25 V, un generador de impulsos (oscillator), un biestable SR y unos transistores de salida.
380
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Figura 19.30. Estructura interna del CI regulador conmutado 78S40.
El circuito integrado es del tpo DIL de 16 pa tllas, el cual se representa en la figura 19.31.
Figura 19.31. Patilla je del CI 78S40.
Actividades de evaluac ión qué cuatro bloques básicos se fundamenta una fuente conmutada? Representarlos y explicar resumi1. ¿En damente el funcionamiento general.
2. ¿Qué es un PWM?, ¿qué función realiza?, ¿qué significan las siglas PWM? 3. ¿En qué margen de frecuencias funciona la parte de conmutación de una fuente conmutada? 4. Si la tensión contnua que entrega el rectficador es de 50 V y el ciclo de trabajo de la onda de salida del conmutador electrónico es de 0,8. ¿De qué valor es la tensión media de salida?
5. Indicar las característcas básicas del CI regulador conmutado 78S40. 19.9.4.2
Aplicaciones prácticas con elregulador conmutado 78S40
Fuente de 10 V500mA Un ejemplo de aplicación práctca (propuesta por Natonal Semiconductor) del CI 78S40 se representa en la figura 19.32. Se obtene una tensión de salida de 10 V con una intensidad (máxima) de 500 mA. Se puede aplicar una tensión de entrada de hasta 25 V, que procedería del circuito rectficador y filtro. Como se puede observar, sólo se necesitan unos pocos componentes pasivos. El filtro de salida se basa en una bobina de 300 H y un condensador de 500 F.
381
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Tensión de entrada
Tensión de salida
VO = 10V
Figura 19.32. Ejemplo de aplicación del 78S40.
Según datos del fabricante, se obtene una tensión de salida de 10 V con una corriente de 200 mA. Con una carga de 500 mA, la tensión de salida bajaría a unos 9,5 V. La eficiencia del regulador, para IO = 200 mA, es del 74 %. El rendimiento, eficiencia de una fuente de alimentación, viene dado por la relación entre la potencia de salida (la obtenida) y la de entrada:
Fuente de25 V 160mA En esta aplicación, se muestra una de las funciones que permiten las fuentes conmutadas, y que no se puede realizar con las fuentes lineales; obtener una tensión de salida mayor que la tensión de entrada. En este circuito, con una tensión de 10 V se obtene una tensión de salida de 25 V con una corriente de salida de 50 mA. El circuito práctco se representa en la figura 19.33.
Figura 19.33. Aplicación del 78S40 para obtener 25 V c on una entrad a d e 10 V.
Al igual que el circuito de aplicación anterior, sólo se necesitan unos pocos componentes pasivos. Los valores nominales de salida son: VO = 25 V yIO = 50 mA. Para una corriente de salida de IO = 160 mA, la tensión de salida disminuye a VO = 23,75 V. La eficiencia del circuito es del 79 %. 19.9.4.3
Circuito integrado regulador conmutado LM2575
Este circuito integrado regulador conmutado, también de Natonal Semiconductor, se fabrica para obtener unas ciertas tensiones fijas y también existe un modelo de 382
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas tensión de salida ajustable. Es también un regulador conmutado de baja potencia (permite realizar fuentes conmutadas de mayor potencia añadiéndole transistores a la salida). Para obtener una fuente de alimentación completa se necesita el pico transformador y rectficador. Estos CI reguladores conmutados son el equivalente a los reguladores lineales de la serie 78XX o LM317, pero funcionando de forma conmutada. Modelos de tensión de salida fija: LM2575T-3.3 VO = 3,3 V LM2575T-5.0 VO = 5 V LM2575T-12 VO = 12 V LM2575T-15 VO = 15 V
Tensión de salida ajustable:
LM2575-ADJ VO = 1,23 a 37 V El modelo de tensión de salida ajustable, es similar al LM317 en modo conmutado. Permite ajustar una tensión de salida entre 1,23 V y 37 V, con una corriente de salida de 1 A. La tensión de entrada puede llegar hasta 40 V. El generador interno (internal oscillator) funciona a la frecuencia de 52 kHz. Tiene protección frente a sobrecargas.
Y su aplicación práctca básica sólo necesita 4 componentes pasivos externos. En la figura 19.34 se representa su encapsulado TO-220; tene sólo 5 patllas. GND
5 - ON / OFF 4 - Feedback 3 - Ground 2 - Output 1 - VIN
Figura 19.34. CI regulador conmutado LM2575.
19.9.4.3.1
Esquema básico de aplicación práctica con el LM2575-5.0
El LM2575-5.0 entrega una tensión de salida prefijada de 5 V con una corriente de 1 A. El circuito de aplicación (propuesto por Natonal Semiconductor) se representa en la figura 19.35. Se parte de la tensión del rectficador, que puede ir de 7 a 40 V (en el modelo LM2575HV puede llegar a 60 V). El filtro de salida se compone de una bobina de 330 H y un condensador de 330 F. El diodo D1 (1N5819) es detpo Schoky.
Figura 19.35. Aplicación del LM2575-5.0. Proporciona una tensión de salida de 5 V con 1 A.
383
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Estructura interna el d LM2575 La estructura interna del LM2575 ( fig. 19.36) tene dos comparadores de tensión; uno de ellos compara una muestra de la tensión de salida (obtenida mediante el divisor resistvo R2 y R1) con la tensión de referencia de 1,23 V. Y otro comparador compara la tensión de salida del otro comparador con la señal del generador de 52 kHz (oscillator). Un ampli ficador de corriente, con salida por transistor NPN proporciona la tensión de salida. Existe circuitería de protección térmica y de sobre carga de corriente.
Figura 19.36.
19.9.4.3.2
Estructura interna y de aplica ción básica del LM2575.
Circuito de aplicación práctica con el LM2575HV-ADJ
En la figura 19.37 se representa la aplicación general del LM2575HV-ADJ (propuesta por Natonal Semiconductor). La tensión de entrada (Input) puede ser de 7 a 40 V. Los valores de los componentes pasivos son: CIN = 100 F COUT = 330 F L1 = 330 H D1 = Diodo Schoky, 11DQ06 o también 1N5822. El valor de las resistencias R1 y R2 determinan el valor de la tensión de salida:
El valor de R1 debe estar entre 1 k y 5 k . Así, estableciendo una determinada tensión de salida y tomando un valor de R1, el valor de R2 es:
Figura 19.37. C ircuito d e a plica ción bá sica del LM2575.
384
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Ejemplo Si interesa una tensión de salida de VO = 9,5 V, tomando R1 = 2k2, como Vref = 1,23, tenemos:
La fuente tendrá las característcas: VO = 9,5 V IO(máx.) = 1 A VI(máx.) = 25 V f = 52 kHz El circuito práctco se muestra en la figura 19.38.
5 - ON / OFF 4 - Feedback 3 - Ground 2 - Output 1 - VIN
GND
< 25 V 9,5 V = 330 µH = 15k 100 µF
11DQ06
330 µF
= 2k2
Figura 19.38. Ap lica c ión del LM2575-ADJ pa ra obtener 9,5 V de salida.
Actividades propuestas Calcular los valores de las resistencias R1 y R2 para obtener las tensiones de salida: 5V, 10 V, 15 V y 20 V Poner los valores comerciales más aproximados. La fórmula de base es:
19.9.4.3.3
Fuente de tensión ajustable
También podemos poner como R2 un potenciómetro, y así podremos ajustar la tensión de salida del LM2575-ADJ dentro de un determinado margen.
385
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Ejemplo Con R1 = 1k5 y R2 = potenciómetro de 22 k, tendremos una tensión de salida (VO) que se podría ajustar entre 1,23 V y casi 20 V. Potenciómetro al mínimo (R2 = 0 ):
Potenciómetro al máximo (R2 = 22 k):
El circuito práctco se muestra en la figura 19.39.
25 V 1,2 a 20 V 330 µH 22k Figura 19.39.
100 µF
Aplicación el LM2575-ADJ para obtenerduna tensión d e salida ajustab le entre unos 1,2 y 20 V.
11DQ06
19.9.5
330 µF
1k5
Fuente conmutada sin transformador de entrada
Un ejemplo de estructura de circuito de fuente de alimentación conmutada sin el transformador pico de entrada de las fuentes lineales se representa en la figura 19.40. Es una estructura de circuito rela tvamente sencilla, para que se en tenda de una forma práctca el porqué no se u tliza el pico transformador de entrada pico de las fuentes lineales. Como se observa, se parte de la tensión alterna de la red eléctrica (230 V, 50 Hz); dicha tensión se rec tfica y filtra, de manera que se obtene una tensión contnua (con un cierto rizado). Esta tensión se aplica, de forma conmutada, a un transformador, mediante un transistor de potencia (BJT o MOSFET) que opera en conmutación a una frecuencia entre 10 y 200 kHz. El ciclo de trabajo lo controla el PWM. El transformador puede ser bastante pequeño y con un núcleo de ferrita en vez de hierro, debido a la frecuencia que trabaja; cuanto más alta es la frecuencia, más pequeños pueden ser los componentes induc tvos. Además, el tpo de núcleo también le quita peso; la ferrita peso menos que el hierro (el hierro no es buen núcleo para frecuencias altas).
386
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Alterna
Connua
Transformador (pequeño) + VOUT
PWM
f = 10 a 200 kHz
Optoacoplador
(Para aislamiento galvánico)
Figura 19.40. Ejemplo de estructura fuente de alimentación conmutada, sin el típico transformador de entrad a d e las fuentes lineales.
Vref. 0V
La etapa de salida es otro rectficador con filtro, donde también suele ponerse una bobina. Al ser la frecuencia elevada, los condensadores de filtro de salida pueden ser de más baja capacidad que en las fuentes lineales. En las fuentes lineales la frecuencia de rizado está basada en la red eléctrica, 50 Hz; y en las conmutadas puede ser hasta de unos 200 kHz. El circuito de control de ancho de los pulsos (PWM) se basa en un comparador (amplificador operacional) que recibe en una entrada una muestra de la tensión de salida (por medio de un divisor resistvo) y en la otra entrada una tensión de referencia muy estable (zener). La tensión de salida del comparador es por tanto función de la tensión de salida; dicha tensión es la que controla, a través de un optoacoplador, el PWM. El optoacoplador es necesario para conseguir aislamiento galvánico (eléctrico) entre la salida y la entrada, lo cual es necesario fundamentalmente por cuestones de seguridad. El transformador produce en el secundario una cierta magnitud de tensión de alterna, de ciclo de trabajo variable, una onda de tpo cuadrada; el ciclo de trabajo es controlado por la tensión de salida del comparador, que depende asimismo de la tensión de salida (existe realimentación). Si la tensión de salida tende a disminuir, la tensión de salida del comparador aumenta y hace que el modulador de ancho de impulso (PWM) ensanche la onda, lo cual hace que aumente el ciclo de trabajo y en consecuencia aumente la tensión de salida; se compensa así la variación de tensión de salida, se autorregula. Y si la tensión de salida tendiera a aumentar, la tensión de salida del comparador haría que el PWM disminuyera el ciclo de trabajo y por tanto de la tensión en la salida. Una cosa que también hay que tener en cuenta en las fuentes conmutadas es que producen interferencias; debido a que trabajan en conmutación y ha frecuencias que pueden ser hasta de 200 Khz, como las ondas tpo cuadrada son muy ricas en armónicos, ciertas frecuencias pueden afectar a otros aparatos electrónicos. Por ello, se puede precisar cierto apantallamiento de los circuitos.
Actividadesfinales 1. Calcular los valores de
R1 y R2 del LM2575 para conseguir una tensión de salida de VO = 12 V, tomando R1 = 1k. Dibujar el circuito práctco del regulador conmutado.
el valor necesario (R2) del LM2575 para poder obtener una tensión de salida ajus2. Hallar table entre unos 1,2 V ydel 15 potenciómetro V.
387
Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas
Actividadesfinales 3. En la estructura de fuente conmutada representada en la figura 19.40, razonar la función del optoacoplador. ¿Qué pasaría si no se utlizara el optoacoplador, si el comparador se conectara directamente al PWM?
4. Explicar el porqué el transformador de las fuentes conmutadas puede ser de pequeñas dimensiones. 5. ¿Por qué las fuentes conmutadas pueden producir interferencias a otros aparatos electrónicos? 6. Realizar el montaje de regulador conmutador siguiente (fig. 19.41), y comprobar su funcionamiento. a) Poner una resistencia de 10 como carga de salida, y medir el margen de variación de la tensión de salida. b) Conectar un LED a la entrada del LM2575 y calcular la resistencia para que la corriente sea de 10 mA. c) Medir la corriente y tensión de salida para una resistencia de carga de 10 y para otra de 15 . Con los valores de las variaciones de tensión y corriente medidas, deducir la resistencia de salida del regulador.
25 V 1,2 a 20 V 330 µH
22k 100 µF
11DQ06
330 µF 1k5
Figura 19.41.
388
Unidad 20Componentes
optoelectrónic os básic os
Objetivos: C ono c er los co mpo nentes básic os de tipo op toelec trónico , sus c arac terístic as princ ipa les y ejemplos prácticos de aplicación: Diodos LED bicolor e intermitentes, displays de 7 segmentos, fotodiodos, fototransistores y optoacopladores.
En este c apítulo: 20.1 Diodos LED.
20.4
El fotod iodo .
20.2 Montaje práctic o: Simulador de alarma de coche.
20.5
El Fototransistor.
20.6
Optoacopladores.
20.3 Displays de 7 seg mentos.
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
Recuerda
• • •
Todo s los diodos se fabrican en base a la unión de los materiales semiconductores N y P; unión P-N. Sus terminales se llaman ánodo (A) y cátodo (K).
Figura 20.1.
20.1
Diodos LED
Por medio de aplicación de corriente a ciertos componentes semiconductores se obtene emisión de luz, siendo el componente resultante más representatvo de esta característca el diodo emisor de luz , que se conoce por LED. Aunque ya se hizo una introducción a este muy utlizado componente, ahora se repasa y amplían conceptos; el LED es el componente de introducción a la denominada opto electrónica. LED = Light Eming Diode ⇒ Diodo emisor de luz
En la figura 20.1 se muestra su simbología esquemátca pica. A
K
Símbolo de un diodo LED.
La intensidad luminosa que emite el LED aumenta en función de la intensidad directa que circula por el diodo (hasta un cierto límite, a par tr del cual del cual se produce una saturación; la luz empieza a cambiar de color y se avería). Se obtenen valores normales de luz con una intensidad entre unos 5 a 20 mA, siendo la tensión pica (caída directa) de unos 1,8 V en los de color rojo y de unos 2 V en los verdes. En otros colores, la caída directa puede ser hasta de unos 4 V. Es el componente normalmente utlizado (en susttución de las lamparitas de filamento) para indicar la puesta en marcha de aparatos de electrónica (TV, equipos de sonido, ordenadores, etc.), así como para la emisión de luz (no visible por el ojo humano) de control en los mandos a distancia. El aspecto práctco de los tpos de LED más picos se muestra en la figura 20.2.
Figura 20.2. Aspecto de los diodos LED más usuales.
20.1.1 Aspec tos prác ticos sobre los LED Los terminales de ánodo y cátodo se pueden diferenciar fácilmente porque de fábrica aparecen con el terminal del cátodo (K) algo más corto que el del ánodo. Además, en la parte del cuerpo donde está el terminal cátodo aparece un achaflanado; mediante este achaflanado es como mejor se puede iden tficar el terminal cátodo, porque si el LED ha sido u tlizado nos podemos encontrar que los terminales hayan sido cortados. (fig. 20.3).
Figura 20.3. En el lado del cuerpo donde está el terminal cátodo (K) hay un acha flanado.
390
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos En su fabricación se utlizan materiales semiconductores cuya base es el Arseniuro de Galio (ArGa) combinado con otros materiales. El color y rendimiento luminoso depende del material base y sus añadidos utlizado en su construcción. La intensidad luminosa que irradia depende, hasta cierto punto, de la intensidad eléctrica que se le hace circular; la luz aumenta conforme aumenta la intensidad, hasta que se produce la saturación (la luz deja de aumentar, empieza a cambiar de color y el diodo se avería).
20.1.2 Ejempl o de aplicación práctica del LED Cuando se utliza un diodo LED, puesto que normalmente se alimenta con una fuente de tensión mayor a la de su caída directa ( picamente, unos 2 V), se precisa siempre poner un resistencia en serie con el LED para que éste reciba la tensión e intensidad adecuada. Supongamos que se tene que utlizar un LED de color rojo en un coche para simular una alarma o simplemente para indicar la ac tvación de algo. Como la batería del coche es de 12 V, considerando la tensiónpica de 2 V del LED y una intensidad de 10 mA, el valor de la resistencia deberá ser de:
Una representación práctca del montaje del circuito se muestra en la figura 20.4.
1 kΩ LED BATERIA 12 V Figura 20.4. Representación práctica del montaje de un LED con 12 V.
Actividades propuestas Supongamos que queremos que al poner en marcha el ordenador se encienda un LED rojo y uno verde. Dentro del ordenador disponemos de una fuente de alimentación de 5 V (además de otras). Calcular el valor de las resistencias necesarias para que se enciendan los dos LED; el verde con 20 mA y el rojo con 10 mA.
20.1.3
Figura 20.5. Ejemplo de aplicación típica del diodo LED intermitente; simulador de alarma en un coc he. Este tipo de LED se puede alimentar
Diodos LED intermitentes
BATERIA 12 V LED intermitente
direc tamente c on los 12 V de la ba tería.
También hay LEDS que dan luz de forma intermitente. Estos se pueden alimentar directamente con 12 V, no precisando resistencia en serie. Este tpo de LED lleva
391
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos internamente un chip controlador, que es un generador de impulsos y limitador de la corriente del LED. Su aplicación pica es como simulador de alarma en los coches (alarma disuasoria), y en general como elementos de señalización óp tca. En la figura 20.5 se muestra un ejemplo de montaje práctco.
20.1.4 LED bicolor El LED bicolor es un doble LED en un mismo encapsulado; tene 3 patllas, siendo una de ellas la común. Cada LED es de un color, por lo cual según la pa tlla actvada el LED producirá un color u otro; y se ac tvan las dos a la vez, aparece un color mezcla. En la figura 20.6 se representa un LED bicolor de cátodo común. Es un encapsulado que se llama water clear. Tiene una patlla común (K) y dos patllas de ánodos (A1 y A2). La patlla común es el negatvo (podría ir a masa); al aplicar posi tvo a las otras patllas se encenderán los LEDs. Los colores pueden ser rojo-verde o rojo-azul. La tensión de polarización directa es de unos 1,8 V a 2,4 V. Y la corriente puede llegar a 100 mA. LED bicolor Cátodo común
A1
Figura 20.6.
K
LED bicolor (de c átod o común)
A2
En la figura 20.7 se muestra un ejemplo de montaje para su experimentación; se puede montar o bien experimentar mediante el programa Mul tsim. Como es fácil deducir, en un estado del conmutador se encenderá de un color y en el otro estado del otro color.
Figura 20.7. Ejemplo de utilización del LED bicolor (de c átodo c omún)
20.2
Montaje práctico: Simulador de alarma de coche
En base al LED intermitente se puede hacer un circuito más elaborado; de manera que cuando se apague el motor del coche, automá tcamente, se encienda el LED
392
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos de color rojo intermitente. Y al poner en marcha el coche, automá tcamente, se apague el LED rojo intermitente y se encienda un LED verde. Una forma de realizar este circuito es mediante un pequeño relé, tal como se muestra en el circuito de la figura 20.8.
Figura 20.8. Esquema del circuito simulad or de alarma pa ra c oc he. El positi vo (+12 V) pa ra la a c tivac ión del relé se tiene que tomar de un punto dond e a parezca n los 12 V cuando se ponga en marcha el motor del coche.
Con el coche a motor parado, aparcado, el relé estará desac tvado y entonces el conmutador del relé alimentará al LED rojo intermitente. Y cuando se ac tve la llave de contacto para arrancar el coche, el relé recibirá tensión, se ac tvará, y cambiará de posición los contactos; esto hará que se apague el LED intermitente rojo y se encienda el LED verde. El valor de la resistencia limitadora para el LED verde, debe ser:
El LED intermitente no necesita resistencia, porque incluye internamente un circuito electrónico de control que permite su alimentación con 12 V.
Actividades propuestas 1. En el circuito simulador de alarma de coche de la figura 20.8, hacer el esquema sus ttuyendo los dos LED por un LED bicolor. Calcular las resistencias para que la corriente sea de unos 15 mA. Experimentar el funcionamiento mediante Multsim, y medir la corriente y tensión del LED.
2. Hacer el montaje de un LED bicolor como el mostrado en la figura 20.7, pero de manera que el rojo se encienda con una corriente de 10 mA y el verde con 20 mA. En los cálculos tomar como tensión de caída directa 2 V.
3. Realizar el montaje de 3 diodos LED en serie, de manera que se pueda alimentar con 12 V y circule una corriente de 20 mA.
20.3
Displays de 7 segmentos
Como aplicación del efecto de emisión de luz (LED) se ob tenen también lo que se conoce por displays. En su versión básica, son una especie de pantallitas en las cuales pueden aparecer números, algunas letras y algún símbolo; se conocen por displays de 7 segmentos. En la figura 20.9 se muestra el aspecto de algunos modelos de displays de este tpo.
393
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
Figura 20.9. Aspec to d e d isplays.
Este tpo de visualizadores tene aplicación para representar valores numéricos en sistemas digitales como relojes, volmetros, termómetros, aparatos de medida, etc. Otras versiones de visualizadores basados en diversos elementos LED dispuestos en forma matricial dan lugar pantallas de información como las que se ven en el metro, autopistas, tendas, etc. En la figura 20.10 se representa el aspecto práctco junto el circuito interno de un display de estos. Es un modelo de ánodo común (existe también el modelo de cátodo común). Se basa en 7 segmentos emisores de luz; de ahí la denominación de 7 segmentos. Cada segmento, interiormente, se basa en la emisión de luz de un LED; cuando se enciende, aparece el segmento iluminado. Así, los diferentes dígitos aparecen según los segmentos que se enciendan. Se pueden representar los dígitos del 0 al 9, y las letras A a la F (y algún que otro símbolo). Cada segmento se representa por una letra, que se corresponde con un terminal para aplicar la tensión de ac tvación. Los diferentes dígitos aparecen ac tvando adecuadamente los segmentos. Así, por ejemplo, actvando sólo los segmentos a, b y c se visualizará el digito 7. Común
Común
+
V
a f
b
g
c
e
g
f
e
d
c
b
a
d
Figura 20.10. Visualizad or de 7 segmentos (Display). Elc irc uito interno se basa en diodos LED.
g
f e
d
c
b a
Aspecto prácco
Circuito interno (modelo de ánodo común)
Un ejemplo de modelo práctco y popular de display de ánodo común es el TDSR 5150. También está el TDSR 5160, que es el mismo tpo en versión de cátodo común. En la figura 20.11 se representa información del fabricante (Vishay) sobre su patllaje, necesario conocer para hacer el conexionado.
Figura 20.11. Aspecto práctico-patillaje (vista frontal) del visualizador de 7 segmentos TDSR 5150 (ánodo c omún) y TDS R 5160 (cátodo co mún).
394
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
20.3.1 Montaje práctico de un display Para que se visualice, por ejemplo, el dígito 7 se montaría el circuito que se representa en la figura 20.12. Considerando una tensión de 2 V y una intensidad de 20 mA para los segmentos, si la alimentación es de 5 V, el valor de la resistencia deberá ser:
+5V
+5V
Común b
a
Común
f
g
d
e
C o m ú n
P
c
c
b
a
(Vista trasera)
Figura 20.12.
150
150
Representac ión de l montaje del display de ánodo común TDSR 5150, para visualizar el dígito 7.
20.3.2 Display dec átodo común El display de tpo cátodo común, se diferencia únicamente en que el terminal común se corresponde con la unión de todos los cátodos ( fig. 20.13). Para que se visualicen los diferentes símbolos es cues tón de actvar, encender, adecuadamente los diferentes diodos LED; que se hará conectando el terminal común al posi tvo de la alimentación, conectando los terminales de los a masa a travésque de resistencias (paray limitar la intensidad). Las reglas desegmentos utlización son las mismas para los diodos LED; como base, podemos par tr de unos 2 V y una intensidad de 5 a 20 mA para cada segmento. Común
g
f
e
d
c
b
a
Figura 20.13. Display del tipo c átod o común.
Un modelo práctco y popular es el TDSR 5160, cuya información de pa tllaje es la misma que la del modelo de ánodo común TDSR 5150. Un ejemplo de cómo sería el montaje del display de cátodo común TDSR 5160 para visualizar el dígito 7 se representa en la figura 20.14.
395
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
Común
TDSR 5160 (cátodo común)
c
Figura 20.14.
b
a
Representac ión de l montaje de un display del tipo c átod o c omún para visualizar el
150
dígito 7.
+5V
Actividades propuestas 1. ¿Cuántas patllas tene un display de 7 segmentos, como el TDSR 5160? Teniendo en cuenta que cada segmento internamente es un LED, explicar cómo se podría comprobar su estado mediante el tester.
2. ¿Qué segmentos se tenen que encender para que aparezcan los números 3, 5 y 9? 3. Representar el aspecto de un display de ánodo común y otro de cátodo común, con sus esquemas de los circuitos internos de diodos LED. ¿Qué modelos comerciales son de este tpo?
4. Dibujar el esquema prác tco para que en un display de cátodo común aparezca el número 5. Alimentarlo con 5 V, y que la corriente por los segmentos sea de 10 mA.
20.4
El fotodiodo
El fotodiodo es un tpo de diodo fabricado como sensor de luz; al recibir luz, aumenta notablemente su corriente inversa. En la figura 20.15 se representa su simbología y el aspecto práctco de un modelo comercial; el BPW43, de Vishay, cuyo encapsulado es como un LED.
Figura 20.15. Simbología y aspec to práctico d e un fotodiodo c omercial (BPW43). Es un sensor de luz; u s corriente inversa varía en función de la intensidad luminosa recibida.
K
A
En la figura 20.16 se representa la estructura interna de un fotodiodo. Al igual que el diodo LED, dispone de una estructura óptca externa; pero en este caso, en vez de para permitr la emisión luz, es para favorecer la incidencia de luz sobre la unión semiconductora. Para ello dispone de una especie de ventanita óp tca, que es por donde recibe la luz la unión PN. Figura 20.16. Estructura interna de un fotodiodo. A través de una ventanita, la luz puede incidir en la unión PN, lo c ual hac e
Ánodo
que la corriente inversa aumente en función de la intensidad luminosa.
Cátodo
396
P N
Luz
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
20.4.1 Funcionamiento y características La curva característca de la corriente inversa en función de la iluminación se muestra en la figura 20.17. La corriente inversa (IR) aumenta aproximadamente de forma proporcional a la intensidad luminosa recibida. +V
IR (mA)
Luz
IR
Figura 20.17. La corriente inversa del fotodiodo aumenta en función de la intensidad luminosa recibida.
Iluminación Así, un fotodiodo es un tpo de foto detector; proporciona corriente eléctrica en función de una magnitud luminosa.
20.4.2
C irc uito básico de aplic ación práctica del fotodiodo
El fotodiodo se utliza polarizado de forma inversa, de forma que circulará una pequeña corriente inversa, pero que aumentará en función de la magnitud luminosa que reciba. El circuito práctco de aplicación básico es el representado en lafigura 20.18. +
VB
Luz Fotodiodo VO Tensión de salida Proporcional a la luz.
Figura 20.18. El fotodiodo se utiliza en polarización inversa; la corriente inversa aumenta conforme lo hace la intensida d luminosa.
R 0V
En oscuridad, sólo circulará una pequeña corriente, de orden de pocos nA. Y cuando reciba luz, dicha corriente aumentará proporcionalmente a la potencia luminosa recibida (mW/cm2). Se puede obtener así una tensión que será proporcional a la potencia luminosa. Hay que tener en cuenta que el valor de la corriente inversa es del orden de pocos μA. La intensidad que circulará por el circuito viene dada por:
Así, en la resistencia se tendrá una caída de tensión que vendrá dada por: Siendo IR la corriente inversa del diodo. Y dicha caída de tensión aumentará en función de la intensidad luminosa recibida. Así, la detección de la luz se puede obtener por medio de la variación de tensión en la resistencia. Si el fotodiodo se polariza de forma directa, se comporta como un diodo normal; aparece una tensión directa de unos 0,7 V. 397
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos Si al fotodiodo no se le aplica polarización alguna, genera un pequeña tensión cuando recibe energía luminosa; o sea, se comporta como una célula fotovoltaic.aDicha tensión se llama potencial fotovoltaico, y es de unos 0,5 V.
20.5
El fototransistor
El fototransistor es un componente fotodetector, similar al fotodiodo pero con mayor sensibilidad. El fototransistor proporciona, al igual que el fotodiodo, una corriente proporcional a la luz recibida. Internamente se basa en el efecto del fotodiodo amplificado mediante un transistor. La sensibilidad del fototransistor es por tanto superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente foto generada es multplicada por la ganancia del transistor. Aunque los transistores tenen tres terminales, en los fototransistores sólo suelen disponerse de dos, aunque también los hay de tres terminales. En la figura 20.19 se muestra la simbología y aspecto práctco de un modelo muy comercial; el BPW40, cuyo encapsulado es igual que un LED de 5 mm. C
Figura 20.19. Simbología del fototransistor y aspecto práctico d e un tipo comercial (BPW40).
E
C
E
El funcionamiento del fototransistor se basa en la generación de una corriente de base cuando reciben luz. El circuito equivalente es como el presentado en la figura 20.20; la corriente de base es proporcionada por una unión PN sensible a la luz, o sea, un fotodiodo, y dicha corriente es amplificada por el transistor. Se obtene así entre los terminales colector (C) y emisor (E) una corriente proporcional a la luz recibida. C
Figura 20.20. C ircuito eq uivalente de un fototransistor.
E
20.5.1 Fototransistor BPW40 Algunas de las característcas del fototransistor BPW40 son: • Tensión máxima Colector-emisor (VCEO): 32 V • Corriente máxima de colector (Collector Current ): 100 mA • Intensidad es oscuridad (Collector Dark Current ): 10 nA (valor pico, para una VCEO = 20 V) • Intensidad con iluminación (Collector Light Current ): 2 mA, para VCEO = 5 V y una potencia luminosa de E = 1 mW/cm2 (a una longitud de onda λ = 950 nm) 20.5.2
Ejemplo de aplicación práctica del fototransistor
En la figura 20.21 se muestra un ejemplo de aplicación prác tca, con el fototransistor BPW40.
398
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
+10 V Fototransistor BPW40 Luz
C E VO Según medidas: Oscuridad: VO ≅ 0 V
470k
Luz intensa (ambiente): VO ≅ 9,8 V Figura 20.21.
0V
Aplicación del fototransistor BPW40.
En oscuridad relatva, la tensión de salida que se ha medido es aproximadamente 0 V. En teoría, considerando la corriente pica de unos 10 nA en oscuridad que indica el fabricante, la tensión en la resistencia sería: O sea, menos de 5 mV; un valor que se puede considerar práctcamente cero. Y en iluminación normal, como la tensión medida es de aproximadamente 10 V, la intensidad a través del fototransistor y por la resistencia es:
En estas condiciones se dice que el transistor se encuentra saturado, porque ya no puede circular más intensidad aunque se le aplique mayor potencia luminosa; la corriente queda limitada por el valor de la resistencia. Entre las pa tllas colector y emisor (VCE) la tensión es aproximadamente cero: Para obtener mayor corriente con mayor iluminación, se tendría que aumentar la tensión de alimentación o disminuir el valor de la resistencia.
Actividades propuestas 1. ¿Qué función básica realiza un fotodiodo? Dibujar su simbología. 2. Representar su curva representatva (IR en función de la luz), y el montaje que permite su u tlización. Explicar el circuito de aplicación.
3. ¿Qué es potencial fotovoltaico?, ¿de qué valor es aproximadamente? 4. Indicar un modelo comercial de fotodiodo. 5. ¿Qué función realiza un fototransistor? Dibujar su simbología. ¿En qué se diferencia con el fotodiodo? 6. Indicar un modelo comercial de fototransistor. 7. Dibujar el esquema interno funcional de un fototransistor. ¿En qué componentes básicos se fundamenta? 8. ¿Qué significa Collector Dark Current y Collector Light Current? 9. Dibujar el circuito base de aplicación del fototransistor, y explicar cómo funciona.
399
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
20.6
Optoacopladores
Los optoacopladores son disposi tvos cuyo acoplamiento entre la entrada y la salida es de tpo fotónico; o sea, por medio de emisión luminosa; existe, por tanto, aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida. Estos disposi tvos se basan en un elemento emisor de luz y un elemento detector de luz (figura 20.22).
+ Emisor de luz
Luz
Detector de luz
Entrada
Salida
(señal eléctrica) Estructura internaFigura general20.22. de un optoacop lador.
(Señal eléctrica)
Esto permite el control, transmisión, de señales entre dos sistemas con un total aislamiento eléctrico, lo cual es muy utlizado en, por ejemplo, el acoplamiento de señales de entrada-salida en autómatas programables, ordenadores y en general el control de potencia en corriente alterna.
20.6.1 Estructura int erna y func ionamiento En la figura 20.23 se muestra el esquema interno general pico de un elemento opto acoplador. Se basa en un diodo LED (elemento emisor de luz) y un fototransistor (elemento detector de luz). Al polarizar el LED, éste emite una radiación fotónica (luz) que actva al fototransistor y ello da lugar a una corriente colector – emisor. Mediante la corriente emisor – colector se pueden controlar elementos como pequeños relés, entradas de ordenadores ó autómatas, etc. IC
ID
+
+ Entrada
Salida
Figura 20.23. C irc uito interno básico de un optoacoplador.
20.6.2 El optoacoplador 4N26 Un ejemplo de optoacoplador comercial, con salida por fototransistor, es el 4N26, cuya estructura interna y patllaje se muestra en la figura 20.24. Sus característcas básicas a tener en cuenta son: Corriente de entrada (LED): IF(máx.) = 60 mA Tensión de entrada (LED):VF ≈ 1,5 V Tensión colector emisor: VCEO(máx.) = 70 V Corriente de colector IC(máx.) = 50 mA
4N26 1
6
2
5
3
4
6 Figura 20.24. Optoacoplador 4N26. 400
1
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
20.6.3 Circuito de aplicación práctica En la figura 20.25 se muestra un ejemplo práctco de circuito de control entre dos sistemas de forma opto acoplada. Se trata de una señal procedente del contacto de un final de carrera, que tene que actvar una entrada de un sistema digital (ordenador, PLC, etc.). Podría tratarse, por ejemplo, de una máquina que tuviera que enviar una señal de control de presencia de pieza a un sistema digital de control. La utlización de un optoacoplador permite que las masas de la máquina y el sistema digital sean diferentes, no existe conexión eléctrica alguna entre ambos sistemas; esto se llama, aislamiento galvánico. + 5V
24 V 4k7
IC S1
1k2 Entrada (24 V)
5 μF
Masa de la máquina
Figura 20.25. El sistema de control eléctrico de una máq uina (tensión de mando de 24 V) se c omunica c on un sistema digital de forma óptica; no hay c onexión eléctrica entre los dos sistemas.
4N26
1k2 1
5
2
4
Aislamiento galvánico
Sistema digital
Masa del sistema digital
En este caso se ha supuesto una tensión con tnua de control de 24 V, aunque, adecuando el circuito de entrada al diodo, puede ser de cualquier valor y también alterna; lo que debe lograrse es la correcta excitación del diodo emisor. La señal de salida del sistema digital es la después podría ser la entrada de control de un circuito interruptor electrónico como los presentados anteriormente.
Actividades prácticas Objetivos: Realizar un montaje con dos displays de ánodo común (TDSR 5150) para que se visualicen las letras A y H. El circuito se alimentará con 12 V, y mediante un interruptor se podrá apagar y encender el display.
Proceso: Es cuestón de conectar debidamente las pa tllas de los displays. El terminal común (ánodos) se conectará al positvo (+ 12 V) y las otras patllas a masa (0 V) a través de resistencias del valor adecuado. Al ser la alimentación de 12 V, para una corriente de 20 mA, el valor de las resistencias deberá ser:
El montaje del display se muestra en la figura 2.25.
401
Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos
+ 12 V
b
a
f
g
C o m ú n
P
470
c
b
(Vista trasera)
d
P
e
f
g
C o m ú n
470
Figura 2.26. fi
Actividadesnales 1. ¿Qué es un optoacoplador? Representar los componentes básicos que lo componen. 2. ¿Qué significa aislamiento galvánico? 3. Explicar y representar el optoacoplador 4N26. 4. Explicar el circuito de la figura 20.25, en especial la función que realiza el optoacoplador.
402
a
c
d
e
Unidad 21Tiristores
Objetivos: Saber la teoría y práctica básica relativa a los circuitos de control de potencia en continua y alterna. En especial, se trata de una forma sencilla y práctica, el tiristor (SCR), ya que es el componente esencial en electrónica de regulación de potencia. Se explican las funciones del Tiristor (SC R), el Triac y el Diac, c on ap lic ac iones prác tic as.
En este capítulo: 21.1 C Elurvas tiristorc(SCR). 21.2 aracterísticas del tiristor. 21.3 Regulac ión de potencia por ángulo de fa se. 21.4 Rectifica ción controlada.
21.5 21.6 21.7
C ircpotencia uito prác(en tic ocontinua). regulador de El Tria c y Diac . C irc uito prác tic os reguladores en alterna con Triac - Diac.
Unidad 21 · Tiristores
Recuerda
• • •
La fabricación de los componentes electrónicos, desde un diodo hasta un CI complejo, se b asa en el semic onductor silicio. En los emisores de luz, LED, displays, se utiliza el semiconductor
A rseniuro
de
G alio
(ArGa), combinado con otros materiales.
21.1
El iristor t (SC R)
El tristor (SCR) se comporta como un diodo pero que solo conduce cuando a través de una patlla de control (G) se le aplica una pequeña corriente de disparo. Es un componente de 3 patllas, que se llaman ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G). En la figura 21.1 se muestra su simbología general pica y aspecto prác tco de un tristor de mediana potencia. SCR, significa rectficador controlado de silicio (Silicon Controller Rectfier). Es un componente de la familia de componentes llamados tristores, entre los cuales está tvo y popular el SCR; también el triac, GTO, MCT, etc., siendo el más representa por eso se conoce, en general, por tristor. Se utlizan en electrónica general, pero
se puede decir que es el componente fundamental en electrónica de potencia. Es importante saber que, aunque se dispone en versiones de baja y mediana potencia, también existen modelos para elevadas potencias que se u tlizan en aplicaciones de control de motores de alta potencia (para la tracción en trenes, por ejemplo). Ánodo (A)
Puerta (G) Figura 21.1. Símbolo del tiristor (SC R) y aspec to real de un modelo muy utilizado (BT151).
Cátodo (K)
21.1.1 Función básica del SCR Un tristor (SCR) se comporta como un diodo rec tficador normal, con la diferencia en que sólo conduce cuando está polarizado de forma directa y además se le aplica un pequeño impulso de corriente (mA) en la pa tlla llamada puerta (G). La patlla puerta y la patlla cátodo internamente es como un diodo; de manera que cuando se le aplica corriente aparece una caída directa como en los diodos: VG-K ≅ 0,7 V. Y en estado de conducción, entre los terminales ánodo y cátodo aparece una tensión también como en los diodos (algo mayor, dependiendo de la intensidad que circule): VA-K ≅ 1 V. Una vez el tristor entra en conducción (esto también se llama cebado), aunque desaparezca la corriente de puerta sigue conduciendo; tene efecto de memoria. Sólo deja de conducir (pasa al estado de bloqueo), si la corriente de ánodo se corta o se hace inferior a un valor mínimo (que se llama corriente de mantenimiento).
Actividades pr ácticas Experimentación del tiristor En la figura 21.2 se muestra un montaje práctco que permite experimentar el comportamiento del tristor SCR, y medir sus valores caracterís tcos básicos. El LED permanecerá apagado hasta que no se actve el pulsador de cebado; al hacerlo, se aplica una pequeña corriente de puerta (IG) que hace que el tristor se ponga a conducir, con lo cual se encenderá el LED (es la carga de ejemplo). En dicho estado, aunque el pulsador de cebado este abierto, o sea, no haya corriente de puerta, el tristor seguirá conduciendo y el LED encendido. Únicamente se puede hacer que el tristor deje de conducir, o sea, que pase al estado de bloqueo, si la corriente de ánodo se interrumpe
404
Unidad 21 · Tiristores
Actividades prácticas (o bien disminuye por debajo de un cierto valor). Esto se consigue al pulsar el pulsador de descebado, ya que se corta el circuito y deja de circular corriente a través del ánodo y de la carga (LED). Para que vuelva a conducir, se tene que actvar otra vez el pulsador de cebado.
LED
R1 600
Descebado Cebado 12 V R2 2k7
Figura 21.2. C irc uito q ue p ermite experimentar el c omportamiento del tiristor.
BT151
R1 100 k
La resistencia de R3 (100 k) se pone para que la puerta del tristor no quede al aire, sin conectar, cuando el pulsador de cebado se encuentra abierto; si quedará al aire, el tristor estaría muy sensible a cualquier señal eléctrica ambiental y podrían aparecer cebados no deseados. De hecho, se puede comprobar cómo con sólo tocar con el dedo en la pa tlla puerta podría cebarse el tristor. Los valores de corriente de puerta (G) y de ánodo se calculan fácilmente: Considerando una tensión de puertaV( G-K) de unos 0,7 V y la tensiónpica del LED de 2 V (no consideramos la resistenciaR3), la corriente de puerta es:
Y la corriente ánodo-cátodo (IA-K), suponiendo una tensión de VA-K ≅ 1 V, tenemos:
Así pues, el tristor tene un efecto de memoria. Y este circuito se comporta como el popular circuito de marcha-paro u tlizado en automatsmos eléctricos. El pulsador de cebado equivale al de “marcha” y el pulsador de descebado al de “paro”. El tristor es por tanto un dispositvo con dos estados estables; conducción y bloqueo. Y debe quedar claro que a través de la corriente de puerta sólo lo puede poner en conducción, pero no se puede bloquear. Existe un tpo de tristor que sí permite cortar la conducción también a través de la puerta (aplicando un impulso negatvo); se llama GTO, y es de uso exclusivo en electrónica de potencia, picamente en trenes. La función básica del SCR permite, entre otras, una aplicación básica que se llama rectficador controlado(de ahí la denominación de SCR); el valor de la corriente contnua de salida se puede regular en función de los impulsos aplicados en la pa tlla puerta (figura 21.3).
405
Unidad 21 · Tiristores
Recficador controlado (c.a ⇒ c.c)
Tensión connua (controlada)
Tensión alterna (red eléctrica) Impulsos de control
Figura 21.3. Estructura conceptual de los rectific ad ores c ontrolado s. Por medio de impulsos, se c ontrolan los tiristores y se
Ajuste manual
Unidad de control
hace así que varíede la tensión c ontinua media salida.
Actividades de evaluac ión Preguntas 1. Dibujar el símbolo de un tristor SCR y explicar sus patllas. ¿Qué significa SCR? 2. De forma resumida, ¿qué función básica realiza un SCR? Indicar 4 modelos comerciales de SCR (buscar información en Internet) y anotar sus característcas básicas.
3. ¿De qué orden de valores son VA-K, VGK y IGK?
Actividad práctica Experimentar el circuito de la figura 21.2, y hacer un resumen sobre el funcionamiento.
21.2
Curvas características del tiristor
En la figura 21.4 se muestra la curva característca pica de un tristor. Aparece la zona de polarización directa, que es cuando una pequeña corriente de puerta lo puede cebar, poner en conducción. Polarización directa
IF
IG = Intensidad deGate IG0 = 0 IG1 > IG0 IG2 > IG1
IG3
IG2
IG1
IG0
Tensión de ruptura VR
≅1V
Polarización inversa
Figura 21.4. Curvas características del tiristor.
406
VBO
Tensión que podría cebar el ristor aunqueIG0 = 0
VF
Unidad 21 · Tiristores Normalmente con una pequeña corriente de puerta (mA), lo cual da lugar a una pequeña tensión entre puerta y cátodo (VG ≅ 1 V), el tristor se ceba; y seguirá cebado mientras no se interrumpa la corriente de ánodo o ésta disminuya por debajo de una valor que se llama corriente de mantenimiento y se representa por IH (holding current). Conforme la IG es mayor se necesita menos tensión ánodo-cátodo para el cebado, es lo que representa los valores IG0 = 0, IG1 > IG0, IG2 > IG1 en el grá fico de la figura 21.4. Aunque para que se cebe el tristor se necesita que esté polarizado de forma directa y además se aplique una corriente en la puerta (Gate), si la tensión ánodo-cátodo es muy elevada (VBO) se puede producir un cebado no deseado, aunque la corriente de puerta sea cero ( IG = 0). La tensión máxima que se puede aplicar entre ánodo-cátodo sin que se cebe, para IG = 0, se indica por VDSM. En la figura 21.5 se representa un resumen de los estados básicos del tristor. BLOQUEO INVERSO: No conduce aunque se le aplique corriente de puerta.
BLOQUEO DIRECTO: No conduce porque no ene corriente de puerta.
CONDUCCIÓN NORMAL: Está poralizado de forma directa y además se le aplica corriente de puerta.
Figura 21.5. Estados básic os del tiristor.
21.2.1 Datosc arac terís ticos básic os del VF = Tensión directa entre ánodo-cátodo. El límite es VDSM.
tiristor
IF = Intensidad directa (conducción normal). VR = Tensión inversa ánodo-cátodo. El límite debe ser menor a VRB. VDSM = Es el valor máximo de tensión directa de pico sin que el tristor entre en con-
ducción.
IH = Corriente de mantenimiento. Es la mínima corriente que puede mantener al tristor cebado; por debajo de este valor, se puede descebar.IH(= Holding current). Este valor puede estar entre 0,5 mA a unos 0,5 A, dependiendo del tristor.
407
Unidad 21 · Tiristores IL = Corriente de enganche; es la mínima corriente que debe estar circulando por ánodo-cátodo para que cuando se aplique el impulso de puerta el tristor se quede
cebado. dV / dt= Velocidad máxima de aumento de la tensión ánodo-cátodo, sin que se llegue a cebar el tristor sin corriente de puerta. dI / dt= Velocidad máxima de aumento de la corriente ánodo-cátodo. A par tr de este valor se puede dañar la unión semiconductora del tristor, ya que la corriente
no se reparte uniformemente por el bloque semiconductor y se producen calentamientos puntuales.
21.3
Regulación de potencia por ángulo de fase
La denominada regulación de potencia por ángulo de fase es un sistema de regulación que se basa en entregar a la carga una tensión contnua (pulsatoria) o alterna, cuya magnitud se varía controlando el ángulo de la onda que recibe la carga; o sea, la carga puede recibir la onda completa de entrada (máxima potencia) o sólo una porción de ésta (pequeña potencia). Esto se consigue haciendo que el circuito de control de potencia (tristores) sólo conduzca durante ciertos intervalos del ciclo de la onda de entrada. La carga puede recibir tensión con tnua o tensión alterna, dependiendo del tpo de circuito realizado. En la figura 21.6 se ilustra esto en base a un circuito regulador en alterna. Este sistema de regulación tene la ventaja frente a los sistemas tradicionales de regulación (por reóstato) de que sólo se consume (aproximadamente) la energía que consume la carga; o sea, tene un alto rendimiento, casi no se desperdicia potencia eléctrica en el sistema de regulación. El circuito de control de potencia trabaja en conmutación (conducción-corte), se comporta como un interruptor que se abre y se cierra automátcamente en función de los impulsos que le entrega la unidad de control. Elemento regulador (Trabaja en conmutación)
Se pierde baja potencia: P = 5 × 2 = 10 W
≅2V
I=5A
El valor de tensión en la carga depende del ángulo de conducción del elemento regulador.
Impulsos de control
M
P = 10 + 500 = 510 W
Figura 21.6. 230 V Regulación de potencia por co ntrol del áng ulo d e fase. C asi no tiene pérdidas de potencia.
100 V (500 W)
I=5A
La carga recibe partes de la onda, según sea el ángulo de conducción del circuito de control; si conduce durante todo el ciclo de la onda de entrada, la carga recibe la onda completa, toda la tensión de entrada; y si conduce, por ejemplo, sólo a partr de un ángulo de 90° (1/4 de ciclo), es el caso del circuito de la figura 21.6, la carga recibe sólo la mitad de los semiciclos de la onda de entrada, lo que supone la mitad de la tensión de entrada.
408
Unidad 21 · Tiristores A nivel comparatvo, en la figura 21.7 se muestra un circuito de regulación clásico basado en potenciómetro de potencia (reostato). Es un sistema que se caracteriza por sus elevadas pérdidas de potencia en el sistema de control, aunque aun se sigue utlizando en ciertas aplicaciones de control de velocidad de motores de tracción (ferrocarriles). La pérdida de potencia puede ser mayor en el reostato que la u tlizada en el motor.
I=5A
Elemento regulador (Reostato) 130 V
Se pierde alta potencia: P = 5 × 130 = 650 W
El valor de tensión en la carga depende de la caída de tensión en el elemento regulador.
M
650 + 500 = 1150 W
Figura 21.7. Regulación de potencia por el sistema de potenciómetro de p otenc ia (reostato). Las pérdida s de p otenc ia pueden ser mayores que la energía c onsumida en la carga.
I=5A
230 V
21.4
100 V (500 W)
Rectificación controlada
El circuito más simple de regulación por ángulo de fase es el rectficador en media (figura 21.8). Se basa en un solo tristor y el correspondiente circuito de mando. = 90°
Carga (RL)
Unidad de control Figura 21.8. Princ ipio d e la regulación de potencia por ángulo de fase.
Durante el semiciclo posi tvo de la onda de entrada, el ánodo es posi tvo, de manera que el tristor queda predispuesto para conducir; pero no lo hace hasta que no reciba el impulso de disparo en la puerta. Una vez cebado el tristor, en conducción, éste seguirá conduciendo hasta que la corriente de ánodo sea menor que el valor de la corriente de mantenimiento (IH) del tristor, lo cual ocurrirá automátcamente cuando la onda de entrada pase por cero; en ese instante, el tristor se bloquea y permanece así hasta que no le llegue otro impulso de disparo. fi
t cador de media onda controlado En la untensión circuitocon de teste po,larec , el valor medio de nuaten carga se ob tene por:
409
Unidad 21 · Tiristores En la figura 21.9 se representa el diagrama de ondas para un ángulo de disparo de α = 90°. Tensión de entrada
VP
0
90
360°
90
90
-VP Impulsos de (disparo = 90°)
Tensión de salida
VP
Figura 21.9. Ond as de entrad a y salida para un ángulo de disparo de 90º.
0 T = 0,02 s (f = 50 Hz) El impulso de disparo al tristor se aplica justo cuando la onda de entrada se encuentra en su valor máximo ( VP), que coincide con α = 90°. A partr de ese instante el tristor se pone a conducir y la carga recibe corriente, y no se bloquea hasta que la onda de entrada pasa por cero (180°). Después, hasta que no le llegue otro impulso de disparo, no volverá a conducir, y así sucesivamente. Para un ángulo de disparo α = 90° la tensión de salida, como se puede hasta deducir por simple observación, es la mitad del máximo valor que se podría obtener (α = 0°).
21.4.1 Cálculo de la tensión de salida Suponiendo la tensión alterna de entrada normalizada de 230 V, la tensión de pico es: Así pues, para el ángulo de disparo de 90°, la tensión media con tnua en la carga será:
Es la mitad de la tensión máxima que se podría obtener, que se consigue si el ángulo de disparo es 0°:
Y para α = 45°, se obtendría una tensión mayor que para α = 90°:
Y, como se deduce, para un ángulo de disparo de 180° la tensión de salida es cero:
En resumen, para ángulos de disparo entre unos 0° y 180°, la tensión de salida puede variar entre unos 103 V (el máximo) y 0 V (el mínimo). En la figura 21.10 se muestra de una forma más detallada la onda de salida del circuito para α = 90°. Se observa el tempo de conducción y bloqueo del tristor. 410
Unidad 21 · Tiristores Es una onda de tensión con tnua pulsatoria, cuyo valor medio puede variar en función del ángulo de disparo del tristor; es un circuito rectficador controlado de media onda, el circuito más sencillo de regulación por ángulo de fase. Tensión de salida para (cos 90° = 0)
Ángulo de conducción del SCR
Vm =
= 90°:
VP 1 + cos α VP 1 = = 51,2V 2 π π 2
230 2 ≅ 325V
VP
Vm ≅ 51,7V
Vm = 90°
180°
360° SCR bloqueado
T
(20 ms) Figura 21.10. La tensión continua med ia de salida es 51,7 V para un á ngulo de disparo d e α = 90º.
Actividades de evaluac ión 1. Explicar la información que aporta el grá fico de la figura 21.4. 2. Explicar, con datos práctcos, las siguientes característcas de un SCR: VF , IF ,VR ,VDSM , IH , IL.
3. Explicar y representar los estados del SCR: • Bloqueo inverso • Bloqueo directo • Conducción normal
4. ¿En qué consiste la regulación de potencia por ángulo de fase? Explicar los principios y característcas esenciales. ¿Puede realizarse en contnua y alterna?
5. ¿A qué se denomina rectficación controlada? 6. Representar un circuito elemental de rectficación controlada y explicar sus principios: a) Dibujar el diagrama de ondas de la tensión de entrada, tensión de salida (para α = 45°). b) Si la tensión de entrada es 230 V, ¿qué valor de tensión media recibirá la carga?
21.5
Circuito práctico regulador de potencia (en continua)
El circuito siguiente (figura 21.11) es un rectficador controlado en doble onda. El tristor recibe, a través de la carga, la tensión contnua pulsatoria que sale del rec tficador de doble onda (puente de diodos). Y dependiendo del ángulo con se le apliquen los impulsos de disparo al tristor, la carga podrá recibir una tensión desde 0 V hasta casi el máximo. Los impulsos de disparo son proporcionados por un generador de impulsos basado en un transistor UJT; este tpo de circuito se llama oscilador de relajación.
Dicho circuito se alimenta de la tensión que proporciona el puente de diodos, limitada a 12 V por medio de un zener y la correspondiente resistencia limitadora.
411
Unidad 21 · Tiristores La misma corriente del zener se aprovecha para encender un LED indicador, y de paso se aumenta unos 2 V la tensión del oscilador de relajación. La potencia máxima de la carga (motor) depende de la potencia del puente de diodos y del tristor; como los diodos 1N4007 permiten una corriente máxima de 1A, aunque el tristor BT151 permite una corriente de 4 A, el circuito regulador es para una carga de máximo 1 A. VP = 230 2
12 V
10 k 4 W
1N4007 230 V
47 Ω
100 k
M
Ajuste Vel.
1k
= 90°
LED
2N 2646 BT 151
100 Ω 150 Ω
Figura 21.11. C irc uito prác tico que p ermite regular la p otenc ia en una ca rga d e C .C. En este ca so, c omo e jemplo se regula un motor.
150 nF
Zener 12 V
La carga, un motor de contnua en este caso, recibe un valor medio de tensión contnua en forma de porciones de semiciclo posi tvo de la red eléctrica. Esto se consigue haciendo que el tristor sólo conduzca (se cebe) un cierto ángulo del semiciclo, lo cual se logra aplicándole el impulso de disparo en el instante adecuado. Si el ángulo de disparo del tristor es α = 90°, se aplica el impulso al cabo de 5 ms de inicio del tvo, el tristor permanecerá en conducción durante el resto del semiciclo; ciclo hastaposi que la tensión llega casi a cero. En este sistema de regulación sólo se consume energía de la red eléctrica durante el ángulo que el tristor conduce; por ello, práctcamente no se desperdicia potencia eléctrica.
21.5.1 Cálculo de la tensión de salida En un circuito como este, la tensión media contnua en la carga se ob tene aplicando la fórmula:
Así, en teoría, para un ángulo de disparo de α = 0°, como que cos 0° = 1, la tensión en la carga sería el máximo:
Como en la red de 230 V la tensión de pico es:
La tensión máxima en contnua en la carga sería:
En la práctca, el ángulo de disparo tene que ser un poco mayor que 0°, porque para 0° la tensión es cero y el tristor no se puede cebar; cuando se aplica el impulso de
412
Unidad 21 · Tiristores disparo, para que el tristor se cebe, la corriente de ánodo tene que ser mayor a una corriente que se llama corriente de enganche. Para un ángulo de disparo de α = 90° la tensión sería la mitad:
Para un ángulo de disparo de disparo de α = 180°, como cos 180° = – 1, la tensión de salida es cero:
Así pues, la carga recibiría una tensión contnua que podría variarse entre 0 V y unos 207 V. Así, en la práctca, no se puede conseguir la potencia máxima teórica, debido a la característca corriente de enganche del tristor. El tristor sólo se puede cebar si, cuando recibe el impulso de disparo, la tensión de ánodo es lo su ficientemente alta para que la corriente en conducción sea superior a la de enganche del tristor. Por otra parte, debido a la característca corriente de mantenimiento (IH), la conducción no se mantene hasta el final del semiciclo; el tristor deja de conducir un poco antes, porque la corriente por la carga es más baja que la de mantenimiento. Así, es obvio, que no se puede conseguir que la carga reciba la onda completa de entrada.
Actividades prácticas Montaje de un Regulador por ángulo de fase Un circuito práctco enfocado para experimentar y analizar en clase se muestra en la figura 21.12. En este caso, por cues tones de seguridad, la alimentación es de 24 V en vez de directamente con la red eléctrica de 230 V. Los 24 V se consiguen fácilmente con un transformador. También, la carga puede ser una lamparita de 24 V (o dos de 12 V en serie); de esta manera, podemos observar visualmente la graduación de la potencia en la carga. Hacerlo así también nos facilita la observación y análisis de señales mediante el osciloscopio.
560 Ω 1 W
1N4007
24 V 47 Ω
24 V
100 k
Ajuste Vel.
1k LED
2N 2646 BT 151
100 Ω 150 Ω
150 nF
Zener 12 V
Figura 21.12. C irc uito prác tic o d e experimentación de l circ uito regulad or por variación de ángulo de fase. Se alimenta con 24 V (de un transformador).
413
Unidad 21 · Tiristores
Actividades pr ácticas La resistencia que alimenta al circuito de control del tristor (generador de impulsos basado en el transistor UJT) ahora es de 560 Ω 1 W en vez de 10k 4 W, ya que la caída de tensión que debe proporcionar es mucho menor. De hecho, la única diferencia entre el circuito alimentado con 230 V o con 24 V es dicha resistencia. Una foto del circuito montado en placa de topos, tal como se ha experimentado en clase, se muestra en la figura 21.13. Para un ángulo de disparo próximo a α = 0°, la tensión en la carga será el máximo. Como la entrada son 24 V, la tensión máxima (valor medio en contnua) de salida será:
En el montaje práctco se ha utlizado como carga una lamparita de 24 V en paralelo con un motorcito de 12 V de los que se u tlizan para refrigerar la CPU o F.A. de los ordenadores. De esta manera, mediante ajuste del potenciómetro, se observa la variación luminosa de la lamparita y también de la velocidad del motor. Aunque el motor sea de 12 V no pasa nada, no se estropea, porque es con fines experimentales y sabemos que no es bueno que reciba la tensión máxima con tnuamente. Los 24 V de alimentación se consiguen mediante un transformador. Con un montaje como este se puede experimentar y analizar mediante osciloscopio, fácilmente y sin demasiados riesgos, las señales que genera el UJT, los impulsos de disparo del tristor, la forma de onda en la carga, etc.
Entrada 230 V Ajuste potencia Transformador 230 V/24 V UJT Lamparita de 24 V
Figura 21.13.
Tiristor
Montaje de c irc uito regulad or para su experimentación.
21.6
El triac y diac
El triaces un componente similar al tristor SCR, pero que permite la circulación de corriente de una forma bidireccional, lo cual lo hace especialmente interesante para el control y regulación de aparatos alimentados con corriente alterna. Con un triac se puede realizar por tanto la función de un relé de una forma electrónica. En la figura 21.14 se muestra su simbología y aspecto real de un modelo comercial (BT137).
21.6.1 Al no tenerFunción polaridad ya nobásica se conservandel los términos triac ánodo y cátodo como en el tristor SCR; sus patllas se denominan T1, T2 y puerta (G). No tene polaridad, la corriente puede circular tanto en el sentdo T1 a T2 como de T2 T1; se comporta como si fuera un interruptor. Al igual que el SCR, para que conduzca es necesario aplicar un
414
Unidad 21 · Tiristores impulso de corriente (uno pocos mA) en la patlla puerta. Dicho impulso tampoco tene polaridad, puede ser negatvo (–) o posi tvo (+), aunque la sensibilidad no es la misma en todos los casos.
Figura 21.14. Símbolo de un triac . Un modelo c omercial muy utilizado es el BT137.
21.6.2 Estados de polarización En la figura 21.15 se representan las diferentes polaridades que se pueden dar, en todos los casos puede conducir, pero con más o menos sensibilidad en la corriente de puerta. La máxima sensibilidad en el disparo, o sea, la mínima corriente de puerta necesaria para cebarlo, se da cuando la polaridad en la puerta (G) es diferente a la del terminal T1; dicho de otra manera, la sensibilidad es buena cuando la polaridad en la puerta (G) es la misma que la de T2. Máxima sensibilidad
Mínima sensibilidad
Figura 21.15. Estados de polarización del triac. La sensibilidad es buena cuando la p olaridad en la puerta (G) es la misma que la de T2.
21.6.3 Interruptor electrónico con triac Un circuito práctco con triac se muestra en la figura 21.16. Se trata de un interruptor electrónico. El triac se comporta como si fuera un relé o contactor; por medio de una pequeña corriente de mando (la corriente de puerta) se alimenta una carga en alterna, que puede ser un motor o una lámpara. La potencia de la carga dependerá de la potencia que pueda controlar el triac. Por ejemplo, el triac comercial BT137 puede soportar una intensidad de 8 A y una tensión de 600 V. Obviamente, en circuitos práctcos profesionales se deben adoptar medidas de protección frente a sobre cargas y tensiones transitorias que se pueden dar especial-
415
Unidad 21 · Tiristores mente si la carga es inductva (motores). Pero, para hacerse una idea del triac, es un componente que se puede comportar como un contactor, o como un tristor SCR que puede conducir en ambos sen tdos. De la misma manera que mediante un SCR se puede regular la potencia en la carga aplicando impulsos en la puerta de forma adecuada (control por ángulo de fase), con el triac se puede hacer lo mismo; con la diferencia de que se puede controlar una carga en alterna.
Figura 21.16. C irc uito interruptor en alterna mediante triac .
21.6.4 El diac Existe un componente complementario al triac, que se llama diac, cuya simbología y un modelo comercial se muestra en la figura 21.17. Su aspecto es como el de un diodo de pequeña potencia ( tpo 1N4148). Un ejemplo de modelo comercial muy utlizado es el BR100.
Figura 21.17. Símbolo y aspecto real de un diac .
21.6.4.1
Función básica del diac
Como se puede observar, es un componente de dos patllas. Se comporta de forma similar a dos diodos zener en serie en contraposición; cuando la tensión alcance un cierto valor (picamente, entre unos 28 y 32 V), que se llama tensión de ruptura (BR), permite la circulación de corriente entre sus terminales. No tene polaridad. Por debajo de la tensión de ruptura, su resistencia es muy elevada. Se comporta como un triac que entra en conducción cuando se sobre pasa una cierta tensión de ruptura (se produce un efecto de avalancha), sin que haya corriente de puerta. Su gráfico característco se muestra en la figura 21.18.
416
Unidad 21 · Tiristores
I
-VB +V B
Figura 21.18. C urva c arac terístic a típica del diac .
Un modelo comercial es el BR100 ( figura 21.19). Según experimentos (por el autor), la tensión de ruptura está alrededor de 34 V; al llegar a dicha tensión, permite la circulación de corriente y su tensión se queda en unos 20 V. Una vez conduciendo, si aumenta la corriente disminuye algo la tensión. Para que deje de conducir, se tene que hacer que la corriente disminuya por debajo de unos 5 mA (esto es la corriente de mantenimiento, IH ). I
BR100
Figura 21.19.
20 V
C urva c arac terística experimental del diac BR100
34 V
El diac permite realizar circuitos sencillos para generar impulsos de control en alterna, que resulta muy ú tl especialmente en el control de los triacs.
21.7
Circuito prácticos reguladores en alterna con triac-diac
Existen ciertas aplicaciones donde la función de regulación de potencia en alterna es muy interesante, entre las que destacan los reguladores de luz ( dimmer), control de velocidad en pequeños motores (máquinas de taladrar), la potencia en estufas eléctricas, soldadores, etc. En estos montajes se suelen encontrar aparejados los componentes triac y diac.
21.7.1 Regulado r en alterna con triac y diac En la figura 21.20 se muestra un circuito práctco que permite la regulación de la tensión alterna en la carga; el control se basa en la regulación por variación de ángulo de fase. El triac realiza la función de control de la tensión en la carga mediante los impulsos que le va aplicando el diac. Según el valor total de resistencia ( R2 + RP) el tempo de carga del condensador (C1) es diferente, de manera que se puede regular el tempo que tarda el condensador en llegar a la tensión de disparo del diac. Cuando la tensión en el diac llegue a unos
417
Unidad 21 · Tiristores 32 V éste conducirá y se producirá una corriente en la pa tlla puerta del triac que hará que éste se cebe (conduzca); la carga recibirá entonces tensión. Y la onda de tensión en la carga podrá una muy pequeña parte de los semiciclos de la alterna de entrada o casi toda la onda senoidal. Cuando el ángulo de disparo sea próximo a 180°, la tensión en la carga será 0 V; y cuando el ángulo de disparo sea lo más próximo a 0° la tensión será máxima (casi los 230 V). La potencia máxima de la carga dependerá del triac utlizado; el BT137 permite una corriente máxima eficaz de 8 A y soporta una tensión de hasta 600 V. Aunque hay que saber el triac, como todos los componentes, se puede calentar; según la potencia a controlar, puede ser necesario ponerle algún disipador, para que no alcance temperaturas excesivas. Otra cosa ha tener en cuenta en este tpo de controladores de potencia es que, al trocear la onda, se producen lo que se llaman armónicos (componentes frecuenciales múltplos de 50 Hz), que se propagan por la red eléctrica y también por el aire (en forma de ondas electromagnétcas); esto supone una fuente de interferencias hacia otro tpo de aparatos (TV, equipos informátcos, etc.) y también alteraciones en la tensión de la red eléctrica. Cuando es necesario, para minimizar esto, se utlizan filtros de red (circuitos basados en bobinas y condensadores).
Figura 21.20. C irc uito regulad or de potencia ba sado en triacdiac.
21.7.2 Circuito de luz crepuscular Este circuito (figura 21.21) permite el encendido-apagado de una luz (bombilla) de forma automátca en función de la luz ambiente. Cuando la LDR es actvada con la su ficiente luz, su resistencia es baja, el divisor de tensión que forma la LDR y RP + R2 hace que la tensión en el condensador no llegue a la tensión de disparo del diac, por lo cual el triac no se ceba y la bombilla estará apagada. En cambio, si la iluminación es baja, la LDR tendrá un valor de resistencia elevado y el condensador podrá cargarse hasta la tensión de disparo y la bombilla se encenderá. Mediante el potenciómetro de ajuste RP se puede ajustar los niveles de luz de apagado-encendido.
418
Unidad 21 · Tiristores
Figura 21.21. C irc uito regulado r de potencia a utomátic o en función de la luz ambiente.
Actividadesfinales 1. Hacer el montaje del regulador de la figura 21.12 y experimentar su funcionamiento. Realizar las operaciones que se explican en el apartado 21.5.2.
2. Representar la simbología de un triac y un diac, y explicar sus característcas básicas. 3. Indicar los estados de máxima y mínima sensibilidad de un triac. 4. Buscar en Internet la documentación técnica (datasheet) de los triac BT137y BT139; anotar sus característcas básicas, y razonar cual es el más indicado para controlar una carga de 3 kW.
5. Explicar el funcionamiento del circuito de la figura 21.16. Si la carga fuera de 1kW ¿sería valido el triac BT137?
6. Hacer el montaje de la figura 21.20 y experimentar su funcionamiento. Medir y analizar con osciloscopio la tensión en la carga y en los terminales T1 y T2 del triac. Se aconseja alimentar el circuito a través de un transformador de aislamiento (230 V/ 230 V), por cuestones de seguridad.
7. Explicar el funcionamiento del circuito de la figura 21.21. Hacer el montaje y experimentar su funcionamiento.
419
Unidad 22Electrónica
de potencia
Objetivos: En esta unidad se explican los conceptos, principios básicos, tipo de aplicaciones y componentes básicos de la electrónica de potencia. En un principio, se hace una diferencia entre la electrónica ficadores normal de consumo y la electrónica de potencia. Seguidamente se ven los circuitos recti trifásicos no controlados y controlados, con aplic ac ionesprác tic as, el control de potencia (en continua y alterna) por variación de ángulo de fase, los reguladores de potencia chopper, etc. Asimismo se explic an los componentes bá sicos en electrónica de potencia, como los tiristores SC R, G TO, MC T y el transistor IGBT.
En este capítulo: 22.1 Introducción. 22.2 Rectific ad ores trifásicos no c ontrolados. 22.3 Rectific ad ores trifásicos controlados. 22.4 Inversores - Onduladores.
22.5 C ontrol de potenc ia en alterna.
22.6 22.7 22.8 22.9
Cicloconvertidores. Interruptores estáticos. C onvertidores c c/ c c . C hoppers. C omponentes electrónicos de potencia básicos.
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Recuerda
• • •
El tiristor (SC R) sólo conduce cuando está polarizado de forma directa y además se le aplica un impulso de corriente en el terminal puerta (G). Al desap arecer el impulso en la puerta, sigue conduciendo; tiene memoria.
22.1
Introducción
La denominada electrónica de potencia, es una especialidad de la electrónica en la que se tratan circuitos (o sistemas) en los que las magnitudes de tensión y corriente son considerablemente mayor que en los circuitos electrónicos de tpo general, y su aplicación característca es la modi ficación de la tensión y frecuencia de la energía eléctrica, con fines de alimentación y control. Por ejemplo, un sistema pico de electrónica de potencia es un equipo de control de motores de un ferrocarril. Los motores pueden ser de corriente contnua o de alterna. Si el motor es de corriente contnua, la energía de alimentación del motor se aplica de forma controlada mediante variaciones de la tensión, y el equipo electrónico de control se llama Chopper. Si el motor es de corriente alterna, el control se realiza básicamente variando la frecuencia de la tensión alterna aplicada, y estos equipos se pueden llamar variadores de frecuencia . Hay diversas aplicaciones de este tpo, y en todos los casos aparece como factor común que las magnitudes de tensión y corrientes que se tratan pueden ser del orden de miles de voltos y cientos de amperios, y los componentes electrónicos fundamentales de los circuitos son: • Diodos de potencia • Tiristores (SCR,GTO, Triac, etc.) • Transistores de potencia (BJT, MOSFET, IGBT) En cambio, en la electrónica que se conoce por general, la básica, las magnitudes de voltaje y amperaje pueden ser de mV hasta unos 100 V, con intensidades de mA a menos de 10 A. En estas aplicaciones se encuentran los ampli ficadores de sonido de megafonía, equipos de música, radio y TV, ordenadores, sistemas de alarma, etc. Incluso en aplicaciones industriales se encuentran aparatos de regulación y control que no se pueden clasificar por electrónica de potencia, porque sus magnitudes de potencia son más bien bajas.
Son aplicaciones electrónicas domésticas (equipos de c onsumo) • • • • •
Radio y TV Equipos de sonido, música, instrumentos musicales, etc. Equipos informátcos Telefonía (fija y móvil) Sistemas domótcos
Las magnitudes de tensión y corriente picas son normalmente bajas: Tensiones:3 mV, 50 mV, 5 V, 12 V,… 150 V… Intensidades:50 A, 3 mA, 10 mA, 200 mA, 0.5 A, 2 A … 10 A…
Son aplicaciones de baja potencia, para tener una idea; bastante menores a 10 kW.
Electrónica de potencia Aquí nos encontramos con componentes de cierta potencia, que a la vez pueden combinarse, ser controlados, por circuitos de baja potencia. La electrónica de potencia se encuentra picamente en la industria, pero también se encuentra en aplicaciones de equipamiento informátco, por ejemplo, los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), sistemas de alimentación mediante baterías, convertdores de cc/ca, etc. En las siguientes ilustraciones se muestran algunas aplicaciones representatvas de la electrónica de consumo y de la electrónica de potencia (fig. 22.1).
421
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Ejemplo de aplicac iones de la electrónic a básica (equipos de ons c umo)
Aplic ac iones de la electrónic a de potenc ia
Figura 22.1. Ejemplo de aplicaciones de electrónica de consumo y de electrónica de potencia.
En las aplicaciones de media potencia (regulación y control en la industria) se tratan con potencias que pueden ir de unos 10 kW hasta unos 1000 kW Y si las aplicaciones son de elevada potencia, como es caso de la tracción de motores en ferrocarriles, las potencias pueden ser de más de 1000 kW.
22.2
Recti fic adores trifásicos no controlados
En general, los circuitos rectficadores convierten la tensión alterna en tensión contnua, para poder alimentar aplicaciones que requieran tensión contnua. En general, en todas las aplicaciones electrónicas alimentadas a través de la red eléctrica, existen circuitos rectficadores. Por ejemplo, circuitos digitales de control, autómatas programables, cargadores de baterías, alimentación de motores, etc. Los rectficadores pueden ser controlados o no controlados. Además de los rectficadores básicos que son los que normalmente se encuentran en los equipos electrónicos para alimentar los circuitos de electrónica de baja potencia (circuitos de mando, etc.), también están los circuitos rectficadores de cierta potencia para rectficar la tensión trifásica de la red; en este caso, son más bien u tlizados para alimentar cargas de cierta potencia de forma controlada (por ejemplo, motores). Cuando los rectficadores no son controlados, simplemente convierten la tensión alterna de la red eléctrica en tensión contnua (pulsatoria), sin posibilidad de poder variarla (figura 22.2.). Y los circuitos se basan en diodos normales rectficadores, o puentes rectficadores, de la potencia adecuada. Los rec tficadores pueden ser monofásicos o bifásicos, de media o doble onda; pero en electrónica de potencia son normalmente trifásicos.
422
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Recficador (c.a ⇒ c.c)
Figura 22.2.
Tensión connua (pulsatoria)
Tensión alterna
Estructura co nce ptual de un rectificador general (no controlado).
En la red trifásica, como se sabe, aparecen 3 fases desfasadas entre sí 120°, como se representa en la figura 22.3. L3
VL1 = VP senω 120°
G
VL2 = VP sen ( ωt − 2π 3 )
L1
120°
3
120° (2π/3)
VL 3 = VP sen (ωt − 4π 3 )
L2 Figura 22.3. Tensiones en un sistema trifásico.
Dichas tensiones, representadas gráficamente en forma de ondas, tal como las podríamos ver en un osciloscopio, se muestran en la figura 22.4. Cada fase va desplazada 120° con respecto a otra. Aparecen así lo que se llaman tensiones entre fase y tensiones entre fase y neutro. +V
L1
L2
L3
VP
0V
π
2π
ωt
−V
Figura 22.4.
120° (2π/3)
120°
Diagrama de ondas de la tensión rtifásic a.
22.2.1 Tensión de fase y tensión de línea Tensión de fase, es la tensión entre cualquiera de las fases y el neutro. Y tensión de línea es la tensión existente entre cualquiera de las fases entre sí. Aparecen unas expresiones básicas muy importantes: Te n s i ó nd ef as e :
Te n s i óndel í n e a :
423
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Ejemplo En la red eléctrica normalizada y representada por 400/230 V, tenemos las siguientes tensiones de fase y de línea:
Esto indica que la tensión entre fase y neutro es 230 V y la tensión entre fases 400 V. Esto es en teoría, según las normas; pero, en la práctca, las medidas son más próximas a 380 V y 220 V.
Normalmente la instalación trifásica consta de 4 hilos; las tres fases y el neutro. En este caso, las bobinas del generador están conectadas en estrella. De esta manera, se disponen de tensiones entre fases o tensiones entre fase y neutro, como se representa en la figura 22.5. L1 L2 L3 N
U X
N S Z W
Y
V
Monofásica 230 V
Trifásica 400 V
Bobinas en conexionado estrella Figura 22.5. Producción de la red eléctrica trifásica.
22.2.2
Circuito recti ficador trifásico de media onda
El circuito básico rectficador trifásico de media onda se representa en la figura 22.6. Se basa en tres diodos de la potencia adecuada, que reciben las tres fases de alterna y proporcionan una tensión contnua pulsatoria. La tensión contnua de salida es pulsatoria, pero menos que si el rec tficador fuera monofásico; en este caso, tenemos 3 pulsos por cada ciclo de la red. Y si el rec tficador trifásico fuera de doble onda, aun sería mejor; tendríamos 6 pulsos por cada ciclo de la red. Así pues, con los rec tficadores trifásicos se obtene un mejor rendimiento y una tensión contnua que, aun siendo pulsatoria, se aproxima bastante a una tensión contnua ideal (plana). Cada diodo conduce durante 120° y está bloqueado durante los 240° restantes. De los tres diodos, siempre conduce el que tenga la tensión más alta respecto al neutro. Las característcas básicas de este rectficador son: Tensión con tnua media de salida Factor de rizado
424
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Corriente media por cada diodo
Su rendimiento de conversión, que es la relación entre la potencia (contnua) de salida y la potencia (alterna) de entrada, es:
Figura 22.6. Rectific ad or trifásico de media onda .
Actividades prácticas Rectific ador trifásico de mediaonda En la figura 22.7 se representa un circuito práctco rectficador trifásico de media onda, con los resultados de las mediciones de sus valores de tensiones (análisis realizado mediante el programa Multsim). Como se puede observar, la tensión alterna de entrada tene unos valores que son práctcamente los normalizados de 230 V y 400 V, y la tensión con tnua de salida rectficada tene un valor medio de casi 269 V, que es valor teórico:
Figura 22.7. Circuito práctico recti ficador de media onda, con sus valores de tensiones (simulación mediante el programa Multisim).
425
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Actividades pr ácticas También podemos visualizar las ondas de alterna de entrada y tensión contnua pulsatoria de salida mediante un osciloscopio de 4 canales, como se representa en la figura 22.8. La pantalla muestra los resultados que se representan en la figura 22.9. Aparecen las tres ondas de alterna ( L1, L2 y L3) y también la tensión con tnua de salida; aunque no se distngue casi, cada onda es de un color diferente, y la con tnua de salida se corresponde con todos los pulsos posi tvos a partr del punto donde se cruzan las ondas. Más detalladamente, la tensión contnua media de salida se ha representado en la figura 22.10; es una tensión contnua pulsatoria, con 3 pulsos por cada ciclo de la red (20 ms). El valor medio de la tensión con tnua de salida (Vm), sabiendo el valor de pico de la tensión de fase, se calcula por:
Figura 22.8. C onexión de un osc iloscop io de 4 canales para poder visualizar y medir las fases de entrada y la tensión continua de salida .
325 V
Figura 22.9. Tensión c ontinua de salida; 3 pulsos por c ad a c iclo de la red. La tensión de pic o es 325 V, y el valor medio unos 269 V.
426
Vm ≅ 0,827 × 325 ≅ 269V
0V T (20 ms)
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Actividades prácticas
Figura 22.10. Resultad os que muestra el osciloscopio; aparecen las tres fases y la tensión co ntinua de salida.
22.2.3 Recti ficador trifásico de doble onda En la figura 22.11 se representa un circuito rectficador de doble onda trifásico con puente de diodos; es el rec tficador trifásico más utlizado en electrónica de potencia. Se aplican las tres fases de la red eléctrica a un transformador (con entrada en triangulo y salida estrella) y proporciona una tensión contnua con muy poca ondulación (6 pulsos por cada ciclo de la red eléctrica) y con un elevado valor medio de tensión contnua. Cada pulso de la tensión de salida dura 60°; los 6 pulsos dan lugar a los 360° del ciclo (20 ms). 6 pulsos por ciclo de red
T (20 ms)
Vm ≅ 2,34 Vf
+ D3
Transformador
D6
D9
L1 Red trifásica
L2
RL
L3 Vf
(Carga) D1
D4
D7
Figura 22.11. C irc uito rec tificador trifásico de doble onda. 427
Unidad 22 · Electrónica de potencia Las característcas básicas de este rectficador son: Tensión con tnua media de salida
Factor de rizado
Corriente media por cada diodo Rendimiento de conversión
En la figura 22.12 se muestra un ejemplo de circuito práctco, con los resultados de las medidas de la tensión alterna (entre fases) de entrada y la tensión e intensidad contnua de salida; valores que coinciden con los cálculos:
Figura 22.12. ficador trifásico de doble onda. Valores medidos en un circuito recti
Actividades de evaluac ión 1. Indicar algunos ejemplos de aplicaciones electrónica de consumo y de electrónica de potencia. 2. Qué es un circuito rec tficador no controlado. Poner un ejemplo práctco. 3. ¿Cuál es el ángulo de desfase entre líneas de la red trifásica? 4. Si en una red trifásica medimos una tensión de 220 V entre una fase y neutro, ¿de qué valor será la tensión de línea?
5. Dibujar una red t rifásica 440 V/230 V y poner los valores picos que se obtenen; tensión de fase y tensión de línea.
6. Dibujar un circuito rectficador trifásico de media onda. Si la tensión de fase es de 220 V, ¿de qué valor será la tensión media contnua de salida? Cuantos pulsos tendrá la tensión de salida cada 20 ms (f = 50 Hz).
7. Representar un circuito rectficador trifásico de doble onda y calcular la tensión media contnua de salida si la tensión de entrada entre fases es de 400 V. ¿Cuántos pulsos tendrá la tensión de salida?
428
Unidad 22 · Electrónica de potencia
22.3
Rectificadores trifásicos controlados
Son circuitos, basados en diodos y tristores, que convierten la tensión alterna de la red de energía en tensión con tnua regulable para la alimentación de normalmente motores (figura 22.13). Al ser rectficadores controlados, la tensión contnua de salida se puede variar, de manera que en el caso de alimentar motores es posible así controlar su velocidad.
Recficador controlado (c.a ⇒ c.c)
Figura 22.13. Estructura conceptual de los rectific ad ores co ntrolados. Su realización se basa en los tiristores. Por medio de impulsos,se controlan los tiristores y se ha ce que varíe la tensión c ontinua med ia de salida.
Tensión connua (controlada)
Tensión alterna (red eléctrica) Impulsos de control Unidad de control
Control manual
El control de la tensión de salida es por el método de ángulo de fase, (según ya se explicó en el capítulo sobre Tiristores), por lo cual la tensión con tnua de salida es de tpo pulsatoria y su valor medio se controla variando el ángulo de conducción de los tristores (o triac, según el caso).
22.3.1 Recti ficador controlado bifásico Un ejemplo de circuito rectficador controlado se muestra en la figura 22.14. La tensión alterna de entrada a los tristores se obtene a través de un transformador con toma media; se obtenen dos tensiones desfasadas entre sí 180°. Cada tristor recibe una fase. Es como un rectficador de doble onda bifásico sin controlar, en el cual los diodos se han susttuido por tristores; esto permite, por el método de ángulo de fase, conseguir una tensión contnua de salida cuyo valor medio se puede variar.
T1
Alterna entrada
Impulsos control
V1
V2
Figura 22.14. C ircuito rec tificador controlado bifásico.
RL (carga)
T2
Impulsos control Si los impulsos de mando se aplicaran al principio de cada semiciclo posi tvo, los tristores conducirían práctcamente durante todo el tempo de duración de los semiciclos positvos y la tensión de salida sería la máxima. Pero, por medio de la uni-
429
Unidad 22 · Electrónica de potencia dad de mando, variando el ángulo de disparo de los tristores se varía el ángulo de conducción de los tristores y en consecuencia la porción del semiciclo positvo que recibe la carga (RL). En la figura 22.15 se muestra el diagrama de ondas, donde aparecen las fases de alterna de entrada y la tensión con tnua de salida, para impulsos de disparo de los tristores de α = 90°. La tensión contnua de salida, si las fases de alterna son de 230 V, sería de unos 103,4 V:
Tensión de entrada V1
VP
90
0
90 ωt
360°
VP
Tensión de entrada V2
0
ωt
Impulsos de disparo T1
T2
T1
T2
(
= 90°)
α Tensión de disparo VP
Vm =
T1 Figura 22.15. Diagrama de ondas del c irc uito recti ficador controlado, para α = 90º.
0
T = 0,02 s (f = 50 Hz)
T2
T1
T2
2VP 1 + cos α π 2 t
22.3.2 Puentes rec tific adores semicontrolados También se podría realizar el circuito sin utlizar el transformador de toma media; basta realizar el circuito que se muestra en la figura 22.16. Es el pico puente de diodos, donde dos diodos se han sus ttuido por tristores; lo cual permite realizar unristores. control de la tensión con tnua de salida variando el ángulo de conducción de los t
430
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Diodo de protección
M
(picos de f.c.e.m)
+
M
Figura 22.16. Tipos de estructura de puentes de rectificadores semicontrolados.
+ Si los dos diodos se susttuyen por tristores, se obtene un mayor control de la tensión de salida. El puente rec tficador estaría consttuido únicamente por tristores; un circuito así se llama rectficador totalmente controlado. Pero con dos tristores y dos diodos se obtenen resultados práctcos satsfactorios.
Diodo volante El diodo conectado a la salida (en paralelo con la carga), en polarización inversa, se llama diodo volante; es para eliminar tensiones transitorias que pueden tomar valores elevados, que pueden aparecer por el efecto inductvo de la carga (f.c.e.m.). Como se observa, el diodo está conectado de manera que no conduzca con la tensión de salida normal. Sólo puede llegar a conducir si en la salida se producen tensiones (picos instantáneos) de polaridad contraria; de esta manera, estas sobre tensiones se disiparían a través del diodo.
22.3.3
Rectificador trifásico c on puente semicontrolado
En la figura 22.17 se muestra un ejemplo de rec tficador trifásico semicontrolado. Se basa en 3 tristores y 3 diodos. También se podrían susttuir los 3 diodos por tristores; en este caso se llamaría rec tficador trifásico totalmente controlado (se podría así controlar el ángulo de conducción de los 6 tristores). Pero con sólo 3 tristores y 3 diodos, ya se obtenen resultados satsfactorios.
431
Unidad 22 · Electrónica de potencia
D3
D6
D9
L1 L2
M
L3 T1
T2
T3
+ Figura 22.17.
Ejemplo de circuito rectific ad or trifásico c ontrolado.
Actividades de evaluac ión 1. Representar la estructura y funciones básicas de un rectficador controlado. 2. ¿Qué componente electrónico es fundamental en los rectficadores controlados? 3. Dibujar el esquema de un rectficador bifásico controlado, y explicar resumidamente sus característcas. Si el ángulo de disparo es de α = 45°, ¿de qué valor seria la tensión contnua media de salida?
4. Cuál es la diferencia en los puentes rectficadores semicontrolados y totalmente controlados. Poner circuitos de ejemplo.
5. ¿Qué función realiza el denominado diodo volante? 6. Representar el circuito de un rectficador trifásico con puente semicontrolado. Si la carga fuese totalmente resistva, ¿se necesitaría en diodo volante?
22.4 Inversores - deOnduladores Los inversores realizan la conversión tensión contnua a tensión alterna (figura 22.18). Y básicamente tenen la finalidad de poder alimentar cargas de corriente alterna (bombillas, TV, motores, etc.) mediante la energía procedente de una fuente de tensión contnua (baterías). Para alimentar según qué tpo de cargas, no es imprescindible que la tensión alterna de salida sea del todo senoidal, y la onda de salida del inversor es sólo una aproximación (onda senoidal escalonada). Para algunas aplicaciones, aunque la onda no sea una senoide como la obtenida en la red de suministro de energía eléctrica, se pueden hacer funcionar muchos aparatos, como luces, estufas eléctricas, etc. Tensión alterna Inversor (cc/ca)
Tensión connua Figura 22.18. Estructura de un inversor (no senoidal); co nvierte c.c . en c .a.
Pero cuando se precisa que la onda de la corriente alterna sea senoidal, lo cual es preciso paraentonces alimentar que lleven y sobre todo motores de alterna, losaparatos inversores son más transformadores perfeccionados y complejos para que la onda generada sea muy aproximadamente de forma senoidal; los inversores de este tpo se llaman onduladores(figura 22.19).
432
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Tensión alterna Ondulador (cc/ca)
Figura 22.19. Estructura co nce ptual de un inversor senoidal (ondulador). C onvierte la c .c. en c .a. de forma senoidal (a semejanza de la onda de la red eléctrica).
Tensión connua
Los onduladores son los equipos necesarios en, por ejemplo, instalaciones de energía solar fotovoltaica, para convertr la tensión contnua generada por los paneles solares (almacenada en baterías) en energía alterna de 230 V, para alimentar los aparatos de una casa.
22.5
Control de potencia en alterna
En muchos casos se precisa el poder alimentar cargas de alterna de forma controlada y regulada, de forma automátca o manual. Si se parte de la fuente de energía de la red eléctrica, es cues tón de realizar un circuito variador de potencia, que de una forma sencilla se puede realizar mediante Triac, o diodos y tristores. En la figura 22.20 se representa su estructura. En cualquier caso, se obtene una onda de salida de corriente alterna que no es senoidal; son porciones del ciclo de la onda alterna de la red. El triac o tristor se hace conductor sólo ciertas partes del ciclo de la red (control por del ángulo de fase). Esto tene como consecuencia que genera muchos armónicos en la red eléctrica, que incluso puede producir interferencias y hasta perturbar el funcionamiento de otros equipos electrónicos. Por ello, este tpo de sistema de control, aunque comparatvamente es de bajo precio, tene sus limitaciones.
Variador de potencia (control por ángulo de fase)
Tensión alterna (no senoidal)
Tensión alterna (red eléctrica) Angulo ( ) de conducción = 90° Figura 22.20. Estructura co nce ptual de un variador de potencia en alterna c ontrolando el ángulo de c onducc ión de un triac o tiristor. La tensión de salida no es senoidal.
Unidad de control
Ajuste manual
En el caso que se requiera que la onda de salida sea senoidal (figura 22.21) lo cual es preciso si las cargas se basan en bobinados (transformadores y motores, especialmente), entonces el variador de potencia se basa en un inversor – ondulador controlado (automátca o manualmente).
433
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Variador de potencia senoidal (Ondulador)
Tensión alterna senoidal
Tensión alterna (red eléctrica)
Figura 22.21. Estructura c onc eptual d e un variador de potencia en alterna ba sad o en un inversor-ondulador. La tensión de salida es senoidal.
Control por sistemas
Unidad de control
Ajuste manual
digitales (PLC, PIC)
22.6
C icloconvertidores
Los denominados cicloconvertdores, son convertdores directos, que realizan la función de convertr corriente alterna en también corriente alterna pero de diferente frecuencia; son básicamente variadores de frecuencia ( figura 22.22). Permiten obtener una tensión alterna monofásica o trifásica regulable en amplitud y especialmente frecuencia, partendo de la red alterna. La frecuencia de la tensión de salida, picamente, como máximo puede llegar a 1/3 de la frecuencia de entrada. Son utlizados para el control y regulación de motores de corriente alterna, en los cuales su velocidad depende básicamente de la frecuencia de la tensión alterna aplicada. Su realización electrónica, como todos los sistemas de electrónica de potencia, se basa en los tristores.
Cicloconverdor
Figura 22.22. Estructura conceptual de un cic loconvertidor; es un convertidor directo de a lterna en alterna d e frec uencia regulable.
Tensión alterna senoidal, de frecuencia regulable.
Tensión alterna (red eléctrica f = 50 Hz) Control
22.7
Interr uptores est áticos
Los interruptores estátcos son el equivalente electrónico a la función de un contactor; básicamente, permiten la conexión–desconexión de una carga cómo lo haría un contactor, con la diferencia de que es totalmente electrónico ( figura 22.23). Este sistema de interruptores al no ser mecánico, carece de ruidos, chispas, etc., por lo cual también su duración es mucho mayor. En principio, cualquiera de los sistemas convertdores controlados puede realizar la función de interruptor si se hace trabajar en todo-nada. Pero muy sencillamente un interruptor estátco se puede realiza mediante tristores o triac. Los interruptores estátcos, se pueden realizar de diferentes maneras, dependiendo de la carga a controlar, deltpo de actvación (manual, tensión con tnua o alterna).
434
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Interruptor estáco
Carga:
Tensión de entrada
Motor Lámpara Electroválvula Etc.
Control
Figura 22.23. Estructura de un interruptor estático, b asado en triac.
22.8
Convertidores c c / c c . Choppers
Los convertdores de tensión contnua a tensión contnua permiten diversas aplicaciones, entre las que destaca la regulación de motores de con tnua. Estos sistemas convertdores también se conocen por choppers, en base a que la carga (motor) recibe la tensión en forma de “rebanadas” (de ahí Chopper, en inglés). Su aplicación se encuentra también en las fuentes de alimentación conmutadas; partendo de una tensión contnua no estable, o pulsatoria, permiten obtener una tensión contnua con diferente valor y estable, con la característca de un alto rendimiento; se desperdicia poca potencia en la conversión, debido a que el elemento de control trabaja en conmutación, como un interruptor que se abre y cierra a intervalos regulares. Esta es la característca de funcionamiento de los choppers. También se pueden alimentar con corriente alterna, y después de hacer una rec tficación (conversión de la alterna a con tnua), hacer la regulación de forma conmutada; así, mediante una tensión alterna, se obtene una tensión contnua controlada y regulada, y con muy pocas pérdidas en la conversión. Estos convertdores, Chopper, son uno de los equipos electrónicos de mayor importancia en los ferrocarriles (metro, trenes), ya que permiten el accionamiento de los motores.
22.8.1
Características principales Conmutador estáco (Se puede realizar con transistores o ristores)
Chopper
Fuente de tensión connua
Figura 22.24.
Unidad de control
Motor de connua
M
Estructura co nce ptual de un C hopp er. Permite el c ontrol y regulac ión de motores de co ntinua aplica ndo la tensión a impulsos. Este sistema de c ontrol de motores es uno d e los equipos fundamentales en la trac ción d e motores en trenes. 435
Unidad 22 · Electrónica de potencia En la figura 22.24 se representa la estructura conceptual de un Chopper. La tensión de la fuente de alimentación con tnua se aplica al motor a intervalos periódicos, de manera que se pueden variar los tempos que la carga (motor) recibe la tensión. Esto permite variar el valor medio de tensión que recibe la carga, y no se desperdicia casi energía como ocurriría si el regulador se basa en una resistencia de valor variable tco) (regulador serie). En este caso, como el elemento de control (conmutador está actúa en conmutación, siempre circula la máxima corriente (interruptor cerrado) o la corriente es cero (interruptor abierto). Así pues, el control de la velocidad se hace variando el ciclo de trabajo de la onda de tensión que alimenta al motor.
22.8.2
Regulador de potencia conmutado basado en MOSFET
El circuito que se presenta aquí cons ttuye una forma sencilla y práctca de experimentar el principio de los reguladores conmutados, Chopper. La carga, en este caso, una bombilla, recibe la corriente a impulsos de anchura variable (fig. 22.25). Como ya se explico, los circuitos de regulación lineal (elemento de control en serie con la carga)tenen el inconveniente de que se pierde una potencia considerable en el elemento de control. Una forma de regulación que no tene este inconveniente es haciendo el control en conmutación, pormodulación de anchura de impulsos. La carga recibe la energía a impulsos; es el principio de funcionamiento de los choppers.
Potenciaalta
Figura 22.25.
Potenciamedia
Potenciabaja
La tensión media en la carga varía en función del ciclo de trabajo de la onda:
Un circuito práctco regulador que opera según esta técnica se muestra en la figura 22.26. Se basa en un generador de pulsos realizado con el circuito integrado CD4011 (tecnología CMOS), que controla un transistor MOSFET modelo BUZ71. A modo de ejemplo, la carga es una lámpara de 12 V 20 W, aunque puede ser un motor de contnua. De esta manera, puesto que el transistor trabaja en conmutación, la disipación en él es mínima independientemente de la potencia en la carga; el transistor se comporta como un interruptor (abierto o cerrado). La regulación de potencia en la carga se realiza por medio del potenciómetro P1, mediante el cual se varía el ancho de los pulsos y en consecuencia la tensión media en la carga.
Actividades de evaluac ión 1. ¿Qué función realiza un inversor? Representar su estructura básica y enumerar algunas de sus aplicaciones práctcas.
2. ¿Cuál es la diferencia entre un inversor y un ondulador? 3. ¿Qué es un cicloconvertdor? 4. Si tuviéramos que controlar la velocidad de un motor de alterna por
variación de frecuencia, qué equipo
electrónico (de los nombrados anteriormente) utlizaríamos?
5. ¿Qué función realiza un
interruptor estátco?, ¿qué componente principal permite su realización? Poner
algún ejemplo de aplicación.
436
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Actividades de evaluac ión 6. ¿En qué se basa l a regulación de potencia en un chopper? ¿Cuál es la principal ventaja frente a los reguladores clásicos lineales? ¿Cómo es la tensión de salida, contnua o alterna?
+ 12 V Circuito integrado 4011 (CMOS) 1
5
&
12 V 20 W BUZ71
&
3
4 6
2
D
1N4148 G 47 k
100 k Figura 22.26. C irc uito regulador en c onmutación (se c ontrola el ciclo de traba jo).
P1
S
MOSFET BUZ71
G
D
S
1 nF
22.8.3
Resumen de los tipos básicos de c onvertidores
Según el tpo de energía eléctrica de entrada-salida de los diferentes tpos de convertdores estátcos básicos, se puede hacer la siguiente clasi ficación resumida, representada gráficamente en la figura 22.27. Recficadores Alterna
Connua
Variadores de alterna, Cicloconverdores.
Choppers
Alterna
Connua
Figura 22.27. Relaciones entre los diferentes tipos de convertidores, en función de la energía eléctrica de entrada-salida.
Inversores - Onduladores
Actividades prácticas Realizar el montaje del circuito regulador conmutado de figura la 22.26. Observar y medir con osciloscopio la señal de salida del generador de impulsos, para el valor mínimo y máximo de encendido de la lamparita.
437
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Actividades pr ácticas Para el valor mínimo de encendido: Frecuencia = ?
Ciclo de trabajo = ?
Tensión media= ?
Ciclo de trabajo = ?
Tensión media= ?
Para el valor máximo de encendido: Frecuencia = ?
Razonar el funcionamiento, el principio de regulación.
22.9
Component es electrónicos de potencia básicos
22.9.1 Diodos de potencia Los diodos de potencia son básicamente igual que los diodos llamados normales en cuanto a funciones básicas; son rec tficadores, pero de mayores dimensiones y pudiendo soportar mayores tensiones y corrientes, de manera que pueden requerir elementos disipadores de potencia para evitar sobrecalentamientos. Por ejemplo, pueden llegar a soportar corrientes de más 1000 A y tensiones (inversas) de unos 2000 V. Un ejemplo comercial de diodo de una cierta potencia, es el SKN 60F17 (puede aguantar una tensión de 1500 V y una corriente de 75 A). En la figura 22.28 se muestra el aspecto de algunos diodos de cierta relatva potencia (los hay de bastante más potencia). En general, son más robustos, de mayor tamaño, que los diodos conocidos por normales. Ánodo (A)
Figura 22.28.
Cátodo (K)
Diodo d e poten cia
Ejemplo de diodos de potencia.
Como se sabe, el diodo presenta dos estados muy diferentes, que se llaman corte (o bloqueo) y conducción. En estado de corte se comporta como un interruptor abierto (no circula corriente, y tene que soportar un valor de tensión inversa (que puede ser del orden de kV en electrónica de potencia). Y en estado de conducción se comporta como un interruptor cerrado, circula una corriente (que puede ser de kA) y aparece una pequeña de tensión entre los terminales (caída directa). El diodo permite la circulación de corriente sólo cuando se encuentra polarizado en forma directa, que es cuando el terminal ánodo tene polaridad positva con respecto al terminal cátodo; el diodo se comporta entonces como un conductor, y permite la circulación de corriente. En polarización inversa, el terminal cátodo tene polaridad positva con respecto al terminal ánodo, no permite el paso de la corriente y se comporta como un aislante. Pero si se supera un cierto valor de tensión, entonces se produce un efecto de conducción brusca que puede deteriorar el diodo. Estas sobre tensiones o sobre
438
Unidad 22 · Electrónica de potencia intensidades son más propensas, como es obvio, en los sistemas donde se trabaja con elevadas potencias; por ello, en general, todos los componentes semiconductores requieren ciertas precauciones y medidas de seguridad (limitación de picos de tensión, refrigeración, etc.). 22.9.1.1
Datos de características del diod o
VR: Es la tensión máxima con tnua que puede soportar el diodo cuando está en
polarización inversa.
VRWM : Es la tensión máxima de pico (inversa) a la que puede trabajar. VRRM : Es la tensión máxima de picos que se pueden repe tr; se refiere a los impulsos,
picos transitorios, que pueden aparecer durante el ciclo de trabajo. Esto se da normalmente en la red eléctrica, debido especialmente a la desconexión y conexión de cargas inductvas (motores, transformadores, etc.). VRSM : Esto se refiere a los picos de tensión transitorios que puede soportar pero sin
que se repitan, siendo la duración máxima normal de < 10 ms.
Estos datos, que no se deben sobrepasar, se pueden representar en una escala de valores, según se muestra en la figura 22.29. VF
t VRWM VRRM VRSM
Figura 22.29. Representación de los valores máximos de tensión inversa.
VR
IF : Es el valor de intensidad directa contnua, que tene un valor máximo (especifica-
do por el fabricante) que no se tene que superar. La intensidad directa también se puede especificar como: IF(AV) , que significa el valor medio de la corriente rec tficada, que en las hojas de datos también puede aparecer como IO. Y también: IF(RMS) , que se refiere al valor eficaz de la corriente rec tficada.
Hay que tener en cuenta que la aplicación principal del diodo es como rectficador, y la corriente rectficada son pulsos, no es un valor constante, y eso tene un valor medio y valor eficaz. En el caso de una rectficación en media onda (figura 22.30) tenemos:
Y si la rectficación fuera de doble onda (lo más normal), entonces:
IM es el valor máximo de la onda (también se llama valor de pico, IP). IFRM : Esto se refiere a valores de intensidad de pico que puede aguantar de forma repettva. IFSM: Es como el caso anterior, pero con valores de intensidad de pico que no pueden repetrse; son transitorios de un cierto valor máximo que se pueden dar, y el diodo ttva. puede soportar, pero no de forma repe 439
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Pico no repevo
IF IFSM
Picos repevos
Onda de salida (c orriente recficada)
IFRM IM IF(RMS)
Figura 22.30. Representación de los valores de intensidad del diodo (recti ficación de media onda).
IF(AV)
T = 0,01 S (f = 50 Hz)
empo
22.9.2 El tir istor (SC R) El tristor es el componente fundamental de la electrónica de potencia, más exactamente lo que se representa por SCR, que significa rectficador controlado de silicio (Silicon Controller Rectfier). Pero el SCR sólo es un componente más de la familia de los tristores, aunque el más representatvo y popular; por eso se conoce, en general, por tristor. Los tristores pueden ser de baja, mediana y alta potencia. Aunque su modo de operar es el mismo, entre unos y otros existen diferencias, especialmente en cuanto a sus valores eléctricos además de su tamaño. En la figura 22.31 se muestra un ejemplo de tristor de una cierta potencia; los hay mucho mayores. Un ejemplo de SCR comercial de una cierta potencia es el SKN 50 (de fabricante Semikron); puede aguantar una tensión de casi 2000 V y una corriente de 40 A. En los tristores de una cierta potencia, además de los contactos metálicos gruesos del ánodo y cátodo, suele haber dos hilos finos; uno es el electrodo puerta (G) y el otro es una referencia de la tensión cátodo.
Figura 22.31. Aspec to de un tiristor (SC R) de una cierta potencia.
En los modelos de potencia, como ya es de suponer, los tristores necesitan de sistemas de refrigeración para que no tomen valores de temperatura prohibitvos.
22.9.3 El irist t or GTO El GTO es un tpo de tristor que presenta la ventaja, frente al tristor SCR, de poder pasar del estado de conducción al de bloqueo mediante la aplicación de un impulso de polaridad negatva (respecto al cátodo) a la pa tlla puerta (gate). Aunque no resulta tan sencillo como puede parecer en un principio, porque se necesita un impulso de bastante energía para que el tristor se bloquee mediante la puerta. Las siglas GTO significa Gate – Turn – ffOThyristor, que viene a decir que la puerta puede poner el tristor en conducción o bloqueo. El símbolo del GTO es similar al del tristor convencional (SCR), como se representa en la figura 22.32, junto a un modelo práctco (encapsulamiento de disco). Este componente es un componente fundamental en electrónica de potencia, muy utlizado en ferrocarriles.
440
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Ánodo (A)
Puerta (gate) Permite el cebado y descebado
Figura 22.32. Símbolo del GTO y aspecto de un modelo (enca psulamiento tipo disc o).
Cátodo (K)
t tor MCT 22.9.4 El iris El MCT es un tristor GTO y dos transistores Mosfet integrados en un sólo encapsulado. El GTO es controlado por dichos transistores; uno de ellos es para poner en conducción al GTO y el otro para pasarlo del estado de conducción al de bloqueo. El tristor MCT es un disposi tvo rápido en la conmutación, pudiendo operar a frecuencias de unos 20 Khz. En la figura 22.33 se muestra un símbolo representatvo del MCT. G
Figura 22.33.
A
K
Símbolo del tiristor MCT.
22.9.5 El rtansist or MOSFETde potencia Los transistores MOSFET son una variante del transistor FET, en el cual el electrodo de control (graduador) internamente se encuentra aislado eléctricamente; su acción es por efecto capacitvo. La característcas esencial que diferencia los transistores bipolares (BJT) de los MOSFET consiste en que los MOSFET son controlados por tensión (aplicada en la puerta, G) y casi no requieren corriente de entrada; en cambo, los transistores bipolares son controlados por una corriente que (aplicada a la base, B). Las aplicaciones más picas de los transistores de los MOSFET de potencia se encuentran en la conmutación de cargas, chopeado, sistemas inversores, control de motores, etc. Los MOSFET también presentan algunos inconvenientes frente a los bipolares; son bastante sensibles a las descargas electrostá tcas, pueden requerir ciertas protecciones especiales, tenen mayores pérdidas de potencia debido a que la resistencia estátca drenador - surtdor es más grande que la de colector - emisor de los bipolares. 22.9.5.1
Ejemplos de MOSFET de potencia comerciales
• IRF540N, encapsulado en TO-220, que soporta una intensidad máxima ID = 27 A y tensión máxima VD = 100 V. • SKM 111 AR. En la figura 22.34. se representa su aspecto; este tpo de encapsulado se llama Semitrans M1. Soporta una tensión de 100 V y una corriente de 200 A. La tensión de control de puerta puede llegar a 20 V. Un resumen de sus datos, tal como los presenta el fabricante (Semikron) es:
Absolute Maximum Ratings Sy m b ol
C o n dti ons 1)
Va l u e s
U n it s
100 100
V V
ID
200
A
IDM
600
A
VDS VDGR
RGS = 20 kΩ
441
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Absolute Maximum Ratings S y m bo l
C on dti ons 1)
Va l u e s
20 ±
VGS
700
PD
–4 0...+150(125)
Tj, (Tstg)
U n it s
V W °C
Figura 22.34. Transistor MO SFET de potencia SKM11 1AR (del fabricante Semikron).
El diodo interno que el fabricante pone entre drenador y sur tdor (figura 22.35) es para evitar picos de tensiones de polaridad contraria que podrían dañar el transistor (esto se produce especialmente en la conmutación de cargas induc tvas, como motores).
22.9.6 T ransistor IG BT El transistor IGBT es un tpo de transistor que combina las característcas del transistor bipolar (BJT) y las de un MOSFET; es un transistor híbrido. Las siglas IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), significa transistor bipolar de puerta aislada. Los IGBT son transistores de potencia, muy u tlizados en electrónica de regulación y control en la industria. Posee las característcas de entrada de los transistores MOSFET y característcas de salida de los bipolares. Se puede ver pues como el conjunto de dos transistores; un MOS que controla a un BJT. La impedancia de entrada de un IGBT es por lo tanto sumamente elevada, práctcamente casi no hay corriente de entrada (nA), su control es por tensión. Y su salida es con las característcas colector emisor, lo que le confiere bajas perdidas cuando trabaja en conmutación. Puede operar a altas velocidades y controlando altas intensidades. Para tener una idea, los transistores IGBT pueden soportar tensiones del orden de 1500 V y controlar corrientes de 300A. Como es obvio, es un componente fundamental en electrónica de potencia, muy utlizado en control de motores. La simbología de este tpo de transistor es como se muestra en la figura 22.35. Como ya se deduce, la entrada (gate) es como un MOSFET y la salida como un BJT (colector-emisor). D (drain) ID G (Gate)
G (Gate) Figura 22.35. Simbología y aspec to prác tico de un transistor IGBT.
C (Collector)
S (source)
E (Emier)
Actividadesfinales 1. Básicamente, ¿en qué se diferencian los diodos de potencia respecto a los considerados diodos normales? ¿Cómo suelen ser los encapsulados y por qué son así? Hallar la documentación técnica del diodo SKN 60F17 y hacer un resumen de sus característcas básicas.
2. Con respecto a los tristores SCR considerados normales, ¿qué diferencias tenen los SCR de potencia? Buscar la documentación técnica del tristor SCR modelo SKT 50 y obtener los datos principales.
442
Unidad 22 · Electrónica de potencia
Actividadesfinales 3. Explicar las diferencias esenciales del tristor GTO respecto al SCR. Dibujar su símbolo. ¿Qué signi fica GTO? 4. Representar la simbología y resumir las característcas básicas del componente MCT. ¿Es untristor? 5. Representar el símbolo de un MOSFET. Indicar aplicaciones donde se pueden encontrar transistores MOSFET de potencia.
6. Hallar la documentación técnica (Internet) del MOSFET IRF540N y hacer un resumen de sus característcas básicas. ¿Por qué internamente llevan un diodo en paralelo con los terminales drenador-surtdor?
7. Buscar información técnica del MOSFET de potencia SKM 111 AR y hacer un resumen de datos prác tcos. Indicar las diferencias entre el MOSFET IRF540N.
8. Dibujar la simbología del transistor IGBT y explicar resumidamente sus característcas principales. ¿En qué
tpo de aplicaciones se puede encontrar? ¿Qué significa IGBT? Buscar en Internet un transistor IGBT comercial y hacer un resumen de sus característcas.
443
Introducción Unidad 23 a la electrónica digital
Objetivos: Proporcionar los principios básicos fundamentales de la electrónica digital, de una forma sencilla y práctica. Se empieza con una introducción general conceptual sobre la técnica digital, sus aplicaciones, funciones que nos aporta, etc., y después se trata el tema del sistema binario con una c ierta profundidad. Se termina c on una explic ación resumida y práctic a sobre los circuitos integrados digitales básic os, las puertas lógicas, y los principios del álgebra de Boole (el soporte matemático de la electrónica digital).
En este capítulo: 23.1 23.2 23.3 23.4
Introducc ión a la electrónica digital. Señales analógicas y señales digitales. Procesos digitales. Sistemas cableados
y sistemas programables. 23.5 El sistema binario. 23.6 Codificación-decodi ficación. 23.7 Datos en formato paralelo.
23.8 23.9
Datos en formato serie. Operac iones aritmétic as bá sicas en binario. 23.10 Introducc ión a los c ircuitos digitales. 23.11 23.12 23.13 23.14
Puertas lógicas. Simbología lógica. C ircuitos integrados digitales. Principios del álgebra de Boole.
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Recuerda
• • •
En la electrónica que se ha explicado ha sta aquí, los circuitos básicamente realizan la función amplificación con señales variables; son circuitos que operan de forma lineal; esto es electrónica analógica.
23.1
Introducción a la electrónica digital
Básicamente, la electrónica se puede estructurar en dos ramas o especialidades: • Electrónica analógica • Electrónica digital La electrónica analógica es la pica de los aparatos de radio-TV básicos (los de hace años, sin la sofistcación actual …); son aparatos muy representatvos de la electrónica básica, también denominada analógica(fig. 23.1). La electrónica analógica se basa en los circuitos amplificadores de tpo lineal, generadores de señal senoidal, circuitos de filtro, etc.
Figura 23.1. Antiguos apa ratos de rad io y TV; representativos de electrónica analógica pura.
Y la electrónica digital, es la pica de los ordenadores y calculadoras; los aparatos más representatvos de la técnica digital (fig. 23.2). Y que su incesante avance ha dado lugar a nuevas aplicaciones y grandes mejoras en práctcamente todas las aplicaciones electrónicas.
Figura 23.2. El ordenador y la calculadora; aparatos representativos de electrónic a digital.
La electrónica digitales la rama de la electrónica más moderna y que evoluciona más rápidamente, contando cada vez con un mayor número de aplicaciones. Es la electrónica fundamental, de los ordenadores, calculadoras, teléfonos móviles, automatsmos industriales, etc., pero que su aplicación en aparatos picos de electrónica analógica ha permitdo la sofistcación actual de los equipos radio y TV, equipos de música, telefonía, etc. Actualmente todos los aparatos electrónicos o están basados en la electrónica digital o utlizan gran parte de ella. Hasta los aparatos más picos de la electrónica básica (analógica) como, por ejemplo, los televisores y equipos de sonido, tenen gran parte de electrónica digital.
23.1.1
Funciones características que aporta la técnic a digital
La electrónica digital, básicamente, proporciona: • Funciones de control, programación, memoria, procesos automátcos; es lo que nos aportado la so fistcación de los teléfonos móviles, fotografa digital, reproductores MP3, cámaras de vídeo, televisión digital, etc. • Mayor estabilidad de las señales, al ser mucho menos inmunes a las señales de ruido eléctrico, interferencias, etc.; lo cual da lugar a una mayor calidad televisión digital de las señales e imagen). Un ejemplo, es laefectos (TDT). Antes, con la TV(sonido analógica, se producían fácilmente de doble imagen, ruido (efecto de nieve), mala sintonización, etc. Y ahora, con la TDT, la imagen (y sonido) tene una calidad estable, sin intermedios, y sobre todo no se
445
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital produce la doble imagen. Si puede pasar que la imagen se pixele, o desaparezca, si la señal de antena es demasiado baja (o alta). La calidad que aporta la técnica digital se fundamente en que las señales digitales son básicamente datos, información numérica, en sistema binario; las señales sólo toman dos estados diferenciados (se llaman 1 y 0) de tensión. Entonces, dentro de una margen, pueden existr variaciones de tensión de la señal, alguna distorsión; pero la información que aporta no varía. Sin las técnicas digitales electrónicas todavía nos encontraríamos en la era de los equipos con relés, no contaríamos con los autómatas programables, robots, equipos de control numérico, la sofistcación de la electrónica del automóvil, los modernos equipos de electromedicina (TAC, resonancia magnétca, etc.), los MP3, video digital, etc. Y no hay que decir sobre las telecomunicaciones …; no tendríamos ni Internet. Pero hay que tener muy en cuenta que en todos los aparatos, hasta los más digitales, necesitan de la electrónica analógica, y hasta de circuitos eléctricos de los más sencillos. O sea, toda la complejidad, so fistcación y modernas funciones de los aparatos electrónicos actuales se consiguen gracias a la aplicación combinada de la electrónica analógica y electrónica digital. En un simple reproductor MP3nos encontramos con toda la potencia digital de los procesadores programables (como el de un ordenador), memoria RAM, convertdores digitales – analógicos; pero también tene un amplificador lineal (electrónica analógica) para amplificar el sonido (para el auricular), y otros circuitos de tpo analógico. Pero se puede decir que la mayoría de electrónica de un MP3 es de tpo digital. Por ello, hay muchas aplicaciones que son más bien digitales, como un ordenador, calculadora, etc. En otras aplicaciones, como es la radio, TV, equipos de música, la electrónica analógica es de más peso que la digital (de hecho, sin la digital, seguirían existendo, aunque sin la so fistcación que aporta la técnica digital.
23.1.2 Microprocesador: CPU La mayoría de aplicaciones están basadas en un componente denominado Microprocesador fi ( g. 23.3), que a su vez ha dado lugar al microntrolador; estos componentes son sistemas digitales programables integrados en un sólo chip (un circuito integrado digital). En el caso de un ordenador, cons ttuyen la CPU ( Central processing United); la base operatva y de control del sistema. En el caso de un ratón de ordenador, teléfonos móviles, etc., también se encuentran procesadores digitales programables de este tpo, pero más simplificados; son los microcontroladores PIC .
Figura 23.3. Aspec to de un c hip microprocesador; C PU de los ordena dores.
Así, resumiendo, todo el amplio y variado tema de las aplicaciones de la electrónica es una combinación de la electrónica analógica (la básica general) y la electrónica digital. La electrónica analógica es la que proporciona las funciones básicas, como amplificación, y la electrónica digital proporciona la so fistcación, funciones programables de los sistemas. Además de la amplia representación de las aplicaciones electrónicas que se muestra en la figura 23.4, existen otras… y las que pueden ir apareciendo, como consecuencia de los nuos avances en la técnica digital (que se basa en los incesantes avances decon lostfabricantes de circuitos integrados).
446
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Imagen y sonido
Industria Electrónica analógica + Electrónica digital
Informáca y Telecomunicaciones
Electromedicina
Figura 23.4. En las aplicaciones electrónica s se c ombina la electrónica analógica y la digital.
Actividades propuestas 1. Indicar característcas, funciones, que aporta la técnica digital a las aplicaciones electrónicas, en comparación con los sistemas analógicos.
2. Indicar tres aparatos electrónicos básicamente de electrónica analógica. 3. Indicar tres aparatos básicamente de electrónica digital. 4. ¿Existen actualmente aplicaciones electrónicas realizadas únicamente con electrónica analógica o digital?
447
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.2
Señales analógicas y señales digitales
Las señales fsicas con que nos encontramos en la naturaleza son señales analógicas , señales variables en el tempo que, dentro de un margen, pueden tomar cualquier valor. Son así, por ejemplo; la temperatura, velocidad, fuerza, corriente eléctrica, ondas sonoras, etc. Pero las señales que procesan los circuitos digitales no son así; son de tpo escalonado, los cambios son siempre entre dos niveles determinados; por ello, para que los sistemas digitales puedan procesar señales analógicas (por ejemplo, de sonido) antes las tenen que convertr a formato digital.
23.2.1 Señales analógicas Un ejemplo de señal analógica fácil de comprender, es la señal que podemos generar mediante un potenciómetro (fig. 23.5). Variando la posición del cursor podemos hacer que en la salida tengamos cualquier valor de voltaje, por ejemplo, en el margen de 0 a 12 V. Según la posición del cursor y la velocidad de cómo los variemos, la señal puede tomar diversas formas y valores; esto es una señal analógica pura.
+
V
10 k 12 V
Figura 23.5. C on este simple circuito, se pueden generar señales analógicas d e diversas formas.
t
23.2.2 Onda senoidal En la onda senoidal, el nivel de señal puede ser cualquier valor, dentro de su nivel de amplitud máxima. Si la tensión máxima es 10 VP, puede tomar cualquier valor tvos o negatvos en 0 V y 10 V (3 mV, 2 V, 2.3 V, 4.9 V, 9.3 V, ...), con valores posi (figura 23.6).
+ 10
0
ν
= 10sen ωt
t
Figura 23.6. La onda senoidal e s un ejemplo básico d e señal analógica.
10
23.2.3 Ondas sonoras Las ondas sonoras son señales analógicas, y se producen debido a la vibración de las moléculas del aire. Son variaciones de la presión del aire, que pueden tomar cualquier valor dentro de un cierto margen. Estas variaciones presión del aire (pascales), mediante una fórmula, se expresan en dBSPL de señales medida de los soondas sonoras analógicas nómetros ). Así, las (voz, música, ruido,(unidad etc.) son (fig. 23.7).
448
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Señal amplificada (V) Señal eléctrica (mV)
Ondas acúscas (variaciones de presión del aire)
Amplificador Micrófono
fi
Figura 23.7. Señales analógica s de a udio. El micrófono c onvierte las variaciones de presión del aire (ond as ac ústic as) en una débil señal eléctrica (mV); mediante el amplificador se consigue una señal eléctrica de audio de mayor magnitud (V).
Un circuito básico opera de (forma analógica es, por ejemplo, una etapaeléctrica ampli fig. 23.8). cadora basada en que un transistor Las débiles variaciones de señal en su entrada (de un micrófono, por ejemplo) aparecen en la salida con una magnitud mucho mayor; es una etapa ampli ficadora de señal analógica. El transistor opera en su zona lineal. VCC = 12 V
R1
RC
100 k
IC
5k1
C2
IR1
1 VPP Señal de entrada (VEnt) Figura 23.8. C irc uito analógico típic o; etapa a mplifica dora de
C1
IB
10 VPP
BC547 RE
510 Ω
R2
10 k
Señal de salida (VSal)
IE
IR2
0V
señales de a udio.
23.2.4 Señales bioe léctricas (cerebrales ) Otro ejemplo de señales analógicas, menos conocido, son las señales eléctricasque se pueden detectar en el cerebro, y que se pueden observar, analizar, mediante equipos electrónicos como el electroencelógrafo (fig. 23.9). En el cerebro se encuentra actvidad eléctrica; las neuronas se comunican entre sí de forma bioeléctrica. También se encuentra actvidad bioeléctrica en el corazón; y las señales analógicas se pueden observar, analizar, mediante el aparato llamado electrocardiógrafo. Las neuronas se comunican entre si de forma bioeléctrica En el cerebro se generan ciertas señales eléctricas analógicas.
Figura 23.9. En el c erebro se g eneran señales eléc tricas a nalógica s.
Señal pica de electroencefalograma
449
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.2.6 Señales digitales Las señales digitales son señales cuan tficadas, sólo varían a intervalos (escalones) determinados; entre un intervalo y el siguiente no pueden tomar valores intermedios. Cuando la señal digital sólo puede tomar dos estados diferentes, se denomina señal binaria; este es el tpo de señal digital, ó información, con que operan los sistemas digitales (fig. 23.10). Onda senoidal digitalizada
Señal digital binaria 1
Estado alto (1) 0
Figura 23.10.
Estado bajo (0)
Señales digitales.
El término digitalviene de dígito; eso quiere decir que los sistemas digitales operan con información numérica, datos, señales digitales. Y los datos digitales, fsicamente son señales eléctricas binarias; señales que sólo toman dos estados diferenciados, denominados 0 y 1, y también por estado bajoy estado altorespectvamente. Las señales binarias también se conocen por bits. El término bit signi fica dígito binario (BInary digiT), es la unidad mínima de información binaria. Una señal digital fsica, tal como se encuentra en la electrónica digital, tene dos niveles de tensión a los cuales se les asigna los estados 0 y 1. Los niveles de voltaje usuales son:
Nivel alto: 1 ⇒ 2 a 5 V Nivel bajo: 0 ⇒ 0 V a 0,8 V
Los valores práctcos que se suelen medir son; unos 3,5 V para el 1 y unos pocos mV para el 0 (fig. 23.11). Señal digital niveles TTL 1
Figura 23.11.
≈5V
0
Señal digital binaria, de niveles TTL.
≈0V
Una señal binaria de estas característcas, que es un estándar, se denomina de niveles TTL, debido a que es la que producen los circuitos integrados digitales de
tecnología TTL.
La razón por la cual los sistemas digitales operan con señales binarias es debido a razones tecnológicas, ya que los circuitos electrónicos resultan así más sencillos.
450
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital Obtener circuitos electrónicos que funcionen de forma binaria, es decir, que tomen sólo dos estados es relatvamente sencillo; haciendo trabajar los transistores en conmutación ya se consigue una electrónica binaria. El circuito básico que ilustra este funcionamiento es el pico circuito para encender un LED ( fig. 23.12). Los circuitos electrónicos digitales, normalmente integrados, están realizados de esta manera. + VCC = 5
330 Ω RB
V
RC
LED
10 k
BC 547 Figura 23.12. C ircuito elemental que ope ra de forma binaria (enc endido, apagado).
0V En la figura 23.13 se muestra un ejemplo de circuitos que operan de esta manera, es decir, binariamente. De hecho, para conseguir materializar circuitos binarios basta cualquier componente que fácilmente puede operar entre dos estados, por ejemplo: relés, diodos, tristores, transistores, válvulas neumátcas ó hidráulicas, etc. Por esta razón no sólo existen sistemas digitales electrónicos, sino que también los hay eléctricos, neumátcos e hidráulicos.
Actividades propuestas 1. Definir el concepto de señal analógica. Indicar tres ejemplos de señales analógicas. 2. Indicar las característcas de una señal digital binaria. ¿Cuál es el significado de bit? 3. Dibujar una señal digital binaria de niveles TTL y explicarla. 4. ¿Por qué los circuitos digitales operan en binario y no en decimal?
+ VCC t1
10 k
RA
4
3
t0
555
RB
5
6 2
C
0
8
7
10 k
+ VCC
1
100 nF
10 nF
451
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Figuratípicos 23.13. Ejemplo de circuitos que op eran de forma binaria.
23.3
Procesos Digit ales
El funcionamiento operatvo de los sistemas digitales también es diferente al de los sistemas analógicos (básicamente, circuitos de ampli ficación lineal). Al ser las señales de tpo numérico, las operaciones que hace el sistema digital con ellas son básicamente de tpo aritmétco y lógico; sumas, restas, comparaciones, operaciones lógicas, memorización, etc. Finalmente, el resultado de todo este tpo de operaciones puede actuar, a través de circuitos de acoplamiento adecuados, sobre disposi tvos de salida como: motores, electroválvulas, visualizadores numéricos, etc.
23.3.1 Conver tidores A/D y D/A Cuando se tenen que procesar señales analógicas mediante sistemas digitales se precisan de unos circuitos denominados convertdores A/D(fig. 23.14).
0101011
Converdor D/A Datos digitales
Señales analógicas
0101011
Converdor A/D Figura 23.14. C onvertidores entre señales digitales y ana lógicas.
Señales analógicas
Datos digitales
Con el convertdor analógico-digital , que se representa por ADC (Analog Digital Converter) o también por A/D, se ob tene una información digital correspondiente a una señal analógica de entrada. Este tpo de circuito es necesario para la conversión de señales, por ejemplo, un micrófono o guitarra eléctrica para ser tratadas digitalmente en un ordenador (fig. 23.15).
452
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Señales analógicas
Converdor A/D
Figura 23.15. Ejemplo de aplicación del c onvertidor analógico-digital (A/D).
Datos digitales
Procesador digital
Y, como es obvio, el convertdor ADC se encuentra también en los aparatos de telefónica, para la conversión de las señales del micrófono. El convertdor digital-analógico, DAC ( Digital Analogue Converter), produce una señal analógica correspondiente a datos digitales. Por ejemplo, es el sistema electrónico que permite que las señales digitales de un equipo de CD o en un ordenador den lugar a las señales de sonido que producen los altavoces (fig. 23.16).
Datos digitales
Figura 23.16. Ejemplo de aplicación del c onvertidor analógico-digital (D/A).
Converdor D/A
Aplificador Señales analógicas
Así, ejemplos muy representatvos de la aplicación de los conver tdores A/D y D/A son: equipos de sonido, ordenadores, equipos de telecomunicaciones, telefonía.
23.3.2 Procesador digital de temperatura En la figura 23.17 se muestra un ejemplo de sistema digital, que procesa una temperatura. Se parte de un sensor de temperatura (termopar) que genera una débil señal eléctrica (μV) proporcional a la temperatura; es una señal analógica. Dentro de un determinado margen, la señal puede tomar infinitos valores en función de la temperatura. La señal que entrega directamente el termopar es de muy baja magnitud (μV), por lo cual se precisa un ampli ficador lineal de alta ganancia y estabilidad; un amplificador de instrumentación. La señal, debidamente ampli ficada y acondicionada, es convertda a formato digital mediante un conver tdor A/D para que el procesador digital la pueda procesar (memorizar, hacer operaciones aritmé tcas, hacer medias, etc.).
453
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Representación digital
Representación analógica
Sensor de temperatura Amplificador lineal
Señal analógica
Termopar
Converdor A/D
Señales digitales (bits)
Figura 23.17. Sistema de proceso digital de temperatura. Se necesitan c onvertidores A/ D y D/ A.
Procesador digital
Señales digitales
Converdor D/A
Señal analógica
Los resultados del procesador digital se pueden representar mediante visualizadores numéricos (display) y, también, mediante un conver tdor D/A de forma analógica. La actuación del procesador digital puede proporcionarnos, por ejemplo: la memorización de temperaturas, cálculos de los valores medios, actvación de algún dispositvo de salida (relé, LED, …) al llegar a ciertas temperaturas, etc.
23.3.3 Equipos de sonido con proceso digital Otro caso puede ser el de un equipo de sonido con proceso digital. Las señales eléctricas procedentes del micrófono, debidamente amplificadas, son convertdas a datos digitales mediante el convertdor A/D. Finalmente, los resultados del proceso digital son convertdos nuevamente a señales analógicas mediante el convertdor D/A, que el amplificador de potencia y altavoz se encargan de transformar en sonidos. Las prestaciones que nos puede reportar el procesador digital en el equipo de sonido son innumerables; efectos sonoros, recorte de partes de sonido, modi ficación del tono y amplitud, reducción de ruidos, ecualización, etc. Procesando señales digitales en vez de señales analógicas se pueden minimizar los errores y se obtenen unas posibilidades de control que no permiten los sistemas analógicos. De hecho, las técnicas digitales se están aplicando tanto en los equipos de grabación profesionales como en los de consumo.
23.4
Sistemas cableados y sistemas programables
23.4.1 Sistemas cableados Los sistemas denominados cableados, se caracterizan porque las funciones a realizar quedan exclusivamente determinadas por el diseño de electrónico; modificar las funciones supone modificar también el diseño de la circuitería electrónica. 23.4.2 Sistemas programables En los sistemas programables, se dispone de una estructura electrónica programable, cuyas funciones a realizar dependen por tanto de un cierto programa; modificar las funciones no supone por tanto modificar el diseño de la circuitería electrónica. En la figura 23.18 se representa la estructura (partes básicas) de un sistema digital programable, que puede ser hasta la de un ordenador.
454
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital Un programa consiste en un determinado conjunto de instrucciones. Y una instrucción es una determinada combinación binaria (paquetes de bits), es lo que se conoce por lenguaje máquina.
Clock Generador de impulsos
Interface (E/S)
CPU
Periféricos (Disposivos externos)
Instrucciones (código máquina)
Figura 23.18. Estructura general
Memoria de
fi
(simpli c ad a) de un sistema digital programable; se basa en un dispositivo programable (CPU), que realiza las operaciones que le indique un programa.
Programa (grupos de bits)
Se disponen, en forma integrada, de potentes sistemas digitales programables denominados microprocesadores (μP). Y en base al μP se disponen los autómatas programables, muy utlizados en la industria. Mediante estos compactos y potentes sistemas las funciones de control lógico a realizar son programadas en vez cableadas, lo cual permite simpli ficar y sistematzar enormemente los proyectos de automatzación industrial. Actualmente, casi todas las aplicaciones electrónicas suelen tener dispositvos integrados programables; los microcontroladores PIC.
Actividades propuestas 1. Explicar la función realizada por los convertdores A/D y D/A. Indicar dos aplicaciones relacionadas con el sonido donde resultan imprescindibles.
2. Explicar el funcionamiento básico del procesador de temperatura representado en la figura 23.17. 3. Explicar en qué se diferencian básicamente los denominados sistemas cableados y sistemas programables. 4. ¿Qué es una CPU y en qué tpo de aplicación resulta fundamental, imprescindible? 5. Explicar el concepto de programa, instrucción y código máquina.
23.5
El sistema binario
El sistema binario es un sistema numérico lo mismo que lo es nuestro conocido sistema decimal. En el sistema binario sólo se u tlizan dos símbolos para representar cualquier cantdad, de ahí su denominación de binario, también conocido por sistema de base 2. Dichos símbolos son los dígitos 0 y 1. Es muy usual que el cero se represente de forma barrada, especialmente en el mundo informátco, para diferenciarlo de la letra o. En el sistema numérico decimal se utlizan los familiares 10 símbolos (0, 1, 2, 3,..., 9) para referirse a las cantdades, por lo cual se denomina decimal (y también de base 10). Las señales binarias son bits, dígitos binarios, que es la unidad mínima de información binaria.
23.5.1
Expresiones de información digital
A los grupos de 8 bits se les denomina bytes, lo cual es un término muy usual; las capacidades de las memorias RAM, de los discos duros, etc. se expresan en unidades bytes. Se puede decir, que el byte es el paquete de información binaria estándar básico.
455
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
BIT = Dígito binario BYTE = Grupo de 8 bits
Ejemplo 1. Un archivo de 1 minuto de música MP3 ocupa aproximadamente 1 Mbyte; aproximadamente es 1 millón de bytes. Se expresa por 1 MB, y su valor exacto es:
2. Otra unidad que ya es muy normal es el GB: En la práctca, el GB se ve como 1000 MB. Un disco duro de 500 GB, signi fica pues que pueden guardar 500.000 MB.
Resumen de unidades y expresiones de información digital • BIT = unidad mínima de información digital (variable binaria, puede tomar los estados 0 y 1) • BYTE = grupo de 8 bits • Palabra (Word) = paquetes de bits que se procesan (pueden ser 16 bits, 32, 64, etc. Por ejemplo, hay versiones de Windows que operan con palabras de 32 y 64 bits.
Normalmente se opera con la unidad base byte (grupo de 8 bits) como unidad básica de datos, por ello son expresiones normales:
A efectos de redondeo, en la práctca se toma el 1024 como 1000; por lo cual se ve 1 GB como 1000 MB, 1 TB como 1000 GB, etc.
23.5.2 Representación de cantidades en binario Como es obvio, para representar las cantdades en binario se precisan un mayor número de dígitos que en el sistema decimal, ya que sólo se disponen de dos dígitos diferentes. Con los dígitos base 0 y 1 sólo se pueden representar dos cantdades; otras cantdades se representan utlizando, combinadamente, más dígitos. Las cantdades cero al quince en decimal y en binario se representan en la siguiente tabla:
Decimal
0 1 10
3 4 5
11 100 101
Decimal
456
Binario
0 1 2
Binario
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
Según puede observarse, las dos primeras can tdades se representan igual en los dos sistemas, por 0 y 1. Para representar la cantdad dos hacen falta ya dos dígitos, que se lee “uno cero” (10), pudiéndose también representar la cantdad tres (11, se lee “uno uno”). Con 4 variables binarias, bits, se pueden codi ficar las cantdades cero al 15; la cantdad 16 requiere ya 5 bits (10000). A cada can tdad decimal le corresponde una determinada combinación binaria. El número de combinaciones que se pueden hacer con n bits es 2n; por tanto, el número de cantdades que se pueden representar con n bits será N = 2n. Así, con 1 bit se pueden representar sólo dos can tdades, ya que sólo son posibles dos combinaciones (21 = 2), con 2 bits se podrán obtener 4 can tdades (22 = 4), con 3 bits 8 cantdades (23 = 8), etc. Cada vez que se añade un bit, se dobla la cantdad de combinaciones que se pueden hacer, como se muestra en la tabla siguiente:
1bit
2bits
3bits
4bits
O sea, que: Número de combinaciones que se puede hacer con n bits = 2n
457
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.5.3 Valor posicional de los dígitos Cada dígito tene un peso, valor posicional, según la posición que ocupa. Por ejemplo, en la cantdad 1980, el dígito 1 tene más peso que el dígito 0 porque por cada unidad que varíe éste la cantdad se ve afectada en 1000; en cambio, las variaciones del dígito 0 sólo afectan a la can tdad en una unidad. En general, los dígitos tenen más peso cuanto más están hacia la izquierda. Así, en la cantdad anterior, 1980, el digito 1 es el de más peso (porque es el que está más a la izquierda) y digito 0 es el de menos peso (porque es el que está más a la derecha). El dígito de más peso se puede expresar por MSB (most significant bit), y el de menos peso con LSB (least significant bit).
23.5.4 Sistema decimal En el sistema decimal, los pesos asociados a los dígitos, son: 10n … 104
103
102
101
100
⇐ Valor posicional de los dígitos
an … a4
a3
a2
a1
a0
⇐ Dígito decimal
Y como: 100 = 1, 101 = 10, 102 = 100, 103 = 1000, ... se puede poner: …10000 … a4
1000
100
a3
a2
10 a1
1 a0
⇐ Valor posicional ⇐ Dígitos
Como se deduce, el valor posicional aumenta de derecha a izquierda en potencias de 10; el valor de cada posición es siempre 10 veces mayor que el que está a su derecha. La representación de toda cantdad se basa en tomar ciertas veces los correspondientes valores posicionales. Podríamos pensar en que cada valor posicional representa a un cierto grupo de cosas (cantdad), y cualquier cantdad entonces se puede obtener tomando grupos de estos. Por ejemplo, la expresión 132 signi fica que se toma un grupo de 100 (1 × 100), tres grupos de diez cosas (3 × 10) y dos unidades (2 × 1), lo cual matemátcamente se puede representar: 100
10
100
1
3
2
=( 1× 1 0 0 )+( 3×1 0 )+ ( 2× 1 )=1 3 2
Y representando los valores posicionales de forma exponencial:
Cualquier cantdad entera N representada por un grupo de dígitos an an-1 an-2 ... a1 a0 se puede expresar por medio de una serie de sumas, forma polinómica:
Siendo: N = cantdad decimal b = base del sistema numérico a = dígitos del sistema; an es el dígito de mayor peso y a0 es el de menor peso
Ejemplo En la cantdad 1992, tenemos: N = 1992 b = 10 a0 = 2 a1 = 9 a2 = 9 a3 = 1
458
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Ejemplo En este caso, an = a3 = 1 (digito de más peso) y a0 = 2 (dígito de menos peso). Haciendo la serie de sumas correspondiente (forma polinómica), se ob tene:
23.5.5 Sistema binario En el sistema numérico binario (también conocido de base 2), se aplican los mismos conceptos que en el decimal (base 10). En este caso, al ser de base 2, el valor posicional de los dígitos en vez de ser potencias de 10 éstas son de 2: 2n … 2 4
23
22
21
20
⇐ Valor posicional de los dígitos
an … a4
a3
a2
a1
a0
⇐ Dígito binarios
Y como: 20 = 1, 21 = 2, 22 = 4, 23 = 8, 24 = 16, 25 = 32, …2n. El valor posicional de los dígitos en el sistema binario es: … 256 … a8
128 a7
64 a6
32 a5
16 a4
8
4 a3
2 a2
1 a1
⇐ Valor posicional a0
⇐ Número binario
Como se observa, el valor posicional de cada dígito aumenta de derecha a izquierda y siempre es el doble del que está a su derecha (es como multplicar por 2).
Ejemplo La expresión binaria 1101 significa que se toma una cantdad de 8, otra de 4, ninguna de 2 y una unidad; o sea, expresa la cantdad decimal 12. 8 4 2 1 (pesos de los dígitos) 1 1 0 1 ⇒ cantdad = 8 + 4 + 0 + 1 = 12
Y en base a este concepto se puede pasar muy fácilmente de cantdades expresadas en binario al sistema decimal; basta sumar los valores posicionales de los dígitos binarios que estén a 1.
23.5.6 Conversión binario-decimal El trabajo con aparatos que incorporen técnicas digitales puede requerir a veces tener que hacer conversiones entre números binarios a decimales y viceversa. La conversión binario-decimal resulta especialmente sencilla, teniendo en cuenta los pesos de los dígitos; basta con sumar todos los pesos asociados a los bits que estén a "1" (uno lógico).
Ejemplo 1. Conversión a decimal del número binario 10100: Aplicando el polinomio general, sumando los pesos de los bits a 1: Los bits a 0 se pueden omitr en el desarrollo, y así se simplifica: Y se deduce así otra forma aun más simple; consiste en escribir los pesos correspondientes a los bits y situar los estados del bit debajo; el resultado será la suma de los pesos de los bits a 1:
459
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Ejemplo 16
8
4
2
1
⇐ Pesos
1
0
1
0
0
=1 6+4 =2 0
2. Conversión a decimal de 10101111: 128
64
32
16
8
4
2
12 8
+ 0
1
⇐ Pesos
= Número binario
10101111 + 32
+ 0
+ 8
+ 4
+ 2
+ 1
= 175 ⇐ Valor decimal
23.5.7 Conversión decimal-binario Lo mismo que muchas veces en la práctca se requiere tener que pasar a decimal números binarios, también ocurre el caso inverso; tener que pasar a binario números decimales. El método sistemátco para hacer esto es mediante divisiones: consiste en dividir el número decimal N por 2, y el cociente que dé volver a dividirlo por 2, y así hasta llegar a un cociente menor que 2; el número binario será el conjunto de los restos de las divisiones y el úl tmo cociente, tomados en orden inverso al de aparición.
Ejemplo 1. Conversión a binario del número decimal 37:
Si pasamos a decimal el número binario obtenido, 100101, podremos comprobar el resultado: 32
16
8
4
2
1
32
+ 0
⇐ Pesos
= Número binario
100101 + 0
+ 4
+ 0
+ 1
= 37 ⇐ Valor decimal
Otra forma de hacer la conversión decimal-binario, que no precisa hacer las divisiones, es un método práctco, por deducción ("a ojo"): Consiste en ir poniendo bits a "0" ó "1" debajo de los pesos, de manera que la suma de los pesos nos dé el número decimal que nos interese.
2. La conversión del número decimal 25 a binario se haría así: 16
8
4
2
1
⇐ Pesos binarios
11001 16
+ 8
⇐ Se ponen de manera que el valor decimal = 25 + 0
+ 0
+ 1
=2 5
Aunque hay que saber que actualmente la mayoría de calculadoras pueden realizar operaciones de conversión entre binario y decimal, y también entre otros sistemas numéricos; o sea, es la forma más fácil y práctca, aunque se tenen que saber los principios de estas operaciones.
460
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Actividades propuestas 1. Definir los conceptos de bit, byte y word. 2. ¿Cuál es el número de máximo de combinaciones binarias que se pueden hacer con 4 bits, 8 bits y 10 bits? 3. Pasar a binario los números decimales: 9, 37 y 129. 4. Indicar los valores correspondientes a: 1k= 1 Mega = 1 Giga = 1 Tera =
5. En un disco duro de 1 TB, ¿cuántos MB se pueden guardar? 6. Un archivo de video en formato MPG2 de 4,2 GB. ¿Cuántos MB de disco duro ocupará?
23.6
C odificación-decodificación
Un código binario es cualquier sistema de representación de información mediante variables binarias. El sistema binario explicado se denomina binario natural, y se puede considerar el código más simple; se basa en representar binariamente la información numérica decimal.
23.6.1 Código binario BCD En muchas aplicaciones se hace necesario mostrar los datos binarios en formato decimal. Un ejemplo de ello son las calculadoras y relojes digitales. En este tpo de aplicaciones resultan especialmente interesantes códigos que representen la información de cada uno de los dígitos decimales por separado; son ficado en binario( Binary los denominados códigos BCD, que significa decimal codi Coded Decimal). Entre los diferentes códigos BCD que existen, el de mayor interés práctco es el denominado BCD natural , que se basa en representar cada uno de los dígitos decimales con su correspondiente binario natural. O sea, a cada digito decimal le corresponde un grupo de 4 bits. En los sistemas que operen con este código se requiere por tanto que los datos de entrada decimales sean convertdos internamente a BCD: es la codificación. Por otra parte, para sacar los datos al exterior, se requiere una conversión inversa; pasar de BCD a decimal; es la decodificación. Para lograr esto, se u tlizan circuitos integrados codificadores y decodi ficadoresque, junto con las unidades de visualización (display), permiten al usuario operar en el sistema decimal, aunque el aparato lo haga internamente en binario. Como se ha indicado, el código BCD se basa en codi ficar cada digito decimal en binario. Un número decimal de varios dígitos se representa por tanto mediante la codificación individual de cada uno de sus dígitos. Puesto que en el sistema decimal existen diez símbolos diferentes, dígitos del 0 al 9, hacen falta 4 variables binarias (bits) para poder codificar todas las cifras. Y como que con 4 bits se pueden hacer 24 = 16 combinaciones, aparecen 6 combinaciones que no son u tlizadas (las correspondientes a los números 10 al 15). La tabla de los códigos BCD correspondientes a los números 1 al 15 se muestra en la figura 23.19.
461
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital El código BCD es un código ponderado; a cada bit le corresponde un valor, un peso, de acuerdo con la posición que ocupa, igual que en binario natural. La representación de los números 0 al 9 coincide con el binario natural. Pero a partr del número decimal 10 ya se precisan dos grupos de 4 bits; hace falta un grupo de 4 bits por digito decimal.
Ejemplo 1. La codificación del número 15 en código BCD se realiza agrupando un grupo de cuatro bits para cada dígito:
Decimal Código BCD
Figura 23.19. Tab la de los números BC D del 0 al 15.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 00010000 00010001 00010010 00010011 00010100 00010101
Así pues, para codificar un número decimal de N dígitos se requieren N grupos de 4 bits.
2. La conversión a BCD del número decimal 1983 es:
23.6.2 C odificadores y decodi ficadores Los números decimales se convierten a binario BCD mediante circuitos codi ficadores. Existen circuitos integrados que realizan dicha función ( fig. 23.20). Tienen 10 entradas (0 al 9) y 4 salidas para el código binario BCD. La entrada actvada hace que salga el código binario correspondiente. Ejemplo, si se actva la entrada 9 el código binario de salida es 1001 (9 en binario), como se muestra en la figura 23.20.
462
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
CODIFICADOR (Decimal-BCD) 0 1 2
Entradas (decimal)
3
+5V
C ircuito c odi ficador.
1
2
0
4
0
8
1
Salidas (binario)
9
Entrada 9 acvada
Figura 23.20.
1
9 en binario
Y mediante los circuitos decodificadores y unidades de visualización (display) se puede hacer la representación en decimal de los códigos binarios BCD (figura 23.21). Estos circuitos integrados se llaman decodificadores BCD- 7 segmentos. Convierten el código binario BCD de entrada al código de 7 segmentos, para encender los displays de 7 segmentos. Ejemplo, si la entrada BCD es 1000, el dígito que aparecería en el display sería el 8. Un CI decodi ficador muy utlizado es el 4511, de tecnología CMOS. DECODIFICADOR (BCD-7seg)
Display 7 seg.
1
Binario (BCD) Figura 23.21.
2 4 8
Decodi fica dor. Pasa de binario BCD al có digo d e 7 segmentos.
23.6.3 El sistema hexadecimal Este sistema numérico utliza 16 símbolos para expresar las can tdades, de ahí su denominación de base 16. Es necesario conocerlo porque aparece mucho para representar datos binarios; así es, por ejemplo, en la programación de microcontroladores; los archivos en código máquina (binario) se representan en hexadecimal (en binario sería demasiado complicado). O sea, aunque el hexadecimal es un sistema numérico se utliza mucho en informátca para representar datos binarios de una forma resumida; ya que cada uno de los 16 caracteres hexadecimales equivalen a un grupo de 4 bits. Los 16 símbolos que emplea son: los dígitos decimales 0 al 9 y las letras A a la F. Así pues, las cantdades se expresan de la forma: FF, A1, 3C, 9F,… En la tabla de la figura 23.22 se muestra la correspondencia entre decimal, binario y hexadecimal. Una característca importante que tene este sistema es que con 4 bits se pueden codificar los 16 símbolos. La información binaria puede representarse entonces de una forma más resumida. Por ejemplo, un dato de 16 bits (2 bytes) pueden representarse mediante 4 símbolos. Esta la principal razón por la cual el sistema hexadecimal se emplea mucho en electrónica digital y en informátca; se puede ver como una representación abreviada del binario.
463
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Decimal
Figura 23.22. Tab la de la equivalencia entre decimal, binario y hexadecimal.
Binario
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011
12 13 14 15
1100 1101 1110 1111
Hexadecimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F
Conversión de binario a hexadecimal Se hacen agrupaciones de 4 bits, y a cada agrupación se le asigna el símbolo hexadecimal correspondiente.
Ejemplo La combinación binaria 11110001en hexadecimal es:
Conversión de binario a hexadecimal A cada símbolo hexadecimal se le asigna su correspondiente combinación binaria.
Ejemplo 1. El número hexadecimal A9 en binario es:
2. El número hexadecimal FA en binario, es:
23.6.4 Código alfanumérico Los códigos alfanuméricos en general son los que permiten la codi ficación también de letras y signos especiales. Las letras y diferentes signos que aparecen, por ejemplo, en la pantalla de un ordenador también internamente se operan en binario. Esto indica que existe también una codi ficación binaria de la información alfanumérica. Así, a símbolos como A, 3, B, =, *, +, /, &,… también les corresponden ciertas combinaciones binarias. A todo este tpo de simbología codi ficada se le denomina carácter.
464
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital El código alfanumérico más popular es el conocido por ASCII( American Standard Code for Informaton Interchange). Es un código de 7 bits, aunque se u tliza un bit más para funciones de control. A modo de ejemplo, en la tabla de la figura 23.23 se muestran los códigos correspondientes a algunos caracteres.
Carácter ASCII 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Figura 23.23.
Algunos carac teres en código ASCII.
Carácter ASCII
110000 110001 110010 110011 110100 110101 110110 110111 111000 111001
A B C D E % * + ( )
1000001 1000010 1000011 1000100 1000101 100101 101010 101011 101000 101001
El código ASCII es el usualmente u tlizado en los ordenadores. Así, cuando pulsamos la tecla A en el teclado le estamos enviando al procesador el código binario 1000001. Y cuando por la impresora aparece el signo * es porque el ordenador le ha enviado a la impresora el código 0101010.
Actividades propuestas 1. ¿Qué función aporta el código binario BCD? Indicar algunas aplicaciones donde se utliza. 2. Poner la tabla de los números decimales 0 al 15 con sus correspondientes códigos BCD. ¿Qué valores de la tabla no son utlizados?
3. Pasar a código binario BCD los números decimales: 59 = ? 87 = ?
2011 = ?
4. Pasar a decimal los números binarios BCD: 00010101 = ?
0001100110001000 = ?
10010011 = ?
5. Representar el número decimal 59 en binario natural y BCD natural. 6. ¿Qué función realizan los circuitos codificadores y decodificadores BCD? 7. ¿Cuál es la función básica que nos aporta el sistema hexadecimal? 8. Pasar al sistema hexadecimal los números binarios: 11110001 = ?
10011010 = ?
10101111 = ?
9. Pasar a binario los números hexadecimales: FF = ? A3 = ? 1FC = ?
10.¿Cuál es la función de un codificador ASCII en un ordenador? ¿Cuál es el código ASCII correspondiente a la letra A y al signo *?
23.7
Datos en formato paralelo
En los datos de tpo paralelo, se utliza una línea (cable) por bit del dato. Así, por ejemplo, dos sistemas que se comuniquen mediante datos de 8 bits (bytes) requieren 8 líneas para la comunicación, como se representa en la estructura de sistema digital programable de la figura 23.24. Los datos son de un byte, y circulan a través de un grupo de 8 líneas (bits). Cada bit requiere una línea. Al conjunto de todas las líneas de datos se llama bus de datos. En general, los buses son conjuntos, grupos de hilos, a través de los cuales se comunican las diferentes partes del sistema.
465
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Memoria RESET
- Programas - Datos
Interface (Circuitos adaptadores para los disposivos externos)
CPU (µP)
Disposivos de E/S
BUS DATOS 8 bits Datos en paralelo; un hilo por bit.
Circuito de clock Figura 23.24. Datos en p aralelo; una línea por bit.
Figura 23.25. Estructura de bloques básic os de un sistema digital programable (pued e ser un ordenador). Los buses son c onjuntos, grupos de hilos, a través de los cuales se comunican las diferentes partes del sistema.
En un sistema ordenador, además del bus de datos está el bus de direcciones y un bus de control. A través del bus de direcciones (que es direccional), el procesador tvos exenvía las direcciones de memoria y también sirve para seleccionar disposi ternos de entrada-salida (E/S). El bus de control es un conjunto reducido de líneas, unas direccionales y alguna bidireccional; a través de estas señales, por ejemplo, el procesador selecciona si la memoria la quiere leer o escribir datos en ella (es la señal R/W). También se encuentra otras señales, como el clock, reset, interrupciones, etc. Una estructura más detallada de los buses de un sistema así, un ordenador, se muestra en la figura 23.25. Se basa en un microprocesador de 32 bits; los datos de los diferentes componentes básicos del sistema (μP, memoria e interface) transitan a través de un grupo de 32 líneas ( bus de datos). Si se tratara de un microprocesador de 64 bits, se necesitarían 64 líneas para la comunicación.
Memoria - Programas - Datos RESET
BUS DIRECCIONES
Interface BUS CONTROL
CPU (µP)
BUS DATOS 32 bits
Circuito de clock
466
Datos en paralelo; un hilo por bit.
(Circuitos adaptadores para los disposivos externos)
Disposivos de E/S
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.8
Datos en formato serie
En los datos en formato serie, los bits del dato se trasmiten secuencialmente, un bit tras otro, a través de una sola línea, como se representa en la figura 23.26. Obviamente, existe un protocolo de transmisión-recepción de los datos; hay un bit indicador de inicio de dato (start), un bit indicador de fin del dato (stop), etc. Aunque los bits de datos circulan a través de una sola línea no signi fica que con un sólo cable es su ficiente; al menos hace falta otro cable de masa (0 V), y puede ser necesario alguna línea más de control. Un sistema muy conocido y u tlizado de transmisión serie es el RS232. En general, el sistema de comunicación serie simpli fica y facilita la vía de comunicación, especialmente a largas distancias. En formato serie es como se comunican los ordenadores entre sí o con algunos disposi tvos de entrada-salida (periféricos) como, por ejemplo, un router. Datos 1 1 0 0 1
Figura 23.26.
stop
start
Procesador
Impresora, ratón, teclado, mo dem, e tc.
Datos en serie: Todos los bits del dato circulan (uno tras otro) por la misma línea.
Datos en formato serie.
23.8.1 Puerto USB (Universal Serial Bus) Actualmente el puerto serie normalmente utlizado es el conocido por USB, que significa bus serie universal. Es una conexión a través de 4 hilos, cuyo formato de fi
conector mini USB.es el representado en la gura 23.27. Está el USB tpo A, el USB tpo B y el
Conectores USB Disposivo
Cable USB A
USB B USB mini
Figura 23.27. Puerto USB.
Las señales del conector son: Pin: 1 : VCC (+ 5 V) 2 : Data – 3 : Data + 4 : GND (0 V) O sea, tene una alimentación de 5 V más dos señales de datos. La corriente que
puede proporcionar la tensión de salida de 5 V es de unos 500 mA; mediante esta
467
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital alimentación es como se pueden cargar la batería de un MP3, un móvil, cámara de fotos, etc. A través del puerto USB es como se hace la comunicación en los pendrive (memoria flash), cámaras de fotos y de video, discos duros SATA (internos o externos), el ratón, etc. (figura 23.28).
Figura 23.28. Dispositivos típicos que se co munica n c on el ordenador a través del puerto serie USB.
La comunicación de datos en formato serie es, en general, la forma normalmente utlizada en las comunicaciones con los disposi tvos externos, y de especial importancia en las comunicaciones a larga distancia por medio de fibra óptca (FO), telefonía, Internet, etc. Y el formato paralelo es como normalmente se comunican los componentes en el sistema interno (memoria RAM, BIOS, procesador, etc.) del ordenador; a través del bus de datos, que puede ser hasta de 64 líneas.
23.9
Operaciones aritméticas básicas en binario
La operación aritmétca fundamental es la suma, puesto que a partr de ella se pueden realizar el resto de operaciones. Los procesadores digitales programables (mitca (ALU), croprocesadores) disponen de lo que se denomina Unidad lógico-aritmé que es la parte deltmicroprocesador encarga de en realizar todo lo que son operaciones aritmé cas y lógicas. Paraque ello se la ALU se basa una unidad sumadora, que permite también hacer restas u tlizando números binarios nega tvos. El resto de operaciones se hacen basándose en las sumas y restas. De esta manera, un mismo circuito, puede permitr la realización de diferentes tpos de operaciones, con lo cual se simplifica notablemente la circuitería electrónica.
23.9.1 Suma binaria La suma binaria se basa en: Suma binaria 0+0= 0+1= 1+0= 1+1=
0 1 1 0
y se lleva 1 (acarreo)
Como se puede observar, cuando se suma1 + 1aparece el concepto de acarreo(carry, en inglés). Que consiste en sumar un 1 a la siguiente columna de suma. Es equivalente a cuando en el sistema decimal se suma, por ejemplo, 9 + 1= 10; se lleva un 1 que se suma a la siguiente cifra.
23.9.2 Resta binaria La resta binaria natural se basa en la tabla siguiente:
468
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Resta binaria 0—0 0—1 1—0 1—1
= = = =
0 1 1 0
⇒ y se presta 1 ( borrow)
En el caso de 0 – 1, ocurre algo similar al acarreo en las sumas; se genera un 1 que se lleva a la resta de la siguiente columna. Este bit que se genera se conoce por borrow. La operación de resta, aunque puede hacerse con circuitos restadores especí ficos operando de la forma indicada, normalmente se realiza mediante circuitos sumatvos y negatvos dores operando con números con signo, sea, con las números (notación en complemento a dos). De estao manera, restas posi se puede realizar mediante circuitos sumadores; es cuestón de que uno de los operandos sea negatvo. Esto simplifica las unidades de cálculo, que forman parte del microprocesador (CPU) y se llaman ALU ( Arithmetc Logic Unit).
Actividades propuestas 1. Explicar el principio básico de comunicaciones de datos en formato paralelo. 2. Explicar el sistema básico de comunicaciones de datos en formato serie. Representar esquemá tcamente algún ejemplo.
3. Indicar el nombre de dos sistema de comunicación serie. 4. Indicar 3 dispositvos informátcos que se comunican en formato serie. 5. ¿Qué significan SATA, USB, Firewire? ¿Qué sistema de comunicación tulizan? 6. Internamente, en la placa base del ordenador ¿Cómo es la comunicación de datos entre la CPU y la memoria RAM, en formato paralelo o serie?
7. ¿Mediante qué formato se comunican al ordenador las máquinas de fotos, video, pendrive, discos duros portátles, en formato serie o paralelo?
8. Representar el patllaje de un conector USB con las señales que utliza. 9. ¿Qué significa ALU? ¿Qué función realiza? 10.Realizar las siguientes operaciones en binario: 1001 + 0110 = ?
10001110 + 01101010 = ?
0110 – 0010 = ?
10001111 – 00010010 = ?
23.10
Introducción a los circuitos digitales
23.10.1 Operaciones básicas El soporte matemátco de la electrónica digital es el álgebra de Boole; es un conjunto de reglas que trata con variables binarias y se basa en tres operaciones lógicas fundamentales: • Suma lógica • Producto lógico • Complementación 23.10.2 Variable binaria Es cualquier cosa que sólo puede tomar dos estados, que normalmente se expresan por 1 y 0. Un interruptor es, por ejemplo, una variable binaria, ya que sólo puede tomar dos estados. Se suelen expresar por una letra (A, B, C, etc.). 469
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.10.3 Función lógica Una función lógica es también una variable binaria, cuyo estado depende a su vez de otras variables binarias relacionadas por medio de operaciones lógicas. Por ejemplo, el estado de una lámpara ac tvada por tres interruptores en serie cons ttuye una función lógica; la lámpara puede estar encendida o apagada (variable binaria) en función del estado de los interruptores (variables binarias); en este caso, es una función lógica que se llama(AND Y ), que se puede expresar por: 23.10.4 Expresión lógica Es la representación de una función lógica de forma matemátca (álgebra de Boole); aparecen las variables binarias relacionadas mediante operaciones lógicas. Como por ejemplo:
23.10.5 Tabla de verdad Una tabla de verdad expresa, gráficamente, el estado lógico que toma una función para cada una de las combinaciones de las variables, como resultado de todas las operaciones lógicas que intervengan. A diferencia de las expresiones matemátcas clásicas, en el álgebra de Boole las expresiones representan circuitos fsicos. En la figura 23.29 se muestra un circuito de ejemplo en el cual aparecen estos conceptos. El estado de la lámpara, L, consttuye la variable binaria correspondiente a la función lógica, f, realizada por el circuito, cuya expresión lógica algebraica es: A su vez, la tabla de verdad indica el estado que toma la función (lámpara encendida o apagada) para todas las posibles combinaciones entre los tres interruptores (variables binarias). L = A (B + C )
B A C
L
470
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Variables de entrada
Variable de salida
C
B
A
f
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
10 Figura 23.29. C irc uito lógico realizad o c on contactos (interruptores), que realiza la función lógica que se representa e n la tabla de verdad.
23.11
1 0
1 0
1
01
1
1
10
0
1
11
1
Expresión lógica algebraica: L = A ( BC+
)
Puertas lógicas
Las puertas lógicas consttuyen los circuitos digitales fundamentales; realizan las funciones lógicas básicas. Y la realización de funciones más complejas se puede obtener por medio de la interconexión entre varias puertas lógicas; de hecho, los circuitos internos de los bloques lógicos complejos también están realizados en base a las puertas lógicas.
23.11.1 Operaciones lógicas fundamentales Se puede decir, que los sistemas digitales en general, con toda su complejidad y potencia operatva que puedan tener, internamente se fundamentan en sólo tres tpos de operaciones lógicas: • Suma lógica • Producto lógico • Complementación
23.11.2 Función lógica OR: Suma lógica La función OR realiza la operación suma lógica. Su expresión lógica (álgebra de Boole) es: El símbolo lógico (pico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas OR (7432) se muestra en la figura 23.30.
471
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Función OR Símbolo lógico
Tabla de verdad
Circuito integrado
7432
A
f = A+B
B
A
f
0
0
0
0
B
1 1
1 0 1
1 1 1
+VCC 1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
GND
Figura 23.30.
A y B son las binarias de entrada; sólo pueden tomar los estados 1 y 0. El resultado de la suma lógica vale 1 cuando las variables A o B valen 1, o bien las dos a la vez estén a 1. A diferencia de la suma binaria aritmétca, cuando A y B valen 1 el resultado es 1; en cambio en la suma aritmétca el resultado es 0 (y se produce un acarreo). La suma lógica y suma aritmétca no son por tanto lo mismo.
Función OR.
a AND: Producto lógico 23.11.3 Func ión lógic La función AND realiza la operación producto lógico. Su expresión lógica (álgebra de Boole) es: El símbolo lógico (pico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas AND se muestra en la figura 23.31. Como es fácil comprender, el resultado vale 1 sólo cuando las dos variables están a 1; basta que una de las variables sea 0 para que el resultado también sea 0. Un ejemplo de CI con puertas AND es el 7408.
Función AND Símbolo lógico
Tabla de verdad
Circuito integrado
7408
A B
f =AB
B
A
f
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
+ VCC 1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
GND
Figura 23.31. Función A ND.
472
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.11.4 Función lógica NOT: Complementación Esta operación se aplica sobre una sola variable y su expresión lógica es igual a la variable en cuestón con una rayita encima. La complementación también denomina inversióno negación. La salida siempre toma el estado contrario de la entrada; si la entrada es 0, la salida 1. El símbolo lógico (pico), la tabla de verdad y un circuito integrado con inversores (7404) se muestra en la figura 23.32.
Función NOT (Inversor) Símbolo lógico
Tabla de verdad
Circuito integrado
7404 +VCC
A f= A
A
f
0
1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
1
1
0
GND
Figura 23.32.
Una tabla resumen sobre las puertas lógicas fundamentales se muestra en la figura 23.33. Aparece la simbología de las puertas (en su forma pica y en la normalizada IEC), la expresión lógica y la tabla de verdad.
Función NOT. Inversor.
PuertaOR A
≥1
PuertaAND
f = A+B
A
PuertaNOT
&
f =AB
A
1
f= A
B
B Símbolo IEC A
Símbolo IEC
f = A+B
Símbolo IEC
A
f =AB
f= A
A
B
B B
A
f
B
A
f
0
0
0
0
0
0
A
f
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
1
1
1
1
Figura 23.33. Resumen de las tres funciones lógicas fundamentales. 473
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital Otras funciones, derivadas de las anteriores son: • Función NOR • Función NAND
23.11.5 Función NOR La función NOR es la función OR con negación; se obtene mediante la puerta OR con un inversor en la salida, por ello su expresión es: La salida sólo es 1 cuando las dos entradas están a 0; la actvación de cualquiera de las entradas hace que la salida sea 0. El símbolo lógico (pico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas NOR (7402) se muestra en la figura 23.34.
Función NOR Símbolo lógico
Tabla de verdad
Circuito integrado
7402
A
f = A+B
B
A
f
0
0
1
0
B
1 1
1 0 1
VCC 1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
0 0 0
GND
Figura 23.34. Función NOR.
23.11.6
Función NAND
La función es la AND se ob puerta ANDlógica con unNAND inversor enfunción la salida, porcon ello negación; su expresión es:tene mediante la Si las dos entradas están a 1 la salida es 0; y si alguna entrada este a 0, la salida es 1. Figura 23.35. Función NAND.
El símbolo lógico (pico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas NAND (7400) se muestra en la figura 23.35.
Función NAND Símbolo lógico
Tabla de verdad
Circuito integrado
7400
A B
f =AB
B
A
f
0
0
1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
+VCC 1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
GND
474
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.11.6 Función EXOR Esta función se conoce por OR exclusiva. La salida es 1 si el número de entradas a 1 es impar; por eso también se dice que la función EXOR es un detector de imparidad. En el caso de 2 entradas, la salida es 1 sólo cuando una de las entradas está a 1, como se muestra en su tabla de verdad. Si las dos entradas están actvadas (1), el estado de la salida es 0. El símbolo lógico (pico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas EXOR (7486) se muestra en la figura 23.36.
Función EXOR Símbolo lógico
Tabla de verdad
Circuito integrado
7486
A
f = A⊕B
B
B
A
f
0
0
0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
+ VCC 1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
GND
Figura 23.36. Función EXOR.
Actividades propuestas 1. Si a una puerta OR le conectamos a la salida una puerta NOT, ¿qué función se obtene? Dibujar el esquema, tabla de verdad y expresión lógica.
2. A una puerta del CI 7486 le conectamos a la salida una puerta del CI 7404. Dibujar el circuito lógico y deducir la tabla de verdad y la expresión lógica. ¿Qué función lógica se ob tene?
3. ¿Qué función lógica se obtene si a una puerta NAND (CI 7400) le unimos las dos entradas? 4. Utlizando el CI 7432, deducir una función lógica OR de 4 entradas. Poner la expresión lógica, la tabla de verdad y dibujar el circuito basado en el CI 7432. Una tabla resumen de estas últmas funciones lógicas se muestra en la figura 23.37; se muestra la simbología normalizada (IEC) y también la simbología pica, las expresiones lógicas y las tablas de verdad. Los símbolos de tpo cuadrado son los normalizados (IEC). Los otros símbolos son los más populares, aunque no son los normalizados. Es conveniente conocer los dos tpos de simbología lógica.
475
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Puerta NOR A
≥1
AND
Puerta N
f = A+B
A
Puerta EXOR
&
f =AB
B
B
Símbolo IEC
f = A+B
f = A⊕B
A
Símbolo IEC
f =AB
B
B
=1
B
Símbolo IEC A
A
A
f = A⊕B
B
B
A
f
B
A
f
B
A
f
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
1
0
Figura 23.37.
23.12
Simbología lógica
La simbología lógica clásica, la que normalmente se encuentra, se conoce por simbología estándar americana , y también por normas MIL ( Military standard graphics symbols for logic diagrams ). Esta simbología fue desarrollándose de una forma paralela a la evolución de los circuitos digitales, y es la que usualmente se encuentra en la documentación técnica. Pero dado el espectacular desarrollo de las técnicas digitales en los úl tmos años dicha simbología fue dejando de ser adecuada para la representación de las funciones cada vez más complejas que van apareciendo. Por esta razón, se desarrollo una nueva simbología lógica normalizada, adoptada por la Internatonal Electrotechnical Commission(IEC) y que se conoce por simbología IEC . Esta nueva simbología ya la están utlizando, desde hace años normalmente los fabricantes de circuitos integrados en sus databook, (aunque también siguen u tlizando la simbología estándar clásica).
23.13
Circ uitos integrados digit ales
Para la realización de las operaciones lógicas se puede u tlizar cualquier dispositvo que pueda operar en binario, o sea, que se le pueda hacer funcionar en dos estados bien diferenciados: interruptores, relés, transistores, tristores, válvulas hidráulicas, etc. Aunque, gracias a los avances en las técnicas electrónicas integradas, los operadores lógicos son normalmente disposi tvos electrónicos; de ahí la denominación de electrónica digital . Los dispositvos electrónicos que realizan las operaciones lógicas básicas se denominan puertas lógicas ; fsicamente son circuitos integrados digitales . Mediante los dispositvos lógicos básicos, puertas lógicas, se pueden realizar otros circuitos más complejos como pueden ser: Decodi ficadores, multplexores, contadores, etc. Y mediante estos otros circuitos lógicos se pueden realizar otros aún más complejos, como las unidades lógico-aritmé tcas (ALU). En la práctca, se dispone de diversos CI que realizan desde funciones básicas (puertas lógicas) hasta funciones complejas como son los microcontroladores y muchos otros CI digitales. Por ejemplo, las me-
476
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital morias RAM, convertdores A/D y D/A y los microprocesadores (CPU) son CI digitales de cierta complejidad. También disponemos de CI que realizan funciones no tan complejas que son muy u tlizados, como son los decodificadores de display, multplexores, comparadores, contadores, etc.
ec nología TTL 23.13.1 T Las primeras experiencias con los CI digitales es conveniente que se hagan con tecnología TTL, ya que requieren menos precauciones que los CMOS. Internamente, los circuitos TTL están realizados con transistores bipolares (BJT), por lo cual TTL es una tecnología bipolar. La serie 74LS (Low power Shoky), es de bajo consumo y alta velocidad; son los circuitos integrados TTL más utlizados. Un ejemplo es el 74LS00 (puertas NAND), que en la versión básica TTL sería 7400.
Alimentación Una característca muy representatva de TTL es que su alimentación es de 5 V. Es preciso, pues, una fuente de alimentación de 5 V, que puede conseguirse fácilmente mediante un CI regulador de tensión 7805.
Niveles de salida En el estado lógico 1 de salida, el fabricante garantza un mínimo de 2,4 V, siendo el valor pico unos 3,6 V. Este nivel se expresa porVOH. La corriente de salida máxima garantzada en este nivel (IOH) es de 0,4 mA, manteniéndose el valor de voltaje alrededor de los 3,5 V. Se pueden obtener corrientes mayores, pero entonces baja el voltaje de salida. La corriente de salida en el nivel alto se expresa por IOH. En el estado lógico de salida 0, el fabricante garantza un máximo de VOL = 0,4 V(en la práctca, es muy próxima a 0 V). La corriente máxima de salida garantzada para el nivel 0 de salida es 16 mA, y se expresa por IOL.
Consumo En cuanto a consumo, la potencia pica disipada por puerta TTL es unos 10 mW en la serie estándar (74). En la serie 74LS, la potencia se reduce a 2 mW.
23.13.2 Tecnología CMOS La tecnología CMOS se caracteriza por un muy bajo consumo y flexibilidad en la tensión de alimentación. A diferencia de la TTL, los circuitos internos están realizados con transistores de tpo de efecto de campo MOS, con un tpo de montaje (complementario) que le confiere la característca de muy bajo consumo. El voltaje de alimentación no es fijo como ocurre en TTL, sino que puede variar en un amplio margen (en la serie estándar CMOS 4000B). Normalmente, pueden alimentarse con una tensión entre 3 y 15 V. Pero no es así en todas las series CMOS; en la serie 74HC la alimentación sólo puede variar entre 2 y 6 V.
Tensiones y corrientes de entrada-salida En cuanto a las tensiones de salidade los niveles lógicos, la tensión de salida en el nivel alto (1) es casi igual a la tensión de alimentación (VOH = VDD); y en el nivel bajo de salida (0), la tensión es casi 0 V. Según datos del fabricante (Fairchild, serie CMOS F4000), a 25 °C de temperatura y sin carga ( IO = 0 mA) las tensiones de salida en los niveles alto y bajo son: VOH = 4,99V y VOL = 0,01 V
Y respecto a las corrientes de salida , se garantza una corriente de 0,4 mA tanto para el nivel alto como el nivel bajo de salida.
477
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Serie 74HC Los circuitos integrados de la serie 74HC pertenecen a una variante mejorada de CMOS, que se conoce por HCMOS(CMOS de alta velocidad); en estos CI hay que saber que la tensión de alimentación sólo puede ir de 2 a 6 V. Los CI más populares TTL y CMOS (serie 4000B) se encuentran también en esta serie, con el mismo patllaje. Por ejemplo, el TTL 7400 aparece como 74HC00y el CMOS 4511B aparece como 74HC4511. La potencia disipadapica por puerta es muy baja; unos 2,5 nW(en estátco), para una alimentación de 5 V y capacidad de carga de 15 pF. Permiten una corriente de salidade 4 mA en los circuitos estándar, con niveles correctos de tensión de salida. Los CI 74HC son circuitos comparables a la serie TTL 74LS, pero con un menor consumo. Para empezar a experimentar con la electrónica digital, se recomienda hacerlo con circuitos integrados de tecnología TTL. En la figura 23.38 se muestra el pa tllaje de los CI de puertas lógicas TTL más populares, que son los normalmente u tlizados para realizar las primeras práctcas de electrónica digital.
Circuitos integrados necesarios 74LS32, 74LS08, 74LS04, 74LS02, 74LS00, 74LS86
74LS00
74LS04
74LS02 + VCC
+VCC
VCC
1
14
1
14
1
14
2
13
2
13
2
13
3
12
12
3
12
4
11
4
11
5
10
6
9
7
8
5
10
6
9
7
8
GND
3 4
11
5
10
6
9
7
8
GND
GND
74LS08
74LS32 + VCC
74LS86 + VCC
+ VCC
1
14
1
14
1
14
2
13
2
13
2
13
3
12
3
12
3
12
4
11
4
11
4
11
5
10
5
10
5
10
6
9
6
9
6
9
7
8
7
8
7
8
GND
GND
GND
Figura 23.38. Patillaje de circuitos integrados con puertas lógicas, de tecnología TTL.
478
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Actividades prácticas Objetivo Experimentar las funciones lógicas básicas (OR, AND, NOT, NOR, NAND, EXOR) yfamiliarizarse con los circuitos integrados digitales .
Se u tlizaran para ello circuitos integrados digitales de tecnología TTL, por ser la tecnología más conveniente para iniciarse en la práctca digital y, demás, ser una de las más extendidas comercialmente. Un ejemplo de montaje prác tco, que debe servir de referencia para los demás, es el mostrado en la figura 2.39. Además de la experimentación de la función lógica, se deben medir las tensiones de salida en el estado alto (V ) y en el estado OH bajo (VOL). Aunque no es conveniente conectar directamente un LED a la salida de la puerta, debido a que se puede sobre cargar la salida en el nivel alto ( VOH), para fines didáctcos de experimentación se puede hacer. En base a lo anterior, realizar y experimentar:
1. Las
funciones lógicas básicas de dos entradas (OR, AND, NOT, NOR, NAND,
EXOR).
2. Deducir y montar los siguientes circuitos: a) Una función OR de 4 entradas, utlizando sólo puertas OR. b) Una función NAND de 3 entradas, utlizando sólo puertas NAND. c) Una función EXOR de 5 entradas, utlizando sólo puertas EXOR.
+5V
4k7
4k7
7432 Abierto ⇒ 1 Cerrado ⇒ 0
0 1
A
VO
B 470
Medidas de VO
1
14
2
13
3
12
4
11
5
10
6
9
7
8
LED
V +
f = A+B
Figura 23.39. Montaje para la experimentación de la puerta OR (CI 74LS32).
479
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital En base a este circuito, se realizará la experimentación de las demás puertas lógicas básicas (prestar atención al pa tllaje del CI utlizado). Hallar práctcamente la tabla de verdad de cada puerta, y medir la tensión de los niveles lógicos de salida 0 y 1.
Medidas de tensión de los niveles lógicos VOH = ?
VOL = ?
(LEDencendido)
(LEDapagado)
Tabla de verdad
23.14
A
B
0
0
0
1
1
0
1
1
f
Princ ipiosdel álgebra de Boole
23.14.1 Postulados fundamentales Las siguientes sencillas operaciones consttuyen los principios fundamentales del álgebra de Boole y son la base de la simplificación de las funciones, como se verá más adelante; se deben de saber con claridad.
23.14.2 Principio de dualidad Dada una cierta expresión lógica, cambiando el tpo de operación lógica (suma por producto o viceversa) y complementando los 0 o 1 que aparezcan, aparece otra expresión lógica correcta; es el principio de dualidad. En base a esto, se pueden deducir relaciones lógicas partendo de otras.
Ejemplo Dados unos postulados se deducen otros:
480
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.14.3 Propiedad conmutativa Esta propiedad, como su nombre indica, permite conmutar los términos y las variables:
23.14.4 Propiedad asociativa Esta propiedad, permite asociar variables. Tiene aplicación, por ejemplo, para deducir circuitos basados en puertas de dos entradas:
23.14.5
Propiedad distributiva
En el primer caso su demostración es obvia. Y en el segundo caso, aplicando postulados se demuestra fácilmente:
Las propiedades distributvas pueden dar lugar a simpli ficaciones.
Ejemplo
23.14.6 Ley de absorción Se basa en las expresiones:
Cuya demostración algebraica es: Generalizando esta ley, una expresión compuesta por la suma de varios términos productos queda simplificada al término más simple (si el estado de sus variables se encuentra en los demás términos).
Ejemplo
Puesto que el término más simple es C B y éste se encuentra contenido en los demás términos, tenemos: Esto se puede demostrar sacando factor común C B:
481
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
23.14.7 Teorema de Shannon Sirve para hallar el complemento de una función; se complementan las variables y se cambia el tpo de operación (suma por producto o viceversa).
Ejemplo
Su demostración por tablas de verdad es:
B
A
0 0 1 1
0 1 0 1
0 1 1 1
1 0 0 0
1 0 0 0
23.14.8 Teoremas de De Morgan Permiten transformar funciones producto en funciones suma y viceversa, cuya principal aplicación práctca es realizar circuitos u tlizando un sólo tpo de puerta. Es uno de los principios más importantes del álgebra de Boole, y de u tlización práctca. Se basa en las siguientes expresiones:
En la primera expresión, se deduce que una función suma lógica se puede realizar mediante una función producto; cambiando eltpo de operación, negando las variables y negando toda la expresión. La otra expresión indica que una operación producto se puede realizar mediante una suma lógica, aplicando los mismos principios. La demostración por tablas de verdad es muy sencilla:
B
A
0 0 1 1
0 1 0 1
1 0 0 0
1 0 0 0
1 1 1 0
Ejemplo
Su aplicación también puede dar lugar a simpli ficaciones:
Ejemplo
Aplicando el teorema a las tres primeras variables:
482
1 1 1 0
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Actividades prácticas Experimentación del teorema de De Morgan Mediante los circuitos de la figura 23.40, experimentar los teoremas de De Morgan. Realizar las tablas de verdad de cada función y razonarlas.
+5V
4k7
A + B = A⋅B
74LS02
4k7 2
1
f = A+B
470
3
A
B
5
4
6
1
74LS08 3
2
8
10
470
9
f = A⋅B
+5V A⋅B = A + B
4k7
4k7 1
3
f = A⋅B
470
2
A
B
4
4
74LS32
5
1
3
2
13
11
470
f = A+B
12
74LS00
Figura 23.40. C irc uitos prác tic os para la experimentación d e los teoremas de De Mor g an . Obtener la tabla de verdad de c ad a expresión lógica , y razonar las equivalenc ias.
483
Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital
Actividadesfinales 1. Dibujar el símbolo lógico pico y normalizado (IEC) de las puertas lógicas: OR, AND, EXOR, NOT y NAND Poner también las tablas de verdad y expresión lógica .
2. ¿Qué circuitos integrados de tecnología TTL son de puertas OR, AND y EXOR? 3. En una puerta lógica de tecnología TTL, de qué valores de tensión son (aproximadamente) los niveles lógicos 0 y 1 de salida? ¿Y los valores máximos de corriente de salida en el 0 y el 1? ¿Qué signi fica: VOL, VOH, IOH e IOL?
4. ¿Qué dos diferencias fundamentales hay entre la tecnología TTL y CMOS? 5. En un puerta de tecnología CMOS, ¿de qué valores de tensión son, aproximadamente, los niveles lógicos 0 y 1 de salida? ¿Es igual que en TTL?
6. El CI 74LS86, ¿qué funciones realiza?, ¿de qué tecnología es? 7. El CI 74HC00 es equivalente funcionalmente al 74LS00, ¿cuál es su diferencia? 8. Dibujar el esquema de una puerta del 74LS08 con una puerta del 74LS04 en la salida. ¿Qué función realiza el circuito obtenido? Poner la expresión lógica y tabla de verdad.
9. Demostrar la siguiente propiedad del álgebra de Boole por medio de tablas de verdad y de forma algebraica. A + (B C) = (A + B) (A + C)
10. Por deducción, o mediante reglas de álgebra de Boole, obtener las funciones lógicas básicas OR, AND, NOT utlizando únicamente puertas del 74LS00. En la Web del autor se dispone de amplio material complementario sobre electrónica digital, que permite ampliar notablemente el contenido de esta materia. Se puede descargar en las direcciones de Internet: hp://www.etpc-hermosa.tk h p://llibreriaha.com/blogs/antonio-hermosa/ hp://www.hermosa-electronica.blogspot.com/
484