ELECTRONICA I 1.-NOMBRE DE LA MATERIA: 2.-CODIGO DE LA MATERIA: 3.-DEPARTAMENTO: 4.-CODIGO DEL DEPTO. 5.-CENTRO UNIVERSITARIO:
ELECTRÓNICA I 1N121 INGENIERIAS 2B5004 DE LA COSTA SUR
CARGA HORARIA 6.TEORIA: 7.PRACTICA 8.TOTAL: 9.CREDITOS: 10.- TIPO DE CURSO 11.- NIVEL DE FORMACIÓN 12.- PRERREQUISITOS:
40 HORAS 40 HORAS 80 HORAS 8 CREDITOS CURSO-TALLER LICENCIATURA FISICA III (IN109)
13.- OBJETIVO GENERAL: Conocer los conceptos básicos de la electrónica analógica, los dispositivos que mas frecuentemente son utilizados en el diseño de circuitos electrónicos así como la lectura de los diagramas de circuitos, además del diseño de proyectos prototipo.
14.-OBJETIVOS ESPECÍFICOS: A) B) C) D)
Conocimiento de los principios básicos de la electrónica Conocer los dispositivos y elementos que se utilizan utilizan en los circuitos electrónicos Calcular y resolver problemas de diseño de circuitos electrónicos Diseñar circuitos electrónicos a partir de diagramas.
15.-CONTENIDO TEMÁTICO UNIDAD I PRINCIPIOS FUNDAMENTALES 1.1.-Introducción. 1.2.-Principios 1.2.-Principios de electrónica. electrónica. 1.3.-Simbolos Electrónicos Generales. 1.4.-Diagramas electrónicos Generales. 1.5.-Resistencias, Valores y Códigos.
UNIDAD II SEMICONDUCTORES 2.1.-Semiconductores. 2.2.-Dispositivos 2.2.-Dispositivos semiconductores semiconductores (N-P). 2.3.-Diodos (Si - Ge) Tipos. 2.4.-Fuentes de voltaje y corriente.
UNIDAD III TRANSISTORES 3.1.-Transistores 3.1.-Transistores NPN, PNP. 3.2.-Tipos de amplificadores analógicos (Diseño). 3.3.-Tipos de amplificadores de alta y baja señal (FET, BJT, UJT, MOSFET, JFET) 3.4.-Polarización directa, auto-polarización, saturación y corte. 3.5.-División de tensión y corriente. 3.6.-Concepto de ganancia (Filtros activos y pasivos). 3.7.-Amplificadores de potencia de audio y señal.
UNIDAD IV OSCILADORES 4.1.-Introducción a los osciladores. 4.2.-Tipos de osciladores. 4.3.-Oscilador 555 4.4.-Aplicaciones del oscilador 555. TEMA COMPLEMENTARIO: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE CIRCUITOS IMPRESOS.
16.-ESTRUCTURA CONCEPTUAL Electrónica I, es una de las materias básicas en la Carrera de Ingeniero en Obras y Servicios, pues proporciona los conocimientos básicos, así como el comienzo de la comprensión del funcionamiento de los dispositivos de que están constituidos los sistemas electrónicos.
INTRODUCCIÓN
SEMICONDUCTORES
MATERIAL TIPO N Y TIPO P EL DIODO
TIPO N-P
EL TRANSISTOR
TIPOS DE TRANSISTOR OSCILADORES
TIPOS DE OSCILADORES
TIPOS DE DIODOS
17.- BIBLIOGRAFIA BÁSICA POR TEMAS UNIDAD I 1.1. INTRODUCCIÓN PAGINA 1. LIBRO: ELECTRÓNICA: TEORIA DE CIRCUITOS SEXTA EDICIÓN AUTOR: ROBERT L. BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY EDITORIAL: PRENTICE HALL 1.2.
PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA ELECTRÓNIC A PAGINAS 5-38 Y 53-83 LIBRO: GUIA PRATICA DE ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA TOMO I AUTORES: RICARDO ANTONIO MARTÍN BARRIO ANTONIO COLMENAR SANTOS. EDITORIAL: CULTURAL, S.A. 1.3.
SÍMBOLOS ELECTRÓNICOS GRAL. PAGINA 120 LIBRO: ELECTRÓNICA BASICAS POR OBJETIVOS. SEGUNDO CURSO. AUTORES: GILBERTO MELGAREJO HERNÁNDEZ GONZALO GONZALEZ LLANES MARIA DE LOURDES LOPEZ BRAVO EDITORIAL: HERRERO S.A. 1.4.
DIAGRAMAS ELECTRÓNICOS GRAL. PÁGINAS 118-119 LIBRO: ELECTRÓNICA BASICAS POR OBJETIVOS. SEGUNDO CURSO. AUTORES: GILBERTO MELGAREJO HERNÁNDEZ GONZALO GONZALEZ LLANES MARIA DE LOURDES LOPEZ BRAVO EDITORIAL: HERRERO S.A. 1.5.
RESISTENCIAS, VALORES Y CODIGOS. PAGINAS 46-52 LIBRO: GUIA PRATICA DE ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA TOMO I AUTORES: RICARDO ANTONIO MARTÍN BARRIO ANTONIO COLMENAR SANTOS. EDITORIAL: CULTURAL, S.A.
UNIDAD II 2.1. SEMICONDUCTORES PAGINAS 3-6 LIBRO: ELECTRÓNICA: TEORIA DE CIRCUITOS SEXTA EDICIÓN AUTOR: ROBERT L. BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY EDITORIAL: PRENTICE HALL 2.2. DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (N-P). PAGINA 7-40 LIBRO: ELECTRÓNICA: TEORIA DE CIRCUITOS SEXTA EDICIÓN AUTOR: ROBERT L. BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY EDITORIAL: PRENTICE HALL 2.3. DIODOS (Si – Ge) TIPOS. PAGINAS 35-42 LIBRO: PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA ELECTRÓNICA SEXTA EDICION AUTOR: MALVINO EDITORIAL: McGRAW HILL 2.4. FUENTES DE VOLTAJE Y CORRIENTE. PÁGINAS 123-142 LIBRO: GUIA PRATICA DE ELECTRICIDAD ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA TOMO I AUTORES: RICARDO ANTONIO MARTÍN BARRIO ANTONIO COLMENAR SANTOS. EDITORIAL: CULTURAL, S.A.
UNIDAD III 3.1. TRANSISTORES NPN, PNP. PÁGINAS 114-117 LIBRO: ELECTRÓNICA: TEORIA DE CIRCUITOS SEXTA EDICIÓN AUTOR: ROBERT L. BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY EDITORIAL: PRENTICE HALL 3.2. TIPOS DE AMPLIFICADORES ANALÓGICOS (DISEÑO) PAGINAS 12-13 LIBRO: ELECTRÓNICA MODERNA PRATICA. TOMO II AUTORES: MILTON KAUFMA ARTHUR H. SEIDMAN. EDITORIAL: McGRAW HILL
3.3. TIPOS DE AMPLIFICADORES DE ALTA Y BAJA SEÑAL (FET, BJT, UJT, MOSFET, JFET) PAGINAS 215-248 LIBRO: ELECTRÓNICA: TEORIA DE CIRCUITOS SEXTA EDICIÓN AUTOR: ROBERT L. BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY EDITORIAL: PRENTICE HALL 3.4. POLARIZACION DIRECTA. PAGINAS 45-46,54-55 AUTOPOLARIZACION. PÁGINAS 289-291 SATURACIÓN Y CORTE. PAGINAS 48,57-59,215,240-245,248-252 LIBRO: PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA SEXTA EDICION AUTOR: MALVINO EDITORIAL: McGRAW HILL 3.5. DIVISIÓN DE TENSIÓN Y CORRIENTE. PÁGINAS 98-100 Y 108-112 LIBRO: ANÁLISIS INTRODUCTORIO DE CIRCUITOS AUTOR: ROBERT L. BOYLESTAD EDITORIAL: TRILLAS 3.6. CONCEPTO DE GANANCIA (FILTROS ACTIVOS Y PASIVOS) PÁGINAS 809-827 LIBRO: PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA SEXTA EDICION AUTOR: MALVINO EDITORIAL: McGRAW HILL 3.7. AMPLIFICADORES DE POTENCIA DE AUDIO Y SEÑAL. PÁGINAS 365-391 LIBRO: PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA SEXTA EDICION AUTOR: MALVINO EDITORIAL: McGRAW HILL PÁGINAS 701-707 LIBRO: ELECTRÓNICA: TEORIA DE CIRCUITOS SEXTA EDICIÓN AUTOR: ROBERT L. BOYLESTAD, LOUIS NASHELSKY EDITORIAL: PRENTICE HALL
UNIDAD IV 4.1. INTRODUCCIÓN A LOS OSCILADORES. 4.2. TIPOS DE OSCILADORES 4.3. OSCILADOR 555 4.4. APLICACIONES DEL OSCILADOR 555 PÁGINAS 931-979 LIBRO: PRINCIPIOS DE ELECTRÓNICA SEXTA EDICION AUTOR: MALVINO EDITORIAL: McGRAW HILL
18.-BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA NOTAS DE ELECTRONICA AUTOR: FORREST M. MIMS III EDITORIAL: Mc. GRAW-HILL REVISTA: SABER ELECTRONICA AUTOR: ING. HORACIO VALLEJO EDITORIAL: TELEVISA FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE LOS CIRCUITOS DE TRANSISTOR AUTOR: HENRY C. VEATCH EDITORIAL: PUBLICACIONES MARCOMBO, S.A. (MEXICO-BARCELONA) ELECTRONICA DE LOS SISTEMAS A LOS COMPONENTES AUTOR: NEIL STOREY EDITORIAL: ENCICLOPEDIA DE ELECTRONICA MULTIMEDIA EDITORIAL: ESPAÑOLA
19.- MODALIDADES DEL PROCESO DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE A.- TÉCNICAS DE ENSEÑANZA LECTURA
DE RESISTENCIAS, CAPACITORES Y BOBINAS INVESTIGACIÓN DE DIAGRAMAS Y SU LECTURA EJERCICIOS DE CALCULO Y DISEÑO PRACTICAS DE LABORATORIO PRACTICAS DE DISEÑO B.- COMPETENCIAS HABILIDAD
PARA LA IDENTIFICACIÓN DE ELEMENTOS Y/ O DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS CAPACIDAD DE LECTURA DE VALORES Y DIAGRAMAS DESTREZA PARA EL DISEÑO DE MODELOS ELECTRÓNICOS HABILIDAD PARA REALIZAR PROYECTOS PROTOTIPO HABILIDAD PARA EL MANEJO Y USO DE EQUIPO PARA EL ANÁLISIS DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS Y ELÉCTRICOS.
20.- CARACTERÍSTICAS DE LA APLICACIÓN PROFESIONAL DE LA ASIGNATURA. ELECTRÓNICA I SE PRESENTA COMO UNA MATERIA BASICA, QUE ESPERA CUBRIR LAS EXPECTATIVAS DE PROPORCIONAR LOS CONOCIMIENTOS BÁSICOS HACIA LAS DEMÁS MATERIAS CONSECUTIVAS, PUES ES LA PLATAFORMA QUE DARÁ DESTREZAS, HABILIDADES Y CONOCIMIENTO DE LA ELECTRÓNICA PRINCIPALMENTE ANALÓGICA.
21.- CONOCIMIENTOS, VALORES, APTITUDES, ACTITUDES Este curso debe proporcionar al alumno lo siguiente en su formación profesionalizante:
A.-CONOCIMIENTOS Adquirir los conocimientos básicos de electrónica básica, lectura de los diagramas electrónicos, reconocer y leer los valores de los dispositivos de que se conforman los circuitos complejos de control, p otencia etc.
B.-VALORES
El iniciar a estudiar dicho curso proporcional al alumno el sentido de responsabilidad, de seguridad en el trabajo, de ser analítico y reflexivo y de ubicarse en el entorno social y económico.
C.-APTITUDES 1.-Ser practico en la resolución de problemas cotidianos 2.-Analítico de tal manera en que pueda definir un diagnostico de los valores de los elementos que componen un circuito electrónico. 3.-Elevar la capacidad de crear nuevas técnicas de solución de problemas C.-ACTITUDES Promover la actitud positiva de servicio, de proporcionar siempre un estado de confianza y seguridad en si mismo, por lo tanto incrementar la credibilidad de las acciones y decisiones tomadas en la solución de problemas.
22.- MODALIDADES DE EVALUACIÓN A) EXAMENES PARCIALES B) EXAMEN DEPARTAMENTAL C) INVESTIGACION Y EXPOSICIONES D) TRABAJOS Y PRACTICAS ENTREGADAS Y FUNCIONANDO F) ASISTENCIA A TUTORIAS G) ASISTENCIAS A PRACTICAS DE LABORATORIO CALIFICACIÓN FINAL
25 % 20 % 10 % 30 % 5% 10 % 100 %
UNIDAD I PRINCIPIOS FUNDAMENTALES 1.1 INTRODUCCION Lo que hoy conocemos con el denominador común de tecnología de la electrónica puede parecer, a primera vista, un apartado ciertamente complejo destinado a ser manejado por cultivados especialistas en la materia, ayudados por avanzados sistemas de cálculo y vetado a los no iniciados en esta noble ciencia. Pues bien, no podemos negar que algo de eso hoy. Pero no es menos cierto que, aparte de ser la tecnología punta que domina nuestro diario ir y venir, la electrónica puede ser también un arte, una forma más de expresión. Si bien es cierto que los tecnólogos más versados en esta materia pudieran parecernos un poco fríos y calculadores, no lo es menos que la misma conlleva una imperiosa necesidad de ingenio y creación con que alimentarse. De ahí nuestro ahínco en demostrar, a partir de aquí, dos cosas. La primera de ellas es la cara oculta y atractiva de la electrónica, su modo de ser creación, imaginación y, en definitiva, una forma, acaso atípica, de arte. La segunda, y a nuestro modo de ver aún más importante, es la posibilidad de domesticar la electrónica, esto es, hacer ver a los posibles aficionados que se trata de una ciencia totalmente asequible, que debe ocupar ¡ya! una parte de nuestros conocimientos y, por qué no, gozar de nuestro aprecio. Basta ya de barreras... Comienza la función.
DIFERENCIAS ENTRE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA Toda obra que prevea cierto éxito de taquilla ofrece golosas posibilidades a los artistas noveles y, por lo tanto, estos intentarán conseguir salir a escena aun a costa de desbancar a los actores más consagrados. Así ocurrió con la electrónica. Todo se lo debía a la electricidad y, sin embargo. La primera disyuntiva que surge a la hora de colocar la ciencia electrónica en su lugar aparece en cuanto intentamos separarla de su antecesora: la electricidad. De ahí surge la pregunta: ¿es esto realmente necesario? Seguramente no. Pero queda claro que todo electrónico que se precie intentará darnos una versión, más o menos acertada, de cómo y por qué se escindió la electrónica de la no menos noble ciencia de la electricidad. Tampoco nosotros podemos resistirnos a ello, pero, en vez de razonarlo categóricamente, vamos a intentar explicar de una forma sencilla el proceso para que sea el lector quien saque sus propias conclusiones. Queda claro que la electricidad está involucrada en todo proceso electrónico. Sin embargo, por caprichos del destino, esta aseveración estaba destinada a no ser reversible, es decir, que existen procesos eléctricos que claramente excluyen la ciencia de la electrónica. El motor del más moderno de los ventiladores responde a un funcionamiento puramente eléctrico, mientras que el más antiguo aparato de radio que podamos recordar será sin duda un dispositivo electrónico - más o menos sofisticado - pero, claro está, precisará del concurso de la electricidad para poder funcionar. La electricidad ha estado enfocada siempre a una utilización masiva de los electrones, esto es, incluso antes de poder razonar experimentalmente la existencia del electrón ya se utilizaba masivamente la electricidad. La bombilla, los motores eléctricos, timbres, electroimanes, transformadores, etc., se basan en el uso del electrón, del cual hablaremos de una manera, permítasenos la expresión, bastante tosca. Como todos sabemos, el electrón es uno de los componentes básicos de la materia. Basta indicar aquí que según sea la materia analizada así será el número de electrones que esta posee y la
posición de estos sobre sus átomos. Un átomo es la parte más pequeña que podemos tomar de una materia dada. Así, por ejemplo, la disposición a dar y recibir electrones no es la misma en un átomo de cobre que en uno de carbono. Esta propiedad, bien utilizada, podía ser algo revolucionario y, de hecho, lo es. El pistoletazo de salida en la carrera de la electrónica lo dio la aparición de las válvulas termoiónicas o de vacío, que no son sino los tubos iluminados que podíamos encontrar (aún hoy día pueden verse) dentro de las radios y de los televisores más antiguos. La razón de considerar la aparición de las válvulas como el detonante de la explosión electrónica es su posibilidad de "manejar " uno a uno los electrones, es decir, controlar el flujo de los mismos. A este control o "modulación " de dicho flujo se le asoció el calificativo de polarización. La válvula estaba constituida por un emisor de electrones (al que se llamó cátodo), un receptor de electrones (denominado ánodo) y una "rejilla " colocada de forma que fuera atravesada por el flujo de electrones emitido por la patilla denominada cátodo. Es obvio que si la rejilla está ahí no es por casualidad. Tenía un papel fundamental que representar, y bien que lo hizo. Quedaba claro que el movimiento de electrones se origina cuando estos deben equilibrarse y cuando se aproximan materias que, por la cantidad y disposición de los mismos en su superficie, están predispuestas, unas a soltar electrones y otras a recibirlos. A esta circunstancia se la llamó polarización. Es decir, según sea la carga (en cantidad y situación de electrones) de una materia dada, así será su predisposición a soltar o recibir electrones. Si la válvula anteriormente descrita solo poseyera un ánodo y un cátodo, no se hubiera conseguido otra cosa que mantener la circulación de electrones, pero, como quiera que se intercaló una rejilla, denominada muy apropiadamente rejilla de control, y esta podía ser polarizada de forma independiente, éramos capaces de controlar el haz de electrones. De este modo se inventó un primer dispositivo capaz de manejar a nuestro antojo la corriente eléctrica y puede que fuera entonces cuando a dicha capacidad se le asoció el calificativo de nueva ciencia: había nacido la electrónica.
COMPONENTES ELECTRÓNICOS Como no podía ser de otra forma, la electrónica había otorgado el papel estelar a las válvulas de vacío, pero el guión exigía un reparto de papeles más extenso y la aparición en escena de bastantes más "artistas invitados ". Los tubos de vacío tuvieron que rodearse de un elenco de colaboradores que, incluso sin poder destacar mucho, clamaban por conseguir un éxito que se venía venir. La "obra " a representar exigía cierta destreza en el campo eléctrico y, aun siendo papeles secundarios, a los aspirantes se les suponía un cierto currículo. Quedaba claro que por méritos propios los más indicados para subirse al carro del éxito electrónico eran, entre otros: las resistencias, los condensadores, las bobinas, los transformadores, los interruptores, los pulsadores y, al menos en un principio, hubo trabajo hasta para las bombillas. Para los menos versados en el mundillo no habrá posibilidades de distinguir entre los diferentes protagonistas. Para evitar este problema podemos, a modo de introducción, redactar aquí un pequeño resumen del elenco disponible, el cual será capaz de "actuar " en las más variopintas "representaciones ".
EL TUBO DE VACÍO Fue el primer gran astro de la obra electrónica. Actualmente ha quedado bastante desfasado. A pesar de sus innegables cualidades ha sido sustituido con gran éxito por sucesores tales como el transistor y el circuito integrado. De todas formas y, según la crítica, hay funciones en las cuales estos no llegarán nunca a superar al antiguo tubo.
EL TRANSISTOR Surge como panacea ante los problemas de espacio, temperatura y coste de las válvulas. Puede imitarlas perfectamente en su versión básica. Los últimos retoques técnicos dados por los "maquilladores" electrónicos han posibilitado la aparición de nuevos talentos, como los transistores tipo FET, que permiten mantener muy alto el pabellón de estos últimos.
EL DIODO Es un artista de segunda fila, más bien desbancado por los transistores, pero que desempeña un papel muy importante. Desde su primera aparición en público, a principio de siglo y en forma, cómo no, de válvula termoiónica, ha sufrido importantes cambios. El conjunto de diodos disponibles en el mercado actualmente abarca un amplio campo. Como ejemplo cabe citar los diodos rectificadores puros, diodos zener, diodos varicap, diodos LED, etc.
LOS CIRCUITOS INTEGRADOS Constituyen la generación más joven del elenco disponible para trabajar en la gran obra de la electrónica. Son rápidos, con nuevas ideas y su contratación en cualquier representación que se precie se traducirá en un importante ahorro, tanto en dinero como en esfuerzo, a la hora de diseñar el guión a seguir. Su truco para conseguir esto es sencillo: aplicar el refrán "la unión hace la fuerza ". Internamente están conformados por un gran número de transistores, incluso por miles de ellos, y diodos especialmente caracterizados para trabajar en conjunto.
RESISTENCIAS Son un elemento indispensable dentro del mundillo electrónico. Con su cuerpo coloreado dan el tono festivo a cualquier circuito. Dicha vistosidad no responde a un afán de destacar por encima del resto del "reparto " sino más bien a la imperiosa necesidad de demostrar al mundo, y nunca mejor dicho, lo que valen. "Por sus bandas de colores las conoceréis ".
CONDENSADORES Suelen aparecer también con relativa asiduidad en casi cualquier circuito. Son algo más estirados que las resistencias ya que, para empezar, no les da igual el tipo de tensión con la que trabajan; son un poco veletas y modifican su carácter según les toque bregar con tensiones alternas o continuas. También gustan de lucir atuendos de colores aunque no lo hacen con tanta frecuencia como sus colegas las resistencias. Existe un cuerpo de elite dentro del conjunto de los condensadores que responde al nombre de "condensadores electrolíticos ". Para destacar del resto suelen lucir un "uniforme " azul o negro y ciertas "insignias " con logos tales como "+ " y "-".
BOBINAS Son, casi siempre, las más fáciles de identificar. Su aspecto de hilo de cobre enrollado no les permite muchos lujos y, aunque por su modestia pudiera parecer que van por el mundo desnudas, esto no es así. Todas ellas visten un invisible traje de laca aislante y trasparente que las preserva tanto del clima ambiente como de incómodos roces entre espiras continuas. ¿Que qué es una espira? Pues baste indicar aquí que cada una de las vueltas que hace el hilo de cobre esmaltado, es su correcta denominación, para conformar la bobina responde a dicho nombre. Dentro de la sociedad de bobinas existe también cierto clasismo: las más humildes de las bobinas se ven obligadas a dar vueltas sobre un núcleo central imaginario, mientras que las de mejor posición social cuentan con núcleos especializados, por ejemplo, uno muy común llamado ferrita, que les permiten aumentar su categoría fácilmente y realizar su trabajo en el circuito con menor esfuerzo.
TRANSFORMADORES Son, por mucho que intenten negarlo, tan solo un tipo especializado de bobinas. Como ocurre en toda sociedad, en el mundo electrónico también existe un grupo de elementos que intenta defender, no con poco corporativismo, su independencia y excelencia. Estos son sin duda los transformadores. No cabe duda de que el trabajo desarrollado por estos no es nada despreciable, pero seamos sinceros, el transformador no es más que el matrimonio de conveniencia de dos bobinas solitarias. Su misión es de suma utilidad: domar la tensión que reciben y entregarnos a cambio otra tensión que se adapte a lo solicitado por el director de obra. Sus condiciones de trabajo obligan a este par de bobinas a protegerse con un traje de cierta robustez denominado "armadura ". Su aspecto cuadradote y macizo hace que identifiquemos rápidamente al transformador. Pero, como no podía ser menos, aquí también hay excepciones: a veces, aunque no muy frecuentemente, los transformadores nacen de la unión de tres o incluso más bobinas.
INTERRUPTORES, CONMUTADORES Y PULSADORES Cómo no incluir en este reparto de protagonistas electrónicos a todo el conjunto de dispositivos que, sin ser propiamente electrónicos, nos permiten interrelacionarnos con ese mundo y, aun disminuyendo de tamaño y aumentando sus prestaciones, son totalmente imprescindibles. Cualquier circuito que se precie deberá ofrecernos algún que otro pulsador, interruptor o similar. Por lo menos hasta que los montajes accionados por la voz humana estén a la orden del día.
CIRCUITOS IMPRESOS La verdad es que los circuitos impresos no pueden ser considerados estrictamente como verdaderos protagonistas de la obra electrónica. Mas bien pertenecen al mundo de la tramoya, es decir, al conjunto de accesorios precisos para que los verdaderos protagonistas, esto es, los componentes, se luzcan. Que cómo se distingue el circuito impreso, pues muy sencillo: no tenemos más que observar la superficie donde los componentes están situados. Dicha superficie aparece surcada por numerosas líneas -las pistas del mismo- y contiene multitud de pequeños orificios de bordes plateados que están predestinados a servir de alojamiento a las patillas de los componentes.
UNIÓN DE COMPONENTES Una vez conocido el reparto, misión que modestamente pretende esta obra, podremos preparar cualquier función electrónica que se nos ocurra. Parece claro que con solo conocer las piezas que componen nuestro rompecabezas electrónico no tendremos suficientes datos como para poder iniciar una puesta en escena de cualquier dispositivo, por sencillo que este sea. Para poder realizar esto deberemos conocer no solo los componentes básicos de un circuito sino también el "guión " a seguir por cada uno de ellos, es decir, las normas y leyes electrónicas que rigen su funcionamiento. Conocer básicamente la Ley de Ohm o los diferentes tipos de conjuntos circuitales serán para nosotros lo que para un actor es saber diferenciar el drama de la comedia.
Los diferentes "actos " involucrados en nuestra "obra " responden a nombres tales como: amplificador, oscilador, comparador, multiplexador, fuente de alimentación, etc. Podremos conocer los actores (componentes) básicos que forman parte de cada uno de estos actos. Una vez conocidos los componentes, y los bloques que pueden constituir cada uno de ellos, podremos enlazar dichos bloques para formar circuitos de mayor envergadura. Para resumir un poco los conceptos explicados hasta ahora nos conformaremos con indicar que todo circuito electrónico, por complejo que pudiera parecernos, puede ser descompuesto en bloques bien diferenciados, de forma que podamos analizarlo de una manera bastante sencilla. Si, además, conocemos los elementos que constituyen cada uno de los componentes podremos analizar en detalle cada uno de los bloques que forman el circuito total. Esto nos permitirá analizar, reparar, modificar y, por qué no, mejorar un circuito dado.
APLICACIONES GENERALES DE LA ELECTRÓNICA A ciencia cierta sólo tendríamos que pararnos a observar la serie de procesos que se han visto afectados por el mundo de la informática, al fin y al cabo una rama especializada de la electrónica y los ordenadores. Con este campo bastaría para afirmar que la electrónica está hoy día en todas partes. Pero nosotros no queremos conformarnos con eso. Miremos a nuestro alrededor. Si nos encontramos en la sala de estar de nuestra casa podemos ver objetos que a simple vista nos son totalmente comunes y a los que no se nos hubiera ocurrido señalar como influidos por la electrónica. El equipo de música, el vídeo y el televisor son objetos claramente pertenecientes a la era electrónica pero ¿y la mesa del salón? Sí, la mesa. Puede parecernos sorprendente a primera vista. ¿Cómo puede estar
involucrada la electrónica con la mesa? No es de locos, no. En efecto, la mesa es de madera estándar, nada relacionado con materiales o aleaciones extrañas. Pero ¿nos hemos parado a pensar en el proceso de fabricación que siguen los muebles de nuestra casa? Queda claro que las industrias más "tradicionales " siguen realizando un trabajo artesanal pero no así las modernas fábricas de muebles. El proceso de cortado de los tablones precisos para conformar esa mesa se habrá realizado con moderna maquinaria de corte, gobernada por un complejo sistema denominado "de control numérico ". Como ya habremos adivinado, bajo este curioso nombre se esconde un más o menos complejo sistema de ordenador, el cual, al final no es más que un circuito puramente electrónico. Podemos asegurar, sin miedo a equivocarnos, que casi cualquier objeto que poseamos ha podido ser diseñado, comprobado y/o fabricado por ordenador lo cual, como vemos, da un papel más que protagonista a la electrónica. Vayamos ahora al mundo exterior. La comunicación, entendida en su forma global, conlleva una estrecha relación con la electrónica. Podemos comenzar por los coches y ver que no sólo se diseñan, comprueban y fabrican, mediante procesos que implican tecnología electrónica, sino que ellos mismos incorporan hoy día avanzados y complicados equipos destinados a hacer su conducción más segura y confortable. Hablamos con cierta facilidad del sistema ABS, el ordenador de a bordo, el climatizador; pues bien, estos no son sino circuitos electrónicos aplicados al mercado automovilístico.
La navegación, tanto aérea como marítima, se ha visto asistida de una forma tremenda por el campo electrónico. Los modernos sistemas de navegación posibilitan que barcos y aviones surquen grandes distancias con total fiabilidad y seguridad. Está claro que los pioneros de la navegación marítima y aérea no precisaban de estas técnicas pero no cabe duda de que los progresos más espectaculares en estos campos deben mucho a la electrónica. Por poner un ejemplo, cabría preguntarse: ¿cómo
podríamos sin sistemas electrónicos hacer volar un avión entre Madrid y Nueva York con un error máximo de 1 km o conseguir que el mismo avión aterrice de forma totalmente automática, es decir, sin participación de los pilotos, en condiciones de niebla cerrada? No cabe duda de que la electrónica es indispensable en muchos campos.
Podríamos citar también el desarrollo astronáutico habido estos últimos años o la tristemente célebre carrera de armamentos, donde también, por desgracia, la electrónica está presente. Cualquier actividad, desde la agraria a la aeroespacial, pasando por sectores tan dispares como el bancario, el musical, el médico, el cinematográfico o el puramente lúdico están haciendo un uso masivo de los últimos avances dentro del campo electrónico. Hace tan solo unos años no podíamos haber imaginado salir a la calle sin dinero, o sin la correspondiente cartilla o chequera para hacer efectiva cierta cantidad en metálico en nuestro banco. Hoy en día es común llevar encima la típica tarjeta bancaria con la que poder ir al cajero electrónico y hacer efectivo el dinero que sea menester. Es un poco arriesgado considerar a la tarjeta bancaria como circuito electrónico propiamente dicho, o al menos lo era hasta hoy. Las tarjetas de crédito, o bancarias, incorporan una banda magnética en la cual se han pregrabado ciertas informaciones. El lector magnético presente en los cajeros automáticos nos permite "sacar " esta información y, junto con la clave que debemos introducirle a través de un teclado, comunicar con el ordenador central, el cual enviará, una vez hechas las oportunas comprobaciones, la orden de entregar el dinero al cajero automático.
Decíamos antes que es difícil calificar a la tarjeta bancaria como circuito electrónico. Pero esto también está cambiando. Las modernas tarjetas de crédito incorporarán un microcircuito electrónico capaz de realizar ciertas operaciones "inteligentes " con lo que si se podrá calificar de dispositivo electrónico a una simple tarjeta de crédito.
Otra vertiente donde podemos observar el auge de este tipo de electrónica de control es en las tarjetas de "teléfono ". Este tipo de tarjetas incorpora, al menos en Europa, un microcircuito que se encarga de controlar el crédito "telefónico " de que disponemos. El aspecto lúdico es otra de las vertientes donde la electrónica se ha volcado en los últimos años. Quién no las ha utilizado al menos conoce las célebres "consolas " de juegos. Queda claro que en éste, como en otros aspectos, el detonante claro del ingenio del diseñador es uno: la ganancia de cantidades ingentes de dinero. De todas formas, y sin necesidad de encuestas previas, es seguro que la chiquillería estará completamente de acuerdo con la investigación desarrollada en este campo.
Un campo donde la electrónica está no sólo presente sino que es la principal protagonista es el de la informática. Todos y cada uno de los equipos involucrados en la parafernalia informática responden a un diseño puramente electrónico. Desde el monitor a la CPU (Unidad Central de Proceso), pasando por el teclado, la impresora, las memorias, etc., todo es pura y simple -ésta no es la palabra más adecuada- electrónica. Para terminar un poco este primer vistazo a lo que son las aplicaciones electrónicas podríamos centrarnos en un ejemplo de lo más extendido: la televisión.
Vamos a intentar centrarnos ahora en un solo dispositivo electrónico y a explicarlo de la forma más sencilla que seamos capaces. Para comenzar debemos hacer notar que una televisión incorpora, o puede hacerlo, electrónica de todo tipo. Nos explicamos: el propio tubo de imagen del televisor no es más que un tipo sofisticado de válvula electrónica. Según sea la edad del equipo así será la tecnología que incorpore el mismo. Puede ser un antiquísimo equipo de válvulas o un moderno equipo de color con los últimos avances en tecnología digital, más adelante veremos que es esto. Pero sea cual sea la edad del televisor está claro que incorporará electrónica de muy diversa índole. ¿Cómo esta constituido un sistema de TV? En principio bastará observar las ilustraciones adjuntas para darnos cuenta de que podemos comprender de forma genérica el funcionamiento del sistema y, si así lo deseamos, profundizar en el mismo todo lo que sea menester. Tema aparte será la TV, pero sirva esta introducción a modo de ejemplo de como podemos entender la electrónica de casi cualquier equipo y de que, si queremos, podemos llegar a conocer hasta el más mínimo detalle del mismo.
1.2 PRINCIPOS DE ELECTRONICA INTRODUCCION A LA TEORIA DE CORRIENTE AC/DC El término inglés AC/DC no solo es el nombre de un famoso grupo de rock sino que coincide, además, con la abreviatura inglesa que corresponde a las españolas de Corriente Alterna y Corriente Continua. En inglés corriente alterna es AC (Alternating Current) y corriente continua es DC (Direct Current), pero vamos a adentrarnos ahora en su significado técnico. Pese a la diversidad de aparatos eléctricos y electrónicos que pululan por el mundo, todos ellos poseen un punto de encuentro: precisan de energía eléctrica para ser alimentados. Como ya sabemos, la electricidad no es más que una forma de energía cuya presencia puede obtenerse por diversos procedimientos; si los enumeráramos, y el tema se diera por finalizado, sin duda estaríamos ante un sencillo capítulo de los que engloba esta obra, pero no, no: el destino vuelve a complicar las cosas y estamos ante la coexistencia de dos tipos de energía eléctrica de diferentes características. Como ya habremos deducido al leer la introducción de estas líneas, los dos tipos de energía en los que podemos subdividir la energía eléctrica responden a las denominaciones Corriente continua y Corriente alterna (para abreviar CC y CA). La forma y fuentes de obtención de los dos tipos de corriente difiere apreciablemente. A modo de introducción, podemos citar como fuentes con presencia de corriente de tipo alterna las siguientes: - La torreta de la luz que pasa por el barrio. - El enchufe que tenemos en la pared de casa. - La toma de salida de un transformador. - Los bornes de conexión de un alternador. Mientras que, como puntos de origen de una corriente continua, podemos citar: - Los bornes de una pila. - La salida de una dinamo (generador de CC). - La alimentación de batería de un coche. - Las conexiones de un acumulador o pila recargable.
GENERACIÓN DE CORRIENTE. TENSIÓN Y FRECUENCIA La obtención de energía eléctrica conlleva diversos métodos. La transformación de otros tipos de energía en energía eléctrica es el método más usual. Entre los procedimientos utilizados podemos destacar los químicos, mecánicos, térmicos, nucleares, eólicos, solares, etc. Pero, para comenzar con uno de ellos, hablaremos del más extendido y, a la vez, más sencillo: la generación de corriente de tipo alterna a partir de una conversión mecánico-elétrica.
Este es el caso de las centrales de generación situadas en grandes presas. La fuerza procedente de la liberación del agua se utiliza para mover enormes turbinas que, a su vez, accionan potentes generadores de energía eléctrica. En la ilustración podemos ver una muestra simplificada de lo que constituye un generador de corriente alterna. Para facilitar su entendimiento, debemos imaginar un motor eléctrico trabajando en modo reversible, esto es, a un motor eléctrico se le suministra energía eléctrica y este genera, mediante su giro, energía de tipo mecánico. Si partimos de la hipótesis de que dicho motor pudiera funcionar en modo inverso, esto es, reversible, suministraríamos al mismo una cierta cantidad de energía mecánica (girando su eje de algún modo) y nos entregaría en sus bornes una tensión determinada (energía eléctrica). Aproximadamente, esto es lo que ocurre en los generadores de las centrales eléctricas. Se toma una cantidad ingente de energía almacenada (agua en el caso de una presa) y se conduce de forma que accione ciertas turbinas que son solidarias al eje de los generadores eléctricos. Nos creemos ya que en la salida de dichos generadores se obtiene la energía eléctrica buscada pero ¿cómo operan estos generadores internamente? En la ilustración podemos ver una espira de hilo situada en el centro de un campo magnético (representado por los imanes etiquetados como "N" y "S" ) la cual se supone que es la representación simplificada de un buen número de espiras (al conjunto de todas las que tiene un motor o un generador se le denomina bobinado). Tenemos que explicar ahora lo que sucede en la espira de hilo al hacer girar esta dentro de un campo magnético. El campo magnético que atraviesa la espira móvil de hilo conductor origina que en los extremos de la misma se produzca una diferencia de potencial (o tensión eléctrica).
Como quiera que los extremos de dicha espira se conectan a un par de anillos circulares que se sitúan sobre el eje del generador, tendremos entre ambos un voltaje determinado. La forma en que conseguimos acceder a dicha tensión es conectando un par de hilos conductores a los anillos de salida. Para ello tendremos que utilizar algún método de conexión a los mismos y que sea también conductor. Estamos hablando de las escobillas, que son conductoras y, mediante cierta presión mecánica, aseguran la perfecta unión entre los anillos de salida circulares y los cables que transportan la electricidad de salida. En el caso de los generadores reales, la espira es un bobinado (más o menos complejo) conectado a un par de escobillas (o a un sistema de ellas) y su salida suele ser de una tensión bastante elevada. Hay un punto que no puede pasarnos desapercibido en el proceso "ideal" descrito y este es el carácter VARIABLE del campo magnético inducido. Como parece lógico, la tensión presente en los extremos de la espira (o del bobinado) situada en el interior del citado campo, no es siempre de igual magnitud, ya que esta dependerá de la superficie de la espira que sea atravesada por el citado campo magnético. De aquí podemos deducir ya que la tensión en bornes del bobinado del generador no es de naturaleza estable, sino que sufre variaciones alternas (varía su polaridad si tenemos en cuenta el nivel de señal correspondiente al valor cero) directamente proporcionales en un lapso de tiempo a la velocidad con que se mueva (gire) la espira dentro del campo magnético. De ahí que este tipo de corriente se denomine corriente alterna. Si estuviéramos en presencia de una tensión de carácter continuo, el valor presente de tensión sería estable, mientras que, en el caso de la tensión obtenida del generador descrito, obtenemos una tensión variable en el tiempo. En un eje de coordenadas, la tensión de tipo continua no ofrece ninguna dificultad: se trata de una línea continua paralela al eje de abscisas (línea de coordenada horizontal). Pero, cuando se trata de la tensión alterna, la cosa cambia. En una de las ilustraciones adjuntas podemos ver formas de onda (tipos) de señales. Dichas señales podrían representar sin problema gráficas de tensiones dadas. La señal etiquetada como tipo b responde a una forma de onda sinusoidal. La representación de una tensión alterna responde exactamente a este tipo de gráfica. Como podemos ver, la tensión vale cero en un instante dado (ninguna línea de campo magnético atraviesa la espira ) hasta tomar un valor máximo (el punto en que la espira es atravesada por el mayor número posible de líneas magnéticas). Entre estos dos valores existe una variación del valor real de tensión que se corresponde con las diferentes posiciones intermedias de la espira. Una vez que la espira ha pasado de estar en posición vertical a posición horizontal (valor de tensión máxima) la espira continúa con su giro; pero esta vez, y debido a la simetría de la construcción del generador, se pasa a valores decrecientes de tensión, hasta llegar a valer cero de nuevo. Debido al sentido de circulación, tanto del campo eléctrico como del magnético, en la espira estudiada, al seguir ésta girando (habíamos llegado a los 180 grados de rotación) se origina una tensión creciente pero de sentido (o polaridad) inverso a la anterior. La suma de señales de los continuos giros de la espira originan la señal de tensión alterna descrita. Ha llegado el momento de explicar una nueva unidad electrónica ya que, además, a la idoneidad del momento se une la "necesidad " de hacerlo; se trata del Hercio. Para definir esta unidad, sólo tenemos que fijarnos en que las variaciones del valor de tensión cambian a un ritmo constante. Cada cierto período de tiempo se origina una repetición de la señal. De aquí podemos deducir que estamos en presencia de una señal cuya variación se da cada cierto PERÍODO de tiempo o, lo que es igual, que la señal de tensión varía con una FRECUENCIA dada.
Al número de veces que la señal se repite durante un segundo se le asocia la magnitud "Frecuencia ". La tensión de red, esto es, la que hay en nuestros hogares, varía a una frecuencia de 50 veces por segundo. A la unidad de medida de la frecuencia se la denomina Hercio o, para abreviar, Hz. Existe una relación lineal entre la frecuencia de una señal eléctrica y el período de la misma. Si observamos la ilustración, podemos ver que el período (representado por la letra T) se mide en el sentido de evolución de la variación de la citada señal, de donde se deduce que el período se mide en unidades de tiempo. La misma figura nos ilustra la relación existente entre frecuencia y período: una es la inversa de la otra o, dicho de otro modo, F = 1/T.
Al tiempo transcurrido entre el comienzo y final de una señal variable se le denomina período y, como es lógico, al transcurrido en la mitad de dicha señal, semiperíodo. La tensión de red de la mayoría de los hogares europeos tiene una frecuencia de 50 Hz, esto es, se repite periódicamente en forma sinusoidal 50 veces por segundo y su período es, por lo tanto, de1/50 segundos.
GENERACIÓN DE CORRIENTE CONTINUA Aunque la forma de generar corriente eléctrica, descrita arriba, sea una de las más extendidas, existen otras, también de amplia difusión. Por ejemplo, a la hora de generar corriente continua se suele recurrir a las pilas eléctricas o a un tipo especial de generador denominado "dinamo ".
La manera más amplia de difusión de energía eléctrica de la denominada continua es a través de las pilas y acumuladores recargables. Las pilas responden a un efecto de tipo químico. El funcionamiento resumido de una pila eléctrica es el siguiente: Tomamos dos barras de elementos químicos diferentes como, por ejemplo, el carbón y el zinc, y los sumergimos en una solución de agua y ácido sulfúrico. Dado que el ácido ataca al zinc más rápidamente que al carbón, se origina entre estos dos materiales una diferencia de potencial. Dicho montaje constituye la base de una pila eléctrica. Para denominar a las dos barras se utiliza la denominación de "electrodos ", mientras que la solución acuosa donde estos se sumergen se denomina "electrolito ". Existen generadores químicos, para abreviar "pilas", que tienen una vida limitada. En el que presentamos, en la conexión de los electrodos (bornes) de la pila de un circuito eléctrico a alimentar se produce una corriente de electrones entre el polo negativo (Zinc) y el positivo (Carbón) a través del circuito alimentado; a continuación, los electrodos retornan a la barra de zinc a través de la solución ácida. Cuando el electrodo de zinc queda completamente corroído por la acción del ácido, la pila ha llegado al final de su vida.
Dentro de las pilas de vida limitada destaca la pila seca o "Leclanché ", la cual aporta una ventaja definitiva a las anteriormente comentadas ya que, en vez de utilizar una disolución líquida como electrolito, usa una pasta que realiza las mismas funciones. Todo ello, unido al hecho de que la pila esté completamente sellada, ha contribuido a su masiva utilización. En las pilas secas se utiliza un cilindro contenedor de zinc, el cual aloja en su interior una barrita de cobre que desempeña el papel de polo positivo de la misma. La tensión que suelen ofrecer este tipo de pilas es de 1,5 voltios. Existen pilas de tensiones mayores que no son sino un conjunto de pilas de 1,5 V empaquetadas en un mismo encapsulado. Últimamente, el aumento del consumo y una mayor miniaturización de los diferentes equipos y dispositivos electrónicos que se alimentan a CC han forzado la aparición de nuevos tipos de pila, de entre los que podemos destacar las pilas Mercury y las de tipo alcalino. Las pilas Mercury se conocen popularmente como pilas "botón " debido a que guardan cierta similitud con este objeto, en cuanto a forma y tamaño. Además de su pequeño tamaño, la característica más interesante de estas pilas es poder suministrar una tensión mucho más constante y una intensidad entre 4 y 7 veces superior al tipo Leclanché. Asimismo, señalaremos que funcionan a partir de una mezcla de óxido de mercurio y carbón contenidos en un encapsulado de hierro. Las pilas alcalinas operan con una mezcla de zinc y bióxido de manganeso y su eficiencia en circuitos de elevado consumo es sensiblemente superior a los otros tipos.
Respecto a la utilización de generadores de CC podemos destacar la dinamo, nombre bajo el que se engloba un tipo de generador de tensión del tipo "conversión mecánica-eléctrica y que, en la práctica, se asemeja bastante al generador de CA antes descrito. Si observamos el esquema interno simplificado del generador de CC que aparece en una de las ilustraciones, podemos comprobar su gran similitud con el generador de CA, pero con una ligera salvedad: la salida hacia las escobillas no se hace por un par de conexiones en anillo sino sobre un tipo de semianillos que realizan la función de mantener constante la polaridad de la señal (tensión) de salida. El funcionamiento básico, es decir, el eléctrico es similar al generador de CA pero, cuando en aquél se producía una inversión de polaridad por el efecto giro de la espira, aquí queda obviado pues, este tipo de conexión de salida invierte físicamente las conexiones eléctricas de la espira. En la práctica, tal y como sucedía también con los generadores de CA, no se trabaja con una espira sino con un buen número de ellas. Al conjunto de espiras se le denomina bobinado, y si este se sitúa en la parte rotatoria del generador se dice que la dinamo es del tipo de rotor bobinado. El campo magnético inductor creado por el estator puede ser de imanes fijos o bien también del tipo bobinado. La salida del bobinado se hace llegar a un conjunto de conexiones, situadas en el eje del generador, denominadas "delgas ". Al conjunto de conexiones giratorias sobre el que rozarán las escobillas, se le conoce como colector de delgas. La señal obtenida en la salida del generador de CC se asemeja a la de clase d, de la representación de señales tipo adjunta. Como vemos, se trata de una tensión continua, en el sentido de que no varía de polaridad, pero pulsatoria.
APLICACIONES DE AC/CD La electrónica teórica está muy bien para sentar ciertos conocimientos básicos pero, a la hora de la verdad, debemos enfrentarnos con dispositivos "prácticos" que pueden, o no, tener que ver con la teoría. ¿Qué es alta tensión? ¿Cómo opera un transformador? ¿Qué obtenemos en una fuente de alimentación? Éstas y otras cuestiones serán analizadas a continuación.
Cuando tratamos con un generador, o cuando compramos una pila, podemos precisar el conocimiento de ciertos parámetros más, los cuales no han sido comentados hasta ahora. Si trabajamos con circuitos conectados a la red del hogar debemos tener en cuenta qué se entiende por baja tensión y alta tensión. Al conectar a la red una fuente de alimentación podemos obtener tensiones reducidas con respecto a la de la red pero ¿de qué tipo de tensión se trata? Aparte de los generadores mecánicos existen otras fuentes de energía alternativas (ecológicas o no). Pero, para empezar, con todas las dudas que nos puedan surgir con respecto a la utilización de diferentes tipos de tensiones disponibles en el mundo real, vamos a explicar cómo y por qué se trabaja con tensiones alternas, continuas, alta tensión o baja tensión.
LÍNEAS ELÉCTRICAS, ALTA Y BAJA TENSIÓN Una de las particularidades de la corriente continua es su gran pérdida en potencia cuando es transportada a grandes distancias. Ésta es una de las razones de que las centrales eléctricas generen tensiones alternas, las cuales se pueden trasladar a grandes distancias en forma de elevadas tensiones y baja intensidad. A todos nos son familiares las torretas de conducción para líneas de alta tensión. Una vez que la energía eléctrica se hace llegar a núcleos de población o industriales -en forma de alta tensión- se procede a su adaptación (transformación) a niveles de tensión utilizables por los destinatarios. Las centrales de transformación eléctrica se ocupan de esta misión. La legislación se ocupa también de definir el ámbito de lo que se entiende por alta y baja tensión (A.T. y B.T.). En las disposiciones generales del "Reglamento electrotécnico de AT y BT " se especifica lo siguiente: "se considerarán como instalaciones de baja tensión ( BT ), tanto para corriente continua como para corriente alterna, aquellas en las cuales las tensiones nominales utilizadas sean inferiores a mil voltios, y como instalaciones de alta tensión, las de tensiones nominales de mil voltios y superiores "; así que ya tenemos un punto de partida -legal, por supuesto- para delimitar lo que es alta y baja tensión.
En la práctica, y en BT, se suele operar con tensiones de CA de 220 V o, en entornos industriales, con 380 V, mientras que las altas tensiones manejadas por las líneas de distribución eléctrica pueden llegar hasta los 220.000 V.
PILAS Y TRANSFORMADORES EN LA PRÁCTICA A la hora de adquirir una fuente de CC, es decir, una pila, nos suele bastar con pedir una pila de tal grosor y de 1,5 V ó 9 V. Pero existen otros parámetros dentro del mundo de las pilas que no debemos pasar por alto. - Tensión: la tensión (en circuito abierto) de una pila viene determinada por su composición química. Por ejemplo, la tensión de un elemento de zinc-carbón puede oscilar entre 1,5 y 1,6 V. - Resistencia interna: cuando se conecta en los polos de la pila un circuito dado la tensión en bornes de la misma es siempre inferior a su tensión nominal. Dicho efecto de debe a la "resistencia interna" de la pila. Esta resistencia es intrínseca a los materiales químicos -que no son conductores perfectosempleados en la fabricación de la misma. Ésta aumenta con el uso, el paso del tiempo y el incremento de la temperatura. Cuando la resistencia interna aumenta demasiado la pila queda inutilizada. -Capacidad: se define como la posibilidad que tiene una pila para mantener su tensión nominal en bornes, incluso en condiciones de carga máxima, y está íntimamente ligada a la resistencia de dicha carga. En la capacidad de una pila pueden influir tanto el tipo de carga como las dimensiones de la pila, el periodo de conservación de la misma y las temperaturas de funcionamiento y almacenamiento.
Cambiando de tema, y dentro de las propiedades de que goza la corriente alterna, está la posibilidad de utilizar cierto dispositivo para elevar o reducir el valor nominal de una tensión dada. Se trata, como ya habrán supuesto los lectores, del transformador.
Al igual que ocurre con ciertos dispositivos mecánicos, a veces es preciso convertir la energía disponible según sea la aplicación a la que queramos destinar ésta. Por ejemplo, la caja de cambios de un coche adapta la energía extraída del motor de forma y manera que sea la más adecuada para el momento de la conducción. De igual manera, el transformador realiza una adaptación de la energía eléctrica disponible para "adaptarla " a la fuente de consumo final. Cabe indicar aquí que, al igual que ocurre en el símil mecánico, la operación realizada es una simple conversión o adaptación pero en modo alguno se podrá modificar la potencia eléctrica disponible en las patillas de entrada del transformador. El transformador basa su operativa en el principio de la inducción electromagnética. Consta de uno o más bobinados, los cuales están magnéticamente autoinfluídos entre sí, esto es, se encuentran acoplados magnéticamente: la corriente que recorre un devanado induce una tensión en el otro (o los otros). Esto constituye una inductancia mutua entre ambos bobinados. En la ilustración se puede observar la pareja de bobinados que constituye el transformador. El bobinado donde conectaremos la tensión a transformar se ha dado en denominar "bobinado primario ", mientras que el bobinado del cual se obtendrá la tensión transformada se denomina "secundario ". La base operativa del mismo depende tanto del número de espiras que contengan los devanados (bobinados) como de la tensión aplicada en la entrada del primario.
OTRAS FORMAS DE TENSIÓN ALTERNATIVAS Existen otras formas de obtener tensión y, aunque sea de manera resumida, queremos nombrarlas a continuación: Fuentes de alimentación: son dispositivos electrónicos -que veremos más adelante- y suelen tomar la tensión alterna de la red para convertirla en una baja tensión de tipo continua que, a veces, suele ser de tipo ajustable. Acumuladores: responden a los mismos principios que las pilas pero ofrecen la ventaja añadida de que pueden ser recargados una vez que se hayan agotado. Su tensión nominal suele ser de 1,2 V. Los más difundidos son los de Níquel-Cadmio (Ni-Cd). Batería de coche: no es más que un acumulador bastante especializado. Consta de un conjunto de elementos (normalmente 6) agrupados para que ofrezcan una tensión continua de unos 12 V. Una de sus principales características es su gran capacidad. Efecto piezoeléctrico : éste hace uso de un principio según el cual algunas sustancias (cristales) hacen aparecer una diferencia de potencial en sus caras al aplicarles cierta presión. Este se conoce como efecto piezoeléctrico. Los micrófonos de tipo piezoeléctrico, por ejemplo, hacen uso de este efecto. Efecto fotoeléctrico: las células solares o el conjunto de estas (paneles solares) hacen uso de este efecto. Cuando la luz incide sobre las dos capas del material fotosensible que las constituye se genera entre ellas una d.d.p. susceptible de ser utilizada para alimentar una carga. La alimentación de, por ejemplo, un repetidor de TV o telefónico en un sitio recóndito es un buen campo de aplicación para las fotocélulas. Energía eólica: es de amplia aplicación en lugares de fuertes vientos. No es otra cosa que generadores dotados de palas de gran superficie solidarias al eje de los mismos. La fuerza del viento hace el resto.
COMPONENTES ELECTRONICOS EN CD Puede que una vez conocido el reparto que "actuará" en nuestra obra no tengamos muchas esperanzas de que su "puesta en escena" sea un éxito total. Pero... démosles una oportunidad a los protagonistas. Su primera "representación" será en el escenario de la corriente continua.
El enunciado de la Ley de Ohm, por mucho que intentemos evitarlo, nos perseguirá durante toda nuestra vida de aficionado al mundillo electrónico. Para no pasar de hoy mismo sin conocer a fondo este asunto, vamos a hacer un alto (por lo demás, imprescindible) en el camino de nuestra obra a fin de describir este tema detalladamente. En el siglo XIX, el físico alemán Georg S. Ohm se ocupó de investigar la relación de proporcionalidad existente entre la corriente eléctrica (I) y la tensión (V). Dicha relación se demostró como lineal en aplicaciones donde se utilizara la corriente continua. En el año 1826 publicó los resultados de sus experimentaciones. La Ley de Ohm se aplica de forma sencilla a los circuitos básicos de CC y a todos los dispositivos que empleen esta corriente. La unidad de resistencia eléctrica se denomina ohmio, en honor del mencionado investigador. La representación de la misma se realiza con la letra griega "omega " ( ). La definición formal de la Ley de Ohm viene a expresarse así: "La intensidad de la corriente presente en un circuito eléctrico es igual a la tensión en extremos del mismo dividida por su resistencia ". Las unidades manejadas para que la citada fórmula se cumpla son: la tensión (V) expresada en voltios, la corriente eléctrica (I) en amperios y la resistencia eléctrica (R) en ohmios.
La forma en que la Ley de Ohm se comporta linealmente se puede explicar de una manera sencilla y rápida. Imaginemos una tensión constante ejemplo, de 220 V alimentando a una resistencia susceptible de ser variada arbitrariamente, posteriormente veremos que dicha resistencia existe y se la denomina potenciómetro. Si la resistencia toma un valor de 22 ohmios la intensidad será de 220/22=10 A. Pero si ahora variamos el valor de la resistencia conectada en el circuito anterior, la tensión sigue siendo igual a 220 V y, supongamos, la resistencia toma un valor doble al que tenía anteriormente, esto es, 44 ohmios, la intensidad será esta vez igual a 220/44=5 A.
Como vemos, la fórmula de Ohm se comporta linealmente, es decir, si duplicamos la resistencia (manteniendo V constante) el valor de la intensidad que circula por po r el circuito se divide por dos.
LA POTENCIA ELÉCTRICA Antes de continuar con los circuitos en CC hemos de adentrarnos en el conocimiento de una nueva magnitud: la potencia eléctrica. eléctrica . La potencia eléctrica viene a ser la medición de la capacidad para desarrollar un trabajo por parte, por ejemplo, de la tensión. El trabajo producido por dicha tensión al ser aplicada en una resistencia dada puede traducirse en calor (como es el caso de un calefactor), en energía luminosa, como sucede en las lámparas y otros elementos similares. La potencia eléctrica (P) se mide en vatios y se puede expresar en términos eléctricos que nos son mucho más conocidos. Por ejemplo, la fórmula que nos expresa la potencia consumida (en vatios) al fluir una intensidad (en ohmios) a través de un circuito alimentado por una tensión dada (en voltios) es la siguiente: P=V * I (donde P es el símbolo de la potencia). La ley de Ohm liga de alguna manera los conceptos de tensión, intensidad y resistencia. La potencia es una magnitud eléctrica más y puede, por tanto, ser expresada en función de cualquiera de las otras magnitudes mencionadas.
La tabla correspondiente nos permite ver la interrelación entre todas las magnitudes eléctricas descritas hasta el momento. Cabe mencionar, asimismo, que la aplicación de dichas fórmulas es totalmente acertada siempre y cuando estemos trabajando con corriente continua. A la hora de manejar las mismas magnitudes, pero sobre corriente alterna, la cosa cambia notablemente.
LOS COMPONENTES ANTE LA C.C. Hasta este momento hemos aplicado la Ley de Ohm sobre una resistencia y hemos visto como se comportan la intensidad y la tensión en bornes de esta. Ahora vamos a dejar de lado, por un momento, las resistencias y comenzaremos a estudiar el comportamiento de condensadores y bobinas ante el paso a través de ellos de una corriente de tipo continua.
LAS BOBINAS FRENTE A LA C.C. Cuando se hace circular una corriente continua a través de una bobina, esta se comporta, a efectos resistivos, como un hilo conductor y ofrece al paso de la misma una resistencia que dependerá del material conductor (cobre, plata, aluminio, etcétera). Pero, además, una bobina sometida a la variación que supone pasar de estar con sus extremos al aire a ser conectada a una diferencia de potencial, genera a su alrededor un campo magnético, magnético , de algún modo igual al generado por un imán permanente.
La circulación de una corriente a través de un hilo conductor genera también alrededor del mismo un campo magnético, el cual es muy pequeño. Cuando arrollamos dicho cable en espiras, es decir, conformando una bobina, obtenemos una "suma "suma " de campos que origina que la inductancia magnética generada sea de mucha más magnitud.
La inductancia se suele representar por la letra "L "L" y, como ya hemos mencionado, es prácticamente nula en un conductor recto, el cual sólo posee cualidades resistivas. Pero, si nos fijamos en un conductor arrollado, vemos que la aplicación de una tensión en sus extremos origina una inductancia (L) mayor. Dicha inductancia presenta la "originalidad "originalidad " de ofrecer, ante la presencia de una fuerza electromotriz generadora, una fuerza contralectromotriz contralectromotriz que tiende a oponerse a la primera.
El tiempo que tarda la corriente en llegar a su valor máximo depende tanto del valor resistivo u óhmico de la bobina, para entendernos, como de la inductancia de la misma (representada por la l a letra "L"). Si la inductancia es grande y la resistencia es muy pequeña la corriente que atraviesa la bobina aumentará lentamente y viceversa. Para fijar este tiempo (al que denominaremos "t "t ") ") debemos aplicar la fórmula siguiente: "t"=L/R; "t"=L/R; donde "t "t " será el tiempo (en segundos) en que la intensidad alcanza el valor máximo (realmente el 63% del mismo); R será la resistencia óhmica de la bobina (en ohmios) y L la inductancia de la misma, la cual se mide en Henrios (H). A esta fórmula se la denomina en electrónica "constante "constante de tiempo RL". RL". Para entendernos, basta con ver el siguiente ejemplo: Supongamos que una bobina de inductancia igual a 35 Henrios tiene una resistencia óhmica de 700 ohmios. La constante de tiempo "t "t " será, por tanto,: "t" = L/R = 35/700 = 0,05 segundos. segundos . Si dicho circuito se conecta a una pila (por tanto CC CC)) cuya fuerza electromotriz, para entendernos, es de 9V la intensidad que circulará a través de la l a misma será de 0: I = V/R = 9/700 = 0,012 A = 12 mA. (miliamperios). De todo ello se deduce que al conectar una bobina, cuya resistencia es de 700 Ω y cuya inductancia alcanza 35 H, a una fuente de CC de 9V, y después de un tiempo de 50 milisegundos (los 0,05 segundos calculados), obtendremos una intensidad a través de dicha bobina de 7,5 mA (63% de los 12 mA calculados).
La inductancia de una bobina depende de los detalles constructivos de la misma. Influyen en el valor de la inductancia el número de espiras de dicha bobina, su longitud y, algo muy importante, el núcleo de la misma. La distancia entre espiras consecutivas es también determinante en el valor inductivo final. Baste sólo recordar lo ya explicado anteriormente, donde se establecía que los campos magnéticos originados en cada una de ellas pueden sumarse a las contiguas, si estas se encuentran lo suficientemente próximas. Por el contrario, si separamos las espiras contribuiremos a disminuir el campo magnético susceptible de ser sumado y, por tanto, la inductancia resultante se verá mermada. La unidad de medida de la inductancia debe su nombre a Joseph Henry, Henry, descubridor de dicho fenómeno.
La definición "formal "formal " de la inductancia puede resumirse de la siguiente forma: Un circuito posee una inductancia igual a un Henrio cuando una variación de corriente de un amperio ocasiona en el mismo una inducción de fuerza electromotriz (o fuerza contraelectromotriz ) opuesta igual a un voltio. En el "mundillo "mundillo " electrónico se considera a la unidad Henrio ciertamente excesiva, por lo que nos será más fácil toparnos con subunidades tales como el miliHenrio (0,001 H) o el microHenrio (0,001 mH). Para resumir, podemos afirmar que las bobinas poseen inductancia de forma semejante a como los resistores ("resistencias ("resistencias ", ", para los puristas) poseen resistencia eléctrica.
LOS CONDENSADORES FRENTE A LA C.C. Con relación a los condensadores también podemos describir toda una bibliografía acerca de su comportamiento al ser alcanzados por una tensión de tipo continua. Según podemos ver en la ilustración correspondiente, el condensador básico es, por definición, tan solo un par de piezas de material conductor separadas por otro material de tipo aislante, el cual puede ser únicamente aire. Se ha convenido en denominar "armaduras " a las dos placas que constituyen el condensador, mientras que a la sustancia aislante que las separa se le asigna la denominación de "dieléctrico ".
El evento que ocurre cuando un condensador se conecta a una fuente de corriente continua es la carga del mismo. El condensador permanece en estado neutro, ambas armaduras tienen una carga neutra la una respecto a la otra si partimos de la posición B (suponemos el condensador totalmente descargado). Pasamos luego el interruptor a la posición A y los electrones presentes en la placa o armadura conectada al polo positivo de la alimentación son atraídos por este, con lo que dicha placa queda con un "déficit " de electrones o, dicho de otro modo, adquiere una carga positiva. En el polo opuesto del condensador ocurre una situación similar pero de sentido inverso, es decir, el polo negativo de la batería "envía " electrones hacia la placa del condensador a la que está conectada. Esto, por supuesto, se traduce en que dicha placa adquiere una carga de signo negativo o, lo que es igual, un exceso de electrones. Las placas del condensador están siempre separadas por un material aislante (dieléctrico) por lo que, al conectar un condensador a la alimentación (continua), lo que siempre ocurre es que éste se carga de forma inmediata. A pesar de que la circulación "real " a través del dieléctrico no se da, se origina en el momento de la carga una circulación de corriente eléctrica a través del conductor que une el condensador a la alimentación. Dicha intensidad, medible, por otra parte, con un amperímetro de adecuada sensibilidad, se debe a la secuencia de carga dada en el instante de conectar el condensador a la batería y que evoluciona como ya se ha explicado anteriormente. Dicha circulación se debe a que, en el instante de conectar la alimentación a las placas del condensador se establece una diferencia de potencial entre las placas del mismo y los polos de la citada alimentación. Una vez que el potencial se iguala, lo cual tiene lugar en breves instantes, la circulación (por así decirlo) en el circuito se detiene. Podemos, en este instante, decir que el condensador se ha cargado. La razón de que el condensador permanezca "cargado " se debe a que sus dos placas han adquirido un potencial idéntico entre sí pero de signo contrario. Dicha situación se traduce en una atracción entre cargas que no pueden llegar a juntarse por la separación a la que el dieléctrico aislante las somete. Esta atracción es la explicación de la citada "carga " del condensador.
Si en este instante desconectáramos el condensador del circuito, comprobaríamos que el mismo permanece cargado (no hay un "camino " eléctrico para que pueda descargarse). Pero lo que vamos a hacer ahora es pasar el interruptor, de nuevo, a la posición B. Ahora ya no partimos de un condensador en estado neutro sino de un condensador ya cargado. Al dar a las placas del condensador una posibilidad de equilibrar sus cargas estamos procediendo al evento contrario al anterior, es decir, a la descarga del condensador. La diferencia de potencial entre placas hace que, por un instante, el circuito se asemeje a una pila alimentando a una resistencia (R) conectada en serie con ella, pero con una salvedad, aquí no hay reacción química entre polos (placas del condensador) ya que estos no son más que un par de materiales conductores separados por una sustancia más o menos aislante. De aquí podemos deducir ya, que, al haber un desequilibrio de cargas entre placas (una es positiva y la otra negativa) y conectarlas a través de R, se produce una circulación de electrones para "solucionar " dicho desequilibrio y conseguir igualar el potencial eléctrico entre placas. Este suceso se conoce como "descarga " del condensador. La "carga" del condensador responde a una circulación de corriente alta en principio y nula al final, cuando el mismo ya está cargado. La "descarga " del condensador también genera una circulación de electrones alta en el primer instante pero nula al final del proceso. La diferencia entre una corriente y otra es que son de sentido contrario.
En la ilustración que representa el circuito de carga/descarga del condensador, podemos observar también unas curvas que representan la evolución de la tensión (potencial) en bornes del condensador, al poner el mismo en posición B partiendo de un condensador neutro (descargado)y al ponerlo en la posición A. Ambas curvas están convenientemente identificadas como "carga " y "descarga ". En la primera curva, la tensión en bornes del condensador es nula en el instante de conectarlo a la pila y aumenta hasta que este se carga. En la segunda curva, vemos que partimos de un condensador cargado y, en el momento de unir sus placas a través de R, se origina una descarga progresiva. Tanto en el caso de la carga como de la descarga del condensador, la circulación de corriente tendrá una duración mayor o menor dependiendo de la resistencia a través de la que se conecte el condensador. A esta duración se le asigna en electrónica el nombre de "constante de tiempo RC ". Se define por constante de tiempo RC, al transcurrido desde que se inicia la carga de un condensador conectado en serie con una resistencia hasta que las placas del mismo adquieren un potencial del 63% del valor final (el de la alimentación). En el caso de la descarga, se trata del tiempo que transcurre hasta que el condensador disminuye su potencial entre placas y alcanza el 37% del valor inicial del mismo.
LAS RESISTENCIAS FRENTE A LA C.C. El hecho de que denominemos a un componente como resistencia "pura " no hace sino destacar que el resto de componentes comentados antes, esto es, bobinas y condensadores, no se puedan estudiar como entes meramente capacitivos o inductivos. Como ya iremos viendo posteriormente, aunque, en teoría, hablemos de inductancia y capacidad, al tratar con circuitos de corriente alterna habrá que tener en cuenta el hecho de que un condensador posee, además de capacidad, un pequeña componente resistiva. Lo mismo ocurre con las bobinas: el hilo que constituye la bobina, aparte de ofrecer el fenómeno inductivo, tiene un valor resistivo claramente calculable en ohmios. COMPONENTES ELCTRONICOS EN CD (APLICACIONES) Pasaremos ahora revista a unas pocas aplicaciones de CC para ocuparnos luego de las posibilidades de conectar entre sí más de un componente electrónico y la forma en que la corriente continua evoluciona sobre dichas combinaciones. Los lugares en que podemos encontrar aplicación a circuitos alimentados por corriente continua son múltiples. Podemos citar, a modo de ejemplo, los siguientes: La luneta térmica del coche: convierte la energía consumida de la batería en energía calorífica, la cual produce el efecto de desempañado deseado.
Un electroimán: en este supuesto, la energía eléctrica suministrada por la alimentación se convierte en energía magnética.
Una linterna: la bombilla es el dispositivo encargado de transformar la energía eléctrica de la pila en energía luminosa. Un pequeño ventilador para coche: en este caso, la corriente de aire se debe a que existe un dispositivo que mueve las aspas del ventilador. Este dispositivo es el motor de CC, el cual se encarga
de convertir la energía eléctrica de la batería del coche en energía mecánica capaz de mover las citadas aspas. SUMA DE RESISTENCIAS Es posible conectar entre sí dos o más resistencias. Si tomamos los extremos de dichas asociaciones de resistencias, y medimos su resistencia en un ohmímetro, estaremos leyendo el valor de lo que se conoce como Resistencia Equivalente o Resistencia Total del circuito. Además de poder medir el valor de la resistencia total (Rt), efectuaremos también el cálculo numérico adecuado para determinarlo. En las siguientes líneas veremos las diferentes formas de conectar las resistencias entre sí y el modo de calcular la resistencia equivalente del circuito.
Como podemos en la ilustración correspondiente, en la que hay resistencias asociadas, éstas están conectadas entre sí de forma que una patilla de R1 se conecta a la batería y la otra a una patilla de R2. La otra patilla de R2 se conecta a R3 y así sucesivamente. Este tipo de asociación de componentes recibe el nombre de conexión en "serie ". En la ilustración correspondiente podemos ver que todas las patillas de la izquierda de las tres resistencias están unidas en un punto común, y lo mismo ocurre con las de las del otro lado. Este tipo de montaje responde al nombre de conexión en "paralelo ".
En nuestra propia casa podemos ver ejemplos de conexiones serie y paralelo. Por ejemplo, el conjunto de tres o más enchufes conectados a una única toma en la pared constituye un caso de conexión en paralelo. Otro ejemplo, las recurridas lucecitas del árbol navideño están unidas entre sí en conexión serie. Vamos ahora a ver como se comporta la Ley de Ohm en el caso de la conexión de resistencias en serie. En el caso de la primera de las figuras (conexión en serie), la intensidad que circula por el circuito es idéntica a lo largo del mismo. Si la alimentación es igual a V la intensidad será igual (aplicando Ohm) a: I = V/Rt. Pero ahora debemos calcular Rt la cual, en el caso de resistencias conectadas en serie, será: Rt = R1 + R2 + R3
Podemos añadir aquí que la tensión que hay en extremos de cada una de las resistencias no será igual a V, sino que tendrá un valor proporcional a su propia resistencia. La suma total de las caídas de tensión (c.d.t.) en extremos de las tres resistencias será igual a la alimentación V. De aquí podemos deducir que, para calcular la tensión en extremos, por ejemplo, de R1, debemos aplicar: V = R I ==> V1 = R1 * I V = V1 + V2 + V3 En el caso de la asociación en paralelo, la tensión en extremos de cada resistencia sí es igual a la tensión de alimentación: V = V1 = V2 = V3 Pero no ocurre lo mismo con la intensidad. La intensidad total (I) se divide en varias "ramas " por lo que a cada resistencia le atravesará una intensidad proporcional a su valor: I = i1 + i2 + i3 El cálculo de la intensidad total que atraviesa el circuito se realiza también con la Ley de Ohm. Es decir, I = V/Rt y, como en el caso anterior, nos vemos obligados a calcular Rt. Para ello aplicamos la fórmula: 1/Rt = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 o, lo que es igual: Rt = 1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3)
El la ilustración correspondiente podemos ver un montaje "mixto ". En este caso nos encontramos con una conexión paralelo (R2 y R3) en serie con otra resistencia (R1). Para calcular la resistencia equivalente en éste y otros circuitos del mismo tipo mixtos se realizará una "reducción " de cada circuito de forma que a los resultantes podamos aplicarles las fórmulas explicadas anteriormente. En este caso procederemos de la siguiente manera: reduciremos la asociación paralelo para obtener la resistencia equivalente a ésta (la denominaremos Ra-b. Una vez obtenido el valor de Ra-b aplicaremos la fórmula de resistencias en serie entre la citada Ra-b y R1. El cálculo quedará de la siguiente forma: Ra = 1/(1/R2 + 1/R3) Rt = Ra+ R1 I = V/Rt De aquí podemos deducir que cuando nos encontremos con circuitos mixtos de cierta complejidad procederemos a "reducir " las ramas paralelo a una resistencia equivalente, para luego sumar entre sí las resistencias serie resultantes. Antes de dar por zanjado el tema del cálculo de las resistencias equivalentes a una asociación de las mismas vamos a comentar un par de "trucos " que se deducen de la simplificación de las fórmulas ya comentadas en sendos casos particulares de montajes paralelo: Caso de asociación de dos resistencias: Rt = (R1 R2) / (R1+R2) podemos utilizar esto para simplificar "ramas " de dos en dos si nos parece más rápido que utilizar la fórmula general. Caso de múltiples resistencias de idéntico valor: Suponemos que tenemos N resistencias de igual valor (R) conectadas en paralelo. La resultante será: Rt = R / N
SUMA DE CONDENSADORES La asociación de condensadores también puede ser en serie o en paralelo, se resuelve calculando la capacidad equivalente (o total). Las fórmulas a aplicar son las siguientes: Caso de N condensadores en serie: Ct = 1 / (1/C1 + 1/C2 +... + 1/CN) Caso de N condensadores en paralelo: Ct = C1 + C2 + C3 +... + CN Como podemos ver, las fórmulas a aplicar para calcular la capacidad total son las inversas (aritméticamente hablando) a las empleadas en el caso de las resistencias.
SUMA DE INDUCTANCIAS En el caso de inductancias, sí rigen fórmulas similares a las de las resistencias para calcular la inductancia total. Caso de N inductancias en serie: Lt = L1 + L2 + L3 +... + LN Caso de N inductancias en paralelo: Lt = 1 / (1/L1 + 1/L2 +... + 1/LN)
COMPONENTES ELECTRONICOS EN AC La corriente alterna se muestra algo más compleja a la hora de lidiar con nuestros protagonistas. Vamos a estudiar en profundidad el comportamiento de los componentes denominados "pasivos" cuando actúan en circuitos alimentados con corriente alterna.
La corriente alterna, tal y como se ha visto anteriormente, es aquella que varía su polaridad de forma regular. No debemos confundir la corriente alterna con la corriente pulsatoria. Esta última puede responder a una forma ciertamente no muy constante pero queda claro que no varía su polaridad de forma alterna. El componente más pasivo de los que hemos visto hasta ahora es, sin lugar a dudas, la resistencia, que, sin embargo, no va a ser el componente estrella de este apartado ya que las variaciones de polaridad no influyen demasiado en el comportamiento electrónico de la misma. Antes de continuar, no podemos hablar de efectos de resistencia, inductancia y capacidad puros, sino más bien de efectos simultáneos. A la hora de enfrentarnos a la corriente alterna tenemos que empezar a considerar seriamente que una bobina no es solo una inductancia sino que también posee cierta cantidad de resistencia óhmica. Por esta razón, y a partir de ahora, cuando veamos
una "L" en un circuito debemos pensar que estamos ante un componente que en realidad debe representarse como "L+ R".
El mismo criterio rige para los condensadores. Cada vez que tengamos un condensador delante debemos acostumbrarnos a ver un "C+ R". Para circuitos de corriente alterna, a la resistencia que ofrece un condensador al paso de la corriente eléctrica se la denomina "reactancia capacitiva ", mientras que a la resistencia que ofrece una bobina a la CA se la denomina "reactancia inductiva ". Su representación es, respectivamente, Xc y XI.
GRÁFICA DE CORRIENTE ALTERNA A pesar de que ya hemos comentado anteriormente la semejanza que hay entre la forma que adquiere la tensión alterna y una curva de forma sinusoidal, es hora de explicar el porqué de esta forma de representarla. La tensión - la llamamos tensión - alterna invierte su posición gráfica, es decir, su polaridad real, cambiando de signo de forma periódica (alterna). La senoide que representa está tensión puede dibujarse tomando como referencia las posiciones de un vector que gira recorriendo una circunferencia. El valor "T" será el del valor instantáneo de la tensión. Al efectuar el recorrido completo, esto es, los 360 grados, se produce la disminución, paso por cero, disminución, valor máximo negativo, aumento y, pasando de nuevo por cero, la llegada al punto de partida (90 grados), donde el valor vuelve a ser máximo y positivo.
Si trasladamos, gráficamente, estos valores al eje de tiempo (o de grados rotados) podemos observar la forma sinusoidal que se suele identificar como corriente alterna. Tanto la forma sinusoidal como los vectores son muy utilizados cuando precisamos entender de una forma intuitiva el tema de tensiones y corrientes.
CONCEPTO DE FASE Dicen que un buen ejemplo puede más que la mejor de las explicaciones. Por esta razón vamos a explicar el concepto de Fase con un ejemplo práctico. Tanto la representación vectorial como el de señales alternas nos servirán para explicar los conceptos ligados a la corriente alterna.
En la ilustración correspondiente podemos ver (A) una resistencia (pura) alimentada a partir de una corriente alterna. En el sistema vectorial (C) se muestran los vectores que asociamos a una tensión dada (V) y a una intensidad existente en el circuito (I). El hecho de que ambos vectores se dibujen uno sobre otro sirve para indicarnos que "en un circuito resistivo puro alimentado por una corriente alterna, la tensión y la corriente están en fase ". El esquema de señales (B) nos puede dar una idea más clara del concepto. Como vemos, ambas señales, tensión e intensidad, son de magnitud diferente e igual frecuencia y, además, evolucionan en el sentido del tiempo de forma sincronizada, esto es, en fase. Todo ello se puede entender mejor con solo observar que parten de cero y pasan por cero (se entiende valor cero) en el mismo instante y, además, alcanzan sus respectivos máximos y mínimos también en idéntico momento. En la figura podemos ver el ejemplo de dos señales -S1 y S2- que también pasan por cero de forma simultánea y son de idéntica frecuencia pero, a diferencia de lo que ocurría con las anteriores, cuando una alcanza su valor máximo la otra llega a su respectivo mínimo, y viceversa. De este tipo de señales se puede decir que son de diferente magnitud (sus respectivos máximos difieren), idéntica frecuencia y no están en fase, es decir, las dos señales están desfasadas entre sí.
El desfase entre dos señales se puede medir. La unidad que se utiliza para ello suele ser el grado. En la figura podemos ver tres señales cuya fase es diferente. En (A) las dos señales están desfasadas 90 grados: la posición relativa de una de ellas con respecto a la misma posición en la otra se da transcurridos 90 grados. En (B) las dos señales están desfasadas 180 grados, una es máxima cuando la otra alcanza su valor mínimo. Por último, en la figura (C) vemos dos señales en fase donde tanto sus máximos y mínimos como el paso por el valor cero suceden en el mismo instante.
INDUCTANCIA Y RESISTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA Si a un generador de corriente alterna le conectamos una bobina en serie no podremos estudiarla de forma coherente si consideramos a esta como inductancia pura. La ilustración nos permite ver cómo podría ser el esquema de distribución de las señales V e I en el caso de que la bobina dibujada se comportara como una inductancia pura. Esto no es tan estricto en la práctica, pero nos sirve para afirmar que en todo circuito de carácter inductivo la corriente está retrasada con respecto a la tensión.
En el caso comentado, inductancia pura, se origina un desfase de 90 grados entre la tensión (V) y la intensidad (I). Esta última puede calcularse con la Fórmula de Ohm pero sustituyendo la "R" por la "Xl", es decir, la resistencia por la reactancia inductiva anteriormente comentada. El valor de la reactancia inductiva depende tanto de la frecuencia que ataca a la bobina como de la inductancia de la misma. La fórmula será I = V/(2ΠfL) = V/(ωL) donde : I = intensidad V = tensión f = frecuencia (hercios) L = inductancia (henrios) como vemos, se suele simplificar el producto "2*Π* f" por "ω". A la expresión "ω" se la suele denominar pulsación. Como podemos ver por la fórmula, la reactancia inductiva aumenta con la frecuencia. Si ahora consideramos un circuito de alterna en el que tengamos colocados en serie una resistencia y una bobina, y aplicamos la base de la Ley de Ohm, podemos deducir que la intensidad que atraviesa ambos componentes será de igual magnitud, tal y como ocurría con los circuitos serie de continua, pero a la hora de trabajar con alterna el cálculo de las caídas de tensión en cada componente deberá hacerse atendiendo al carácter del mismo (tipo resistivo, capacitivo, inductivo, etc.).
En el circuito de la figura correspondiente se puede ver la resistencia y la bobina que son alimentadas por la fuente de corriente alterna. También podemos apreciar el desfase existente en caídas de tensión entre uno y otro componente. Debido a que las tensiones en bornes de cada componente se pueden calcular por la Ley de Ohm, aplicando que V=I*R, y a que las intensidades que circulan por bobina y resistencia están desfasadas entre sí 90 grados, la única forma de calcular la tensión total que alimenta el circuito serie es aplicando la representación vectorial que vemos en la figura y calculando con la fórmula pitagórica también indicada el valor de Vca.
Debido a que toda bobina "real " no puede considerarse pura, se hace necesario definir un nuevo parámetro que englobe la resistencia debida al componente resistivo, valga la redundancia, de la bobina y el componente de resistencia debido a la característica inductiva de la misma. Este nuevo parámetro es la impedancia. La forma de representar en los circuitos electrónicos la magnitud descrita es con la letra "Z". Su unidad de medida es también el ohmio y, al igual que ocurre con otras magnitudes sometidas a la corriente alterna, su cálculo requiere que apliquemos de nuevo la representación vectorial.
En el esquema correspondiente vemos la representación vectorial de la impedancia (Z) que, como podemos comprobar, se obtiene de la suma vectorial de R y Xl. También podemos comprobar la fórmula a aplicar para su cálculo, la cual es mera aplicación de la trigonometría más clásica.
Otra posibilidad que nos encontramos en las diferentes combinaciones de resistencia y bobina es la de que ambas estén conectadas en paralelo a una fuente de tensión alterna. Esto es lo que quiere representar la figura correspondiente. En ella podemos observar que la intensidad que llega al "nudo", de donde parten ambas ramas, se bifurca en dos intensidades distintas -al igual que nos ocurría con circuitos paralelo en CC-, pero, esta vez, la intensidad total que circula por ambas ramas no es tan sencilla de calcular. Para ello tendremos que recurrir, de nuevo, a la representación vectorial y a la suma trigonométrica. Como podemos ver, la intensidad que circula por la rama resistiva pura (IR) está en fase con la tensión, pero la intensidad que recorre la bobina (IL) está, como ya hemos indicado, atrasada con respecto a la tensión (en el supuesto partimos de la idea de que la bobina es una inductancia pura, esto es, sin resistencia, por lo que el comentado desfase o retraso será de 90 grados).
CAPACIDAD EN CORRIENTE ALTERNA Al igual que ocurre con las bobinas, los condensadores también presentan especiales características a la hora de lidiar con la corriente alterna. En la primera ilustración dedicada a los condensadores podemos observar cómo evolucionan la intensidad y la tensión alterna al ponerse en contacto con la CA.
Tal y como ocurre con las bobinas, se origina un desfase de 90 grados entre tensión e intensidad pero, a diferencia de lo que ocurría con aquéllas, en este caso es la corriente (I) la que está adelantada con respecto a la tensión (V). En el esquema vectorial podemos ver la representación gráfica de este desfase que, si la capacidad es pura, si no ofrece resistencia alguna, será de 90 grados. Pero la resistencia que ofrece el condensador se puede calcular tal y como hemos explicado en el caso de las bobinas, es decir, calcularíamos en lugar de ésta la impedancia que ofrece el citado condensador. La fórmula a emplear es idéntica a la usada para calcular la "Z" de un circuito inductivo, pero utilizando la reactancia capacitiva en lugar de la inductiva, esto es, sustituiremos Xl por Xc.
Respecto a la forma en que se comportan tensión e intensidad en un circuito capacitivo podemos comenzar estudiando el caso de resistencia y condensador conectados en serie. Las caídas de tensión (c.d.t.) que tendremos en bornes del condensador y de la resistencia estarán desfasadas los consabidos 90 grados. Para calcular la tensión total deberemos hacer uso de nuevo del cálculo vectorial. Como vemos, la tensión que cae en bornes de la resistencia se encuentra en fase con la intensidad y, por el contrario, la tensión que cae en extremos del condensador está desfasada 90 grados con respecto a la anterior. Podemos comprobar aquí que se cumple el retraso de V respecto a I. Otra forma de conectar y estudiar un conjunto de resistencia y condensador es en montaje paralelo. En la figura podemos ver la representación gráfica del desfase que se origina entre intensidades en este circuito. La intensidad total It se calculará mediante la suma vectorial de la intensidad que circula por la resistencia y la que circula por el condensador. Como sabemos, la circulación a través del condensador no es tal, ya que si recordamos el comportamiento de los condensadores en CC, estos no hacen sino cargarse a un determinado potencial. El cambio constante de sentido de la corriente inherente a la CA hace que el condensador desarrolle ciclos de carga y descarga continuos, lo cual, en efecto, es una circulación de electrones.
De lo visto hasta el momento podemos sacar unas conclusiones bastante claras que nos ayudarán posteriormente a "simplificar ", por así decirlo, todos los circuitos que combinen elementos R, L y C. He aquí las conclusiones mencionadas: - En una resistencia conectada a una fuente de voltaje de tipo alterno, la caída de tensión en sus extremos estará en fase con la corriente. - En una inductancia conectada a una fuente de voltaje de tipo alterno, la caída de tensión en sus extremos estará 90 grados en desfase (adelanto) con respecto a la corriente. - En un condensador conectado a una fuente de voltaje de tipo alterno, la caída de tensión en sus extremos estará 90 grados en desfase (retraso) con respecto a la corriente. TEORÍA SOBRE CIRCUITOS L-R-C Los circuitos que combinan elementos inductivos, capacitivos y resistivos - casi todos los circuitos electrónicos prácticos se basan en estos componentes principales - se resuelven aplicando combinaciones de las fórmulas anteriormente descritas. En la práctica, la Ley de Ohm no puede utilizarse con precisión en circuitos de corriente alterna. Es por ello por lo que debemos hacer uso de representaciones y cálculos de tipo vectorial como los anteriormente descritos. Para calcular, por ejemplo, la intensidad en un circuito tipo serie LRC vamos a partir primeramente del supuesto del circuito LC anteriormente explicado. Si colocamos en serie una resistencia de, por ejemplo, 3 ohmios con una bobina cuya Xl sea de 4 ohmios, y alimentamos el circuito a una tensión de 100 V, sólo hay que aplicar las fórmulas descritas y llegaremos a la conclusión: Vt² = Vr² + Vl² ===> (100)² = (I*3)² + (I*4)² = I²*(25) ===> I² = 10000/25 ===> I = 20 A Si el caso se repite con una resistencia de 3 ohmios y una bobina de 4 ohmios y un condensador de 5 ohmios aplicamos el cálculo trigonométrico de nuevo y comprobamos que el adelanto de la bobina se compensa con el retraso del condensador y, para realizar el cálculo de la intensidad que circula, deberemos sumar los vectores debidos a inducción y capacidad, los cuales son de idéntica dirección pero de sentido inverso, es decir, están en oposición. La tensión reactiva será la debida a los componentes desfasadores incluidos. En este caso, ésta es: Xc- XI = 5-4 = 1 ohmio. Como vemos, el circuito resultante será de tipo capacitivo al prevalecer dicho efecto al inductivo.
La intensidad circulante será entonces función de la R y la X (reactancia resultante). Aplicamos fórmulas y tenemos : V² = (I*R)² + (I*X)² ===> (100)² = (I*3)² + (I*1)² ===> (100)² = I²*(9) ===> I² = 10000/9 ===> I = 33,3 A
COMPONENTES ELECTRONICOS EN AC (CIRCUITOS RLC EN EL MUNDO REAL) No es que la realidad supere a la ficción pero sí que existen ciertas particularidades añadidas en el tema de componentes capacitivos e inductivos en la práctica que vamos a abordar seguidamente.
Para comenzar comentaremos ciertos detalles constructivos sobre las bobinas. En el funcionamiento de las bobinas no todo es de color de rosa sino que existen ciertos efectos negativos debidos al propio efecto de inducción electromagnética y que se intentan paliar de diversas formas. Uno de estos problemas es el efecto pelicular o "Joule " por el cual la corriente alterna que circula por un conductor tiende a hacerlo por la superficie exterior del mismo, evitando el paso por su parte central. Esto se traduce en un aumento innecesario de la resistencia óhmica del conductor. Si partimos del hecho de que este efecto no se da en el caso de corriente continua y, como parece obvio, la frecuencia de una corriente continua es igual a cero (no hay variaciones de polaridad) no nos será difícil intuir ya que el efecto pelicular será mucho más intenso cuanto mayor sea la frecuencia de la corriente alterna utilizada. Para paliar este efecto se han buscado un par de soluciones interesantes: En el caso de bobinas destinadas a soportar corrientes elevadas y frecuencias altas se utilizan conductores en forma tubular de material de cobre recubierto de plata (no debemos olvidar que la plata es aún mejor conductor que el cobre). El cobre realiza casi exclusivamente la misión de soporte y es el exterior de plata el que realiza las labores de conducción. En el caso de bobinas de uso común los fabricantes han recurrido a un método más sencillo: constituir la sección total del conductor fabricado a partir de un buen número de conductores de una sección mucho menor. La suma de las secciones de todos ellos será igual a la sección necesitada. Otro inconveniente que surge en la fabricación de bobinas se debe a la propia interacción del campo creado por un conductor recorrido por la corriente alterna sobre cualquier otro material conductor situado en su proximidad. En el caso de una bobina devanada (arrollada) sobre un núcleo de hierro se originan en el seno del mismo unas corrientes denominadas "corrientes de Foucault ". Debido a la
resistencia que el propio hierro opone al paso de las citadas corrientes se originan en las bobinas unas sensibles pérdidas de energía. Para paliar este problema se recurre a varios métodos, a saber: - En el caso de bobinas destinadas a trabajar en baja frecuencia y en transformadores (no olvidemos que un transformador no es más que el conjunto de dos o más bobinas) se recurre a la laminación del núcleo, es decir, se constituye un núcleo de las dimensiones precisas a partir de unas cuantas láminas que no son sino secciones del núcleo final. Dichas láminas están aisladas eléctricamente entre sí mediante una fina capa no conductora. Esto limita las pérdidas por efectoFoucault. - En aplicaciones de alta frecuencia se recurre a la utilización de un material especial para constituir el núcleo de la bobina. Se trata de un aglomerado obtenido a partir de polvo de hierro firmemente prensado. Se denominan "ferritas" y su utilización se incrementa en dispositivos que operen con frecuencias que superen los 10 KHz.
Los núcleos de ferrita posibilitan también la fabricación de bobinas de inductancia variable. Como quiera que la inducción de una bobina dada con núcleo de aire (es decir, vacía) se ve notablemente aumentada al colocar como núcleo de la misma un cilindro de ferrita, podemos utilizar este hecho para realizar inductancias variables. En ellas se puede actuar sobre el núcleo férrico de forma que se sitúe más o menos dentro del hueco de la bobina.
FACTOR "Q" DE UNA BOBINA Existe un factor denominado de mérito (también factor de calidad) de una bobina dada. Éste también se conoce como factor "Q". Viene dado por la relación existente entre la reactancia inductiva (Xl) y las pérdidas debidas a la resistencia óhmica de la citada bobina.
La fórmula aplicada para el cálculo del factor Q es: Q = Xl/R
Para que dicho factor o relación sea óptimo se suelen aplicar una serie de medidas a la hora de fabricar la inductancia, entre estas podemos citar: - El arrollamiento de la bobina debe ser el máximo que nos permita el cálculo constitutivo de la misma. - El grosor del soporte empleado para bobinar, esto es, el que sujeta, por ejemplo, la ferrita sobre la que devanaremos el hilo, debe ser lo menos grueso posible. Desde este punto de vista parece lógico que las bobinas de mejor factor Q sean las de núcleo de aire, siempre y cuando la inductancia así obtenida sea la buscada. - Dentro del número de espiras calculado para una bobina dada, y ciñéndose al espacio disponible en el alojamiento que se haya previsto para ella, debemos procurar que el diámetro del hilo empleado en su construcción sea el mayor posible.
TIPOS DE CONDENSADORES Existen en el mercado toda una gama de condensadores que sería difícil describir aquí en su totalidad. Lo que sí podemos hacer es resumir los tipos más comunes y sus características constructivas diferenciadoras.
- Condensadores de papel: su dieléctrico está constituido por papel parafinado. Se emplea en gamas de capacidad entre 100 pF y 1 µF. - Condensadores de poliéster: utilizan como dieléctrico materias plásticas (polímeros). Tiene la desventaja de presentar pérdidas en frecuencias que superen 1 MHz. - Condensadores de mica: se utilizan cuando se precisa un alto grado de estabilidad. La mica es el dieléctrico más estable que se conoce. Su gama de aplicación comprende desde 1 pF hasta 0,1 µF. - Condensadores cerámicos: los condensadores cerámicos son los idóneos para aplicaciones en equipos que trabajan con frecuencias muy elevadas. Sus valores de fabricación se sitúan entre 0,5 pF y 10 nF. Están constituidos por un pequeño disco de material cerámico que desempeña tanto el papel de dieléctrico como el de soporte.
- Condensadores electrolíticos: son, por definición, condensadores polarizados y su gama de aplicación suele ser la que supera el valor de 1 µF. Son, por lo general, de un tono más "vistoso " que sus compañeros (suelen estar encapsulados en colores negros o azules) y su serigrafía externa acompaña el valor en µF con una indicación de su polaridad, esto es, un signo "+" (polo positivo) o, lo que es más común, un signo "-" (polo o patilla negativa). Su constitución incorpora una lámina de aluminio enrollada que se conecta al polo positivo, otro arrollamiento sobre ésta de un papel impregnado de electrólito y, para rematar, otra capa más de aluminio, arrollada sobre ambas, y que se conecta al terminal negativo del condensador. - Condensadores de tantalio: son unos condensadores bastante similares a los electrolíticos pero incorporan como dieléctrico una finísima película de óxido de tantalio amorfo, de menor espesor y mayor poder aislante. Su principal ventaja radica en el tamaño. Para una capacidad similar a la de un electrolítico sus dimensiones son notablemente más reducidas. También son condensadores polarizados y, por tanto, incorporan identificaciones adecuadas en sus patillas. Condensadores variables (trimmers): los condensadores también pueden fabricarse de forma que su capacidad pueda ser variada a voluntad. Los circuitos de sintonía de cualquier tipo de receptor de ondas deben incorporar un circuito LC en el que se pueda modificar el valor del condensador (C). Para ello se fabrican condensadores de láminas metálicas móviles. La mitad de ellas están fijas al equipo (estator) y la otra mitad (rotor) puede actuarse mediante un eje solidario y hacer que entren en las ranuras de separación de las primeras. Queda claro que el dieléctrico en este caso suele ser de aire. Según frecuencias de aplicación existen condensadores variables que abarcan desde 5 pF hasta 500 pF.
Dentro de este tipo de condensador también podemos mencionar los pequeños (en comparación con los variables anteriores) condensadores de ajuste. Este tipo de condensadores se utiliza para compensar o ajustar pequeños diferencias que ocurren en la puesta a punto de los equipos. Se suelen conocer también por el nombre de "trimmers " y su capacidad alcanza habitualmente pocos picofaradios.
FABRICACION DE CIRCUITOS INTEGRADOS Los circuitos integrados son circuitos "comprimidos" en un chip que realizan la misma función que un circuito compuesto de transistores, diodos, resistencias, etc., cuyo número puede llegar a superar el millón de componentes.
Con la aparición de los circuitos integrados (c.i.) a finales de la década de los años cincuenta se ha producido un cambio total en la forma de fabricar los circuitos electrónicos. El factor más importante de este cambio es la gran reducción que se ha conseguido en el tamaño de dichos circuitos. Esta reducción ha traído consigo que todos los aparatos electrónicos sean mucho más pequeños y más manejables para todo el mundo y de ahí viene el gran "boom " de los ordenadores en la últimas décadas, así como de las calculadoras, relojes, etc. Pero ¿qué es exactamente un c.i.? Denominamos c.i. a un circuito electrónico metido en una cápsula de dimensiones muy reducidas, y que está constituido por un conjunto de diodos, transistores, resistencias y condensadores. Se fabrica todo sobre un sustrato común y en un mismo proceso, según diferentes técnicas que más adelante veremos. Lo importante es que cada c.i. puede desempeñar una función concreta sin interesarnos los componentes que contiene en su interior.
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS C.I. Además de su reducido tamaño, los circuitos integrados tienen numerosas ventajas. Una de las consecuencias de la implantación de los c.i., a la que apenas se le ha dado importancia, es que ahora las personas que se dedican a diseñar, fabricar, manipular aparatos electrónicos han tenido que cambiar por completo su mentalidad y su preparación. Ya no es tan necesario saber perfectamente de que está compuesto el circuito, ni hay que preocuparse de las múltiples conexiones que antes tenía cualquier aparato; sin embargo, hay que saber manejar aparatos más sofisticados, como osciloscopios, ordenadores, etc. Dentro de un solo circuito integrado van "integrados ", como su nombre indica, numerosos componentes, resistencias, transistores, diodos, etc., que juntos desempeñan una función. Pues bien, de ese c.i. nos interesa saber la función que realiza y cómo se acopla al aparato que estemos fabricando, y prácticamente no nos interesa nada como está constituido interiormente, ni sus conexiones, ni los elementos que lo forman, ni la función que desempeña cada uno de ellos individualmente. Por lo tanto, los c.i. forman parte de circuitos electrónicos cuyo coste total es más barato al ser más fácil su diseño.
Como hemos visto, un circuito integrado contiene muchos componentes electrónicos y, aunque la fabricación de cada c.i. resulte más cara que la de un componente discreto, es tal la popularidad de los c.i. debido a sus grandes ventajas, que se construyen un número elevadísimo de ellos cada vez, consiguiendo así que el precio de cada unidad sea bastante bajo. Otra de las metas que continuamente tienen los diseñadores de circuitos electrónicos es conseguir aumentar la velocidad de respuesta de sus componentes. Esto, como cabe esperar, se consigue totalmente con los c.i., ya que, al estar todos los elementos en un espacio tan reducido, las señales pasan rápidamente de unos a otros aumentándose así la velocidad considerablemente. Los aparatos realizados con c.i. son los más fiables por varios motivos; primero, porque en los fabricados con componentes discretos tenemos que juntar la fiabilidad de cada uno de los elementos que componen el circuito para obtener la fiabilidad total que tiene; segundo, porque se utilizan técnicas de fabricación muy modernas, muy estudiadas y se fabrican con muchísima minuciosidad en cada una de las fases por las que pasan. Al ser mucho más reducido el espacio de interconexión, las posibilidades de fallo son mucho menores y, por último, debemos pensar en el encapsulado de este tipo de c.i., que hace que estén mucho más protegidos. Al sustituir los circuitos integrados a un montón de "piezas " dentro de un circuito conseguimos varias cosas: primero se produce una reducción muy importante en los errores de montaje, ya que este suele ser sencillo y con pocas conexiones; al producirse una avería la localizamos mucho mejor y no es necesario tener un montón de repuestos de cada elemento. Por último, y aunque en principio pueda parecer un inconveniente, sabemos que cuando se produce una avería en un c.i. es muy difícil de solucionar y suele ser necesario reemplazarlo por otro nuevo, esto supone una ventaja debido al tiempo, materiales y conocimiento del funcionamiento interno que nos ahorramos y, como hemos visto antes, el coste de un c.i. no es muy elevado. A pesar de su enorme utilización, no todo son ventajas en estos diminutos elementos. Existen algunos inconvenientes, aunque no tan importantes como para conseguir influir en la enorme popularidad de los circuitos integrados. Entre los inconvenientes podemos decir que no todos los elementos discretos que conocemos pueden ser integrados en un c.i. Así, las bobinas o inductancias no se pueden integrar, y con las resistencias y los condensadores tenemos limitaciones en los valores que pueden alcanzar, debido a que cuanto mayor sea el c.i. mucho mayor será su coste. Por esta razón, una resistencia suele estar limitada a tener como mucho 50 k y un condensador 100 pF. Debido a esta limitación, estos elementos, condensadores y resistencias, se sacan muchas veces fuera de los c.i. y al montar el circuito los conectamos exteriormente. También se produce un inconveniente al no ser muy recomendable integrar juntos transistores PNP y NPN, ya que hay muchos circuitos que están compuestos de ambos tipos de transistores. La tensión que le podemos aplicar también está limitada, siendo recomendable que el valor de ésta no exceda los 20 voltios. Antes, hemos dicho que el precio de un circuito integrado era bastante reducido y esto no es cierto del todo, ya que para que esto sea verdad tenemos que cumplir una condición, y es que el circuito integrado que queramos sea fabricado en grandes cantidades, pues si queremos uno especial que nos tengan que fabricar a medida resulta carísimo. Por último, dentro de los inconvenientes podemos tener problemas con la potencia disipada, ya que, al estar los elementos tan juntos, las corrientes grandes pueden producir calor y, al aumentar mucho la temperatura, se puede llegar a estropear el circuito.
MEJORAS GRACIAS A LOS C.I. Una de las aplicaciones de los c.i. que ha crecido más espectacularmente en los últimos años ha sido la de los microprocesadores. Un microprocesador es un c.i. compuesto por una de las partes más importantes de un ordenador: la CPU, unidad central de proceso. Como todos los c.i., el microprocesador tiene un tamaño muy reducido. Gracias al tamaño reducido, y a otros avances tecnológicos, se ha conseguido pasar, en pocos años, de las grandes computadoras que ocupaban habitaciones enteras y eran muy difíciles de manejar - por lo que necesitaban de profesionales muy cualificados que dedicaran muchísimas horas para hacer pequeñas operaciones -, a los ordenadores personales, PC, muchísimo más pequeños, manejables, fáciles de usar y económicos, por lo que han pasado a formar parte de todas las facetas de la vida: medicina, banca, industria, investigación, etc.
La importancia de los c.i. es incalculable y cada día que pasa se van reduciendo más sus dimensiones y aumentando su velocidad de respuesta.
CLASIFICACIÓN DE LOS C.I. Podemos hacer varios tipos de clasificaciones según el criterio que usemos. Una de estas clasificaciones está basada en el tipo de transistores que empleemos. Así, podemos tener un c.i. bipolar, si se fabrica a base de transistores bipolares, NPN y PNP, y circuitos integrados MOS, si lo que se usan son transistores de efecto campo más conocidos como MOS. Según la manera de fabricar un c.i. podemos encontrar circuitos integrados monolíticos, en los cuales se forman todos los componentes a la vez en el substrato semiconductor. Circuitos integrados multiláminas, formados por capas gruesas, o circuitos integrados de capas delgadas. Y, por último, dentro de esta clasificación podemos encontrar los circuitos híbridos, que combinan la fabricación monolítica con la de multilámina o la de capas delgadas. Según el número de componentes que contengan podemos dividir los circuitos integrados en SSI (Small Scale Integrated), formados por pocos componentes, MSI (Mediun Scale Integrated), varios cientos de componentes, LSI (Large Scale Integrated), miles de componentes y los VLSI (Very Large Scale Integrated), que han superado el millón de componentes. Por último, si tenemos en cuenta el tipo de señales con las que van a trabajar los circuitos integrados, podemos encontrar c.i. digitales que, como su nombre indica, trabajan con señales digitales y los c.i. analógicos, que trabajan con señales analógicas. Después veremos más detalladamente cada uno de los tipos de circuitos integrados.
FABRICACIÓN DE UN CIRCUITO INTEGRADO En los circuitos integrados monolíticos todos los componentes se encuentran en una sola pastilla de silicio. Para fabricar un circuito integrado monolítico se parte de una lámina de silicio denominada "oblea ", ", la cual, a su vez, está dividida en un gran número de plaquetas cuadradas o chips, cada uno de los cuales va a constituir un c.i. Por lo tanto, con una oblea estamos fabricando a la vez un montón de c.i.
Se suele partir de un semiconductor tipo P y por la técnica de la epitaxia vamos a colocar encima una capa de silicio tipo N.
Para este proceso se utiliza un horno epitaxial. epitaxial. Este tipo de crecimiento nos va a asegurar que la región tipo N que acabamos de añadir tiene estructura de un solo cristal, al igual que la región tipo P de la que partíamos.
Seguidamente, le vamos a colocar una capa de d e óxido a la oblea, para ello la metemos en un horno de oxidación formándose una capa delgada de dióxido de silicio (SiO2) que recubre a la oblea y cuyas funciones más importantes van a ser la de proteger al circuito contra la contaminación.
La siguiente etapa se denomina fotoprotección. Consiste en colocar una sustancia orgánica que sea sensible a la luz ultravioleta, denominada fotoprotector, fotoprotector, sobre la capa de óxido. En esta capa se coloca una máscara que tiene unas ventanas opacas en la zona donde vamos a realizar la siguiente difusión, por ejemplo, si queremos integrar un transistor NPN tenemos que tener bien definidas tres regiones: el colector, colector , la base y el emisor. Estas tres zonas determinarán cómo será la máscara y dónde tendrá las ventanas opacas. Exponemos la oblea a rayos ultravioleta y el barniz fotosensible que había debajo de las la s ventanas se va a eliminar y va a aparecer la capa de dióxido dió xido de silicio.
Después atacamos a la oblea con ácido fluorhídrico y las zonas de SiO2 que han quedado al descubierto se van a destruir quedando ahora al descubierto la capa de material tipo N.
El siguiente paso es realizar una difusión tipo P. Metemos la oblea en un horno de difusión y le introducimos gran cantidad de impurezas tipo P. P. Vamos a convertir en tipo P la zona que quedaba al descubierto de la capa epitaxial tipo N.
Hemos conseguido aislar una zona tipo N, que ha quedado rodeada por semiconductor tipo P y por dióxido de silicio. silicio . Si estuviésemos haciendo un transistor, esta zona aislada podría ser, por ejemplo, el colector. Volvemos a repetir el proceso de oxidación y de fotoprotección y colocamos unas máscaras diferentes, por ejemplo, para formar la base.
Difundimos nuevamente impurezas tipo P. P. Para formar el emisor repetiríamos todos los pasos pero con la diferencia de que al final fin al añadiríamos impurezas tipo N. N.
Para conectar todas las regiones se suele usar una película delgada de un material conductor por ejemplo el aluminio. aluminio . Volvemos a poner una capa de oxidación y un fotoprotector y la máscara que colocamos ahora tiene ventanas que nos van a permitir que se realicen las conexiones eléctricas, por ejemplo, entre la base y el colector. Después de realizar la metalización y una vez que las conexiones eléctricas se hayan hecho, cortamos los diferentes chips de la oblea.
Después de separados, realizamos las conexiones necesarias de cada chip con las patillas de la cápsula que va a contener el circuito integrado, estas conexiones se realizan soldando hilo de aluminio muy delgado. Para acabar, metemos el chip dentro de la cápsula que lo va a proteger, y ya hemos conseguido fabricar un circuito integrado.
AISLAMIENTO DE LOS ELEMENTOS DE UN C.I. Dentro de un circuito integrado tenemos un montón de componentes, pudiendo llegar hasta un millón. Estos componentes pueden ser de diferentes tipos: resistencias, transistores, condensadores, etc., o del mismo tipo. Una de las necesidades que se nos presenta es separar los elementos, no físicamente ya que todos forman parte del mismo circuito integrado, sino que han de ser aislados eléctricamente para que cada uno se pueda seguir comportando según sus características, es decir, que, por ejemplo, los transistores sean exactamente iguales y cumplan las mismas propiedades que tiene un transistor discreto (que no forma parte de un circuito integrado). Hay varias formas de conseguir el aislamiento eléctrico entre los diferentes elementos que componen un circuito integrado: la más usada de todas ellas, debido a lo económica que resulta, es la denominada "aislamiento de unión ". ". Supongamos que queremos separar dos transistores, este método consiste en polarizar inversamente inversamente las regiones N y P y, al no circular corriente, se produce el deseado aislamiento eléctrico entre los dos transistores. Otra forma es usando dióxido de silicio, SiO2, recubriendo cada región de colector de cada uno de los transistores, el dióxido de silicio se comporta como un aislador. Por último, hay un tipo de aislamiento denominado "tipo viga " que es parecido al aislamiento de unión. La diferencia radica en que en el tipo viga, al realizar la metalización, se forma una capa muy gruesa encima de la oblea. Después se remueve el silicio que sobra en el sustrato tipo P. Se forma una estructura con los circuitos conectados semirrígidamente y todos los elementos separados unos de otros. TECNOLOGÍA DE PELÍCULA DELGADA Y GRUESA En los circuitos integrados monolíticos hemos visto que se forman todos los componentes a la vez en un substrato semiconductor semiconductor.. En la tecnología de película delgada y en la de película gruesa no ocurre esto. Las resistencias y condensadores de valores pequeños se fabrican en el sustrato, pero las resistencias y los condensadores de valores grandes y algunos circuitos monolíticos son exteriores al chip y se conectan formando un circuito híbrido. híbrido. Este tipo de circuitos tiene una peculiaridad y es que no se forman sobre la superficie de un semiconductor sino que lo hacen sobre un material aislante que puede ser vidrio o un material cerámico. La técnica de fabricación de películas delgadas consiste en ir haciendo una deposición por medio de una evaporación al vacío o pulverización catódica. catódica. La superficie que contiene el sustrato actúa como el ánodo, ánodo, y el material que se va depositando por la deposición como cátodo. cátodo. Los pasos para el procesamiento de un circuito integrado por tecnología de película delgada son muy similares a los que hemos explicado de los circuitos monolíticos. En la tecnología de película gruesa se utiliza un circuito impreso sobre el cual se van a depositar las resistencias, condensadores, etc. Una de las ventajas de esta tecnología es que resulta más barata que la de película delgada. --SUMARIOS DE LA SECCIÓN TEÓRICA— 1.-Denominamos c.i. a un circuito electrónico metido en una cápsula muy pequeña y que está constituido por muchos componentes diferentes. 2.-De un c.i. nos interesa saber la función que realiza y cómo se acopla a copla al resto del circuito. 3.-Un microprocesador es un c.i. compuesto principalmente por la CPU, unidad central de proceso de un ordenador. 4.-Para fabricar un circuito integrado monolítico se parte de una lámina de silicio denominada "oblea". 5.-los VLSI son circuitos integrados que han superado el millón de componentes. 6.-Los c.i. de capas delgadas se forman sobre un vidrio o un material cerámico.
LOS ENCAPSULADOS TODO UN MUNDO (APLICACIONES) Puede parecer complicado al principio, pero el tema de las normalizaciones que rodea al mundo de los integrados, bien en encapsulados o bien en cuanto a zócalos y conexiones, es sencillo si se enfoca desde un punto de vista práctico.
Toda la gama de circuitos integrados disponibles se engloba dentro de cierta familia o apartado. Podemos ver una primera subdivisión de los circuitos integrados en función de su aplicación específica. Una segunda clasificación podría ser aquella que nos permite clasificar los chips según estos se dividan por el tipo de encapsulado. Pero a pesar de existir cierta norma, los fabricantes suelen hacer sus propias subclasificaciones, lo cual suele desembocar en un más que aparente caos. Antes de continuar con este tema conviene aclarar que la forma en que se aplican encapsulados a los circuitos integrados ha motivado en los últimos años la aparición en el mercado electrónico de conjuntos de componentes discretos típicos -como, por ejemplo, las resistencias- que han aprovechado la "normativa " impuesta por los chips en su propio beneficio, acogiéndose a los tamaños y encapsulados de aquellos, lo cual simplifica diseños y facilita la colocación de ingentes cantidades de componentes en un espacio bastante reducido. Por esta razón no debe sorprendernos encontrar un "aparente " chip o circuito integrado dentro de un moderno circuito y que tal chip no es más que un conjunto de 8 ó 10 resistencias de idéntico valor óhmico, con lo que esto representa en cuanto a ahorro, tanto en la parte económica como en la de espacio, cuestión a tener muy en cuenta en el diseño electrónico moderno. LOS INTEGRADOS SEGÚN SEA SU APLICACIÓN Podríamos decir que por cada aplicación específica que se nos ocurra y que haya sido diseñada en forma de componentes discretos –es decir, no integrados- existe un circuito monolítico capaz de implementar la misma función. Esto, como es lógico, no deja de ser una pequeña exageración pero lo que no es menos cierto es que la evolución tecnológica y el abaratamiento de costes de los circuitos integrados hacen que aparezcan más y más modelos de circuitos integrados cada día. No es extraño que la evolución tecnológica tienda a esto: ¿a quién no le encantaría realizar una pequeña aplicación electrónica y meterla luego dentro de un encapsulado único y fácil de colocar en cualquier circuito? Podemos avanzar que esto es ya una realidad para el aficionado a la electrónica, pero esto... es ya otra historia.
TIPOS DE CHIPS O INTEGRADOS Dentro de la familia de los circuitos integrados disponibles hoy en día en el mercado -no olvidemos que esto varía en horas- podemos encontrar tras apartados fundamentales: 1º) Circuitos integrados lineales. 2º) Circuitos integrados digitales. 3º) Circuitos de tipo híbrido.
Puede que ésta no sea la división perfecta, pero nos servirá para los fines didácticos que perseguimos. De una lado tenemos los circuitos lineales, denominación que normalmente se aplica a circuitos integrados de uso específico y que no se englobe en el amplio grupo de las aplicaciones digitales. Puede decirse que esta gama de circuitos reproduce comportamientos implementables con circuitería analógica de tipo discreto. Por poner un ejemplo, los amplificadores operacionales pueden ser reproducidos transistor a transistor de forma independiente, lo cual, hoy en día, parece un asunto fuera de toda lógica.
Por otro lado, los circuitos integrados digitales se dedican a trabajar con señales de tipo "todo o nada " o "cero y uno ", asunto este dedicado, casi en exclusividad, al mundo de los ordenadores y la informática. En último lugar aparecen una gama de circuitos integrados a los que hemos dado en denominar híbridos. Esta familia abarca toda la gama de integrados que no puede colocarse de forma contundente a un lado u otro dentro de los dos grupos anteriores. Para poder tener una idea más clara de a qué grupo pertenece cada circuito integrado vamos a abordar unos ejemplos dentro de cada grupo comentado. CIRCUITOS LINEALES: ANALÓGICOS Queda claro que las aplicaciones de carácter analógico han precedido, de forma histórica, a las de carácter digital. Por esta razón cabría pensar que la realización de integrados de tipo analógico pasa sólo por el trámite de colocar un circuito que opere correctamente con componentes discretos y encapsularlo en un formato monolítico. Además de esto es preciso que dicho circuito sea rentable, tanto en el campo económico como en el de la prosperidad de futuras aplicaciones para el mismo.
Como ejemplo ya mencionado destaca el amplificador operacional, pero hay otros tan interesantes como éste. Podemos mencionar los amplificadores integrados que equipan tanto los modernos equipos de radiocasete para coche como los equipos Hi-Fi caseros. También destacan los integrados destinados a los equipos de recepción (y emisión) de radio, TV y comunicaciones en general.
Otro campo de aplicación de los integrados lineales es el de los sensores integrados, aunque este apartado lo comparten con los circuitos de tipo híbrido que luego comentaremos.
CIRCUITOS DIGITALES: BIT A BIT La parte mínima de un circuito digital está introducida en un chip y responde a la denominación de puerta lógica. Es posible, cómo no, implementar esta misma puerta en modo de componentes discretos.
Una puerta lógica, como ya veremos, realiza la parte más sencilla de la operativa de un circuito digital. Por ejemplo, cuando introducimos un cero lógico (por ejemplo, cero voltios) en una puerta que realice la función lógica "inversor " obtendremos en la salida de dicho chip un uno lógico ( +5 V si trabajamos en norma TTL ). Además de estas sencillas funciones los circuitos digitales pueden contener: - Funciones lógicas complejas, memoria volátil y no volátil, Unidad Central de Proceso o CPU, microcontroladores, registros de desplazamiento, etc.
CIRCUITOS HÍBRIDOS Para finalizar este breve repaso por los circuitos integrados existentes en el mercado vamos a abordar el apartado que hemos dado en llamar "circuitos híbridos ".
A este apartado pertenecen circuitos tales como los convertidores de nivel, los convertidores A/D o sus homónimos D/A.
Un convertidor de nivel será, por ejemplo, aquel que está destinado a compatibilizar las diferentes familias lógicas. Por comentar un caso claro, la familia de circuitos digitales denominada TTL responde a niveles lógicos típicos de 0 = cero voltios y 1 = cinco voltios, mientras que los niveles típicos de la familia lógica CMOS son de 0 = cero voltios y 1 = depende de la alimentación. Queda claro que para intercambiar datos entre un formato y otro deberemos utilizar un tipo de chip que nos permita convertir niveles, con lo cual queda clara la aplicación de estos.
1.3 SIMBOLOGIA ELECTRONICA En este tema el alumno investigara y traerá como tarea simbologías de componentes electrónicos, lo cual le servirá de apoyo para interpretar diagramas electrónicas.
2.1 LOS SEMICONDUCTORES
UNIDAD II SEMICONDUCTORES
FUNCIONAMIENTO DE LOS SEMICONDUCTORES De las innumerables propiedades físicas y químicas que podemos encontrar en cualquier elemento de la naturaleza, como electrónicos que somos, la única que nos interesa es la facilidad para permitir el paso de electrones a través de ellos, esto es, lo que se conoce con el nombre de corriente eléctrica. Un material que permita fácilmente este paso se dice que tiene buena conductividad.
En la naturaleza existen tres tipos de materiales según sea su comportamiento frente al paso de la corriente eléctrica: conductores, aislantes y semiconductores. En un conductor, el paso de electrones de un lado a otro se produce libremente sin ningún tipo de impedimento. Algo así como el agua fluyendo libremente por un tubería. Por el contrario, en un aislante es dificilísimo el movimiento de los electrones, impidiendo, por tanto, el paso de la corriente, como si a nuestra tubería le pusiéramos un tapón en la entrada. Por último, el semiconductor es el caso intermedio, donde es posible el paso de electrones pero no tan fácilmente como en los conductores, ya que necesitan un ayuda extra, sería como una tubería con un rejilla de goma que pudiésemos cerrar o abrir según las necesidades. Este último tipo es el que nos ocupa pues es el material con el que se fabrican los dispositivos electrónicos. Para poder entender cómo es posible que la corriente pueda circular "libremente " por un material y "con reticencias " por otro, nos vamos a adentrar en el mundo microscópico. Todo material está compuesto de partículas increíblemente pequeñas llamadas átomos. Un átomo, a su vez, consta principalmente de un núcleo y unos electrones. Cuando se "juntan " átomos iguales, es decir, con el mismo número de electrones, obtenemos lo que se conoce como elemento. Así, por ejemplo, el cobre es el resultado de " juntar " átomos que tienen 29 electrones entre sí. Ahora bien, la forma de unir estos átomos es lo que técnicamente se conoce con el nombre de "enlace " y es lo que va a determinar las características físicas y químicas de dicho elemento. A efectos eléctricos, lo que nos interesa exclusivamente de un elemento es la facilidad de éste para permitir el paso de corriente eléctrica, denominándose conductividad. Esta facilidad viene determinada por lo que se conoce como electrones de valencia. Esto no es más que el número de electrones pertenecientes al átomo que tendrían la oportunidad de circular junto con la corriente
eléctrica por la "tubería ", sea en un conductor o un semiconductor. En los materiales aislantes es muy difícil separar a un electrón de valencia de su átomo.
Los semiconductores más importantes, utilizados actualmente, son el germanio (Ge) y el silicio (Si), ambos tienen cuatro electrones de valencia.
FUNCIONAMIENTO DE LOS SEMICONDUCTORES Los semiconductores son materiales moderadamente estables, es decir, si nada les perturba no conducen la corriente. Ahora bien, basta que les "molestemos " un poco para que esos electrones de valencia que tiene cada átomo, salten y se vayan a la aventura formando un corriente eléctrica. Hay dos formas de "molestar " a los electrones de los átomos:
La primera es calentándolos. Un aumento de temperatura hace que los electrones tengan más energía y se pongan nerviosos. Alguien podría pensar que los electrones son como granos de maíz en una sartén y según se van calentando empiezan a saltar saliéndose del recipiente. Al igual que las palomitas, nuestros electrones saltan y se van del átomo al que estaban unidos para empezar a circular junto con otros electrones creando la corriente. La segunda es "añadiendo un extraño ", lo cual se conoce con el nombre de dopaje. La técnica del dopaje consiste simplemente en alterar la estructura interna de un semiconductor, añadiendo dentro de él una pequeñísima cantidad de átomos de otro elemento bastante similar al original. Al dopar un elemento ocurre como si a un montón de harina le añadimos un "pellizquito " de levadura lo removemos bien y lo metemos al horno, a simple vista parece que no hemos hecho nada pero los
efectos físicos son bien visibles. Al dopar un semiconductor se produce un gran aumento de su permisividad al paso de la corriente.
¿QUÉ OCURRE AL CALENTAR UN ELEMENTO?
Los electrones de valencia se van de su sitio y dejan un "hueco ". Los electrones son la parte del átomo que tiene carga negativa y al marcharse uno de ellos se produce una falta de esta carga; esto es lo mismo que decir que se produce un exceso de carga positiva en un átomo que hasta ahora era neutro (igual número de cargas positivas que negativas). Este exceso de carga positiva lleva a nuestro pobre átomo a buscar desesperadamente un electrón para equilibrarse y quedarse de nuevo neutro y tranquilo. Pero ¿qué ocurre una vez que lo ha encontrado?, pues que ese electrón no se lo ha encontrado por ahí perdido sino que a su vez lo ha robado de otro átomo y ha dejado otro hueco y, por tanto, volvemos a empezar. De nuevo tenemos a un hueco buscando un electrón.
Este vaivén de electrones y huecos es lo que llamamos corriente eléctrica.
TIPO N Y TIPO P Cuando al dopar introducimos átomos con tres electrones de valencia en un elemento de átomos con cuatro estamos formando un semiconductor tipo P, viniendo su nombre del exceso de carga positiva que tienen estos elementos. Estos átomos "extraños " que hemos añadido se recombinan con el resto pero nos queda un "hueco " libre que produce atracción sobre los electrones que circulan por nuestro elemento. También se produce una circulación de estos huecos colaborando en la corriente.
Sin embargo, si los átomos añadidos tienen cinco electrones en su última capa, el semiconductor se denomina de tipo N, por ser más negativo que uno sin dopar. En este tipo de materiales tenemos un quinto electrón que no se recombina con los demás y que, por tanto, está libre y vaga por el elemento produciendo corriente. Para hacerse una idea de las cantidades que entran en juego en esto del dopaje se podría decir que se introduce un átomo extraño por cada doscientos millones de átomos del semiconductor. Hasta ahora hemos descrito la corriente eléctrica como el paso de electrones de un lado a otro pero ha llegado el momento de aumentar este concepto. Como hemos visto, la aparición de un hueco produce el movimiento de un electrón hacia él dejando de nuevo un hueco al que irá otro electrón. Este movimiento puede verse desde dos puntos de vista. El primero es el del electrón moviéndose de derecha a izquierda, el segundo sería el del hueco desplazándose de izquierda a derecha. Pues bien, no es correcto ni uno ni otro, sino los dos a la vez. Hay que pensar que tan importante es un movimiento como el otro, y que la corriente eléctrica hemos de concebirla como la suma de los dos. Como veremos, en unos casos será más importante, cuantitativamente hablando, la corriente creada por el movimiento de los electrones y, sin embargo, en otros lo será la creada por los huecos. Se ha adoptado por convenio que la corriente eléctrica lleva el sentido de los huecos, es decir, cuando seguimos el sentido de los electrones la corriente es negativa y positiva en caso contrario. Debemos dividir a los semiconductores en dos grupos: intrínsecos y extrínsecos. Los semiconductores extrínsecos son aquellos a los que se les ha dopado de alguna forma, produciendo así un semiconductor tipo P o del tipo N. Y los intrínsecos son los que no han sufrido ninguna clase de dopaje.
Puesto que el paso de electrones a través de cualquier material siempre produce calor nos va a ser imposible separar los efectos producidos por el dopaje y el aumento de temperatura en un semiconductor; así que ambos efectos se suman y la circulación de electrones y huecos va a ser mayor.
PORTADORES MAYORITARIOS Y MINORITARIOS No está completa nuestra explicación sin comentar brevemente lo que se conoce con el nombre de portadores mayoritarios y minoritarios. Cuando existe corriente dentro de un material hemos visto que es debida a electrones moviéndose hacia un lado y a huecos desplazándose en sentido contrario. Pero las cantidades de unos y otros no tienen por qué ser iguales ni parecidas, esto depende del material por el que circule la corriente. Llamamos portadores mayoritarios a quien contribuya al paso de la corriente en "mayor " medida y, obviamente, los minoritarios serán aquellos que lo hagan en menor medida. Si tenemos un material tipo N por el que circula corriente, los portadores mayoritarios serán los electrones que le "sobran " por el dopaje junto con los electrones que "saltan " debido al calor y los portadores minoritarios serán los huecos producidos al marcharse los electrones de su sitio. Por el contrario, en un semiconductor tipo P los portadores mayoritarios serán los huecos que tiene en "exceso " por el dopaje más los huecos que se producen por efecto del calor, mientras que los portadores minoritarios serán los electrones que han "saltado " de su sitio.
2.2 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES (N - P) UNIÓN P- N Llegados a este punto, cualquiera con un poco de curiosidad se habrá hecho la siguiente pregunta: ¿Qué ocurriría si se juntase un "trozo " de material tipo P con un "trozo " de material tipo N ? Pues bien, esta pregunta ya se la hizo alguien hace unos cuantos años y dio origen a lo que hoy día se conoce como unión P- N.
De nuevo, como electrónicos que somos, solamente nos interesa algo muy concreto de esta unión, lo cual no es otra cosa que su comportamiento en cuanto al paso de corriente eléctrica. Supongamos, primeramente, que hemos unido por las buenas un trozo de material tipo P con uno tipo N; ¿qué ocurre?, pues que los electrones que le sobran al material tipo N se acomodan en los huecos que le sobran al material tipo P. Pero, ¡ojo!, no todos los de un bando se pasan al otro, solamente lo hacen los que están medianamente cerca de la frontera que los separa; y ¿por qué solo unos pocos? Pues porque el hecho de que se vayan los electrones con los huecos es debido a la atracción mutua que existe entre ellos ya que poseen cargas opuestas; sin embargo, una vez que se han pasado cierta cantidad de electrones al otro bando comienza a haber una concentración de electrones mayor de lo normal, lo que provoca que estos empiecen a repelerse entre ellos. Por tanto, se llega a un equilibrio al haberse ido los suficientes electrones para apaciguar la atracción huecoelectrón inicial pero no tantos como para llegar a repelerse entre ellos. Una vez alcanzado este equilibrio se dice que se ha creado una barrera de potencial. Una barrera de potencial es simplemente una oposición a que sigan pasando los electrones y huecos de un lado a otro. Esta situación permanecerá inalterable mientras no hagamos nada externo para modificarla, es decir, compensar el efecto de esa barrera de potencial con otro potencial aportado por nosotros, por ejemplo, conectándolo a una batería.
POLARIZACIÓN DIRECTA E INVERSA Existen dos formas de conectar una batería a una unión P- N. Primero conectar el borne positivo de la batería con el material tipo P y el borne negativo con el material tipo N y la otra conectar el borne positivo con el material tipo N y el borne negativo con el tipo P. A la primera de ellas se la denomina polarización directa y a la segunda polarización inversa. Veamos qué ocurre en cada una de ellas. Al polarizar directamente una unión P- N, el polo negativo de la batería está inyectando electrones al material N, mientras que el polo positivo recibe electrones del lado P creándose así una corriente eléctrica. Con esta batería hemos conseguido vencer el obstáculo que se había creado debido a la barrera de potencial existente entre ambos materiales. De nuevo los electrones y los huecos pueden pasar libremente a través de la frontera.
Sin embargo, al polarizar inversamente una unión P- N no se crea una corriente en sentido opuesto sino que, curiosamente, no hay corriente alguna. Esto es por que los huecos libres del tipo P se recombinan con los electrones que proceden del polo negativo de la batería, y los electrones libres del tipo N son absorbidos por ésta, alejándose tanto huecos como electrones de la unión: en vez de vencer nuestra barrera de potencial ésta se ha hecho más grande y no existe corriente; aunque, para ser exactos, sí existe una corriente y esta es la producida por los portadores minoritarios, pero es demasiado pequeña e inapreciable.
2.3 DIODOS (Si - Ge) TIPOS EL DIODO Todo dispositivo semiconductor está formado básicamente por uniones P- N. Los transistores FET, MOSFET, etc., son combinaciones de estas uniones. Incluso una unión P- N es por sí sola un dispositivo electrónico ampliamente conocido: el diodo.
Para empezar, vamos a hablar del diodo "ideal ", es decir, un diodo cuyo comportamiento sería el deseado pero que no es posible alcanzarlo en la realidad. Este tipo de diodos solamente permiten el paso de corriente en un sentido, oponiéndose en el sentido contrario. Esta característica tiene un gran interés en la conmutación ya que de ella se deriva una propiedad ON-OFF (abierto-cerrado), como veremos más adelante.
La diferencia entre un diodo real y un diodo ideal está en que el primero va a permitir la corriente en un sentido pero no libremente sino que ofrece una pequeña resistencia y además, al polarizarse inversamente, no corta la corriente de una manera tajante sino que, como hemos visto en la unión PN, hay una pequeña corriente en sentido contrario. Si la diferencia de potencial existente entre los extremos del diodo fuese lo suficientemente grande, esta corriente inversa ahora sí empezaría a aumentar de manera considerable. Nos encontramos en la región de funcionamiento llamada "zener ", la cual es tremendamente destructiva para el diodo. Sin embargo, ciertos diodos están fabricados especialmente para funcionar en esta región y son conocidos como diodos "zener ".
DIODOS, TIPOS, USOS Y LUGAR DE OPERACIONES Deberíamos saber colocar cada componente electrónico en el lugar que le corresponde. Los diodos son esa clase de componente que te puedes topar en cualquier esquina y, por tanto, no estará de más clasificar sus diversidades y aplicaciones.
No es fácil resumir aquí todas y cada una de las características de los diversos tipos de diodos que podemos encontrar en el mercado. Para empezar a esquematizar la oferta disponible nos será de suma utilidad la siguiente tabla básica que clasifica los tipos de diodos más utilizados en función, precisamente, del uso que se les dé. Tipos básicos de Diodos Semiconductores Diodos rectificadores Diodos de tratamiento de señal (RF) Diodos de capacidad variable (varicap) Diodos Zener Fotodiodos Diodos luminiscentes (LED)
Una vez esquematizado el panorama "diodil " vamos a adentrarnos un poco más en cada uno de los tipos existentes:
DIODOS RECTIFICADORES Los diodos que todo aficionado a la electrónica conoce en primer lugar son los de tipo rectificador sencillo. Quizás esto se deba a lo intuitivo de la comprensión de la función rectificadora. Como ya se ha visto anteriormente, una de las principales características "prácticas " de los diodos es facilitar el paso de la corriente continua en un único sentido (polarización directa). Parece lógico comprender de un plumazo que si hacemos circular a través de un diodo una CA ésta sólo lo hará en la mitad de los semiciclos, aquellos que polaricen directamente el diodo, por lo que a la salida del mismo obtendremos una señal de tipo pulsatoria pero continua (si entendemos por tensión o señal continua aquella que no varía su polaridad).
DIODOS DE TRATAMIENTO DE SEÑAL (RF) Los diodos de tratamiento de señal requieren algo más de calidad de fabricación que los típicos rectificadores. Estos diodos están destinados a formar parte de etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales, etc. Uno de los puntos más críticos en el diodo, a la hora de trabajar con media y alta frecuencia, se centra en la "capacidad de unión ", la cual se debe a que en la zona de la unión PN se forman dos capas de carga de sentido opuesto que conforman una capacidad real. En los diodos de RF (Radio-frecuencia se intenta que dicha capacidad sea reducida a su mínima expresión, lo cual ayudará a que el diodo conserve todas sus "habilidades " rectificadoras, incluso cuando tenga que trabajar en altas frecuencias. Entre los diodos más "preparados " para bregar con las altas frecuencias destaca el diodo denominado Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los setenta por la firma Hewletty y deriva de los diodos de punta de contacto y de los de unión PN de los que han heredado el procedimiento de fabricación.
DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP) La capacidad formada en extremos de la unión PN puede resultar de suma utilidad cuando, al contrario de lo que ocurre con los diodos de RF, se busca precisamente utilizar dicha capacidad en provecho del circuito en el cual está situado el diodo. Al polarizar un diodo de forma directa se observa que, además de las zonas constitutivas de la capacidad buscada, aparece en paralelo con ellas una resistencia de muy bajo valor óhmico, lo que conforma un condensador de elevadas pérdidas. Sin embargo, si polarizamos el mismo en sentido inverso la resistencia paralelo que aparece es de un valor muy alto, lo cual hace que el diodo se pueda comportar como un condensador con muy bajas pérdidas. Si aumentamos la tensión de polarización inversa las capas de carga del diodo se espacian lo suficiente para que el efecto se asemeje a una disminución de la capacidad del hipotético condensador (similar al efecto producido al distanciar las placas de un condensador estándar). Por esta razón podemos concluir que los diodos de capacidad variable (conocidos más popularmente como varicap's) varían su capacidad interna al ser alterado el valor de la tensión que los polariza de forma inversa. La utilización más solicitada para este tipo de diodos suele ser la de sustituir a complejos sistemas mecánicos de condensador variable en etapas de sintonía en todo tipo de equipos de emisión y recepción. Por poner un ejemplo, cuando actuamos en la sintonía de un viejo receptor de radio estamos variando (mecánicamente) el eje del condensador variable que incorpora éste en su etapa de sintonía; pero si, por el contrario, actuamos sobre la ruedecilla o, más comúnmente, sobre el botón (pulsador) de sintonía de nuestro moderno receptor de TV color lo que estamos haciendo es variar la tensión de polarización inversa de un diodo varicap contenido en el módulo sintonizador del equipo.
DIODO ZENER Al estudiar los diodos se hace hincapié en la diferencia existente en la gráfica tipo con respecto a lo que es corriente directa e inversa. Si polarizamos inversamente un diodo estándar y aumentamos la tensión llega un momento en que se origina un fuerte paso de corriente que lleva el diodo a su destrucción. Este punto viene dado por la tensión de ruptura del diodo.
Pero podemos conseguir "controlar " este fenómeno y aprovecharnos de él, de forma que no se origine necesariamente la destrucción del diodo. Todo lo que tenemos que hacer es que este fenómeno se dé dentro de unos márgenes controlables. El diodo zener es capaz de trabajar en la región en la que se da el efecto del mismo nombre cuando las condiciones de polarización así lo determinen y volver a comportarse como un diodo estándar una vez que la polarización retorne a su zona de trabajo habitual. Resumiendo, el diodo zener se comportará como un diodo normal, salvo que alcance la tensión zener para la que ha sido tarado en fábrica, momento en que dejará pasar a través de él una cantidad ingente de corriente. Este efecto se produce en todo tipo de circuitos reguladores, limitadores y recortadores de tensión. La aplicación zener, sobre todo a fuentes de alimentación, será tratada con profusión algo más adelante.
FOTODIODOS Un hecho que también se ha utilizado en provecho de la moderna técnica electrónica es la influencia de la energía luminosa en la ruptura de los enlaces de electrones situados en el seno constitutivo de un diodo.
Los fotodiodos son diodos en los cuales se ha optimizado el proceso de componentes y forma de fabricación de modo que la influencia luminosa sobre su conducción sea la máxima posible. Esto se logra, por ejemplo, con fotodiodos de silicio en el ámbito de la luz incandescente y con fotodiodos de germanio en zonas de influencia de luz infrarroja.
DIODOS LUMINISCENTES (LED) Este tipo de diodos se ha popularizado últimamente y ya puede encontrarse casi en cualquier equipo electrónico que se tilde de "moderno ". Las formas y, no tanto, los colores se han diversificado a pasos agigantados. La operativa de un diodo LED se basa en la recombinación de portadores mayoritarios en la capa de barrera cuando se polariza una unión PN en sentido directo. En cada recombinación de un electrón con un hueco se libera cierta energía. Esta energía, en el caso de determinados semiconductores, se irradia en forma de luz; en otros se hace en forma térmica. Dichas radiaciones son básicamente monocromáticas. Mediante un adecuado "dopado " del material semiconductor se puede afectar la energía de radiación del diodo. El nombre de LED se debe a su abreviatura inglesa (Light Emmiting Diode). Además de los diodos LED existen otros diodos con diferente emisión, en concreto infrarroja, y que responden a la denominación IRED (Diodo emisor de infrarrojos).
ENCAPSULADOS Y NOMENCLATURA Existen, claro está, serias divergencias en cuanto a la nomenclatura que ha de utilizarse a la hora de identificar los diferentes tipos de diodos existentes. Fabricantes europeos, americanos y japoneses no parecen ponerse de acuerdo. Aunque, ciertamente, lo que sí existe es un buen número de recopilaciones de "tablas de equivalencias " en el argot técnico que intentan identificar tipos europeos, americanos y japoneses de la mejor manera posible. Ante cualquier duda no tendremos más remedio que utilizar estas tablas si no queremos emplear un componente erróneo como sustituto de uno averiado. No son perfectas pero intentan paliar el desaguisado normativo.
Las ilustraciones adjuntas intentan mostrar parte de la normativa europea al respecto. Basta mencionar que los americanos suelen identificar sus semiconductores con denominaciones que comienzan casi siempre con "1N " ó "2N ", correspondiendo, respectivamente, a diodos y transistores.
DIODOS Y TRANSISTORES Los componentes básicos a la hora de construir un circuito integrado son los diodos y los transistores, a través de los cuales podremos formar todas las puertas lógicas.
Los diodos y transistores son semiconductores activos dentro de un circuito electrónico. Son los únicos componentes analógicos que nos permitirán tener dos estados eléctricos: conducción y corte. Estudiemos ambos componentes cuando están en cada situación. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS DIODOS Un diodo está formado por una unión p-n es decir, dos tipos de semiconductores distintos, uno tipo p y el otro tipo n. En los primeros existirán iones positivos y electrones, mientras que en los segundos hay iones negativos que, paradójicamente, se denominan "huecos ".
Si en un lado de un cristal semiconductor se introducen donadores (iones positivos) y en el otro lado aceptadores (iones negativos) quedará construida una unión p-n. El ión donador se representa por un signo más, más, ya que, después de que este átomo de impureza haya dado un electrón, se transforma en un ión positivo. El ión aceptador está indicado con un signo menos porque, después de aceptar este átomo un electrón, se transforma en un ión negativo. Inicialmente, sólo hay portadores del tipo p a la izquierda de la unión, y portadores de tipo n a la derecha. A causa de la existencia de una concentración de cargas a través de la unión, los "huecos " huecos " se difunden hacia la derecha atravesando la unión, y los electrones hacia la izquierda. Vemos, pues, que los "huecos "huecos " que neutralizaban los iones aceptadores en las proximidades de la unión en el semiconductor tipo p, han desaparecido como resultado de la combinación con los electrones que se han difundido a través de la unión. De forma parecida, los electrones neutralizantes del semiconductor tipo n se combinan con los huecos que atraviesan la unión desde el material tipo p. Los iones no neutralizados en las cercanías de la unión se conocen con el nombre de cargas descubiertas. Como la región de la unión no contiene cargas móviles se le denomina región de desviación o de transición. transición . La característica esencial de una unión p-n es la que constituye un rectificador que permite un flujo fácil de corriente en una dirección, pero se opone a la circulación en dirección opuesta. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS Y DINÁMICAS DE UN DIODO Si conectamos una batería en los terminales extremos de la unión p-n de manera que el terminal negativo de la batería está conectada al lado p de la unión, y el positivo al lado n, la polaridad de la unión será tal que tenderá a llevar los huecos del tipo p y los electrones del tipo n a alejarse de la unión. En consecuencia, la región de densidad de cargas negativas se extiende hacia la izquierda de la unión y la región de la densidad de las cargas positivas se desplaza hacia la derecha. No obstante, este proceso no puede continuar indefinidamente, ya que, para tener una afluencia de "huecos "huecos " hacia la izquierda, éstos deberían alimentarse de la región tipo n y hay muy pocos huecos en el lado n; por lo tanto, la corriente será cero.
Si polarizáramos directamente la unión p-n quedaría el tipo p con tensión positiva y el tipo n con potencial negativo. Al aplicar una tensión directa al diodo, se reduce la barrera de potencial en la unión, perturbándose así el equilibrio establecido entre las fuerzas que tienden a producir la difusión de los portadores mayoritarios. Por lo tanto, los "huecos "huecos " y los electrones atravesarán la unión, creándose una corriente que circulará a través de ambas am bas regiones en un solo sentido.
Toda esta teoría hace que existan unas una s determinadas características que habrán de considerarse a la la hora de utilizar los diodos para diseñar los circuitos integrados. Éstas son:
Intensidad inversa: inversa: tiene poco interés, generalmente, ya que es del orden de microamperios. Se especifica a una tensión por debajo de la ruptura. Depende del área de la unión y de si ha sido saturado con oro o no. Si está saturado con oro, es dos o tres veces mayor. Es poco dependiente de la tensión inversa. Inicialmente aumenta con esta tensión, pero después permanece prácticamente constante. La corriente inversa aumenta con la temperatura según una ecuación exponencial. Capacidad: Capacidad: Normalmente, la capacidad calculada para un diodo es la suma de la capacidad de la unión y la capacidad de las patillas y el encapsulado. Se especifica a una frecuencia de 1 MHz, siendo del orden de 2 a 10 1 0 pF, y es inversamente proporcional a la tensión. Estas características se dan cuando el diodo está en corte, si se encontrara en conducción sus valores fundamentales serían: Caída de tensión directa: directa : Se da generalmente para dos valores de corriente directa. Aumenta con ésta, aunque poco. Depende de la temperatura, en una proporción aproximada de 2,5 milivoltios por grado centígrado; los valores típicos son: para diodos de silicio, 0,7 V; y para diodos de germanio, 0,3 V. Dentro de las características dinámicas caben destacar: - Tiempo de subida de la intensidad (rise (rise time), time), se toma desde un valor del 10% hasta el de 90% de la intensidad final. Es del orden de 50 nanosegundos. n anosegundos. - Tiempo de recuperación directa (Forward (Forward Recovery Time): Time): es la diferencia de tiempo entre el punto del 10% de la tensión directa del diodo y en el que esta tensión alcanza y permanece dentro del 10% de su valor final. Es del orden de 50 a 200 nanosegundos. - Tiempo de recuperación inversa (Reverse (Reverse Recovery Time): Time ): impone un límite superior de la frecuencia a la que se puede emplear un diodo. Es del orden de 50 a 200 nanosegundos. nano segundos.
CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE LOS TRANSISTORES Los transistores están formados por una unión tipo p-n-p o n-p-n, n-p-n, dependiendo de la utilización que se les vaya a dar. Destacaremos alguna de sus características:
Intensidad de colector: ésta aumenta con la tensión de colector-emisor. Los valores de intensidades de colector en corte se dan para un valor dado de tensión y para una temperatura determinada. En transistores de germanio la intensidad de colector en corte se duplica cada 10 ºC de aumento, y en transistores de silicio lo hace cada 6 ºC.
Tensión de colector: La tensión colector aumenta con la intensidad de colector y disminuye con el aumento de intensidad de base. Los valores típicos son para transistores de germanio de 0,05 a 0,3 V, y para los de silicio de 0,2 a 0,5 V.
2.4 FUENTES DE VOLTAJE Y CORRIENTE LAS FUENTES DE ALIMENTACION Los diodos son dispositivos electrónicos electrónicos cuyo funcionamiento consiste en permitir el paso de la corriente en un sentido y oponerse en el opuesto. Vamos a ver una de las aplicaciones de los diodos gracias a esta característica. Las fuentes de alimentación son usadas para suministrar corriente eléctrica a nuestros aparatos electrónicos, pero como parten de una corriente alterna es necesario transformarla a corriente continua. En este objetivo vamos a tener como grandes aliados a los diodos.
La fuente de alimentación es a un dispositivo electrónico como los "alimentos "alimentos"" son a los seres humanos. Es evidente que cualquier equipo necesita de ella para funcionar. Si falla la fuente falla todo el equipo.
La forma en que está disponible la energía eléctrica de nuestros hogares no es la adecuada para los aparatos que todos conocemos: televisores, lavadoras, frigoríficos, etc. ya que la mayor parte de estos aparatos necesitan corriente continua para funcionar, mientras que la disponible en nuestros enchufes es corriente alterna. alterna.
Tenemos dos soluciones, la primera es usar pilas o baterías pero esto nos saldría muy caro; la segunda es transformar la corriente. De ahora en adelante nuestro objetivo va a consistir en transformar la corriente alterna en corriente continua. El proceso se divide en distintas etapas bien diferenciadas, como puede verse en la ilustración correspondiente. La corriente eléctrica en "bruto " viene como corriente alterna y con tensión variable; sin embargo, tras atravesar la fuente de alimentación, obtenemos corriente continua con tensión constante... y esta es la que nos interesa pues es la que vamos a conectar a nuestros dispositivos.
La primera etapa por la que va a tener que pasar la corriente va a ser por un transformador de potencia. Este no hace más que elevar la diferencia de potencial o disminuirla (depende del tipo de transformador) , esto se traduce en una "elongación " de su gráfica. Siguiendo con la similitud entre la corriente y un chorro de agua podemos imaginar el efecto de este primer paso, que es el transformador, como si pisáramos una manguera por la que está circulando agua. Veríamos que al disminuir el ancho de la manguera, seguiría saliendo la misma cantidad de agua, pero a mayor presión. Este ejemplo equivaldría a un transformador cuya función fuese la de aumentar la tensión. Por el contrario, un transformador que disminuyese la tensión se podría comparar con una manguera en la que la mitad de ella tuviera un anchura, y la otra mitad tuviera una anchura mayor. El agua al pasar del trozo de manguera más estrecho al trozo más ancho sufriría un "frenazo " en su camino de un extremo de la manguera al otro. Así entraría a una presión y saldría a una presión menor. El segundo paso para la corriente se conoce con el nombre de rectificador. La finalidad de éste, técnicamente hablando, se dice que es convertir la tensión y corriente alterna en tensión y corriente "unidireccionales ". En nuestro ejemplo es bien sencillo darse cuenta de lo que esto significa; como hemos visto, la corriente alterna se puede equiparar al agua circulando ahora en este sentido...ahora en el contrario...y así sucesivamente. Pues un rectificador no sería más que una válvula.
Como muestra la ilustración correspondiente donde se permite al agua circular única y exclusivamente en un sentido pero no en el contrario. Así pues, la polaridad de la tensión que salga del rectificador va a ser siempre la misma y por tanto, a partir de aquí, ya tenemos corriente continua. Sin embargo, la tensión de que disponemos todavía no es la adecuada ya que, a pesar de no hacerse negativa, todavía sigue oscilando entre cero, un máximo... y de nuevo cero. En el siguiente paso, el filtro, va a ser el encargado de "apaciguar " estas oscilaciones de la tensión, consiguiendo una tensión con unas oscilaciones bastante menores. De nuevo podríamos imaginar una manguera que tuviese un trozo ancho y a continuación otro estrecho y así de principio a fin: algo similar a una "ristra de chorizos ". El agua circularía oscilando constantemente su presión, siendo esta mayor en los trozos estrechos y menor en los anchos, pues bien, nuestro filtro sería "algo " que alisaría esas rugosidades de la manguera consiguiendo que el agua no sufriera tan grandes cambios de presión y fluyera de una forma más continua.
Por último, podemos encontrarnos, aunque no siempre se utiliza, un regulador. La finalidad de dicho dispositivo no es otra que atenuar más si cabe esas pequeñas variaciones de tensión que todavía se producen, proporcionando una tensión constante entre los bornes. En nuestro ejemplo, es como si por fin dispusiéramos de una manguera lisa y uniforme a través de la cual circula una corriente de agua constante sin sufrir ningún tipo de variación en su presión ni en su caudal.
A continuación vamos a examinar cada uno de los dispositivos (etapas) con más detalle, con el fin de poder llegar a un mayor entendimiento sobre cuáles son las propiedades y características de cada uno de ellos.
TIPOS DE RECTIFICADORES El primero de los rectificadores que vamos a ver es el llamado RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA. Es el más sencillo de todos los rectificadores y también el más barato pero, como nadie es perfecto, el rectificador de media onda tampoco lo es y tiene numerosas desventajas que luego enumeraremos. Es uno de los menos usados cuando se requiere eficacia y buen rendimiento, pero el más utilizado si lo que se requiere es un bajo coste.
Este circuito rectificador está formado por un solo diodo. La tensión de entrada al circuito es tensión de corriente alterna y, como sabemos, esta tensión viene representada por una sinusoide con dos ciclos uno positivo y otro negativo. Durante el ciclo positivo el ánodo del diodo es más positivo que el cátodo y la corriente puede circular a través del diodo. Pero cuando estamos en el ciclo negativo, el ánodo va a ser más negativo que el cátodo y no va a estar permitido el paso de corriente por el diodo. La tensión de salida va a ser igual que la de entrada en el primer caso, es decir, un ciclo positivo, mientras que en el segundo caso, cuando la tensión de entrada es negativa, la de salida va a ser nula. La onda de salida ha quedado reducida a la mitad y de ahí viene el nombre de rectificador de media onda. Una tensión de corriente alterna tiene dos "mitades ", una positiva y otra negativa, en el caso anterior, hemos usado el rectificador para anular la parte negativa y nos hemos "quedado " con la positiva. Pero también podemos "quedarnos " con la negativa, simplemente con cambiar el sentido del diodo dentro del circuito rectificador. Como hemos visto, la tensión de salida de un circuito rectificador de media onda se compone de un ciclo con un valor positivo igual al de la tensión de entrada (en el caso más normal ) y un ciclo con un valor nulo. Esto es la causa de que este tipo de rectificadores casi no se usen, ya que durante un tiempo no fluye corriente alguna en la salida. El voltaje que se produce no es muy útil para hacer funcionar nuestros aparatos, de ahí la necesidad de filtrarlo primero, no siendo muy fácil este filtrado.
EL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA Es el rectificador más usado. La gran diferencia con el rectificador de onda media es que, en este caso, obtenemos a la salida tensión en todo instante y no tenemos intervalos de tiempo con una tensión nula como ocurría con el otro rectificador. Es un poco más caro ya que está constituido por un número mayor de componentes pero merece la pena dada su mayor eficacia.
Estos rectificadores están constituidos principalmente por dos diodos y un transformador con toma central. Para explicar su funcionamiento tenemos que recordar que un diodo sólo permite el paso de la corriente en un sentido; en este circuito tenemos dos diodos y cada uno de ellos va a permitir el paso a la corriente en un caso opuesto. Así, uno circulará cuando la tensión de corriente alterna de entrada se encuentre en el ciclo positivo y, el otro, cuando se encuentre en el negativo. Pero si no tuviéramos la toma central el circuito estaría cortado siempre, ya que cuando uno puede conducir el otro no, y viceversa, al estar colocados en sentidos opuestos; por eso tenemos que darle una "ruta alternativa " a la corriente para que se produzca tensión de salida en los dos ciclos de entrada. La tensión de entrada a los circuitos de onda completa no es aprovechada en su totalidad, ya que cada uno de los diodos trabaja con la mitad de tensión al estar la toma central en la mitad de la bobina; por eso, aunque vamos a obtener una tensión de corriente continua a la salida, en todo instante de tiempo su valor va a ser la mitad del de la tensión de entrada. El rectificador de VÁLVULA es otro tipo de rectificador pero, por su similitud con los de onda completa, no vamos a dedicarle mucho tiempo. La tensión de salida de estos rectificadores es una onda completa que, al igual que en los anteriores, es la mitad del valor de la de entrada. La diferencia se encuentra en los dispositivos que componen este circuito, aquí se usan diodos de tubos o válvulas.
RECTIFICADOR PUENTE Con este tipo de rectificadores vamos a conseguir una tensión de salida de corriente continua en todo instante, al igual que en el rectificador de onda completa. La ventaja de los rectificadores tipo puente es que la tensión de salida es de la misma magnitud que la de entrada, no perdemos la mitad como ocurría en los anteriores. La desventaja es que aquí necesitamos cuatro diodos, por lo que el coste de este tipo de circuitos es superior a los vistos anteriormente.
El rectificador puente está formado por cuatro diodos que forman un "puente " entre la entrada y la salida. Estos diodos están conectados en paralelo con el transformador, y no tienen ninguna toma central como ocurría en los de onda completa, según podemos ver en el dibujo. Si el ciclo de tensión de la corriente alterna es el positivo, circula corriente por los diodos 1 y 2, obteniendo en la salida una tensión igual que la de entrada. Si el ciclo de entrada es negativo, circula corriente por los diodos 3 y 4, y obtenemos a la salida una tensión igual en amplitud que la de entrada pero positiva en vez de negativa. Por tanto, en cada ciclo estamos obteniendo en la salida una tensión de corriente continua positiva y de igual amplitud que la de entrada. Con estos rectificadores aprovechamos toda la tensión de entrada y conseguimos una rectificación de onda completa, aunque su precio es el más elevado de todos. Otros circuitos rectificadores que todavía no hemos nombrado son los dobladores de media onda, dobladores de onda completa y triplicadores de voltaje.
LOS CONDENSADORES COMO ALMACÉN DE ENERGÍA Antes de pasar a ver cómo funciona un filtro debemos hacer un alto en el camino y comentar brevemente qué son y cómo funcionan los dispositivos básicos de cualquier equipo electrónico, los condensadores.
Un condensador se puede concebir como un almacén de energía donde, al ser aplicada corriente entre sus terminales, se la va reteniendo hasta llegar a un tope que vendrá determinado por el tipo de condensador que sea. Una vez alcanzado dicho tope se pueden dar dos casos: el primero sería que la corriente siguiese circulando, el segundo que dejase de circular. En el primero de los casos el condensador ya no afectaría al paso de la corriente, pues al estar cargado no necesita más energía, ahora bien, si la corriente cesara, sería entonces el momento en que el condensador comenzase a "soltar " su energía, siempre y cuando tuviese a quien "soltarla ", es decir, siempre y cuando estuviese conectado a "algo ". En caso de no tener a quien "soltar " esta energía almacenada, esperaría pacientemente a que fuese conectado para cederla. Supongo que todos hemos sido avisados del peligro de "destripar " aparatos viejos como televisores o equipos musicales, incluso estando desenchufados, pues bien, la razón de este consejo paternal se debe precisamente a que estos aparatos poseen condensadores muy grandes, capaces de almacenar la suficiente energía como para propiciar una descarga eléctrica nada recomendable.
FILTRO DE LA TENSIÓN RECTIFICADA Ya hemos visto cómo la tensión que entrega un rectificador no es del todo útil debido a su constante variación a lo largo del tiempo. Además, sus oscilaciones van desde un valor tope, o máximo, hasta "cero " y este es otro inconveniente ya que en el momento en que la tensión es cero, no se entrega energía alguna. Pues bien, gracias al uso de un filtro conseguiremos "alisar " esas ondulaciones en la tensión, a fin de obtener una tensión lo más parecida a una constante; además, el valor mínimo no será cero sino que tendrá un valor algo positivo.
Como vemos en la ilustración correspondiente, hemos añadido un condensador en paralelo. En esta situación, si no se conectase nada entre los puntos A y B (llamados carga) el condensador comenzaría a cargarse hasta llegar a su tope. Es entonces cuando nuestro filtro ofrece una tensión constante. Esta situación sería suficiente siempre y cuando no se entregase corriente a la carga, es decir, no se conectase algo. Pero, evidentemente, sería absurdo diseñar un dispositivo electrónico para no utilizarlo. ¿Qué pasa entonces cuando conectamos algo a las salidas del filtro? Pues que cualquier aparato electrónico que se conecte necesita energía para funcionar. Y esta energía eléctrica que necesita la va a tomar de dos partes; por un lado toma energía de la propia fuente y por otro de la que tiene almacenada el condensador. Esto no tendría gran importancia si no fuera por el hecho de que el condensador, al descargarse, va perdiendo diferencia de potencial entre sus bornes, por tanto, vuelve a bajar la tensión. Sin embargo, como la fuente está constantemente suministrando energía eléctrica, el condensador vuelve a cargarse y la tensión por tanto vuelve a subir. Es una oscilación de tensión que dependerá de qué cantidad de energía requiera el dispositivo conectado. No obstante, estas oscilaciones son bastante menores que las obtenidas directamente del rectificador, así pues, su utilización está justificada. El funcionamiento de un filtro formado por un condensador está basado en que dicho condensador puede almacenar energía. Hay otro tipo de dispositivos capaces de almacenar la energía, son los inductores. Podemos tener un filtro formado por un inductor, un condensador o ambos juntos.
REGULADORES ELECTRÓNICOS Esta va a ser la última etapa dentro de nuestra fuente de alimentación. Aunque ya tenemos una corriente continua casi perfecta después del paso por las tres etapas anteriores, todavía hay aparatos electrónicos que no se conforman con que la corriente pase por un filtro y necesitan mejorarla usando dispositivos electrónicos.
Una fuente de alimentación regulada ideal es la que mantiene constante la tensión de salida a pesar de los cambios en la tensión de entrada. Existen tres tipos básicos de fuentes de alimentación reguladas, según esté colocado el dispositivo regulador en el circuito: regulador en serie, regulador en paralelo y regulador en conmutación. Deben su nombre a que en el primero colocamos un dispositivo en serie y en el segundo está montado en paralelo. En estos reguladores toda la energía que no hemos liberado en la carga la tenemos que liberar en el regulador, aunque no sea aprovechada. Sin embargo, en los reguladores en conmutación se vuelve a utilizar esta energía, pero esto ya lo estudiaremos más adelante, por el momento nos conformaremos con saber que existe un tipo de controlador electrónico que aprovecha toda la energía que le llega. Los dispositivos que más se usan para regular las fuentes de alimentación son los diodos Zener y el regulador Shunt.
TRANSFORMADORES MAS SEMICONDUCTORES IGUAL A FUENTE REGULADA (APLICACIONES) No cabe duda de que cualquier circuito donde entren a formar parte los transistores gozará de la cualidad intrínseca a estos, es decir, regular la intensidad que circula por los mismos y, en consecuencia, cualquier magnitud asociada a ella.
Uno de los campos más directos de aplicación de los transistores se da en las fuentes de alimentación. Una fuente fija posee tan sólo una o varias salidas cuya tensión e intensidad permanecen constantes y cuyo valor se ha prefijado a la hora de diseñarlas. Si hacemos uso de unos pocos transistores adecuadamente conectados y unos pocos componentes más podemos diseñar una fuente de corriente continua, cuya tensión de salida puede ser regulada a voluntad, dentro de unos márgenes, y, si así se diseña, será posible también limitar la intensidad presente en su salida. Además, los semiconductores -diodos zener, transistores o circuitos integrados- añaden a las fuentes de alimentación otra característica no solo útil sino además segura: la estabilización. Cualquier circuito electrónico que haga uso de una alimentación de corriente continua precisará que ésta se mantenga estable dentro de unos márgenes. Esto es precisamente lo que hacen las fuentes estabilizadas. El diodo zener puede ayudarnos en este propósito, pero ahora expondremos nuevas y mejores posibilidades.
La ilustración correspondiente nos da una idea bastante clara de lo que precisamos a la hora de obtener una fuente estabilizada y/o regulada, puesto que los transformadores y rectificadores nos son ya conocidos. Con ellos obtenemos corriente continua pero, si añadimos algún tipo de control sobre la tensión suministrada y hacemos que parte de la misma retorne al bloque de control con el fin de ser supervisada podemos conseguir que dicho "bloque " mantenga la tensión dentro de unos márgenes. Si dicho "control " parte de unos parámetros fijos (previstos en el diseño inicial) estaremos ante una alimentación estabilizada. Si, además, añadimos la posibilidad de modificar los parámetros, en concreto el valor de la tensión de salida, a voluntad del usuario estaremos en presencia de una fuente regulable.
Todo esto resulta ya llamativo pero aún podemos pedir más de una fuente de alimentación de mediana calidad: la posibilidad de regular (más bien limitar) la intensidad de salida de la misma. Esto significa que, en caso de "problemas " en el circuito alimentado, se evitarán males mayores si la intensidad de que disponemos tiene un "tope " bien definido.
FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE ESTABILIZACIÓN La aplicación de los diodos zener a la salida de una alimentación continua constituye un tipo de fuente estabilizada de tipo "paralelo ". Con el añadido de los transistores a dichos circuitos se constituye otra familia de estabilizadores diferente a la que denominaremos fuente estabilizada de tipo "serie ". Para comprender su funcionamiento, nos basaremos en el circuito representado en la ilustración correspondiente y que relaciona el diodo zener ya conocido y un elemento nuevo para nosotros en las fuentes de alimentación, el transistor.
En esta configuración los roles se reparten de la siguiente forma: el conjunto zener se encarga de supervisar la tensión suministrada por la fuente, mientras que el transistor en el modo de colector común recibe la "información " procedente de la parte supervisora y modifica su conducción de acuerdo a aquélla. De esta manera se obtiene la estabilización buscada. Vamos ahora a explicar cómo actúa el circuito en el caso de una hipotética variación en la tensión de entrada (Ve).
Partimos de la base de que la intensidad de salida (Is) permanece constante (Is = k), por lo que la intensidad de base del transistor T (Ib) permanecerá también constante. La relación de tensiones de entrada y salida se verá afectada por la caída de tensión en T por lo que: Vs = Ve - Vce Como se ha dicho, supondremos que se produce una repentina elevación de la tensión de entrada (Ve), lo cual se traduce inmediatamente en una elevación de la polarización inversa aplicada al diodo zener y, en consecuencia, la intensidad que atraviesa al mismo (Iz) también se ve incrementada. Como quiera que la intensidad que circula por la resistencia limitadora (R) es suma de la que llega a la base de T y al diodo zener se cumple que Ir = Ib + Iz, por lo que un aumento de Iz se traduce de forma inmediata en un aumento de Ir (recordamos que hemos partido de la premisa de que Ib permanece constante). Al aumentar la intensidad que circula por R se origina una mayor caída de
tensión en la misma, lo que redunda en un aumento de la polarización negativa del transistor. Como consecuencia de ello se ve incrementada la resistencia colector-emisor (Rce), lo que origina una mayor caída de tensión entre colector y emisor (Vce). Como partíamos de la base de que Vs = Ve - Vce, lo que ocurre, en resumen, es que un incremento de la tensión de entrada (Ve) se traduce en un aumento de la Vce, con lo que se mantiene constante el valor de Vs. La misma lógica se mantiene en el caso de que se originen variaciones en la intensidad de salida (Is); el circuito reaccionará de forma que dicha variación no consiga modificar la tensión de salida (Vs) estabilizada.
FUENTES REGULABLES
En la ilustración correspondiente podemos ver los bloques constituyentes de una alimentación de tipo regulable. Cada uno de dichos bloques se ha identificado con una letra, a fin de comentar brevemente el funcionamiento último de la misma. El bloque "A" representa la entrada de alimentación continua de tipo estándar (C1 en el esquema eléctrico). A partir de ella obtendremos otra tensión de salida que será la que podremos regular a voluntad. El bloque "B" (en el esquema, T1) se encarga de realizar la misión que en la fuente estabilizada se encomendaba al transistor configurado en colector común, es decir, compensar las oscilaciones producidas en la tensión de entrada o en la corriente que circula por la carga conectada en la salida de la fuente. El bloque "C" se encarga de tomar una parte de la tensión de salida y hacerla llegar a otro bloque ("E ") que se encarga de compararla con cierta señal o tensión, que denominaremos "de referencia ". La referencia citada viene representada por la letra "D " y suele ir constituida, en la práctica, por una tensión zener estabilizada o un condensador (C2).
El bloque "E " es el que goza en este montaje de un protagonismo no disimulado. Su misión consiste en comparar las tensiones obtenidas a partir de una toma de la de salida ("C ") y de otra de referencia ya citada ("D "). En la práctica, este bloque está formado por un circuito denominado amplificador operacional configurado como comparador de señales. También puede estar conformado -en su versión más sencilla- por un simple transistor. Bien sea uno u otro, su salida se hace llegar, a través de un amplificador (bloque "F " o T3), a la etapa de control "B ", la cual modifica la señal o tensión de salida en función de la señal de muestreo preconfigurada. Dicha señal será función, normalmente, de un potenciómetro, el cual constituirá el elemento que nos permita variar la salida de tensión de la fuente a voluntad.
REGULADOR INTEGRADO Existen en el mercado circuitos de una pastilla que nos permiten realizar todo el proceso de regulación y estabilización de una forma sencilla y rápida. La ilustración nos proporciona una imagen resumida de la circuitería contenida en un chip estabilizador de este tipo. En concreto se trata de un circuito de la conocida familia 78XX.
Estos integrados poseen tan solo tres patillas, las cuales corresponden a las señales de Entrada de tensión a regular, Masa común y Salida de tensión regulada. La familia 78XX, en concreto, se suele utilizar en valores normalizados de 5, 12 y 15 voltios y cuya nomenclatura corresponde, respectivamente, a 7805, 7812 y 7815.
REGULADORES DE TENSION Conseguir que la tensión de un circuito en la salida sea fija es uno de los objetivos más importantes para que un circuito funcione correctamente. Para lograrlo, se utilizan los reguladores de tensión, que pueden ser circuitos formados por elementos discretos o por circuitos integrados.
Cuando se diseña un circuito hay muchos factores que tenemos que tener en cuenta. En primer lugar, como es lógico, habrá que comprobar si el circuito diseñado es capaz de realizar todas y cada una de las funciones deseadas. Una vez verificado su correcto funcionamiento, tendremos que comprobar hasta qué punto es capaz el circuito de mantener dichas características de funcionamiento, es decir, cómo va a comportarse ante las ya más que conocidas circunstancias adversas, como pueden ser las variaciones en las tensiones de entrada o, claro es, los cambios de temperatura. Con los transistores vimos que la temperatura era un factor muy importante que podía estropear el transistor si no poníamos algo que compensara sus efectos cuando esta aumentaba o disminuía. La solución la obteníamos muy fácilmente al colocar una resistencia en el emisor, y así, con un esfuerzo muy pequeño, quedaba solucionado un gran problema. Los cambios en la tensión suministrada son, junto con las variaciones de temperatura, una de las principales causas de funcionamientos erróneos o, incluso, de rupturas de los aparatos electrónicos. La razón proviene del hecho de que todos los aparatos electrónicos están diseñados para funcionar con unos ciertos límites en las tensiones de entrada; por tanto, una tensión de entrada que se suministre a un dispositivo y que sea superior a la que este pueda soportar, o a la recomendada por los fabricantes, probablemente produzca corrientes lo suficientemente altas como para quemar alguno de sus componentes y, por tanto, dejar completamente inactivo el aparato electrónico. Esto no sería un serio problema si la tensión suministrada por las compañías eléctricas fuese lo suficientemente precisa como para garantizar una precisión en el valor de la tensión. Sin embargo, esto no es así, y la tensión suministrada por las compañías, dependiendo del lugar y del momento considerado, pueden oscilar hasta un 10% sobre el valor nominal. Esta variación es suficiente para no poder suponer que disponemos de una fuente de tensión constante. Como siempre en la electrónica, de una u otra forma más o menos aproximada, podemos conseguir solventar la mayoría de los problemas que se plantean. En este caso, la solución a las variaciones de tensión la encontramos en los circuitos conocidos como "reguladores de tensión ".
REGULADORES FIJOS Y AJUSTABLES Los reguladores de tensión se suelen dividir en dos grandes grupos: reguladores de tensión fija y reguladores ajustables. En los primeros, como su nombre indica, vamos a obtener una tensión fija partiendo de una tensión variable en la entrada. Con los reguladores de tensión constante vamos a obtener un voltaje fijo entre los terminales de la resistencia de carga, durante el período en el cual se mantenga la corriente a través de dicha resistencia dentro de un intervalo determinado. Con los ajustables, vamos a poder controlar la tensión de salida, partiendo también de una tensión variable.
Todo circuito integrado regulador está preparado para disipar una potencia, normalmente en forma de calor. Por esta razón, los circuitos integrados reguladores vienen preparados para que esta disipación no les afecte, y suelen colocar un transistor que estabilice las variaciones que se produzcan. A los reguladores fijos de tensión los podemos dividir en dos grupos, según el signo de la tensión que regulen. Así, podemos tener reguladores de tensión positiva y reguladores de tensión negativa. Los dos van a ser muy parecidos y solo se van a diferenciar en el sentido que lleva lo corriente.
REGULADORES NO INTEGRADOS Tenemos varios tipos de reguladores electrónicos. Los primeros que vamos a ver son los reguladores zener, que se denominan así porque usan las propiedades de los diodos zener para regular la tensión. Dentro de unos ciertos límites de corriente, sabemos que el diodo zener tiene una caída de tensión constante, por lo tanto, la tensión que va a entregar a la resistencia de carga va a ser constante. Para ver cómo funciona este tipo de circuitos podemos considerar al diodo zener como una resistencia variable. Si, por ejemplo, la resistencia de carga disminuye, va a absorber más corriente. Al principio la tensión disminuirá poco. La resistencia interna del zener va a aumentar dejando pasar menos corriente que antes, por lo que va a caer menos tensión al ser la corriente menor. La tensión de la salida va a permanecer constante aunque varíe la carga. Por el contrario, si la resistencia de carga aumenta, absorberá menos corriente. La resistencia interna del zener va a disminuir, absorbiendo menos corriente que antes para compensar el aumento de la resistencia de carga: el resultado final va a ser que la tensión entre los terminales de la resistencia de carga va a ser prácticamente constante dentro de un margen de corriente no muy grande. Otro tipo de regulador electrónico es el denominado regulador Shunt. Es bastante parecido al regulador zener, pero aquí tenemos un transistor en colector común añadido, cuya resistencia de emisor va a actuar como carga de salida del circuito. En este tipo, el valor de la corriente va a ser más alto debido a la amplificación que va a efectuar el transistor.
El regulador serie es otro de los reguladores electrónicos. Se denomina así porque el elemento encargado de regular se encuentra en serie con la corriente de carga. El regulador va a ser un transistor y, al igual que en los reguladores tipo zener considerábamos al diodo zener como una simple impedancia variable, en los reguladores serie vamos a considerar a este transistor también como una impedancia variable. La diferencia con los zener es que ahora la impedancia variable se encuentra en serie con la carga. La entrada de tensión va a ser mayor que la salida regulada. El transistor que usamos como regulador está conectado como seguidor de emisor. Este transistor funciona en la región activa y ofrece cierta resistencia al circuito. Si el circuito está funcionando normalmente, cada vez va a demandar una mayor corriente de carga. Lo que implica que la tensión va a disminuir si no lo tenemos regulado. El regulador serie también tiene la propiedad de compensar las variaciones de entrada de corriente continua. Así pues, con un regulador serie podemos compensar tanto las variaciones de entrada como las de salida.
Otro tipo de regulador es el "regulador en paralelo ". ". Este circuito está formado por impedancia fija colocada entre la entrada no regulada y la salida regulada; una impedancia variable que está colocada en paralelo, de donde viene el nombre de este tipo de reguladores, que se encuentra situada entre los terminales de la salida. La impedancia en paralelo va a variar para conseguir que la tensión de salida sea constante. Normalmente la impedancia en paralelo va ser un transistor, como en los reguladores en serie.
REGULADORES INTEGRADOS
El primer circuito integrado regulador que se fabricó fue el LM723, hace unos 15 años aproximadamente. Es uno de los circuitos integrados más vendidos en el mundo y, a pesar de sus defectos y de que hoy en día hay otro tipo de reguladores integrados, no se ha perdido su popularidad. Durante unos cinco años fue el único regulador integrado que se vendió. Después se encontró el modo de incorporar elementos externos a los circuitos integrados, entre los que se incluían transistores serie de alta corriente.
Así surgió la familia de los 7800, reguladores positivos de voltaje fijo. Pronto le siguió la familia de los 7900, reguladores negativos de voltaje fijo. Estas dos familias tuvieron un gran éxito. Su precio era muy bajo, tenían buenas especificaciones de regulación de carga, linealidad y una buena capacidad de corriente que podía llegar hasta 1 amperio. Eran muy usados como reguladores de circuitos locales. Su mayor ventaja era que se podían reducir considerablemente los requerimientos sobre la fuente de alimentación principal y sus reguladores de voltaje.
Después se extendieron ambas familias y aparecieron los reguladores simétricos dobles. dobles . Incluían un regulador positivo y otro negativo dentro del mismo chip, añadiendo un amplificador para que uno de los dos voltajes siga al otro y se obtengan salidas simétricas respecto a tierra. Estos reguladores cada vez han adquirido una mayor importancia, ya que se han ido haciendo evidentes las limitaciones de los reguladores convencionales. La creciente complejidad de los sistemas analógicos conduce a situaciones donde pueden incluirse muchas funciones diferentes dentro de una misma tarjeta. Así, por ejemplo, podemos tener amplificadores operacionales, sensores, comparadores, microprocesadores, convertidores D/A y A/D, etc., dentro de una misma tarjeta. Esto trae un grave problema para la fuente de alimentación, ya que la tarjeta puede requerir voltajes tanto negativos como positivos. Los reguladores dobles pueden solucionar este tipo de problemas, ajustándose fácilmente a los requisitos de cada momento.
Casi todos los reguladores integrados son de baja potencia. Normalmente, si necesitamos corrientes elevadas, se les agregan elementos que amplifiquen la potencia externos al circuito integrado. Algunos fabricantes han logrado incorporar dentro del circuito integrado los transistores que amplifican la potencia, pero esto trae consigo una amplificación de la disipación de la potencia en el c.i., por lo que no siempre es conveniente integrar el transistor. Como ya sabemos, los reguladores de alta corriente requieren que el circuito esté diseñado para que tenga una resistencia térmica mínima. Según sea la temperatura de trabajo de un circuito integrado, así va a ser su fiabilidad a
largo plazo. Por lo tanto, cuanto más calor podamos sacar fuera del chip mejor va ser el circuito y va a funcionar durante más tiempo.
EL LM723
Uno de los circuitos integrados más utilizados es el 723. 723. Es un regulador de tensión. En el interior de este circuito integrado vamos a encontrar un amplificador operacional con sus dos entradas, inversora y no inversora, inversora, un diodo zener de referencia, un transistor que actúa como regulador de tensión, un segundo transistor de salida y un tercer transistor que va a controlar la intensidad y va a ser el encargado de limitarla, en el caso de que sea necesario, para evitar problemas con una intensidad muy alta. En este circuito vamos a tener una tensión de referencia de alrededor de 7 voltios. El amplificador operacional está conectado como seguidor de tensión, es decir, conectamos la salida directamente a la entrada inversora. Después ponemos un divisor de tensión, formado por dos resistencias, que nos va a proporcionar la tensión que vamos a meter por la entrada no inversora. Dicha tensión es la que vamos a obtener a la salida del amplificador ya que, como hemos dicho, se encuentra conectado como seguidor de tensión. Por lo tanto, su funcionamiento más general consiste en unir la entrada inversora a la tensión de referencia, la no-inversora al divisor de tensión, después conectar la diferencia de ambas entradas amplificadas al transistor regulador, que va a conseguir la estabilización deseada al variar su conducción para compensar la diferencia de las dos entradas. Aunque la máxima intensidad de salida de un 723 sean 150 mA, tenemos que tener cuidado con la corriente de salida para no sobrepasar la máxima disipación posible. Si necesitamos una corriente de salida mayor que la que nos permite el 723, podemos añadir un transistor exterior al circuito integrado. Este transistor de potencia puede ser del tipo PNP o NPN, pero tenemos que tener muy en cuenta de qué tipo es, para conectarlo correctamente al circuito integrado. Si estamos añadiendo un transistor NPN, lo vamos a conectar como si fuera una extensión de los seguidores internos que tiene el 723. La base va a ir conectada al potencial de salida del circuito integrado, Vo, y el emisor lo l o vamos a unir a la entrada inversora. Pero si añadimos un PNP vamos a conectar el potencial de salida, Vo, a la entrada inversora y esta al emisor, y la base a Vc, que es la tensión del colector del transistor de salida del circuito integrado 723.
Podemos poner un limitador térmico para proteger al regulador de tensión de las variaciones de temperatura, pero este no va a proteger a los elementos conectados externamente al 723, sólo protegerá al circuito integrado.
Entre las ventajas que nos ofrece un 723 podemos destacar su buena regulación y bajo coeficiente de temperatura, junto con su versatilidad. Además, no solo se puede usar como regulador de tensión sino que también se puede emplear como regulador reg ulador de intensidad. El 723 se caracteriza por su pequeño consumo en reposo, baja deriva con la temperatura y su alto rechazo al ruido. Es aplicable en fuentes de alimentación positivas y negativas como un regulador paralelo, serie, conmutado o flotante. Se pueden usar como fuentes de laboratorio, reguladores locales para tarjetas lógicas, reguladores para amplificadores de datos de bajo nivel, fuentes para instrumentación, sistemas aerotransportados y fuentes para circuitos digitales y lineales. Con un 723 podemos conseguir un regulador básico de baja tensión y un regulador básico de alta tensión. Como ya sabemos, con el circuito integrado 723 podemos construir una fuente de alimentación. Cuando se empezaron a fabricar los circuitos integrados era muy difícil superar los 40 voltios de salida con un c.i.; para conseguir esto había que usar semiconductores discretos, no integrados, incluso con el 723 no se podían rebasar los 40 voltios de entrada y con esta entrada sólo se podía conseguir una salida que, como mucho, alcanzaba los 37 voltios. Pero ahora podemos construir un circuito con un 723 que supere este límite de salida para poder usarlo como regulador regu lador básico de alta tensión.
En un 723, una zona importante es la fuente de tensión de referencia, que está compensada en temperatura y casi exenta de ruido. La fuente de referencia puede proporcionar una corriente que puede alcanzar 15 mA. Aparte, como ya sabemos, se encuentra un amplificador corrector que va a controlar al transistor que proporciona la tensión de salida, un transistor que se encarga de limitar la corriente. Es posible conseguir una alimentación totalmente estable y protegida contra los cortocircuitos usando un 723 y algunos componentes discretos asociados. Para conseguir tensiones estabilizadas de más de 40 voltios, el circuito necesita una tensión auxiliar separada, que actúe como fuente de tensión. A este tipo de reguladores se les denomina "reguladores flotantes ". Con estos circuitos podemos conseguir una tensión de salida que puede ser regulable entre 0 y 60 voltios.
El LM338
Otro ejemplo de regulador ajustable es el LM338. Este regulador tiene un valor de la tensión de referencia de 1,25 V. Con él podemos conseguir una corriente de salida que va desde los 1,2 V a los 25 V. Es muy recomendable colocar un condensador conectado a la entrada del LM338 para conseguir que el circuito no sea sensible a los ajustes o a la presencia de condensadores de salida. Los LM338 proporcionan una regulación de la carga muy buena. Para obtener las mejores prestaciones tenemos que tomar una pequeña medida. Dicha medida consiste en conectar la resistencia de corriente entre los terminales de ajuste y de salida lo más cerca posible del regulador, aunque para ello se tenga que alejar de la carga.
Cuando utilizamos condensadores con los circuitos integrados regulados es muy conveniente añadir unos diodos de protección y evitar así las descargas que se pueden producir por parte de los condensadores en los puntos de baja corriente de regulador. Cuando un regulador tiene conectado un condensador a la salida y se cortocircuita su entrada, el condensador se va a descargar a través del circuito integrado. Esta descarga es suficiente para dañar al circuito integrado y va a depender de tres factores: el tamaño del condensador, la tensión de salida y la velocidad de decrecimiento de la tensión de entrada. Por todos estos motivos, es muy conveniente añadir unos diodos de protección y, como ejemplo de circuitos integrados que los utilizan, podemos citar el regulador LM338.
REGULADORES DE TENSION (APLICACIONES) En poco tiempo, los reguladores han invadido el mercado de la electrónica por su sencillez de manejo, versatilidad, y lo que tan importante como esto, el bajo precio que pueden tener estos componentes.
Desde la aparición de los reguladores integrados se ha facilitado enormemente el trabajo de los diseñadores de fuentes de alimentación. Gracias a estos, para realizar una fuente de alimentación completa es suficiente con un transformador, un puente rectificador, un filtro y el regulador de tensión. En términos muy generales, y desde el punto de vista práctico, se pueden dividir en dos grandes grupos: los de tensión de salida fija y los que están pensados para regular la salida dentro de unos márgenes razonables.
REGULADORES DE TENSIÓN FIJA Este tipo de circuitos se utilizan para aplicaciones que necesitan una tensión estabilizada y un valor constante para alimentar un circuito o una parte del mismo. Probablemente es el tipo de regulador más utilizado, y es muy normal ver una fuente de alimentación de varias salidas en las que se incorpora uno de estos reguladores en cada una de ellas. Probablemente, el más popular sea la familia de los 78XX. En este nombre deberemos sustituir las dos X por un número que, en realidad, representa el valor de la tensión de salida. De tal modo que si necesitamos una tensión de salida de 5 voltios utilizaremos un 7805. Asimismo, si la tensión necesaria fuese de 12 voltios, deberemos emplear un 7812, coincidiendo siempre las dos últimas cifras con el valor nominal de la tensión regulada. Tienen tres patillas: entrada, salida y masa, de modo que son extremadamente sencillos de conectar y los diseños se simplifican enormemente. Las características de estos circuitos los hacen muy atractivos en varios sentidos. Por un lado tienen un margen de tensiones de entrada muy amplio, pudiendo llegar hasta los 35 voltios de entrada en algunos modelos. También disponen de una corriente de salida de 1 amperio, que es más que suficiente en muchas de las aplicaciones normales. Y otra característica importante es la protección térmica, que consiste en un sistema de seguridad interno que desconecta la salida cuando el circuito integrado se calienta en exceso. De esta forma el circuito puede soportar una sobrecarga instantánea sin destruirse, lo que le hace muy robusto y resistente. Estos circuitos que estamos estudiando tienen una regulación positiva. Esto quiere decir que tenemos una entrada de tensión que puede ser variable dentro de unos límites, pero siempre será positiva con respecto a la masa del circuito. Por lo tanto, la salida será fija en el valor nominal del integrado pero siempre positiva, también con respecto a masa.
Pero, ¿qué ocurre cuando necesitamos una tensión de salida negativa? Esta pregunta la responde la familia simétrica a la anterior, es decir, los 79XX. Estos circuitos son idénticos a los anteriores, pero con una entrada de tensión negativa con respecto a la masa y, por tanto, la salida será también negativa, ya que lo único que cambia de los 78XX es la polaridad. Con una mezcla de ambas familias es posible diseñar una fuente de alimentación simétrica, es decir, que dispone de una masa, una salida positiva y otra del mismo valor pero negativa. Este tipo de fuente es frecuente utilizarlas con algunos circuitos, como son los amplificadores operacionales, que normalmente necesitan una tensión positiva y otra negativa con respecto a la masa.
ENCAPSULADOS DE LOS 78XX Las versiones corrientes de estos reguladores utilizan el encapsulado tipo TO-220. Éste es de plástico, y en la parte posterior tiene una pequeña lámina metálica con un agujero, para poder fijar un radiador.
También está disponible el encapsulado TO-3. Se utiliza para corrientes de salida mayores, en las que se necesita una disipación de potencia más grande. Es totalmente metálico, con la forma típica de los transistores de potencia. Este encapsulado está pensado para montarlo sobre radiadores grandes con mayor grado de radiación térmica. Otro componente de esta familia de reguladores es el 78LXX. Es la versión contraria al anterior, es decir, se utiliza para bajas corrientes de salida. Proporciona un máximo de 100 mA, pero tienen varias ventajas, como es el tamaño de su encapsulado, del tipo TO-92, totalmente de plástico y muy pequeño. Es capaz de manejar una diferencia de tensión entre la entrada y la salida mayor que los normales. Ofrecen una mejor regulación de tensión limitación de corriente y protección contra cortocircuitos, de modo que es prácticamente indestructible, salvo que se invierta la polaridad de la entrada o se exceda la tensión de entrada.
DISIPACIÓN DE POTENCIA Hasta el momento podemos pensar que estos dispositivos son algo "casi mágico " al que se le aplica cualquier tensión de entrada, dentro de unos límites, y se obtiene otra tensión de salida, fija y estable, y con la corriente que nos interesa. Pero esto no es del todo cierto. Para conseguir un diseño correcto es importante seguir algunas normas básicas. Debemos empezar por disponer en la entrada del regulador una tensión de al menos 3 voltios por encima de la tensión nominal de salida. Estos 3 voltios son los que necesita el regulador para poder estabilizar correctamente la tensión.
Por otro lado, la corriente de salida tampoco puede ser tan alta como queramos, sino que dependerá de la tensión que estemos aplicando a la entrada. Todo esto se debe a que en realidad el regulador tiene un máximo de disipación de potencia, que es el factor que le permite trabajar o bien cómodamente o al límite de sus posibilidades. La disipación de potencia será la caída de tensión que tenga el regulador entre sus bornes por la corriente que le atraviese. Para entenderlo más claramente vamos a ver un ejemplo. Disponemos de un 7805 y le aplicamos una tensión de entrada de 12 voltios. Con esto queremos alimentar un circuito que tiene un consumo de corriente de 200 mA. El regulador tendrá una caída de tensión de 12V 5V = 7V. Y la corriente que entregará será de 200 mA, de modo que la disipación de potencia será: P = 7V x 0,2A = 1,4Ω Si en lugar de aplicar a la entrada del regulador 12 voltios tenemos 15, la disipación de potencia será 10V x 0,2A = 2Ω. Dependiendo de la disipación de potencia que tengamos en el regulador, tendremos que colocar un tipo u otro de radiador y, por supuesto, elegiremos el encapsulado que más convenga al mismo.
REGULADORES DE TENSIÓN VARIABLES Este tipo de reguladores se utiliza principalmente para fuentes de alimentación de laboratorio, ya que se pueden ajustar para obtener una tensión de salida variable dentro de unos márgenes razonables. Cualquier aficionado a la electrónica sabe lo práctico que es tener siempre disponible una fuente capaz de alimentar cualquier circuito que estemos montando, por extraño que sea.
EL REGULADOR L200 Dentro de los reguladores variables este circuito es uno de los más utilizados comúnmente. No sólo es capaz de regular la tensión, sino que también puede regular o limitar la corriente. La diferencia de éste con otros circuitos similares es que el circuito limitador de corriente también es programable, y podemos ajustar el límite al valor que queramos. De modo que es posible utilizarlo como fuente variable en tensión, pero a la vez limitada la máxima corriente de salida. Su valor de corriente máximo es de 2 amperios, muy por encima de la mayoría de reguladores. Y la salida de tensión está entre 3 y 25 voltios, con una tensión de entrada de 32 voltios. Por supuesto no debemos olvidar que estos valores se obtienen refrigerando adecuadamente al integrado. Dispone de protección térmica y contra tensiones excesivas de entrada, por lo que el integrado resulta muy resistente. Está disponible en dos encapsulados, el plástico de cinco patillas y el metálico tipo TO-3 de cuatro patillas.
EL REGULADOR 723 Dispone de unas características similares al anterior, con una tensión de salida entre 2 y 37 voltios, aunque la salida de corriente no puede superar los 150 mA; para poder aumentar ésta es necesario un transistor exterior. Tiene incorporado un amplificador de referencia compensado en temperatura y un circuito de limitación de corriente que le hace un dispositivo de gran precisión. Otras características del circuito son el bajo consumo en reposo, baja deriva con la temperatura y alto rechazo al ruido.
ADEMAS DE RECTIFICAR, PODEMOS FILTRAR, RECORTAR Y DOBLAR TENSIONES (APLICACIONES) Sí, a veces no basta con rectificar una tensión alterna. El tratamiento de los diodos rectificadores se ve apoyado por otros diodos que, convenientemente configurados, pueden limitar y recortar tensiones. Además de esto vamos a ver cómo filtrar una señal con objeto de que se asimile lo más posible a una CC.
La tensión alterna, o las señales alternas independientemente su tipo, se utilizan en electrónica tal cual o se tratan para adaptarse lo más posible al tipo y magnitud de la señal requerida. Para conseguir este fin los componentes electrónicos nos ofrecen diferentes posibilidades. Sólo tenemos que combinarlos de la forma adecuada y constituir así los circuitos de tratamiento que están ya inventados o, ¿por qué no?, inventar nosotros algún otro circuito. En la electrónica, como en el arte, todo es cuestión de imaginación e inventiva.
FILTROS Bajo este escueto nombre se engloban un buen número de circuitos que tienden a adecuar una tensión alterna para, por ejemplo, utilizarla como alimentación continua de cualquier circuito. Los filtros de alimentación son sólo una de las aplicaciones de estos pero, debido a su utilidad y simplicidad, vamos a comenzar con ellos.
Los filtros se basan en la propiedad de almacenamiento de energía que ofrecen los componentes reactivos, esto es, los condensadores y las bobinas. Los tipos más sencillos y utilizados son los siguientes: Filtro con condensador: este tipo de filtros tan solo precisa de la colocación de un condensador de gran capacidad entre el diodo (o diodos) encargado de rectificar la CA y la salida de la misma hacia la carga (o circuito) a alimentar (Rc). En la ilustración correspondiente nos podemos hacer cargo de cómo se conecta este condensador. Debido a las constantes de tiempo asociadas a las resistencias a través de las que se realizan las secuencias sucesivas de carga y descarga del condensador se obtiene una salida de forma bastante más "plana " que la señal que obtenemos en la salida de una etapa rectificadora.
Filtro en "V": en la ilustración correspondiente podemos observar cómo se configura en la práctica un filtro de este tipo. Como vemos, la denominación "pi " se debe a la forma que se obtiene en el
esquema que representa el citado filtro. La resistencia, junto al par de condensadores, muestra la mencionada "Ò ". Su funcionamiento intenta proteger al diodo D1 de los posibles picos de intensidad debidos a una carga excesivamente brusca. Ahora se vuelve a filtrar la resistencia R y el condensador C2- la señal obtenida ya en el tipo de filtro anterior, con lo que conseguimos atenuar aún más las oscilaciones de la tensión que llega a la carga (Rc).
FACTOR DE RIZADO La calidad de la señal, o tensión, continua que obtenemos después de hacer pasar una señal alterna por un circuito de filtro dependerá de la complejidad de éste. Podemos, por ejemplo, encadenar circuitos de filtro para conseguir mejores señales de salida (que lleven menos "rizado " sobre el componente de continua). El valor que determina esta calidad se conoce como factor de rizado o, más simplemente, rizado. Si tenemos una tensión continua, cuyo valor llamamos Vc, e incorpora sobre ella una tensión de rizado a cuyo valor pico a pico (así denominamos la medida de una tensión sinusoidal cuando nos referimos a la máxima distancia entre el pico superior y el inferior de la misma) llamamos Vpp, el valor del factor de rizado (Fr) será : Fr = (Vpp 100)/(Vc² * ¹2)
CIRCUITOS LIMITADORES Los circuitos limitadores (o recortadores) hacen uso de los diodos pero de un modo distinto al que hemos estudiado desde el punto de vista de la rectificación.
Desde una óptica práctica, podemos dividir a los recortadores en recortadores serie, recortadores paralelo y recortadores polarizados paralelo.
RECORTADOR SERIE: La posibilidad de colocar el diodo serie en uno u otro sentido posibilita que "recortemos " semiciclos positivos o negativos.
RECORTADOR PARALELO: Este tipo de recortador varía la posición del diodo pero basa su operativa en similares premisas.
RECORTADOR POLARIZADO: Esta clase de recortados utiliza una segunda polarización en serie con el diodo paralelo recortador. Esto se traduce en que el límite de conducción se ve incrementado, mientras que el valor absoluto de Vp (segunda polarización) será mayor que el valor absoluto de la tensión alterna de entrada (Vac). En la ilustración correspondiente vemos un recortador polarizado negativo y un recortador doble que utiliza dos polarizaciones contrarias sobre dos diodos (Va y Vb).
EL DIODO ZENER COMO REGULADOR DE TENSIÓN Al colocar un diodo tipo zener intercalado en un circuito la carga a alimentar (Rc) y el condensador de filtro (Cf)-, se origina una regulación real de tensión en la alimentación de la carga.
Esto se debe a que estos diodos zener se fabrican de forma específica para que se comporten como un diodo normal si no se alcanza la tensión zener (ya comentada) y responden con una elevada corriente ante pequeñas variaciones de tensión si trabajamos en esa zona. La utilización de esta característica hace que el diodo realice una regulación de tensión. Dicha tensión es indicada en la cápsula del mismo y viene prefijada de fábrica. De todos modos el diodo necesita el concurso de una resistencia limitadora para configurar totalmente la etapa "reguladora ". El cálculo de dicha resistencia es sencillo si aplicamos la fórmula siguiente: Rz = (V - Vz) (Ic + Iz) siendo, V: Tensión en la salida del filtro (Cf) Vz: Tensión zener o tensión de salida Ic: Corriente que circula por la carga. Iz: Corriente que circula por el zener (Iz = 0,2 * Ic) Por ejemplo, si deseamos estabilizar a 12 V una tensión V=18 y si la carga consume 100 mA tenemos que: R = (18-12) / (0,1+0,02) = 6/0,120 = 50 ohmios Si aplicamos la Ley de Ohm podemos deducir que la potencia de la resistencia y del diodo zener deberán ser de: P = V * I = Vz * Ic = 12 * 0,1 = 1,2 Ω.
Pz = Vz * Iz = 12 * 0,02 = 0,24 ==> 1/4 Ω. DOBLADORES DE TENSIÓN Existe un método que hace uso de los diodos y del efecto capacidad a fin de duplicar (o triplicar, cuadriplicar, etc.) una tensión dada pero con el inconveniente de no poder manejar una intensidad elevada, es decir, se eleva la tensión pero solo se pueden utilizar éstas para consumos pequeños.
En la ilustración correspondiente podemos ver un circuito doblador de tensión. Como vemos este circuito también hace uso de la propiedad de almacenamiento de energía de los condensadores así como del efecto de circulación en un solo sentido de que gozan los diodos. Su funcionamiento comienza con la carga de C1 a la tensión Ve cuando D1 se polariza directamente, tal y como se ve en la gráfica, debido al semiciclo negativo de entrada. En el ciclo siguiente D1 se polariza inversamente, D2 lo hace de forma directa y así se obtiene la carga de C2, pero esta vez la carga se hace a una tensión que es la suma de la almacenada en C1 y la proporcionada por Ve, es decir, C2 se carga a una tensión 2 * Ve ó, lo que es igual, en bornes de C2 se obtiene una tensión doble a la de entrada del circuito. Este tipo de circuitos se puede encadenar en cascada y lograr así, por ejemplo, triplicadores de tensión, los cuales son profusamente utilizados en la polarización de las pantallas de los televisores, pero... eso es ya otra historia.
UNIDAD III TRANSISTORES 3.1. TRANSISTORES NPN, PNP TRANSISTORES: BIPOLAR, JFET Y MOSFET En la actualidad, existe una gran variedad de aparatos electrónicos, tales como televisores, vídeos, equipos musicales, relojes digitales y, cómo no, ordenadores. Aunque, aparentemente sean muy distintos, todos ellos tienen algo en común: los dispositivos electrónicos de los que están constituidos. Los transistores son unos de los dispositivos más importantes. Están construidos con materiales semiconductores pero con estructuras más complejas que los diodos. Son la base de la electrónica y uno de los objetivos actuales es ir reduciendo su tamaño continuamente.
Como ya sabemos, si tenemos un material semiconductor tipo P y uno de tipo N, y los juntamos, esta unión da lugar al diodo: pieza básica de cualquier circuito electrónico. Este tipo de unión P- N no es la única que se puede hacer con materiales semiconductores. La ampliación más sencilla que se puede hacer a una unión P- N es añadirle de nuevo otra capa de semiconductor tipo P o tipo N. Es así como se obtiene lo que se conoce con el nombre de transistor de unión bipolar. Un transistor bipolar es la unión de un material semiconductor tipo P, uno del tipo N y de nuevo otro del tipo P; este sería el caso de un transistor P-N-P. Por el contrario, si uniésemos dos materiales tipo N más uno del tipo P en medio de ellos, obtendríamos un transistor tipo N-P-N. Vemos pues que existen dos tipos de transistores según sea su estructura interna. Aunque, aparentemente, ambos son muy similares, sus características de funcionamiento van a ser opuestas.
TRANSISTORES N-P-N Y P-N-P Vamos a centrarnos en los transistores tipo N-P-N y luego explicaremos los P-N-P. Cada una de las tres secciones que forman el transistor recibe un nombre: la de la derecha es el "colector ", la del centro la "base " y la de la izquierda el "emisor ". El colector es la parte que recibe "algo ", el emisor la que lo "emite " y la base es la zona intermedia por donde va a pasar. Este "algo " van a ser electrones o huecos a través de las uniones P- N, según el tipo de transistor del que hablemos.
La zona de semiconductor que está en medio, es decir, la base, siempre es más pequeña que las dos de los extremos, emisor y colector, bien sea en transistores P-N-P o N-P-N. Como podemos ver, aunque su estructura no sea excesivamente complicada, sería un tanto "pesado " tener que dibujarla en un circuito cada vez que nos refiriésemos a ellos, así pues, este tipo de transistores se representan esquemáticamente con el símbolo que aparece en la ilustración correspondiente.
Como vimos en las uniones P- N, para que este tipo de dispositivos funcione, es necesario aplicarles una diferencia de potencial externa. Según se conecte este potencial, vamos a obtener una polarización inversa o directa. Pues bien, ahora, como tenemos dos uniones, todo se multiplica por dos, vamos a tener que conectar dos baterías externas, una por cada unión, y podemos tener cada unión polarizada de una forma, es decir, las dos polarizadas inversamente, las dos directamente, o una inversa y la otra directamente.
Según tengamos polarizadas estas uniones, el transistor se comportará de una manera distinta. Diremos entonces que estamos trabajando en una u otra "zona ".
A la unión de la base y el colector la denominaremos a partir de ahora Jc, y a la unión de la base y el emisor Je. Podemos trabajar en tres zonas según como estén polarizadas estas uniones: si la unión Je está directamente polarizada y la Jc inversamente polarizada, se dice que el transistor está funcionando en zona ACTIVA. Si las dos uniones están directamente polarizadas se denomina zona de SATURACIÓN, y si están inversamente polarizadas se dice que el transistor está en zona de CORTE. Según como conectemos las dos baterías al transistor, podemos conseguir cuatro combinaciones diferentes: - El emisor conectado al borne positivo de la batería 1 y el colector al borne positivo de la batería 2. - Otra combinación sería el emisor al borne positivo de la batería 1 y el colector al borne negativo de la batería 2. - En la tercera combinación tendríamos el emisor al borne negativo de la batería 1 y el colector al borne positivo de la 2 . - Por último, el emisor conectado al borne negativo de la 1 y el colector al borne negativo de la 2. A partir de ahora, vamos a basarnos en los transistores N-P-N. Conectamos el emisor con el borne negativo de una batería, y el colector con el borne positivo de la otra. Haciendo un inciso, diremos que a la corriente del emisor la llamaremos Ie, a la del colector Ic y a la de la base Ib. Para entender el modo de funcionamiento de un transistor vamos a recordar cómo se comportan las uniones P- N al conectarlas a una batería. Primeramente supondremos conectada la batería A y desconectada la B, luego conectaremos la B desconectando la A, para finalizar conectando las dos a la vez. Si sólo tenemos la batería A con su borne negativo conectado al emisor y el positivo conectado a la base, y dejásemos al colector sin unir a la base (al tener desconectada la batería B), tendríamos una unión P- N, es decir, un diodo, polarizada directamente. Los electrones (portadores mayoritarios) pasan del emisor (N) a la base (P) al ser atraídos por el borne positivo de la batería, produciendo una corriente bastante intensa.
Si desconectamos la batería A (que une a la base con el emisor) y conectamos la B (para unir el colector con la base), colocando el borne positivo con el colector y el negativo con la base, tenemos una unión P- N inversamente polarizada y, por tanto, no se produce paso de corriente eléctrica.
Pero ¿qué ocurre al conectar las dos baterías a la vez? La unión del emisor con la base (Je) está polarizada directamente (emisor conectado al borne negativo y la base al borne positivo de la batería A) por lo que la barrera de potencial que hay entre ellos es muy estrecha. Sin embargo, en la unión base-colector, Jc, al estar polarizado inversamente (colector conectado al borne positivo y base al borne negativo de la batería B), la barrera de potencial es bastante ancha. Al haber conectado las dos baterías empieza "el movimiento ", los electrones (portadores mayoritarios en el material tipo N) se empiezan a desplazar desde el emisor (tipo N) a la base (tipo P), aproximándose al colector (tipo N), y consiguen atravesar la unión base-colector gracias a la "atracción " que les produce el borne positivo de la batería a la que está conectado el colector. ¿Por qué no se recombinan los electrones y los huecos de la base? La base es mucho más estrecha que el emisor y el colector; también está mucho menos "dopada ", por lo que los huecos libres (portadores mayoritarios) son muy escasos. Así que es muy difícil que un electrón encuentre un hueco para recombinarse, por lo que seguirá su camino atraído por el potencial. La corriente de base va ser pequeña al haber pocos electrones y huecos que se recombinen, la del emisor y el colector serán más grandes al producirse electrones en el borne negativo de la batería unida con el emisor, que van a atravesar a éste, para pasar después por la base y acabar atravesando el colector para ir a parar al borne positivo de la otra batería. Según incrementamos la polarización directa va a aumentar el número de electrones del emisor que se desplazan, creciendo a la vez la corriente de colector, emisor y base. Si disminuimos esta polarización, bajarán todas las corrientes hasta llegar a un punto en que el transistor puede quedar cortado y no conducir la corriente. Al potencial conectado al emisor se le llama Vee y al conectado al colector Vcc; aumentar su valor o disminuirlo es la forma que tenemos de aumentar o disminuir las polarizaciones. Los otros transistores que hemos nombrado son los P-N-P, cuyo funcionamiento es muy parecido al de los que acabamos de explicar (N-P-N). En los P-N-P el emisor es un semiconductor de tipo P, por lo que sus portadores mayoritarios van a ser los huecos en vez de los electrones, la base es del tipo N (portadores mayoritarios, los electrones) y el colector es de tipo P (portadores mayoritarios, los huecos). Las baterías también van a estar colocadas de distinta forma, el borne positivo de una batería va a estar unido al emisor, y el borne negativo de esta misma batería va a estar unido a la base, por lo que esta unión va a estar polarizada directamente; por otro lado, el colector y la base van a estar unidos por otra batería con su borne negativo conectado al colector y el positivo a la base, aquí la polarización va a ser inversa.
El funcionamiento en estos transistores es prácticamente igual al de los anteriores, la diferencia más notable es que en el P-N-P lo que se está moviendo son los huecos, en lugar de los electrones, desde el emisor, atravesando la base hasta llegar al colector; por tanto, el sentido de la corriente exterior va a ser inverso al ser inversos los sentidos del movimiento de huecos y de electrones. En los P-N-P también nos encontramos con que la base es muy estrecha y está muy poco dopada, por lo que la recombinación de huecos y electrones vuelve a ser pequeña y, en consecuencia, la corriente de base también lo será. Sin embargo, las corrientes de emisor y colector son grandes, como en el caso anterior.
TRANSISTOR PALABRA MAGICA DENTRO DE LA ELECTRONICA (APLICACIONES) Desde que en 1951 Shockley inventó el primer dispositivo semiconductor capaz de amplificar señales de radio y TV la palabra transistor ha estado ligada a la electrónica como el pincel lo está a la pintura.
A pesar del papel protagonista del transistor debemos ser precavidos pues, debido al gran auge experimentado por la microintegración de estos en pequeñas pastillas o "chips ", cabe la posibilidad de que los transistores puedan llegar a desaparecer como tales. No hay más que recurrir de nuevo al símil anterior y ver que, gracias a los nuevos sistemas "software " de dibujo y diseño, el pincel también puede llegar a desaparecer como elemento ligado a la pintura. Pero, previsiones aparte, el tema del transistor debe seguir siendo, de momento, pieza fundamental en el rompecabezas de la electrónica. La palabra transistor es de uso común dentro del mundillo electrónico. Quizá nunca nos hemos planteado averiguar su origen, ya que proviene de la función fundamental del componente. La descripción de dicha función, de una manera muy intuitiva y sencilla, podría ser: un transistor es un dispositivo de tres patillas, siendo una de ellas la responsable de aplicar una señal de control que haga variar la resistencia interna del transistor. Queda claro que de dicha variación de resistencia se
saca el consabido provecho al colocar el transistor en un circuito y regular así la intensidad que circula por el mismo (no olvidemos que según Ohm toda variación en la resistencia se traduce en el consiguiente aumento o disminución de intensidad). La utilización de dicho comportamiento como resistencia variable a voluntad para bautizar al componente queda clara: proviene del inglés TRANsfer-reSISTOR o abreviado, TRANSISTOR.
SEMEJANZAS ENTRE DIODOS Y TRANSISTORES El tema de los transistores no es más que la aplicación de uniones tipo P y tipo N. Si esto es así el asunto no difiere tanto del ya tratado sobre los diodos. Al fin y al cabo estos, también, no son sino uniones semiconductoras P y por lo tanto, hemos de encontrar un nexo práctico de unión entre ambos.
Si le echamos un poco de imaginación y tomamos un transistor sea tipo PNP o NPN podemos "partirlo " por la mitad y habremos conseguido dos diodos (teóricos). En la ilustración correspondiente se ve de una forma mucho más gráfica. Este ejemplo es sólo válido a la hora de hacernos un símil "recordatorio " para estudiar las conducciones internas del transistor, pero en modo alguno se nos puede pasar por la cabeza la idea de constituir un transistor a partir de dos diodos. A pesar de que realmente sí conseguiríamos dos uniones PN éstas no guardarían ni las dimensiones de base ni la geometría correcta, y ni que decir tiene que los niveles de dopado son radicalmente distintos. Posteriormente utilizaremos de nuevo este símil a la hora de realizar ciertas mediciones sobre el transistor.
Por ejemplo, para identificar cuál es cuál de entre las tres patillas de un transistor sólo tenemos que recordar los símiles de NPN y PNP y comprobar la conducción más o menos "simétrica " que se da entra la base y cada una de las otras dos patillas.
ENCAPSULADOS PARA TRANSISTORES Dependiendo de la polaridad empleada para la comprobación así será el tipo de transistor, esto es, PNP o NPN. Pero, aparte de la identificación de patillas, también está pendiente un tema tanto o más peliagudo que éste: la identificación de un transistor debido al gran número de encapsulados existentes.
En la ilustración correspondiente podemos ver diferentes tipos de encapsulados utilizados para contener transistores, bien sean estos de tipo PNP o NPN. Además de los transistores existen otros componentes que pueden responder a un tipo similar, por no decir idéntico, de encapsulado. Conviene que siempre nos aseguremos de la nomenclatura que corresponde a cada tipo de componente y comprobemos la identificación que figura en dicho encapsulado.
Por ejemplo, los componentes que observamos en la ilustración correspondiente parecen de idéntico tipo -poseen el mismo encapsulado- y, sin embargo, uno de ellos es untransistor, otro es un triac y el tercero un regulador integrado (dispositivo, por cierto, de suma utilidad). Una herramienta muy útil para la identificación de los diferentes tipos de transistores ( también para otro tipo de componentes electrónicos ) es el conocido popularmente como "libro de equivalencias ". En el mercado existe bibliografía suficiente sobre todo tipo de familias que incluye normalmente las
características de cada uno de los transistores, dibujo de su encapsulado y tabla para la identificación de cada patilla.
El hecho de que un libro de equivalencias para transistores incluya, por una parte, los dibujos de encapsulados y, por otra, las patillas que corresponden a cada modelo de transistor no es problema de datos redundantes sino de la posibilidad (más realidad que posibilidad) de encontrarnos transistores que responden a un idéntico encapsulado. Por ejemplo, el transistor BF494 y el BC557B se encapsulan en plásticos de idéntico diseño (en concreto encapsulado TO 92) pero el primero es de tipo NPN, mientras que el otro es un PNP. Y lo que es aún más importante, sus patillas no guardan similar orden.
La ilustración correspondiente nos muestra esta diversidad, la cual es factible de darse en cualquier modelo de transistor. Por esta razón, el transistor es uno de los componentes más delicados a la hora de ser implementados en un circuito. Debemos asegurarnos bien de cuál es cada una de las patillas antes de proceder a la colocación de este componente en su alojamiento definitivo. Antes de acabar con el tema de encapsulados hemos de indicar que los diferentes tipos y tamaños de encapsulados no obedecen a determinado capricho del fabricante. Normalmente el encapsulado de tipo plástico es muy barato y apropiado en transistores cuyas funciones permitan dicho "traje ". Pero los transistores, también, están sujetos a un determinado paso de corriente a través de ellos, lo cual se traduce, como es lógico, en una disipación térmica de la potencia consumida. Para ayudar a esta disipación se opta por fabricar transistores en cápsulas de mayor tamaño, en fabricar éstas en
material metálico (de más alto poder disipativo), o en dotar a los transistores de la posibilidad de añadirles posteriormente un método de disipación. Cabe mencionar aquí estos dispositivos. Su denominación es la de "disipadores ". Existen en el mercado multitud de modelos de disipadores y sus dimensiones están calculadas en función de la potencia que deban disipar estos. La forma en que los transistores se "preparan " para utilizar un disipador es incorporando una aleta refrigeradora -así se la suele denominar de forma coloquial- que suele ir dotada de un agujero que la atraviesa de parte a parte. En este orificio se colocará el tornillo que se fijará posteriormente a través del disipador. Los diferentes modelos y tamaños de los dispositivos electrónicos responden a las diferentes potencias manejadas. No sólo los transistores utilizan disipadores. Por ejemplo, el encapsulado TO-220 incorpora una aleta de este tipo, por lo que podemos deducir que un mismo modelo y tamaño de disipador podrá ser fijado a la aleta de un regulador, un transistor, un triac, un tiristor, etc.
3.2 TIPOS DE AMPLIFICADORES ANALOGICOS AMPLIFICADORES ANALOGICOS En un circuito analógico los voltajes y las corrientes tienen la libertad de variar en un rango continuo de posibles valores e incluso el más pequeño cambio de una señal de voltaje o corriente puede llevar información. Un circuito actúa como amplificador reproduce los cambios en su señal de entrada como cambios proporcionalmente más grande en su señal de salida. Un circuito analógico se define como aquel que acepta un voltaje o corriente analógica como señal de entrada y reproduce una señal analógica relacionada con su salida. Si su salida es una reproducción fiel y proporcional de la entrada, se dice que el circuito es lineal esto quiere decir que la señal de salida será una replica amplificada de la señal de entrada, pero si la salida esta correlacionada con la señal de entrada, pero no es una replica exacta de ella la amplificación es no lineal. La operación correcta de la mayor parte de los dispositivos de 3 terminales requieren que se agreguen componentes de CD, existen independientemente de cualquier fluctuación de la señal y no constituye información de la señal pasando a través del circuito. El termino señal es utilizado para significar únicamente aquellas fluctuaciones de un voltaje o corriente, dados que transmiten información. La relación de trasferencia de potencia o ganancia de potencia de un circuito analógico esta definida como la relación de potencia de señal entregada a una carga, a la potencia de señal extraída de la fuente. AMPLIFICADOR. Dispositivo para aumentar la amplitud, o potencia, de una señal eléctrica débil captada por la antena de un receptor de radio, la emisión débil de una célula fotoeléctrica, la corriente atenuada de un circuito telefónico de larga distancia, la señal eléctrica que representa al sonido en un sistema de megafonía y para muchas otras aplicaciones. Un dispositivo de amplificación de uso muy común es el transistor. Otras formas de dispositivos amplificadores son los distintos tipos de tubos de vacío termoiónicos como el triodo, el pentodo, el klistrón y el magnetrón. Los amplificadores suelen clasificarse por el tipo de elementos del circuito. Los amplificadores de acoplamiento por inductancia están conectados sobre todo por bobinas y transformadores; los de acoplamiento por capacitancia mediante condensadores, y los de acoplamiento por impedancia mediante reóstatos. Los amplificadores de acoplamiento directo están conectados sin ese tipo de componentes eléctricos, y se utilizan para alternar corrientes de muy baja frecuencia, como las que se producen en muchos ordenadores analógicos. Las demás modalidades se emplean para bandas de frecuencias amplias. Los amplificadores de audiofrecuencias funcionan entre 0 y 100,000 ciclos por segundos (Hz), o 100 kilohercios (kHz). Los amplificadores de banda intermedia sirven para las frecuencias entre 400 kHz y 5 millones de Hz, y así sucesivamente. CIRCUITOS AMPLIFICADORES. Los amplificadores electrónicos se utilizan sobre todo para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Los amplificadores lineales incrementan la señal sin distorsionarla (o distorsionándola mínimamente), de manera que la salida es proporcional a la entrada. Los amplificadores no lineales permiten generar un cambio considerable en la forma de onda de la señal. Los amplificadores lineales se utilizan para señales de sonido y vídeo, mientras que los no lineales s emplean en osciladores, dispositivos electrónicos de alimentación, moduladores, mezcladores, circuitos lógicos y demás aplicaciones en las que se requiere una reducción de la amplitud. Aunque
los tubos de vacío tuvieron gran importancia en los amplificadores, hoy día se suelen utilizar círcuitos de transistores discretos o circuitos integrados. AMPLIFICADORES DE SONIDO. Los amplificadores de sonido, de uso común en radios, televisores y grabadoras de cintas, suele funcionar a frecuencias inferiores a los 20 kHz (1 kHz = 1,000 ciclos por segundos). Amplifican la señal eléctrica que, a continuación, se convierte en sonido con un altavoz. Los amplificadores operativos, incorporados en circuitos integrados y formados por amplificadores lineales multifásicos acoplados a la corriente continua, son muy populares como amplificadores de sonido. AMPLIFICADORES DE VIDEO. Los amplificadores de vídeo se utilizan principalmente para señales con un rango de frecuencia de hasta 6 megahercios. La señal generada por un amplificador se convierte en la información visual que aparece en la pantalla de televisión, y la amplitud de señal regula el brillo de los puntos que forman la imagen. Para realizar esta función, un amplificador de vídeo debe funcionar en una banda ancha y amplificar de igual manera todas las señales, con baja distorsión. Amplificadores de radio frecuencias estos amplificadores aumentan el nivel de señal de los sistemas de comunicaciones de radio o televisión. Por lo general sus frecuencias van desde 100 kHz hasta un 1 gigahercio (1 GHz = 1,000 millones de ciclos por segundos), y pueden llegar incluso al rango de frecuencia de microondas. AMPLIFICADORES DE ALTA Y BAJA SEÑAL. Un amplificador aumenta, o amplifica, la magnitud de una señal eléctrica. De todos los componentes, el amplificador es, con mucho, el más utilizado para la construcción de sistemas electrónicos, como elemento individual. Si el amplificador se optimiza para amplificar las señales de voltaje, se le conoce como amplificador de voltaje. En le caso de amplificación de señales de corrientes se les denomina amplificador de corriente. Si el amplificador va a proporcionar una salida de potencia de un watt o más, a este generalmente se le clasifica como un amplificador de potencia. Otro método de clasificación se basa en la amplitud de las señales. Para señales pequeñas, usualmente del orden de microvolts y milivolts, el amplificador se clasifica como de señal pequeña, y para señales más grandes se le conoce como amplificado de señal grande. Sólo se requiere álgebra simple para calcular el comportamiento de amplificadores de señal pequeña. Sin embargo, los métodos gráficos se suelen utilizar en el análisis de amplificadores de señal grande. CARACTERISTICAS DE LOS AMPLIFICADORES El comportamiento de los amplificadores se caracteriza por los siguientes términos: • • • • • • •
Ganancia de voltaje. Ganancia de corriente. Resistencia de entrada. Resistencia de salida. Ancho de banda. Distorsión. Rapidez de repuesta.
GANANCIA DE VOLTAJE: Se define como la razón de la señal de voltaje de salida E 0 respecto a la señal de voltaje de entrada EV. AV = E0 / EV GANANCIA DE CORRIENTE: Se define como la razón corriente de salida I0 respecto a la señal de corriente de entrada IS. AI = I0 / IS GANANCIA DE POTENCIA: Se define como la razón de la potencia de la señal de salida P 0 respecto a la potencia de la señal de entrada PI. AP = P0 / PI Una definición alterna es que la ganancia de potencia es igual al producto de las ganancias de la corriente y del voltaje. AP = AV AI RESISTENCIA DE ENTRADA: La resistencia de entrada de un amplificador R I es la resistencia o impedancia entre los bornes de las terminales de amplificador. RESISTENCIA DE SALIDA: La resistencia de salida de un amplificador es la resistencia entre las terminales de salida de un amplificador con las fuentes de señales iguales a cero o anuladas. ANCHO DE BANDA: El ancho de banda de un amplificador corresponde aun onda de frecuencia amplificada con una modesta atenuación en ganancia. DISTORSIÓN: Debido a que las características del BJT y del FET no son estrictamente lineales, la salida de un amplificador contiene frecuencia que estuvieron presentes en la señal de entrada. RAPIDEZ DE RESPUESTA: La rapidez de respuesta en un amplificador indica lo bien que puede responder a una forma de onda que esta cambiando rápidamente. Para medir la respuesta se aplica un pulso rectangular en la entrada del amplificador. Debido a las capacitancias internas del capacitador, este requiere un tiempo finito para que la salida alcance su valor máximo. La rapidez con la que alcanza su salida es la rapidez de respuesta del amplificador.
CONFIGURACIONES BASICAS DE TRANSISTORES Los transistores son elementos muy versátiles. Podemos conectarlos dentro de un circuito de muy diferentes maneras, obteniendo distintos comportamientos. Por ejemplo, se puede conseguir ganancia en tensión, en intensidad o en ambas, según la clase configuración. Hay tres tipos de configuraciones básicas del transistor BJT: emisor común, colector común y base común.
Es evidente que los transistores no se utilizan como elemento único en los circuitos sino que forman parte de una "red " más o menos complicada de elementos unidos entre sí. La forma de "comportarse " dentro de este circuito va a ser lo que nos ocupe en las siguientes líneas. Un transistor en el seno de un circuito se ve afectado por las distintas intensidades de corriente que lo atraviesan y por las tensiones a las que están sometidos sus terminales. Como ya sabemos, un transistor, al tener tres terminales, se puede conectar de varias formas. Cada manera de conectarlo se llama "configuración ", y según como esté unido se va a comportar de una forma u otra. Existen tres tipos de configuraciones básicas para el transistor BJT, a saber: emisor común (EC), base común (BC) y colector común (CC). En la ilustración correspondiente vemos representados estos tres tipos de circuitos, prescindiendo de cualquier otro elemento, como pueden ser baterías, condensadores...; hemos dejado solos a los transistores para poder ver mejor como están conectados. El nombre de "común " se le da al terminal del transistor que es compartido por la entrada y la salida.
MODOS DE TRABAJO DEL TRANSISTOR Puesto que el transistor tiene dos uniones, existen cuatro combinaciones según estén en polarización directa o inversa. A cada una de estas combinaciones la llamamos modo de trabajo. Tenemos, por tanto, cuatro modos de trabajo; se denomina a cada modo de trabajo según estén las polarizaciones de cada unión.
En el modo activo directo, la unión emisor base está directamente polarizada y la colector base inversamente polarizada. En este modo, el transistor se comporta como una fuente de corriente controlada. Decimos que se trata de una fuente de corriente controlada porque podemos "controlar " las corrientes que fluyen por el transistor. La corriente del colector, Ic, depende del valor de la corriente del emisor, Ie, es decir, si Ie aumenta también lo hará Ic y, por el contrario, una disminución en Ie provocará una disminución en Ic. Así pues, controlando Ie, automáticamente controlaríamos Ic. El control de Ie se lleva a cabo con el potencial base emisor.
Este modo se podría asemejar a un grifo normal y corriente por el que fluye agua. El agua sería la corriente de colector y abrir o cerrar un poco el grifo equivaldría a variar el potencial Vbe. El resultado sería un aumento o disminución en el chorro de agua, que en el transistor se traduciría en un aumento o disminución de la corriente del colector, Ic. De ahí que se diga que el transistor, cuando trabaja en modo activo director se comporta como una fuente de corriente controlada. El segundo modo se denomina de corte, y se produce cuando las dos uniones están polarizadas de forma inversa. Podemos imaginarnos dos diodos colocados de forma opuesta al paso de la corriente. Como ya sabemos, en este caso no circula corriente apreciable, razón por la que se llama modo de corte. Se puede decir que, en este caso, el transistor se comporta como un interruptor abierto. Si, por el contrario, tenemos las dos polarizaciones de forma directa diremos que el transistor está en modo de saturación. Aquí, las corrientes circulan como si "prácticamente " no existiese transistor alguno. El transistor, en este caso, se comporta como un circuito cerrado. Los modos de corte y saturación son "comportamientos interruptor ", que serán utilizados en electrónica digital debido a esta cualidad.
PROPIEDADES DEL TRANSISTOR Hay cuatro conceptos que debemos tener muy claros antes de entrar en el análisis de los transistores. Estos son: amplificación, impedancia, fase y frecuencia . Los dos primeros hacen referencia tanto a circuitos de corriente alterna como de corriente continua, mientras que la fase y la frecuencia son "fenómenos " producidos en la corriente alterna. La amplificación, como su nombre indica, consiste en aumentar el valor de una cantidad; en un transistor podemos hablar de amplificación de corriente, de tensión y de potencia. La impedancia es la resistencia, es decir, la oposición al paso de corriente. Cuando hablamos de fase nos referimos a la sincronización que hay entre tensión a la entrada y a la salida, es decir, cuando la tensión de entrada está en su punto máximo, ¿también lo estará la tensión de salida? o ¿el valor de la salida se retrasará respecto del primero? En caso de que exista "retraso " se dice que hay un "desfase " entre ambas tensiones. La frecuencia es la "velocidad " con la que cambia la polaridad en la corriente alterna, esto es, la rapidez con la que pasamos de tensión positiva a negativa.
Respecto a la amplificación, habrá que determinar si el transistor produce amplificación o no. En caso de producir amplificación, hay que saber si esta es de tensión, de corriente o de ambas, y cuánto vale. Respecto a la impedancia, hemos de saber qué impedancia ofrece a la entrada y a la salida. Igualmente, con la fase tendremos que ver si los valores de la tensión a la entrada y a la salida "coinciden " o existe algún desfase entre ellos. De existir desfase, hemos de poder determinar su valor. Y, por último, respecto a la frecuencia, habrá que ver si el circuito es válido para una sola frecuencia o para un margen determinado. Y cuál es su comportamiento frente a frecuencias altas, medias y bajas.
CURVAS CARACTERÍSTICAS Como vemos, los transistores tienen múltiples formas de comportarse, dependiendo de las tensiones entre sus terminales. Cuando un usuario adquiere un transistor, necesita saber este comportamiento para ponerlo en práctica en su circuito y utilizarlo como más le convenga.
Los fabricantes proporcionan esta información para evitar que el usuario la tenga que deducir a base de hacer medidas. A primera vista, lo más lógico es que el fabricante diese una tabla con todos los valores posibles de las corrientes según los valores de los potenciales. Este sistema sería un tanto lioso. Sin embargo, existe una forma mucho más completa de proporcionar esta información que consiste en dar la "curva característica " del transistor. La curva característica de un transistor es una gráfica donde, en el eje horizontal, está representado el valor del potencial entre el colector y el emisor, Vce y en el eje vertical el valor de la corriente del colector, Ic. Cada línea, a su vez, corresponde a una corriente de base, Ib, distinta. Observando, pues, la curva característica de un transistor podemos saber cómo funciona este, según las condiciones a que esté expuesto. Sin embargo, si únicamente disponemos de esta gráfica no nos resultará muy útil, ya que lo que nos interesa de verdad es saber el comportamiento del transistor en un circuito concreto, no en general. Al poner un transistor en un circuito, en realidad, lo que estamos haciendo es limitar los valores posibles que pueden tomar sus terminales. Por ejemplo, si en un circuito tenemos el colector a ocho voltios y el emisor a tierra ( 0 voltios ) la diferencia de potencial entre ambos es, como mucho, de 8 voltios; pero nunca podrá ser mayor. A efectos prácticos esto se traduce en que existe una recta (llamada recta de carga) que depende del circuito en cuestión, la cual representa todos esos valores posibles. Solapando esta recta junto con la curva característica del transistor obtenemos gráficamente la respuesta del transistor en ese circuito.
La corriente del colector está totalmente relacionada con la corriente del emisor, si Ie aumenta o disminuye, Ic hará lo mismo. Ic también se encuentra relacionada con la corriente de la base, Ic es proporcional a Ib cuando el transistor está trabajando en modo activo. La relación que existe es exactamente la siguiente: Ic=B*Ib, siendo B lo que se denomina ganancia del transistor y es una característica de este que nos da el fabricante.
EMISOR COMÚN La configuración de emisor común es la más usada. En él, el transistor actúa como un amplificador de la corriente y de la tensión. Aparte de los efectos de amplificación, también invierte la tensión de señal, es decir, si la tensión es tendente a positiva en la base pasa a ser tendente a negativa en el colector.
Para estudiar las propiedades de este tipo de configuración vamos a basarnos en un transistor tipo PN-P. Tenemos la unión base-emisor, Je, polarizada directamente y la unión emisor-colector, Jc, inversamente polarizada. Aplicamos una tensión a la base y otra al colector y tenemos dos resistencias, Rb conectada a la base y Rc conectada al colector. El valor de la corriente de base va a depender del valor de la resistencia Rb, la corriente que circula por el colector, Ic, depende de la corriente de base, Ib, como hemos visto con la formula Ic=B*Ib; Ic es mucho más grande que Ib y ese aumento viene dado por B, que es un parámetro característico del transistor. Al pasar la corriente por Rc se va a producir una caída de potencial; luego la tensión que obtengamos a la salida también va a depender del valor de esta resistencia. Podemos colocar una resistencia en el emisor, que llamaremos Re, que va a perjudicar mucho la amplificación de tensión, pero va a hacer que el transistor sea mucho más estable y que no le afecten los cambios de temperatura. Aumentando o disminuyendo los valores de las tres resistencias podemos conseguir corrientes y tensiones diferentes en los tres terminales. Por ejemplo, si aumentamos la resistencia de base, el valor de la corriente Ib será menor, lo que implicará que Ic también sea menor, y al pasar una corriente de colector menor a través de Rc, el potencial que se obtendrá a la salida será mayor; pero si disminuimos Rb aumenta Ib y con ella la corriente de colector, y la tensión de colector disminuirá.
Disminuyendo mucho la resistencia de base podemos llegar a un punto en el que pasemos de la zona de activa a la de saturación, es decir, que la unión colector-base, que está inversamente polarizada en activa, pase a estar directamente polarizada y, por lo tanto, en saturación. Esto se produce porque Ib aumenta y, en consecuencia, Ic también aumenta. Si un circuito está trabajando en zona activa, el transistor se comporta de forma lineal. Es decir, que a iguales variaciones de la corriente de base, Ib, se producen iguales variaciones de la corriente de colector, Ic. El primer punto en el cual al aumentar Ib ya no aumenta Ic pertenece a la zona de saturación. También podemos modificar los valores de la corriente de base, de colector y de la tensión de salida " jugando " con la tensión de entrada o con la resistencia de colector. Una característica muy importante dentro de un circuito es determinar su punto de funcionamiento. La corriente continua, y la tensión en cada terminal del transistor determinan el punto de funcionamiento de un circuito. Este punto de funcionamiento se encuentra situado en la recta de carga. Para saber cuál es el punto de funcionamiento de un transistor tenemos que determinar el valor de Vc, potencial de colector, Vb potencial de base , e Ic corriente de colector cuando el potencial trabaja en zona activa. Para determinarlas podemos usar las curvas características que representan a un transistor, o también podemos hallar el punto matemáticamente, usando dos fórmulas que ya conocemos, la ley de OHM V=I*R y la igualdad Ic=B*Ib . Combinando correctamente ambas fórmulas hallaríamos los datos que necesitamos para obtener el punto de funcionamiento.
EFECTOS DE LA TEMPERATURA Un factor muy importante, capaz de desestabilizar a los transistores y que todavía no hemos tenido en cuenta, es la temperatura.
Vimos que los semiconductores pueden permitir el paso de corriente, pero necesitan una pequeña ayuda; se les puede dopar, o aumentar la temperatura, para que circulen los electrones de la última capa. Pues bien, los transistores son uniones P- N, y los materiales tipo P y tipo N son semiconductores dopados, luego van a permitir el paso de la corriente. Pero, por ser semiconductores, les va a influir mucho una variación de temperatura.
Si tenemos un circuito de emisor común "aparentemente " estable, con un punto de funcionamiento definido, se puede producir una gran inestabilidad con un aumento de temperatura. Esto sucede porque al aumentar la temperatura se incrementa la corriente del colector, aunque la corriente de base permanezca constante. Este incremento en Ic produce que la caída de potencial en la resistencia Rc sea mayor, luego la tensión Vc va a ser menor. La consecuencia inmediata de este hecho es que el punto de funcionamiento se va a desplazar. Esto ocurriría en el mejor de los casos porque incluso puede llegar a producirse la destrucción del transistor. La primera solución que se nos puede ocurrir para evitar que se produzca un aumento de la temperatura es colocar un ventilador, o "algo " que baje la temperatura cuando esta aumente y la mantenga siempre constante. Pero esto tiene dos inconvenientes, el primero es que resulta muy costoso y el segundo que ocupa mucho espacio, y al diseñar un circuito electrónico siempre se tiende a reducir el espacio al máximo. La segunda solución es colocar una resistencia Re en el emisor; al aumentar la corriente del colector, Ic, también se incrementa la corriente del emisor. Si ponemos una resistencia, se va a producir una caída del potencial, luego la tensión en el emisor va a ser menor. Si tenemos un circuito P-N-P, que es el que estamos analizando desde el principio, cuanto más grande pongamos la Re más negativa va a ser la tensión Ve; hacer la tensión de emisor más negativa es exactamente igual que hacer la tensión de base más positiva; la unión emisor-base va a estar "menos " directamente polarizada y esto va a producir que el transistor conduzca menos. Luego se compensa el aumento de la corriente de colector, debido al aumento de la temperatura, con la disminución de esta misma corriente debida a la disminución de la corriente que circula por el transistor al estar "menos " directamente polarizado. Conectar Re produce una desventaja para nuestro circuito, y esta es la disminución de la ampliación de tensión en el transistor. Este es el precio que tenemos que pagar para que nuestro circuito sea estable.
Acabamos de ver la configuración de emisor común de un transistor, que es la más utilizada en los circuitos electrónicos debido a la ganancia producida tanto en tensión como en corriente. Además de esta configuración, existen otros dos tipos: base común y colector común. En la primera, obtenemos una importante amplificación en tensión, aunque la amplificación en corriente es prácticamente despreciable. En la segunda ocurre al contrario, la amplificación en corriente es muy importante mientras que la amplificación en tensión es prácticamente despreciable.
CONECTANDO TRANSISTORES (APLICACIONES) Llegado el momento de seleccionar una configuración para un determinado circuito transistorizado hemos de tener en cuenta tanto las condiciones de funcionamiento extremas, requeridas por dicho circuito, como la configuración más idónea para conectar el transistor empleado. Aunque el futuro del transistor, tal y como hoy lo conocemos, no está tan claro.
Al diseñar un circuito electrónico que incorpore transistores y cierta dosis de complejidad no bastará con los conocimientos básicos sobre la polarización o el cálculo asociado a un circuito de transistor en modo emisor común. Debemos, en este punto, decantarnos también por un determinado encapsulado -como ya hemos visto asociado íntimamente a la potencia manejada por el circuito donde trabaje el citado transistor- y por uno de los tres tipos posibles de configuración, a saber: Emisor común(e.c.), base común (b.c.) y colector común (c.c.). Como quiera que el transistor posee tres patillas, lo normal suele ser que una de ellas reciba la señal de entrada, la otra la de salida y la tercera sea común a ambas señales. Cada una de estas configuraciones recibe un nombre que, dependerá del punto en común que guarde la señal de entrada y la de salida. Cabe pues suponer que en la configuración de emisor común el emisor es la patilla que está permanentemente en contacto con la señal de entrada y de salida, y de forma similar ocurre con las demás configuraciones tanto en base como en colector común, tomando el relevo en cada caso la patilla de base y la de colector respectivamente.
PARÁMETROS, VENTAJAS Y APLICACIONES La utilización de uno de los tres tipos de configuraciones dependerá en gran medida de lo que cada una de ellas aporte como ventajoso a la hora de trabajar, es decir, elegiremos de forma que aprovechemos las características más sobresalientes de cada montaje. Vamos ahora a dar un breve repaso a estas características para razonar de forma clara el porqué de las aplicaciones de uno u otro montaje.
Entre los parámetros de interés podemos destacar: Ganancia de corriente en cortocircuito: ap09cf3 Este término se utiliza en circuitos amplificadores también como "ganancia de señal " y hace mención a la relación existente en la corriente de salida y la corriente de entrada ante muy pequeñas variaciones en esta última (se supone que no existe resistencia en el circuito de salida y que la tensión Vbc se mantiene constante). Impedancia de entrada:
Como su nombre indica no representa más que la resistencia interna que ofrece el montaje de transistor tratado a la señal que aparece en su entrada. Impedancia de salida: ap09cf5 En este caso, se trata de la resistencia interna en los terminales de salida del circuito transistorizado. Ganancia o amplificación de tensión: Cifra la relación o cociente entre la tensión de salida y la de entrada. Ganancia o amplificación de corriente: Es, en este caso, la relación entre la intensidad de salida y la de entrada. Ganancia o amplificación de potencia: Refleja el cociente entre la potencia disponible a la salida del transistor y la de entrada.
Debido a las particularidades que podemos encontrar, dentro de cada una de las tres configuraciones disponibles, podemos deducir ya que cada una de ellas será algo más adecuada que las otras dos para una aplicación determinada. A manera de resumen, y de modo orientativo, vamos a comentar las aplicaciones más usuales de cada una de las conexiones posibles. La configuración de emisor común es, además de la más utilizada, la de mejor asimilación desde el punto de vista teórico. Desde la perspectiva de las ventajas a aportar podemos destacar que sus características medias son las mejores, tanto en amplificación de tensión como de corriente, lo cual se traduce, a su vez, en una amplificación de potencia bastante aceptable. Otro punto a tener en cuenta en esta configuración es el mínimo desequilibrio existente entre las impedancias de entrada y salida. Todo ello conlleva el que sea el circuito de más sencilla adaptación a cualquier diseño y, por tanto, el más utilizado. Resulta especialmente adecuado en el acoplamiento entre diferentes etapas. El conexionado en modo de base común guarda su principal ventaja en su frecuencia máxima de operación, la cual es bastante elevada. Esto hace que su uso en amplificadores de alta frecuencia sea relativamente frecuente. Otra aplicación típica para este montaje es su utilización como adaptador de impedancias. El montaje en colector común ofrece dos características de relieve. Por un lado su distorsión es baja, y por otro resulta la configuración idónea para trabajar como transformador de impedancias, debido principalmente a la relación entre la elevada impedancia de entrada frente a la reducida impedancia que ofrece a su salida.
¿DÓNDE SE UTILIZAN LOS TRANSISTORES? Puede parecer ilógico definir en la era que vivimos los campos de aplicación de un componente electrónico tan consolidado como es el transistor pero, de todas formas, no estará de más que demos un repaso a la evolución del mismo. La utilización de las uniones NP en formato doble, es decir, bien PNP o NPN, nace en el mismo momento que las antiguas válvulas de vacío se tornan insuficientes para llevar a cabo con éxito ciertas tareas. A pesar de ello no debemos olvidar tanto el papel desempeñado por aquellas como la defensa a ultranza que, aún hoy, mantienen ciertos expertos sobre las mejores cualidades de las válvulas para ciertas aplicaciones.
Con la válvula electrónica se consiguió controlar un flujo de electrones, quizá fue el paso definitivo para el nacimiento de la electrónica como tal, y constituir los primeros circuitos rectificadores, receptores de radio, amplificadores, televisores y hasta televisión en color. Pero había llegado el comienzo de la era de la miniaturización. Los circuitos comenzaron a complicarse en exceso para poder ser implementados por medio de válvulas sin llevar añadidas desventajas tales como el peso, excesivo espacio, coste, calentamiento y consumo, fragilidad, etc. La aplicación de las uniones PNP y NPN (transistores) surgió como panacea a la hora de resolver estos problemas. La aplicación masiva de este tipo de componente ha venido a paliar, sin duda, una de las "pegas " fundamentales de sus antecesoras las válvulas: el elevado coste de fabricación. Bien es cierto que ciertos transistores de uso específico y poco común pueden tener un coste elevado pero con los de gran consumo el asunto se invierte y su coste es cada día menor. Respecto al problema de espacio, poco tenemos que decir aquí. La era de la miniaturización se ha encargado de generar dispositivos transistorizados en los que las uniones semiconductoras ocupan un espacio mínimo. Esto redunda, también, en una disminución de los costes de fabricación. Tan solo los dispositivos que precisan manejo de potencias de cierta envergadura se ven obligados a crecer y ofrecer un encapsulado de dimensiones algo mayores. De todas formas, las nuevas tecnologías de fabricación están encargando de paliar el aumento de dimensiones en función de la potencia requerida. Con relación a la fragilidad de los componentes hay que mencionar aquí la ventaja que supone la utilización de los transistores en vez de las obsoletas válvulas, fabricadas de cristal, las cuales resultaban claramente "frágiles ". Pero la investigación avanza y el papel del transistor no está ya tan claro. Este es un componente que, como tal, está condenado a desaparecer o, por lo menos, a ser relegado a un lugar mínimo dentro de las futuras -y no muy lejanas- aplicaciones electrónicas. Debemos fijarnos en que hablamos de la desaparición del transistor como tal pero no del fin de la utilización de las uniones PN. Éstas se seguirán utilizando dentro de las pastillas o "chips ", los cuales son capaces de integrar en su interior el equivalente (en uniones PN) a millones de transistores. Con esto sobran más comentarios. SUMARIOS Sección Aplicaciones 1.La impedancia de entrada representa la resistencia interna del montaje a la señal que aparece en su entrada. 2.La configuración de emisor común es la más utilizada. 3.El transistor, tal y como hoy se conoce, está condenado a desaparecer.
COLECTOR COMUN Y BASE COMUN Cuando hemos conseguido obtener las características deseadas para nuestro circuito hay factores que pueden llegar a desestabilizarlo por completo, el más importante de todos ellos es la variación de la temperatura. Para corregir este tipo de perturbaciones colocamos resistencias situadas estratégicamente que compensarán el efecto producido por el aumento de temperatura.
Debido al uso masivo de los semiconductores para todo tipo de circuitos electrónicos, la industria ha conseguido una continua mejora en los métodos de fabricación así como en sus características. Esto ha provocado que en la actualidad exista una amplia gama de modelos que cubren la mayoría de las aplicaciones. Se podrían clasificar en cinco grandes grupos, según el procedimiento usado en su fabricación. El primer grupo lo forman los transistores de puntas de contacto, los cuales son usados para corrientes débiles y altas frecuencias.
El segundo tipo lo constituyen los transistores de aleación, que se utilizan en aplicaciones de baja frecuencia.
En tercer lugar, citaremos los transistores de aleación difusa que, al tener una resistencia de base más baja, son utilizados para trabajar en frecuencias más altas.
El cuarto tipo de transistores lo constituyen los transistores fabricados mediante la técnica epitaxial, que son utilizados generalmente para trabajar en conmutación con corrientes elevadas y grandes frecuencias.
Por último, están los transistores de técnica planar cuya fase de fabricación es la más completa.
COLECTOR COMÚN Otro tipo de configuración básica de un transistor es la de colector común. A esta configuración se la suele llamar seguidor de emisor. Con este tipo de circuitos no vamos a conseguir una amplificación de tensión, pero son muy buenos amplificadores de la corriente y de ahí viene su utilidad.
La entrada de señal se produce por la base y la salida por el emisor, en vez de por el colector como en el resto de los circuitos. El terminal común para la entrada y la salida es el colector, como su nombre indica. Si la unión base emisor está polarizada directamente, el transistor va a conducir, mientras que si está inversamente polarizada no lo hará. Hemos visto al principio que este circuito también se llama seguidor de emisor, nombre que le viene porque el emisor sigue a la base, lo que quiere decir que la tensión que le apliquemos a la base va a ser reproducida por el emisor. Por ejemplo, si la base se encuentra a cero voltios, el emisor también estará a cero voltios y si la tensión de base es de seis voltios, el emisor estará a la misma tensión. Para que esto suceda así el circuito tiene que estar funcionando en la zona activa. Pero ¿por qué sigue el emisor a la base en este tipo de circuitos? Como podemos ver en la ilustración que representa una configuración de colector común, el emisor tiene conectada una resistencia, Re, que es la que va a hacer posible que el emisor siga a la base. Para explicar este fenómeno supongamos primero que el emisor no tiene conectada dicha resistencia, y que la base tampoco tiene una resistencia entre ella y la tensión de entrada, olvidándonos de lo que tiene el resto del circuito: si la tensión de entrada a la base es más positiva que la tensión del emisor, por ejemplo un emisor conectado a 3 voltios y una base a 3,5 voltios, la unión base emisor se encontraría polarizada inversamente y el transistor no va a conducir, estará al corte. Sin embargo, si la base es más negativa (o menos positiva) que el emisor, por ejemplo una base a 2,9 voltios, el transistor empieza a conducir. Pero la tensión de la base no puede bajar más que un par de décimas para que el transistor siga funcionando en la región activa, ya que el emisor está conectado fijo a un potencial y, al no tener una resistencia de emisor, la diferencia no puede ser mayor; en este caso, la base tiene que seguir lo que "impone " el emisor para que el transistor funcione. Si colocamos la resistencia de emisor, como sucede en un circuito de colector común y, por ejemplo, tenemos al emisor a una tensión de +3 voltios, la base tiene que ser más negativa para que el transistor conduzca, al tener que estar la unión base emisor polarizada directamente. La diferencia con el caso en el que no teníamos resistencia de emisor es que ahora la base va a tener mucho más rango de valores válidos de tensión para que el transistor conduzca. Si está, por ejemplo, a +2,5 voltios, se va a establecer una corriente de base, Ib, y, por lo tanto, una corriente de emisor, Ie. Al circular esta Ie por la resistencia, Re, el potencial de emisor va a hacerse más negativo (o menos positivo debido a la caída de potencial que se produce al atravesar una resistencia); por lo tanto, en este caso, el emisor está siguiendo a la base, ya que al hacer a la tensión de base más negativa, la tensión del emisor se ha hecho más negativa también. Por lo tanto, podemos decir que la configuración de colector común es un seguidor de emisor.
COMPORTAMIENTO DEL COLECTOR COMÚN Este tipo de circuitos tiene un comportamiento muy bueno frente a las variaciones de temperatura y es debido a que tiene conectada una resistencia, Re. El problema que pueden tener este tipo de circuitos es que disipan mucha potencia. Como en esta configuración se produce una ampliación de corriente, la corriente de salida es muy grande y al trabajar siempre en la región activa podemos disipar mucha potencia; este efecto se corrige poniendo una resistencia entre el colector y la fuente de alimentación.
La característica más importante de esta configuración es que ofrece una "alta impedancia " (o resistencia) de entrada y una baja impedancia de salida. La corriente de entrada va a ser muy pequeña, mientras que la de salida puede llegar a ser muy grande. Esta característica influye totalmente en las aplicaciones que damos a este circuito: se usa como adaptador de impedancias, es decir, cuando queramos obtener una baja impedancia de salida. Sabemos que la tensión que apliquemos no va a variar al ser igual la de entrada que la de salida. Sin embargo, vamos a obtener una gran amplificación de la intensidad.
BASE COMÚN Vamos a ver la última configuración básica que es la base común. A este tipo de circuitos se les aplica la entrada por el emisor y la salida se toma del colector. El terminal común a la entrada y a la salida es la base y está conectada a tierra.
Con un circuito de base común no vamos a conseguir ganancia en la corriente. La corriente de emisor, que es la corriente de entrada, está formada por la suma de la corriente de base y la de colector, Ie = Ic + Ib; esto implica que la corriente de colector, es decir, la corriente de salida, sea más pequeña que la corriente de entrada. Por lo tanto, la ganancia de corriente que es el cociente entre la corriente de salida y la de entrada, va a ser menor que la unidad y no vamos a obtener ganancia. La característica principal de estos circuitos es que tienen mucha ganancia de tensión, es decir, la tensión de salida va a ser mucho mayor que la tensión de entrada. Para explicar esto tenemos que profundizar un poco más en los componentes de este circuito. Hay una resistencia de emisor, Re, que suele ser pequeña, por lo tanto, estos circuitos tienen una impedancia de entrada muy baja. Sin embargo, la resistencia del colector, Rc, es alta. Como las intensidades de emisor y colector son prácticamente iguales, aplicando la ley de OHM V=R x I comprobamos que la tensión de salida va a ser muy grande y la tensión de entrada mucho más pequeña, por lo que se produce una ganancia importante de tensión en este tipo de configuraciones. Al tener este tipo de circuitos una impedancia de entrada muy baja, debe ser excitado con "algo " que sea capaz de proveer la fuente de baja impedancia y corriente intensa. Ese "algo " puede ser una configuración de colector común que, como hemos visto, tiene una impedancia de salida muy baja y, al contar con una ganancia de corriente bastante grande, la corriente de salida va a ser intensa. Pero, como no siempre vamos a querer conectar a la entrada un seguidor de emisor o un circuito que proporcione esas características, tenemos que conectar una resistencia, Rs, que hace que la impedancia de entrada no sea tan baja y podamos así conectar otro tipo de configuraciones sin exigir una corriente de salida tan alta. El problema al colocar esta resistencia es que la ganancia en tensión del circuito de base común va a disminuir, aunque hay veces que merece la pena este precio por conseguir una impedancia de entrada algo más alta.
3.3 TIPOS DE AMPLIFICADORES DE ALTA Y BAJA SEÑAL (FET, MOSFET, JFET, UJT, BJT) TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO, FET Es evidente que las formas en que podemos juntar los dos tipos de semiconductores son numerosas y variadas, y cada una de ellas, seguramente, tendría unas características particulares. Sin embargo, no se trata de formar uniones P- N y N- P a nuestro antojo, lo que realmente nos interesa de esta gran cantidad de combinaciones de semiconductores son aquellas cuyas propiedades sean "útiles " de cara a nuestros propósitos en los circuitos electrónicos y que así podamos usarlas.
Así pues, vamos ahora a ver dos nuevos tipos de transistores. Se trata del JFET cuyo nombre proviene del ingles (Junction Field Effect Transistor, o bien, transistor de efecto campo de unión) y del MOSFET (Metal Oxide Field Semiconductor Effect Transistor, es decir, transistor de efecto campo con semiconductor de óxido de metal). Al MOSFET también se le conoce con el nombre de IGFET (Isolated Gate FET, o sea, FET de puerta aislada). En general, cuando queramos referirnos a ambos en conjunto se les agrupará con el nombre de FET. El primero de ellos, el JFET, ya no se trata de una combinación tan sencilla entre los semiconductores como en el caso de los transistores N-P-N, P-N-P. Ahora la forma de obtenerlos es algo más "rebuscada". Sin embargo, sus propiedades hacen que merezca la pena su fabricación, ya que son utilizados en gran medida por los fabricantes de circuitos electrónicos. A su vez existen dos tipos de transistores JFET. La razón es sencilla: si tomamos uno de ellos y cambiamos los tipos de semiconductores, es decir, si donde hay semiconductores de tipo P ponemos semiconductores de tipo N y viceversa, obtenemos otro transistor JFET pero de características distintas.
Así pues, para distinguirlos, llamamos FET de canal p al primero y FET de canal n al segundo. Veremos cómo las propiedades de ambos no sólo son distintas sino que son más bien opuestas.
Para explicar su funcionamiento hay que tener en cuenta que tenemos dos tipos distintos de voltajes. Esto es debido a que el FET consta de tres semiconductores unidos y, por tanto, existen dos zonas de unión entre ellos. Así pues, vamos a considerar la diferencia de potencial entre drenaje y fuente a la que llamaremos Vds, y la diferencia de potencial entre puerta y fuente la cual estará representada por Vgs.
Estudiar las características de un transistor consiste en " jugar " con las dos tensiones de que disponemos, aumentándolas, disminuyéndolas y observando qué pasa con la corriente que lo atraviesa. Para estudiar su comportamiento, vamos a dejar fija la tensión entre la puerta y la fuente, Vgs, y vamos a suponer que variamos la tensión entre el drenador y la fuente, Vds. La respuesta del transistor a este tipo de variaciones la podemos ver en la gráfica. Se pueden distinguir tres zonas según vamos aumentando el potencial Vds, estas son: zona óhmica, zona de saturación y zona de ruptura. En la zona óhmica, el transistor se comporta como una resistencia (óhmica), es decir, si aumentamos el potencial Vds, crece la corriente (I) en la misma proporción; esta situación se mantiene así hasta que el potencial alcanza un valor aproximadamente de unos cinco voltios. A partir de este valor, si seguimos aumentando esa diferencia de potencial entre drenador y fuente, es decir, si seguimos aumentando Vds, el transistor entra en la zona de saturación. Aquí su comportamiento es totalmente distinto al anterior, ya que, aunque se siga aumentando Vds, la corriente permanece constante. Si seguimos aumentando el potencial Vds de nuevo, llegamos a un valor de éste a partir del cual el comportamiento del transistor vuelve a cambiar. Este valor viene a ser del orden de 40 voltios. Decimos entonces que hemos entrado en la zona de ruptura. A partir de este punto, la corriente I puede circular libremente, independientemente de que sigamos aumentando el valor de Vgs. Es esta la razón por la cual los JFET se pueden utilizar como interruptores de encendido y apagado (ON/OFF); propiedad esta fundamental en la computación. Un JFET se encuentra en estado OFF (interruptor cerrado) cuando Vds es cero, ya que no pasa corriente alguna, y en estado ON (interruptor abierto) cuando Vds pasa de los 40 voltios. Evidentemente, estos valores reales dependerán del tipo de transistor del que hablemos, ya que existen FET para circuitos integrados y FET de potencia; estos últimos con valores algo mayores que los primeros.
TRANSISTORES MOSFET Por último, vamos a hablar del transistor más utilizado en la actualidad, el MOSFET. La estructura de este transistor es la más complicada de entre todos los vistos hasta ahora. Consta de los ya conocidos semiconductores P- N, colocados ahora de una nueva forma, y de un original material aislante, como es el dióxido de silicio; esta pequeña adición de la capa del óxido va a cambiar considerablemente las propiedades del transistor respecto a las que tenía el JFET. Existen dos tipos de MOSFET: cuando tengamos una zona de tipo P y dos de tipo N lo llamaremos MOSFET de canal n (o NMOS) y, por el contrario, si hay una sola zona de tipo N y otras dos de tipo P se llamará MOSFET de canal P ( o PMOS).
Inicialmente, fueron los transistores PMOS más utilizados que los NMOS debido a su mayor fiabilidad, mejor rendimiento y mayor sencillez de fabricación. Sin embargo, las mejoras en la tecnología de producción de estos transistores han hecho que los PMOS queden relegados a un segundo plano. La razón de esto se debe a que los PMOS están basados en la movilidad de los huecos, mientras los NMOS funcionan gracias al movimiento de los electrones, que son aproximadamente tres veces más rápidos que los huecos.
A pesar de que a simple vista su estructura parece más complicada, son más fáciles de fabricar que los transistores de unión bipolar BJT y ocupan menos espacio. Esta es una de las razones por las que los sistemas integrados, es decir, aquellos que poseen un gran número de componentes en muy pequeño espacio, usan principalmente este tipo de transistores en lugar de los BJT. Otra razón es que los MOSFET se pueden conectar de tal forma que actúen como condensadores o como resistencias. Por tanto, podemos conseguir resistencias o condensadores del tamaño de un MOSFET, el cual es muchísimo más pequeño que las resistencias o condensadores que podemos observar al abrir cualquier aparato electrónico. Así pues, existen circuitos completos que están exclusivamente compuestos de MOSFET.
Resumiendo, acabamos de conocer varios dispositivos electrónicos para incorporar a nuestros circuitos; estos son: los transistores de unión bipolar (BJT), los transistores de efecto campo (FET) y los FET con una capa de óxido metálico (MOSFET).
TRANSISTORES EN LA AMPLIFICACIÓN Una vez vista la importancia de los amplificadores en los dispositivos electrónicos, vamos a ver cómo se puede llevar a cabo en un circuito. Uno de los elementos más importantes en los circuitos de amplificación son los transistores.
Un BJT podía trabajar como una fuente gobernada cuando estaba polarizado en la región activa directa. Es en esta región donde se van a utilizar los transistores amplificadores. Para polarizar un transistor en una zona determinada, como ya sabemos, hay que aplicarle tensiones y corrientes adecuadas. Estas tensiones y corrientes son continuas y van a hacer que el transistor se mantenga
en el punto de trabajo que nos interese. Una vez conseguido esto, es cuando pasamos a aplicar "la señal ". Una señal consiste en una tensión y una corriente que varían en el tiempo. Esta señal se va a "sumar " a la tensión y corriente continuas (es decir, que no varían con el tiempo) que ya existían debido a la polarización del transistor. Al superponerse los valores de la tensión y de la corriente (es decir, la tensión variable de la señal que mandamos con la tensión de polarización e igualmente la intensidad variable de la señal con la intensidad que circula debido a la polarización) se puede llegar a producir un cambio en el punto de trabajo del transistor. Esto provocaría que dicho transistor dejara de estar en la zona activa pasando a la zona de saturación o a la zona de corte. Este cambio de zona de trabajo del transistor se traduciría, en nuestro amplificador, en la aparición de una distorsión, ya que la señal de entrada no se correspondería demasiado con la señal de salida. Así pues, vemos que el tipo de señal que mandamos va a tener restringidos los valores de sus oscilaciones, ya que oscilaciones demasiado grandes podrían llegar a cortar o a saturar el transistor produciendo una indeseable distorsión.
Otro factor que debemos tener en cuenta cuando hablemos de amplificación va a ser "la frecuencia ". Como ya sabemos, la frecuencia es la velocidad con la que oscilan los valores de la señal. Así, cuando hablemos de señales de baja frecuencia nos estaremos refiriendo a oscilaciones que pueden variar desde unas pocas veces por segundo hasta unas 20.000 veces por segundo. Para ser más precisos en los términos que utilizamos, diremos que la frecuencia se mide en Hercios. Una señal con una frecuencia de, por ejemplo, 150 Hercios consiste en una señal que cambia de valor 150 veces cada segundo. Como nota anecdótica diremos que el nombre del Hercio proviene del físico alemán Heinrich Hertz quien, en 1887, produjo por primera vez en la historia una onda electromagnética dando lugar posteriormente a la aparición de la radio, la televisión, etcétera.
La importancia de la frecuencia en la amplificación es tal que, a la hora de diseñar un circuito amplificador, lo primero que se ha de considerar es qué frecuencia va a tener la señal que queremos amplificar. Por lo tanto, los amplificadores se van a dividir, en general, en tres grandes grupos: - amplificadores para bajas frecuencias, - amplificadores para altas frecuencias y - amplificadores para frecuencias intermedias.
AMPLIFICADORES DE BAJA FRECUENCIA Con un solo transistor podíamos conseguir amplificar la corriente, la tensión o ambas, dependiendo de la configuración en la que se encontrase: base común, emisor común o colector común. Esta es pues la razón por la que los transistores van a ser piezas fundamentales en la construcción de un amplificador. No obstante, la amplificación producida por un solo transistor no va a ser suficiente para nuestros propósitos.
Tendremos, por tanto, que desarrollar nuestra imaginación e intentar aprovechar esta característica de los transistores para producir una amplificación mayor. El resultado de esta búsqueda es lo que se conoce con el nombre de "etapas en cascada ". Montar circuitos en cascada consiste en conectar la salida amplificada de un circuito a la entrada de otro circuito amplificador y así sucesivamente; consiguiendo un mayor efecto debido a que la amplificación producida por uno se suma a la del siguiente.
Sin embargo, esta forma de conectar dos etapas, denominada "acoplamiento ", no es tan sencilla como parece a primera vista.
Para ver la razón de esta dificultad en el acoplamiento entre etapas supongamos que tenemos dos etapas acopladas; cada una de las etapas está formada por un transistor y un circuito para polarizarlo. Cada circuito polarizador proporciona una tensión constante a su transistor para que este se mantenga en el punto de trabajo adecuado. Al aplicar la señal a la primera etapa obtenemos a la salida otra señal amplificada que está a su vez superpuesta con la tensión suministrada por el circuito polarizador. De estas dos tensiones que obtenemos a la salida, tenemos que eliminar la tensión continua ya que, de lo contrario, se superpondría a la tensión del circuito polarizador de la segunda etapa produciendo un cambio notable en el punto de trabajo del siguiente transistor, pudiendo llegar, incluso, a destruirlo debido a la fuerte polarización inversa que en este se produciría.
TIPOS DE ACOPLAMIENTO
Para eliminar la tensión continua es muy importante el tipo de acoplamiento entre etapas que elijamos. Hay tres tipos: acoplamiento por R-C, acoplamiento por transformador y acoplamiento directo. El acoplamiento R-C es el más usado. Consiste en colocar entre las dos etapas un condensador cuya misión es eliminar la componente continua de la etapa anterior y una resistencia que es la Rc, resistencia de colector, de donde se toma la salida de la etapa anterior. Es muy importante la colocación de un condensador ya que este sólo permite el paso del componente de alterna, asegurando así que la componente continua de la etapa anterior no se va a sumar a la nueva etapa y, por tanto, no va a desviar su punto de trabajo. El acoplamiento por transformador consiste en colocar un transformador, como su nombre indica, entre las dos etapas que queremos unir. La colocación de este transformador va a conseguir, al igual que en el acoplamiento R-C, que sólo pase la corriente alterna de la primera etapa, conservando así el punto de trabajo de la segunda. Por último, en el acoplamiento directo, se une una etapa a otra "directamente ", es decir, sin usar ningún intermediario como resistencias, condensadores, etc. El transistor de cada etapa se polariza con el componente de continua de la etapa anterior. Se suele usar este tipo de acoplamientos para circuitos que requieren una respuesta muy baja en frecuencia. También es común el uso de este acoplamiento en circuitos muy complejos, ya que reduce el número de componentes. Pero este tipo de circuitos tiene muchos inconvenientes. Por ejemplo, cualquier cambio o distorsión que se produzca se va a ir transmitiendo de etapa en etapa y, además, también va a ser amplificada, por lo que, al final, la distorsión que obtengamos será enorme. El punto de trabajo de los transistores tampoco va a ser estable, ya que la corriente continua no va a ser filtrada de una etapa a otra. Al tener varias etapas en cascada tenemos que procurar, en primer lugar, que la acopladura entre ellas sea la deseada, no permitiendo el paso de la corriente continua de una etapa a otra, y después, tenemos que mantener el punto de trabajo estable, tal y como lo hacíamos en cualquier circuito de transistor sencillo, manteniendo la polarización fija mediante el uso de resistencias. También tenemos que ver que nuestros transistores sean estables frente a las variaciones de la temperatura, por lo que colocaremos una resistencia de emisor y un condensador que ayuden a dicha estabilización.
AMPLIFICACIÓN DE LA POTENCIA Normalmente, un amplificador está formado por dos partes bien diferenciadas. En primer lugar, tenemos las etapas que van consiguiendo una amplificación de la señal de tensión de entrada. Esta señal amplificada pasa a una segunda parte, donde se va a producir una amplificación de potencia que es la que se va a usar para "alimentar " al aparato que se desea excitar. Dentro de un mismo circuito, las diferentes etapas pueden estar acopladas por métodos diferentes. Así pues, podemos tener la primera y la segunda acopladas con una resistencia y un condensador, la segunda y la tercera unidas mediante un transformador y el cuarto transistor estar unido directamente al tercero sin ningún "intermediario ". Estas etapas estarían produciendo una primera amplificación de la tensión. Luego tendríamos la etapa de salida que, como hemos dicho, será la encargada de amplificar la potencia. Esta etapa está formada por un transistor, resistencias y, en algunos casos, un transformador. Tiene características similares a las de las otras etapas, pero el transistor tiene que estar preparado para aguantar la potencia que va a amplificar así como el paso de corriente que también será importante, mientras que la misión de los anteriores era simplemente aumentar la tensión. En esta última etapa se va a producir una adaptación de impedancias entre la salida del transistor y la carga final. Podemos encontrarnos con un problema y es que la impedancia de salida del transistor sea muy alta y la que tiene la carga a la que le vamos a aplicar la potencia resulte ser muy baja. Para solucionarlo, se suele emplear un transformador cuya impedancia primaria sea alta como la del transistor y la secundaria, baja como la carga de salida. Un circuito típico de salida está formado por un transistor conectado a un condensador para impedir el paso de la corriente continua; una resistencia que fija la polarización; una Re, resistencia de emisor, y un condensador para que el circuito sea estable frente a las variaciones de temperatura y, por último, un transformador que acople las impedancias de salida del circuito y de entrada al "aparato " que conectemos.
CLASES DE AMPLIFICADORES
Un circuito amplificador tiene la misión de aumentar la señal de entrada y obtener una señal de salida de igual forma pero más grande que la de entrada. Dentro de los circuitos hay muchas clasificaciones. Vamos a describir brevemente una clasificación según sea la forma en que se amplifica la señal de salida. Podemos encontrarnos con amplificadores clase A, AB, B y C. El amplificador de clase A es el más "lineal " de todos, es decir, la señal de salida es una réplica exacta de la de entrada, pero amplificada. La distorsión que se produce es prácticamente nula, sin embargo, el inconveniente de esta clase es que se produce muy poca amplificación de la potencia. La amplificación de tipo AB no reproduce tan bien como la A la señal, ésta presenta un corte en parte de la señal. En la señal de clase B también se produce un corte durante medio ciclo, en el cual la señal se anula del todo. Es una clase muy importante y se usa en amplificadores de potencia. Por último, en los amplificadores de clase C se produce una gran distorsión en la salida que puede corregirse con circuitos acoplados y, sin embargo, es un gran amplificador de potencia. Resumiendo, en este tipo de circuitos o tenemos una distorsión muy baja que va acompañada de una ganancia de potencia muy pobre, o una gran ganancia de potencia que va acompañada de una gran distorsión, aunque esta pueda ser corregida mediante algún circuito adicional.
AMPLIFICADORES. DONDE Y CUANDO (APLICACIONES) Conviene no permitir que el acoso publicitario nos haga olvidar qué es y dónde podemos localizar un circuito amplificador. No solo de Hi-Fi vive la electrónica. Ahora vamos a saber algún dato práctico más sobre los amplificadores.
Todo equipo electrónico se ocupa, en mayor o menor manera, de gestionar señales. Casi siempre se cumple en estos -como no- el conocido principio físico que dice lo siguiente: "la energía no se destruye, sólo se transforma ". Puede que no podamos aplicar esto a todo circuito que nos encontremos, pero lo que sí es cierto es que al manejar señales se produce cierta pérdida en la magnitud de éstas. Para paliar este efecto se puede aplicar directamente un circuito que "amplifique " la señal tratada. Éste no es más que un simple ejemplo de aplicación justificativa de un amplificador. Pero hay aún un caso más intuitivo de aplicación de estos circuitos: los que se destinan directamente a aumentar la señal recibida en su entrada, entendiendo por señal casi cualquier magnitud que pueda captar un sensor electrónico, por ejemplo: sonido, imagen, luz, radiofrecuencia, etcétera. Entre los amplificadores más utilizados en los circuitos electrónicos, siempre contemplados desde un punto de vista práctico, podemos crear una subdivisión que nos comience a clarificar cómo está el "mercado ", y ésta es: Amplificadores de A.F. Amplificadores de C.C. Amplificadores de potencia. AMPLIFICADORES B.F. Como su nombre indica, los amplificadores de baja frecuencia son los destinados a elevar la magnitud de un tipo de señales que se engloba en este margen. Como ya hemos comentado, la señal que se conoce como B.F. abarca señales de frecuencia que comprenden desde unos pocos ciclos por segundo hasta un límite de unos 20.000 Hz. Quizás a la hora de referirnos genéricamente a los amplificadores nos estemos centrando, sin saberlo, en este apartado, y esto tiene una sencilla explicación: solemos utilizar la palabra amplificador para referirnos al equipo o sección de un equipo Hi-Fi que se encarga de amplificar la señal musical de forma que los altavoces suministren las decenas -o centenas- de vatios que de ellos se esperan. Y, como quiera que este tipo de equipos trabaja con señales que abarcan el margen de frecuencias comentado, podemos decir, sin temor a equivocarnos, que los amplificadores de equipos musicales son amplificadores de baja frecuencia. Más adelante comentaremos algún detalle más sobre el término Hi-Fi, baste ahora con citar que la gama de frecuencias en la que trabajan estos coincide, casi con exactitud, con la gama de frecuencias sonoras que puede percibir el oído humano.
AMPLIFICADORES A.F. La amplificación de señal es un asunto fácil de tratar desde el punto de vista electrónico. Pero no hay que olvidar la constitución interna del componente esencial de un circuito amplificador, el transistor. Como ya hemos comentado, al ver las características internas de un transistor, éste se comporta como si tuviéramos conectadas una red de capacidades y resistencias en una determinada configuración.
Esto puede ser una ventaja cuando un transistor se diseña pensando en la amplificación de señales de una determinada gama, por ejemplo la B.F., pero ¿qué ocurre cuando dicho transistor se coloca dentro de un circuito -como amplificador- que opere con señales de alta frecuencia? pues, este ofrece una impedancia no adecuada a estas frecuencias por lo que lo menos que puede ocurrir es que el circuito amplificador trabaje con un rendimiento mínimo. Esto hace que los transistores elegidos para trabajar con uno u otro margen de frecuencias deban ser cuidadosamente elegidos. De aquí se puede deducir que los transistores utilizados en un determinado circuito se deben elegir observando cuidadosamente la frecuencia de las señales manejadas por él.
En un circuito de radio coexisten varios amplificadores. El amplificador de F.I. no es sino un tipo especial dentro del campo de los de alta frecuencia. El amplificador de B.F. es, ciertamente, un amplificador de gama audible, es decir, de señales cuyo margen de frecuencias se mueve en esta gama, y por último, el amplificador de potencia es el destinado a trabajar de una forma similar al de B.F. pero con la particularidad de que los transistores que lo integran se mueven en un margen de potencia elevado, es decir, deben estar elegidos para ser polarizados a partir de tensiones de cierta envergadura.
AMPLIFICADORES C.C. Se conoce con el nombre de amplificadores de C.C. (corriente continua) a los destinados a aumentar la pequeña variación de señal que se origina en el manejo de este tipo de señal por un determinado circuito. En principio la amplificación de C.C. pura no existe, pero lo que sí hacen estos circuitos es reaccionar ante lentas variaciones de aquélla.
Los amplificadores suelen conectarse en cascada, es decir, un amplificador a la salida del anterior, con lo que se aumenta la eficacia del circuito resultante. En el caso de los circuitos amplificadores de señal de C.C. se presentan ciertos "inconvenientes " que pasamos a resumir a continuación: - Las variaciones de temperatura afectan mucho a este tipo de circuitos. El cálculo de las polarizaciones en estos circuitos debe hacerse con gran precisión, al objeto de no confundir una variación de señal con una de temperatura. - Debido a la gran sensibilidad a las variaciones térmicas conviene diseñar estos circuitos a partir de transistores de silicio ya que presentan unas corrientes inversas mucho menores que los de germanio. - El acoplo entre varias etapas de un amplificador de C.C. debe realizarse en modo directo. Como ya sabemos, un acoplo RC eliminaría la componente continua de la señal, lo que precisamente no deseamos que suceda.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA Cuando se trata de amplificadores de B.F. o de A.F. siempre se intenta que la señal obtenida resulte una copia lo más fidedigna posible de la señal presente en la entrada del amplificador pero, claro es, aumentada de nivel. Ahora bien, llega un momento en que lo que se precisa es una amplificación de corriente bastante elevada -caso de los amplificadores de potencia- y no tanto una fidelidad de señal.
Existen varios tipos de amplificadores de potencia en función de cómo tratan cada uno de ellos la señal que reciben: A, B, AB y C. Tipo A: Este tipo de amplificador copia a su salida la señal de entrada; su rendimiento es bajo (10 a 15%) y, además de utilizarse en amplificadores de potencia, también se emplea en amplificación de pequeñas señales. Tipo B: Este tipo de amplificadores sólo amplifica unos de los semiciclos de la señal de entrada. Su ventaja evidente es el alto rendimiento (de un 60 a un 70%). Para su uso en salidas de etapas de potencia se recurre a la utilización de dos transistores trabajando en modo de "simetría complementaria " (o más comúnmente "push-pull "). Además de la potencia este tipo de amplificadores se utiliza eficazmente en etapas de R.F. Tipo AB: Este montaje es recurrido cuando precisamos una señal de salida mucho mayor que la de entrada. Es el más utilizado en audio y su rendimiento es bastante bueno, aunque pueda llegar a ocasionarnos problemas con la distorsión. Tipo C: Su aplicación principal no es en B.F. sino en R.F.
AMPLIFICADORES DE ALTA FRECUENCIA Y RETROALIMENTADOS (APLICACIONES) Dada la importancia de la amplificación en la electrónica moderna, los diseñadores de circuitos se han visto en la necesidad de mejorar sus características con el mínimo coste. Como un producto de esta necesidad de mejoría surgieron los amplificadores realimentados y, entre sus ventajas, se encuentran las siguentes: son circuitos muy estables frente a cambios externos, en ellos se produce poca distorsión y se aumenta el rango de frecuencias válidas.
La división de amplificadores en altas y en bajas frecuencias no es por capricho, sino que se debe a que los transistores se comportan de distinta forma según la frecuencia de la señal que se les aplica. El tipo de señales de entrada que va a recibir un circuito es un factor muy importante que ha de tenerse en cuenta para diseñarlo. Para comprenderlo mejor recordemos qué ocurría en una unión PN normal y corriente cuando aplicábamos una tensión: cuando la tensión aplicada tenía una polarización, los electrones se movían a un lado de la unión y los huecos al extremo contrario. Si, a continuación, cambiábamos la polarización de la tensión, el movimiento de electrones y de huecos era hacia los lados contrarios al caso anterior. Pues bien, cuando aplicamos una señal variable a un circuito, esto es lo que estamos haciendo, es decir, estamos aplicando una tensión y, al cabo de cierto tiempo, la tensión contraria. Este tiempo que tardamos en cambiar la polarización de la tensión de una a otra es lo que llamamos "frecuencia ". Así pues, diremos que una frecuencia es baja cuando tardamos "bastante tiempo " en cambiar la polarización. Se pueden considerar frecuencias bajas hasta unas 20.000 veces por segundo. Por el contrario, son frecuencias altas las que oscilan desde 20.000 Hz hasta las del orden de un millón de veces por segundo. Volviendo al movimiento de huecos y electrones, hay que tener en cuenta que, en cada oscilación los huecos y electrones se mueven de un lado al otro. Evidentemente, tardan cierto tiempo en hacerlo ya que se mueven con una velocidad determinada. Cuando las frecuencias son bajas, esta velocidad es lo suficientemente rápida como para suponer que el transistor responde a esos cambios de manera inmediata. Sin embargo, a altas frecuencias, la velocidad de estos electrones no es lo suficientemente rápida como para responder a estos cambios de manera inmediata. Esta es, pues, la razón por la que los transistores se comportan de forma distinta cuando se les aplica señales de frecuencias altas o bajas. Por lo tanto, al diseñar un circuito habrá que tener en cuenta la frecuencia de las señales que le queremos aplicar. Llamamos "ancho de banda " de un amplificador al rango de frecuencias a las que el circuito responde sin producir distorsión. Evidentemente, el ancho de banda de un circuito de frecuencias bajas es totalmente diferente del de uno construido para funcionar a altas frecuencias. Las frecuencias que están permitidas para un circuito estarán prohibidas para el otro y viceversa; cuanto mayor sea el ancho de banda de un circuito, más versátil será este, ya que podrá funcionar con un número mayor de frecuencias.
PUSH-PULL En los amplificadores de baja frecuencia tenemos dos partes bien diferenciadas. La primera es la encargada de amplificar la señal de tensión de la entrada y esto se consigue con una serie de transistores en cascada, como ya vimos. La segunda etapa amplifica la potencia. Para dicha amplificación podemos tener un circuito simple de salida, formado por un colector que impida el paso de la corriente continua de la etapa anterior, resistencias que polaricen la base del transistor, una resistencia de emisor y un colector para que se mantenga la estabilidad térmica y un transformador que es el encargado de adaptar la impedancia de salida del amplificador con la de entrada a la carga (aparato al que conectemos el amplificador).
Lo que más nos interesa de un amplificador es obtener un gran aumento de potencia a la salida y poca distorsión. Con el amplificador de potencia formado por un transistor, la amplificación de potencia no es muy grande, por lo que vamos a usar otro tipo de salida para conseguir que la potencia aumente. El circuito más usado para obtener este aumento de potencia es el denominado "Push-pull " o en contrafase. Está formado por dos transistores, y se basa en que cada uno de los transistores recibe una señal con diferente fase. Las dos señales tienen el mismo valor pero están desfasadas entre sí ciento ochenta grados. La gran ventaja de estos circuitos es que casi duplican la potencia con respecto a los de salida simple. Y, además de duplicar la potencia, no se produce un aumento de la distorsión, ya que la distorsión que se produce en cada transistor sólo tiene efecto en un semiciclo de la señal, siendo nula en el otro por estar cortado el transistor.
Estos circuitos de Push-pull son muy útiles debido al gran aumento de potencia que conseguimos, el único problema que conllevan es que tenemos que conseguir dos señales que sean iguales pero que estén desfasadas ciento ochenta grados. Para conseguir esto o bien tenemos que añadir un circuito previo que se denomina inversor de fase o bien tenemos que colocar dos transistores complementarios. La primera opción que tenemos para conseguir dos señales iguales y desfasadas ciento ochenta grados es usar un inversor de fase. Los más importantes son los siguientes: inversor con transformador de toma media e inversor transistorizado. El primero está basado en un transformador de toma central, cuya principal característica es que produce dos señales de igual tamaño pero desfasadas ciento ochenta grados en los dos extremos de su secundario, como ya vimos en el transformador con toma central usado en un rectificador de doble onda. Y en el segundo se usa un transistor en emisor común, ya que la salida de este tipo de circuitos está desfasada ciento ochenta con la entrada, usando la entrada al circuito para obtener una de las señales y la salida para obtener la otra. Otra forma de conseguir las dos señales desfasadas es colocando dos transistores complementarios, es decir, un P-N-P y un N-P-N. Con una misma señal conectada a estos dos transistores vamos a conseguir que conduzca uno en cada ciclo, produciéndose así dos señales desfasadas. Por lo tanto, el Push-pull es el circuito más usado, en la etapa de salida, para obtener una gran amplificación de la potencia en los circuitos cuya señal de entrada es de baja frecuencia.
ALTAS FRECUENCIAS
El comportamiento de un transistor ante la señal de entrada es como si hubiese un conjunto de capacidades y resistencias entre sus terminales. Las resistencias son una oposición al paso de la señal, mientras que las capacidades presentan una reactancia que depende de la frecuencia de la señal de entrada. Si trabajamos en bajas frecuencias, la reactancia es muy alta, mientras que para
altas frecuencias esta reactancia es muy baja y los condensadores internos del transistor se comportan prácticamente como un cortocircuito. Cuando trabajamos con señales de alta frecuencia, más de 20.000 Hz, se puede producir una realimentación negativa dentro del transistor, es decir, la señal se vuelve a aplicar otra vez a la base del transistor y esto puede distorsionar la señal que recibe el circuito. Tenemos que evitar esta realimentación para que no distorsione la señal. La forma más fácil de que no perjudique a nuestro circuito no es evitando que se produzca la realimentación, sino neutralizando la señal que se produce con otra señal igual pero desfasada ciento ochenta grados. Al juntarse ambas señales se van a anular. Existen varias formas de neutralizar la realimentación negativa en los circuitos de alta frecuencia. Las principales son las que aprovechan las propiedades de los transformadores de toma central que, como ya veremos, se encuentran en los circuitos de altas frecuencias.
En cada uno de los extremos de estos transformadores se produce una señal igual que la del otro extremo pero desfasada ciento ochenta grados; por lo tanto, podemos coger la señal del extremo que nos interese para neutralizar la señal producida en la realimentación negativa.
Los circuitos amplificadores de alta frecuencia están formados por varios transistores en cascada y las correspondientes resistencias y condensadores que los polarizan y estabilizan; pero, además, tienen dos transformadores sintonizados, uno a la entrada y otro a la salida de cada transistor. Un transformador sintonizado está formado por dos bobinados: uno primario y el otro secundario, cada uno tiene una capacidad, que los convierte en circuitos válidos para un cierta frecuencia. La impedancia de entrada de los transistores no suele ser muy alta y la de salida tampoco, pero los
transformadores que se colocan a la entrada y a la salida sí tienen impedancias muy altas. Se pueden producir problemas por las diferencias entre las impedancias al colocar dichos transformadores, por lo que va a ser necesario que utilicemos alguna forma de acopladura entre las diferentes etapas.
Las formas de acopladura que suelen usarse no consisten en colocar circuitos añadidos al que ya tenemos, sino que se usan los propios transformadores conectando las entradas y salidas de los distintos transistores en zonas intermedias de estos, en vez de en los extremos.
Las principales características que diferencian los circuitos de altas frecuencias con los de bajas frecuencias son las realimentaciones producidas en los de A.F., y las diferentes acopladuras que se producen entre las distintas etapas de unos y otros.
AMPLIFICADORES REALIMENTADOS
La realimentación es un proceso que se da tanto en la naturaleza como en la industria. Consiste en tomar parte de la salida de un sistema para meterlo otra vez en la entrada. Un ejemplo en la naturaleza podría ser la forma que tiene el cuerpo humano de controlar la temperatura. El cerebro hace que se quemen los alimentos, produciendo energía para el movimiento y calor; una vez producido el calor, el cerebro "interroga " al cuerpo para saber qué temperatura tiene. Si está por debajo de lo normal, hace que se quemen más alimentos pero si, por el contrario, la temperatura excede lo que el cerebro considera normal (aproximadamente 37º), hace que cese la producción de calor. En este ejemplo, la realimentación consiste en que la información sobre la temperatura a la que está el cuerpo es mandada al cerebro para que este actúe en consecuencia y de nuevo se vuelve a mandar la información al cerebro. Un ejemplo de realimentación artificial se puede encontrar en cualquier sistema de control; por ejemplo, el controlador del nivel del agua de una presa. La altura a la que está el agua se manda al sistema de control donde se comprueba que no se sobrepase un cierto límite; si lo ha sobrepasado, hace abrir las compuertas para vaciarlo y de nuevo mide la altura a la que está el agua. Así pues, la información sobre el nivel del agua es constantemente mandada (realimentada) al sistema de control. En la electrónica moderna, la realimentación juega un papel muy importante ya que permite controlar el funcionamiento correcto de circuitos sin necesidad de recurrir a componentes más precisos y caros, o a un mayor número de ellos. Ejemplos de realimentación en electrónica pueden ser: el hacer que un circuito sea relativamente insensible a las variaciones de temperatura o a las variaciones propias debido a su fabricación; aumentar el ancho de banda de un amplificador; mantener constante la ganancia en una etapa en emisor común; conseguir una baja resistencia de entrada y una alta resistencia de salida en un seguidor de emisor (o de fuente), etcétera. La realimentación en un sistema puede ser positiva o negativa. En una realimentación positiva, el valor que tomamos a la salida para volver a meterlo en la entrada se suma al valor de dicha entrada. En una realimentación negativa sucede lo contrario, esto es, la señal realimentada se resta a la señal de entrada.
PARTES DE UN AMPLIFICADOR REALIMENTADO En un diagrama general de un amplificador realimentado podemos diferenciar seis partes. "La entrada " es la señal que va a ser amplificada. Puede tratarse de una tensión o de una corriente, depende del tipo de amplificador. "La salida " consiste en la señal de entrada amplificada. De nuevo dependiendo del tipo de amplificador que tratemos puede ser una tensión o una corriente. En cualquier caso, se pretende que sea insensible tanto a variaciones de los parámetros en el amplificador básico como en la propia carga. "La red de muestreo " es la encargada de proporcionar una medida de la señal de salida para ser mandada a la realimentación. Hay dos tipos, según se quiera seleccionar una tensión o una corriente. Para una muestra en tensión, conectamos la salida de la red en paralelo (o shunt)
mientras que para una muestra de corriente, la red de realimentación va conectada en serie. "La red de comparación " es la encargada de llevar la señal realimentada a la entrada. De nuevo podemos tener dos clases:
la primera consiste en conectar la realimentación en serie con la entrada, de tal forma que se sumen (o se resten) ambas; esto sería el caso de comparar tensiones.
Si, por el contrario, quisiéramos sumar (o restar) la corriente de entrada y la corriente realimentada, deberíamos conectar la señal realimentada en paralelo con la entrada.
"La red de realimentación " hace que la salida de la realimentación se pueda comparar con la entrada del amplificador. Supongamos, por ejemplo, que la salida del amplificador realimentado es una corriente y, sin embargo, a la entrada se están comparando tensiones. La función de la red de realimentación sería, en este caso, convertir la corriente en una tensión proporcional para así poderlas comparar en la entrada. Por último, tenemos el "amplificador básico ". Como ya sabemos, el amplificador es un circuito en el cual tenemos una entrada y una salida que es la entrada amplificada. Tanto la entrada como la salida pueden ser tensiones y/o corrientes. Por lo tanto, tendremos cuatro tipos de amplificadores según sean su entrada y su salida. Se llama "amplificador de tensión " a un amplificador cuya entrada es una tensión y su salida también. Un "amplificador de corriente " es aquel que tiene como entrada y como salida una corriente. "Amplificador de transconductancia " (o convertidor tensión-corriente) es aquel cuya entrada es una tensión y su salida una corriente. Por último, un "amplificador de transimpedancia " (o convertidor corriente-tensión) es el que tiene como entrada una corriente y como salida una tensión.
En la figura podemos ver los cuatro tipos de amplificadores, donde se distinguen más claramente sus diferencias. De los dos tipos posibles de realimentación, es decir, la realimentación positiva o la negativa, la más usada en los amplificadores es la negativa. A primera vista puede parecer un poco absurdo que se use la realimentación negativa en un amplificador, ya que esta reduce su ganancia y, por tanto, reduce la característica principal de un amplificador. No obstante, merece la pena perder algo de ganancia debido a las ventajas que la realimentación negativa conlleva. En primer lugar, una realimentación negativa reduce la sensibilidad del circuito. Esto quiere decir que: variaciones en el funcionamiento de un circuito debido a los cambios de temperatura, envejecimiento de los componentes, márgenes de tolerancia u otras variables características del transistor y de otros componentes no van a afectar de forma tan directa al amplificador si este es realimentado. Otra consecuencia buena que tiene la realimentación negativa de un amplificador hace referencia a la distorsión. Como ya sabemos, al aumentar la amplitud de la señal aplicada a un amplificador corremos el riesgo de salirnos de su zona lineal de funcionamiento pasando a su zona no lineal y, por tanto, produciendo una distorsión. Pues bien, una realimentación negativa consigue ampliar ese margen posible de amplitudes de entrada asegurando una menor distorsión. Una nueva ventaja que trae consigo la realimentación negativa es el aumento del ancho de banda de un amplificador, es decir, aumenta el margen de frecuencias permisibles para un correcto funcionamiento del mismo. Este aumento en el ancho de banda es, en proporción, igual que la disminución producida en la ganancia del amplificador.
CALCULO DE CIRCUITOS TRANSISTORIZADOS Puede que un circuito amplificador no sea la panacea del circuito didáctico que pudiéramos pretender, pero no cabe duda de que servirá de "cebo" a aquellos lectores que poco a poco van "enganchándose" a esta droga blanda que constituye la electrónica.
El cálculo de equipos electrónicos suele resultar algo complejo pero, si lo tomamos con la suficiente paciencia, podemos llegar a comprobar que los resultados son aún más vistosos de lo que a priori pudiéramos esperar. Para iniciarnos en lo que es el cálculo de circuitos vamos a centrarnos en el diseño, de principio a fin, de una etapa amplificadora a transistor.
El cálculo de cualquier diseño se nos puede simplificar en gran manera si partimos de unas premisas de esquematización del trabajo a realizar. Una forma de llevar a cabo esto, sino la mejor, es fijarnos unas etapas bien definidas que el proceso de diseño conlleva.
PROYECTO DE UN CIRCUITO Como hemos indicado antes, el paso previo a todo proyecto pasa por estipular las etapas que éste incluye. Si al proyecto de cálculo y diseño que vamos a comentar a continuación se le quiere impregnar el toque didáctico básico habremos de modificar ligeramente los pasos a dar, sin que ello influya en el resultado final. Los pasos a realizar en nuestro particular diseño serán: Cálculo y diseño de una etapa amplificadora Paso 1º: definición del tipo de circuito requerido, así como de las características que el mismo debe cumplir. Paso 2º: elección del tipo de transistor adecuado a los requerimientos especificados en el paso anterior. Paso 3º: búsqueda y análisis de los datos concernientes al transistor seleccionado para el montaje. Paso 4º: cálculo del circuito previsto partiendo del esquema estipulado en el paso 1º. Paso 5º: montaje y verificación del circuito. Una vez conocidos los pasos a llevar a cabo tan sólo nos queda dar el pistoletazo de salida y decir ¡manos a la obra!
DEFINICIÓN DEL CIRCUITO Como punto de partida de nuestro proyecto hemos de centrarnos en lo que deseamos que el mismo lleve a cabo, en las necesidades de alimentación previstas y en el tipo de montaje elegido (si hubiera varias opciones para la realización del mismo). En concreto y para el montaje que a continuación vamos a comentar contamos con las siguientes premisas iniciales: - Se trata de una etapa amplificadora simple. - La ganancia de la misma tendrá un valor = 10 - La alimentación para el montaje será de 9 Vcc. - El circuito será un amplificador en modo emisor común. Con estas condiciones podemos ya predefinir un esquema del circuito. Se trata de un amplificador que trabaja en modo de emisor común, cuya base se polariza por medio de un divisor de tensión y cuya estabilización térmica se logra por medio de un conjunto paralelo RC en su emisor.
ELECCIÓN DEL TRANSISTOR ADECUADO La elección del transistor dependerá en gran medida de la misión que tenga que realizar y de los parámetros que lo rodean, como son: ganancia, tensiones entre terminales, tensión disponible para alimentación, etcétera. Como ejemplo nosotros hemos optado por la utilización de un transistor de buen resultado en frecuencias bajas y cuya potencia (mediana) y ganancia nos permitan trabajar, a la vez que es de fácil localización en el mercado y su coste no es excesivo; la elección es clara se trata del BD137.
BÚSQUEDA DE DATOS PARTICULARES Si localizamos en un manual técnico la definición concerniente al transistor elegido (BD137) para el diseño obtendremos algo similar a esto: "Transistor de silicio planar epitaxial del tipo NPN en cápsula de plástico TO126. Transistor complementario del BD 138, se concibe fundamentalmente para las etapas de excitación complementaria en los amplificadores Hi-Fi. Asimismo se recomienda como excitador sencillo en aquellos casos en los que la tensión y disipación son elevadas..." Definiciones técnicas al margen, lo que sí podemos y debemos hacer, es interpretar estos datos en función de nuestras necesidades. En cualquier tabla de datos y/o equivalencias podemos obtener los parámetros más sobresalientes del BD 137. Estos son: Tipo de transistor ............... NPN Ic máxima ........................ 1 A Vcb máxima ....................... 60 V Vce máxima ....................... 60 V Veb máxima ....................... 5 V P. máxima ........................ 12 Ω Ganancia de corriente (Hfe) ...... 60 Encapsulado tipo ................. TO Una vez obtenidos estos datos en las tablas podemos pasar al cálculo de los valores particulares para nuestra pequeña etapa amplificadora.
CÁLCULO DEL CIRCUITO
Partimos de la premisa de que nuestro circuito trabajará con una intensidad en reposo de 10 mA. El primer parámetro a calcular será la resistencia de emisor (R4). R4 = Vbe/Ic ==> R4 = 0,6/0,01 = 60 Ω Tomamos Vbe = 0,6 V al ser un transistor de silicio. Redondeamos a un valor normalizado: R4 = 68 Ω Calculamos ahora la potencia a disipar por R4: P = (Ic)² * R4 = (0,01)² * 68 = 0,0068 Ω Redondeando tomamos una potencia normalizada de 1/4 Ω. Calculamos seguidamente el valor de R2 (R. colector) Sabemos que la ganancia (G) es igual (simplificada) a: G = Rc/Re = R2/R4 por lo que si G=10, R2 será: R2 = R4 * 10 = 68 * 10 = 680 Ω La potencia disipada por R2 se calcula: P = (Ic)² * R2 = (0,01)² * 680 = 0,068 Ω Redondeando tomamos P = 1/4 Ω Pasamos ahora al cálculo del condensador C2
Si la frecuencia mínima de las señales a amplificar es de unos 500 Hz tenemos que: El condensador C2 de desacoplo debe cumplir: Xc = R4/10 Y además sabemos que: Xc = 1/(2*Π*f*C) Por lo que nos queda que: R4/10 = 1/(2*Π*f*C) De donde deducimos (para f = 500 Hz): C = 10/(2*Π*f*R4) = 10/(2**500*68) = 0,0000468 F = 46,8 µF Para redondear tomamos, por ejemplo, un valor estandarizado de 47 µF /16V. Pasamos ahora al cálculo del divisor de tensión que polariza la base. Para ello debemos prever que la intensidad que atraviesa el divisor (Id) sea unas 10 veces superior a la intensidad de base (Ib). Obtenemos el valor de Ib: Ib = Ic/Hfe = 10/60 = 0,16 mA. Pero queremos que Id sea 10 veces superior a Ib: Id = 10 * Ib = 10 * 0,16 = 1,6 mA. Sabemos que la tensión en el centro del divisor deberá ser de 0,6 V (tensión del tipo silicio) + c.d.t. en bornes de R4. Calculamos entonces la c.d.t. en R4: V = Ic * R4 = 10 mA * 68 Û = 0,68 V La tensión en R3 será: V = 0,68 + 0,6 = 1,28 V El valor de R3 será por tanto: R3 = 1,28 V / 1,6 mA. = 800 Ω Por lo que tomamos el valor normalizado R3 = 820 Ω La intensidad por R1 será: I = Id+Ib = 1,6 + 0,16 = 1,76 mA.
Por lo que el valor de R1 es: R1 = (9 - 1,28) / 1,76 mA. = 4386 Ω Y el valor normalizado más próximo será R1 = 4 K7 Ω. En el esquema final podemos ver como queda nuestra etapa, con los valores calculados anteriormente.
3.4 PLARIZACION DIRECTA, AUTOPOLARIZACION, SATURACION Y CORTE POLARIZACION DIRECTA La polarización directa es un tipo de conexión en el que una fuente de corriente continua esta conectado a un diodo. El terminal negativo de la fuente esta conectado al material tipo N; y el terminal positivo al material tipo p .
FLUJO DE ELECTRONES LIBRES En la figura anterior la batería empuja huecos y electrones libres hacia la unión. Si la tensión de la batería es menor que la barrera de potencial; los electrones libres no tienen suficiente energía para atravesar la zona de deplexión. Cuando entran en esta zona los iones se ven empujados de regreso ala zona N.A causa de esto no circula corriente a través del diodo.
EL FLUJO DE UN ELECTRON Sigamos a un único electrón a lo largo del circuito completo. Después que el electrón libre abandona el terminal negativo de la batería entra en el extremo directo del diodo. Viaja a través de la regiónN; Hasta que alcanza la unión. Cuando la tensión de la batería es mayor que 0.7V; el electrón libre tiene energía suficiente para atravesar la zona de deplexión, poco después de entrar en la región P; se recombina con hueco. Como continua a través del diodo.
POLARIZACION CON REALIMENTACION DE COLECTOR (AUTOPOLARIZACION) La figura muestra la polarización con realimentación de colector (también llamada Autopolarización) . Históricamente este fue otro intento de estabilizar el punto Q empleando realimentación negativa en la base para este caso neutralizar los cambios de corriente en el colector con lo que desciende la
tensión en la resistencia de base, por lo tanto disminuirá la corriente de la base lo cual se opone al inicial cambio de corriente en el corrector.
Como en la polarización con realimentación de emisor la polarización con realimentación de colector utiliza realimentación negativa en un intento por reducir el cambio inicial de corriente en el colector. A continuación están las ecuaciones para el análisis: IE = VCC - VBE RC + RB / βdc VB = 0.7 V VC = VCC - ICRC El punto Q esta normalmente cerca de la mitad de la línea de carga; para lo que se requiere una resistencia de base de: RB = βdc RC En la siguiente figura se observa un circuito polarizado con realimentación de colector.
En la siguiente figura aparece se recta de carga para continua y los puntos de trabajo para los dos ganancias de corrientes diferentes, como se puede ver en dicha figura; una variación 3 : 1 en la ganancia de corriente produce menos variación en la corriente de colector que la permite la polarización con realimentacion de emisor.
La polarización con realimentacion de colector es más efectiva que la polarización con realimentacion de emisor para estabilizar el punto Q. Aunque el circuito es todavía sensible a los cambios de ganancia de corriente; Se utiliza en la practica dada su sencillez.
SATURACION Y CORTE Cuando IB = 0; el transistor esta en corte. Esto se muestra en la figura con la conexión en base abierta para producir una corriente de base de cero. Bajo esta condición hay una cantidad muy pequeña de corriente de fuga del lector ICEO; debida principalmente a portadores producidos térmicamente. En corte; ambas uniones base –emisor y base –colector están polarizadas en inversa.
Considérese ahora la condición conocida como saturación. Cuando la corriente de base se incrementa crece también la corriente de colector y el VCE se reduce; como resultado de mayor caída en RC Cuando VCE alcanza un valor denotado con VCE (SAT) la unión base –colector se polariza en activa directa y la IC ya no puede crecer aun con un aumento sostenido en IB. En el punto de saturación ya no es valida la relación IC=βdc IB. EI VCE (SAT) ocurre en un transistor un poco debajo de la rodilla de las curvas del colector como se muestra en la figura e inicialmente es de solo unos pocos decimos de Volt para los transistores de silicio.
CORRIENTES DE TRANSISTOR Como hemos visto, las tres corrientes de un transistor, Ib, Ic e Ie, están completamente relacionadas; el hecho de que una varíe implica que también lo harán las otras. Siempre se va a cumplir Ic+Ib+Ie = 0. Aunque parezca extraño que la suma de todas las corrientes que circulan por el transistor sea igual a cero, esto sólo quiere decir que pueden llevar sentidos opuestos y, por lo tanto, anularse unas con otras. Por ejemplo, la corriente del emisor puede estar entrando en el transistor mientras que la de base y la de colector pueden estar saliendo. Una fórmula totalmente equivalente a la anterior, y que quizá sea más clarificadora, es la siguiente: Ie=Ic+Ib. La corriente del colector y la de la base siempre van a llevar el mismo sentido; o las dos van a entrar al transistor o las dos van a salir. Sin embargo, la del emisor va a llevar el sentido opuesto, si Ic e Ib entran al transistor la corriente de emisor va a salir y, viceversa, si las dos primeras salen, la corriente del emisor va a entrar. Esta relación afectará al comportamiento de las diferentes configuraciones.
POLARIZACIÓN El comportamiento del transistor, en general, se podría dividir en dos tipos; todo transistor puede tener un comportamiento "lineal " o un comportamiento "no lineal ". De estos dos, el más interesante para nosotros es el comportamiento lineal. Un transistor está trabajando en la zona lineal cuando se halla en su zona activa. Se dice que un comportamiento es lineal cuando, a variaciones "de un tipo ", el transistor responde con variaciones "de ese mismo tipo ", es decir, si, por ejemplo, tenemos una corriente de base cualquiera y la multiplicamos por tres, la corriente del colector que teníamos también se va a multiplicar por tres. Igualmente, si reducimos la corriente de base a, por ejemplo, la mitad, la corriente del colector también se reducirá a la mitad. Se puede decir que el comportamiento del transistor cuando está en la zona activa es "predecible " pues sabemos a priori qué va a ocurrir. Por el contrario, un transistor en zona no lineal tiene un comportamiento "extraño ".
Decimos que el transistor está en zona no lineal cuando se encuentra en zona de saturación o de corte. Como ya sabemos, un aumento de corriente puede no tener respuesta alguna o, por el contrario, puede producir una respuesta desproporcionada en comparación con la variación a la que se le ha sometido. Es en esta zona donde se dice que existe "distorsión ", ya que variaciones de un tipo a la entrada no se corresponden con el mismo tipo de variaciones a la salida. La mayoría de los circuitos electrónicos utilizan los transistores trabajando en su zona activa, ya que es la zona más práctica en casi todos los casos. No obstante, también existen circuitos que utilizan las propiedades no lineales de los transistores, aunque en menor número.
La zona en la que está trabajando un circuito se conoce con el nombre de "punto de trabajo ". Así, una vez conectado un transistor, dependiendo de los valores de las tensiones de sus terminales, este tendrá un punto de trabajo u otro. "Polarizar " un circuito es hacer que trabaje en el punto de trabajo que nos interese.
ESTABILIDAD EN LA POLARIZACIÓN Entendemos por estabilidad, en general, la facilidad de cualquier ente para permanecer en el mismo estado en el que se encuentra, a pesar de ser sometido a cualquier tipo de alteraciones que pudiesen modificarlo. Este concepto lo vamos a utilizar con los transistores y vamos a hablar de "estabilidad en la polarización ". Una vez que tenemos el transistor polarizado en un punto de trabajo concreto, este puede modificarse y cambiar de punto de trabajo. Por ejemplo, un transistor que esté trabajando en activa, podría de repente pasar a trabajar en saturación, cambiando completamente sus características; lo cual no es nada deseable para nuestros propósitos. Así pues, debemos investigar sobre las causas que hacen que el transistor pueda cambiar su punto de trabajo. Afortunadamente, estas causas están bien investigadas, y son perfectamente evitables teniendo el debido cuidado. Se puede decir que hay una sola razón responsable de que se produzca esa inestabilidad en la polarización y esta es, como ya sabemos, "la temperatura ". Un aumento de temperatura produce cambios en el interior del transistor lo suficientemente importantes como para provocar un cambio en el punto de trabajo. Hay básicamente tres consecuencias principales producidas por el aumento de la temperatura: la primera de ellas es un aumento de beta. Hemos visto que la corriente de base y la corriente del colector están relacionadas por la fórmula Ic = b x Ib, donde habíamos supuesto que beta, b, era un valor constante para cada transistor. A partir de ahora no vamos a considerar a beta como una constante sino que será un valor que va a depender de las variaciones de temperatura; si la temperatura no varía tampoco lo hará beta. Una variación de temperatura que provoque una variación apreciable en el valor de beta debería ser del orden de unos cinco grados centígrados. La segunda consecuencia de un aumento de temperatura es la aparición de corrientes inversas dentro del transistor. No ahondaremos en estas corrientes, baste saber que por cada aumento de diez grados en la temperatura este tipo de corrientes duplica su valor. Las corrientes inversas producen un incremento desproporcionado de la corriente del colector. Y la tercera consecuencia de una subida de temperatura consiste en un aumento de la diferencia de potencial entre la base y el emisor. En este tipo de casos, un aumento de un grado centígrado provoca que la diferencia de potencial entre la base y el emisor (Vbe) se incremente unos 2,5 mV. Vemos, pues, que el aumento de temperatura tiene consecuencias bien definidas en el transistor, que le pueden llevar a cambiar su punto de trabajo. A primera vista parece un poco extraño que nos preocupemos de los cambios de temperatura, ya que, como bien sabemos, la temperatura ambiente no aumenta ni disminuye de forma apreciable en un momento, sino que necesita horas, o incluso días, para que haya un cambio de unos cuantos grados centígrados en la temperatura de una habitación. Sin embargo, como ya vimos, el paso de la corriente a través de cualquier conductor no se hace de "forma gratuita " sino que implica una pérdida de energía, ya que, por muy buen conductor que sea este, siempre ofrece algo de resistencia. Esta oposición al paso de la corriente y, por consiguiente, esta pérdida de energía, se traduce en un aumento de la temperatura. Esto se puede comprender fácilmente si pensamos en cualquier proceso de la vida real donde exista una oposición a que se realice algún trabajo. Pensemos simplemente qué ocurre cuando nos frotamos las manos. Instantáneamente se calientan. Esto es debido a que cada mano se opone al deslizamiento de la otra; sin embargo, haciendo fuerza, somos capaces de vencer esta resistencia: a cambio perdemos algo de energía que se transforma en calor, y este calor es el que podemos percibir en las manos. Puesto que el fenómeno del calentamiento del transistor se produce inevitablemente en cualquier circuito, este va a ser un factor a considerar en todos y cada uno de los circuitos. La forma de abordar este problema no será evitando que se caliente el transistor sino que, cuando se caliente, las consecuencias de ese aumento de temperatura no nos afecten o que lo hagan en la menor medida posible. Para solucionar este problema lo mejor es colocar una resistencia de emisor. Con esta resistencia se va a producir una disminución en la diferencia de potencial entre el emisor y la base. Esto provocará que el transistor conduzca menos y así se compensará el aumento de la corriente de colector que se produce con el aumento de la temperatura.
3.5 DIVISION DE TENSION Y CORRIENTE INTRODUCCION Cualquier circuito en serie es un divisor de voltaje. Las caídas de voltaje IR son partes proporcionales del voltaje aplicado. Cualquier circuito en paralelo es un divisor de corriente. Cada corriente de rama es una parte de la corriente total de la línea principal, pero en este caso ña fracción de corriente es inversamente proporcional a la resistencia de la rama. La formula de división de voltaje proporciona el valor de todos los voltajes de los componentes de un circuito en serie sin la necesidad de conocer de antemano el valor de la corriente. La formula de la división de corriente permite obtener el valor de la corriente que circula en cada rama del circuito en paralelo, aun cuando el voltaje a través de la rama no se conozca. El divisor de voltaje con ramas en paralelo que tienen corrientes se puede aplicar al caso importante en que se obtienen diferentes derivaciones de la fuente de alimentación en cualquier equipo electrónico. DIVISOR DE VOLTAJE. En muchos sistemas una sola fuente de alimentación proporciona dos o más voltajes. Para lograr esto el filtro está provisto de resistores dispuestos en serie o una resistencia con tomas, en lugar de un solo resistor de carga. La corriente de salida del rectificador al pasar por los resistores en serie produce una caída de total de voltaje, igual a la salida del filtro; pero dicho valor se compone de las caídas de voltaje producidas en cada uno de los resistores. Normalmente, en algún punto del divisor de voltaje hay una terminal que esta a tierra y todos los voltajes se miden con respecto a ese punto. Así pueden obtenerse diferentes voltajes de salida, dependiendo del punto que este conectado a tierra. Un circuito en serie divisor de voltaje, o red, se emplea a menudo cuando se necesitan diferentes valores de voltaje partiendo de una sola fuente de energía.
La caída de voltaje es mayor en una resistencia con valor alto que una más pequeña, si las resistencias son iguales las caídas de voltaje son iguales. La cadena de resistencias en serie puede considerarse como una división de voltaje. V = R / RT VT Ejemplo de división proporcional de voltaje:
METODO DE LAS CAIDAS DE VOLTAJE IR. Calcular corriente que hay en el circuito = VT / RT >> 200 / 100 Kohm = 2 mA en c/u de las resistencias. Caídas de voltaje = v1 = I R1 >> 2 mA * 50 Kohms = 100 v. Con dos caídas de voltaje en serie solo se calcula una sola, y para el otro caso se resta de VT el valor del primero. Los divisores de voltaje se utilizan para derivar una parte del voltaje aplicado entre las terminales de un circuito. Para calcular es mediante la formula: En = Rn E / R1 + R2….. + RN.
DIVISOR DE CORRIENTE CON 2 RESISTENCIAS EN PARALELO Es encontrar la corriente que circula en una sola rama d un banco de resistencia a partir de los valores de ésta y de la corriente total sin que se requiera conocer el voltaje a través del banco. I1 = (R2 / R 1 + R2) IT ; I2 = (R1 + R2) IT >> Solo cuando se tiene 2 ramas por la relación inversa entre la corriente y la resistencia en cada rama. I1 >>R2 mientras I2 >> R1 cada corriente es proporcional a la resistencia de la rama. No es necesario calcular las dos, solo una y se resta a la total. Si R2 es muy grande en paralelo a R1 pequeña. En corriente en las ramas I2 es pequeña I1 grande. La mayor cantidad se disipa en la rama donde se encuentra ubicada la menor resistencia, ya que por esta circula la mayor parte de la corriente.
DIVISION DE CORRIENTE POR MEDIO DE CONDUCTANCIA EN PARALELO Aquí la conductancia y la corriente son directamente proporcionales G = conductancia = 1 / R su medida son el siemens. Para un mismo voltaje una conductancia mayor permite el paso de una corriente mayor. Sin importar el numero de ramas en paralelo, la corriente en cada rama esta dada por: I = (G / GT) IT Este método es más fácil de emplear que el método de las resistencias cuando se tienen 3 o más ramas en paralelo.
3.6 CONCEPTO DE GANANCIA (FILTROS ACTIVOS Y PASIVOS) Los filtros en los que se emplean resistencias, condensadores e inductancias se llaman filtros pasivos, las características funcionales de un filtro pueden mejorarse añadiendo componentes activos, como transistores amplificadores operativos tales dispositivos se llaman filtros activos, los amplificadores operativos en circuitos integrados han contribuido por su bajo precio a la gran difusión de los filtros activos. En un filtro pasa baja muestra que su ganancia es buena a bajas frecuencias, cuando la frecuencia aumenta la ganancia empieza a decrecer o sea el filtro rechaza o atenúa, las altas frecuencias y deja pasar las baja. Los filtros activos presentan gran ventaja en las bajas frecuencias un filtro pasivo diseñado con un punto de corte en torno a 800 Hz necesitaría una inductancia muy elevada para cumplir su misión correctamente esta inductancia sería de gran tamaño y muy cara, la inductancia puede simularse mediante una realimentación de la fase correcta, una inductancia hace que la corriente se rezague unos 90 respecto a la tensión, la realimentación a través del condensador produce este mismo efecto de desfase a la frecuencia de corte, los filtros activos producen una respuesta muy parecida a la de un filtro pasa baja inductivo - capacitivo. ¼
Para conseguir un corte más brusco es posible asociar en cascada filtros activos, los filtros activos pueden parecer más complicados que los inductivos - capacitivos simulados y efectivamente los son pero, a bajas frecuencias, son más pequeños y de construcción menos costosa. Un filtro activo pasa alta cuya curva representada revela que atenúa las bajas frecuencias, efecto éste inverso al de los filtros pasa baja, las resistencias y los condensadores aparecen con sus posiciones intercambiadas. NOTA: ELEMENTOS PASIVOS: Un elemento se considera pasivo si es capaz de absorber únicamente energía eléctrica. ELEMENTOS ACTIVOS: Los elementos que suministran energía eléctrica se denominan elementos activos. Entre algunos elementos que existen son la batería (utilizada para energizar los circuitos), y el transistor (que puede utilizarse para energizar una bocina). FILTROS ACTIVOS: Un filtro activo, utiliza el amplificador operacional (A.O.) que esta sobre una pastilla de CI, junto con resistores y capasitores. Al utilizar el amplificador operacional, se elimina la necesidad de emplear inductancia. FILTROS PASIVOS: Estos por lo general utilizan una combinación de bobinas y condensadores, para producir un filtrado con un rendimiento muy alto. El uso de bobinas no es conveniente pues estas son costosas y voluminosas, lo cual representan perdidas más grandes que otros componentes pasivos.
3.7 AMPLIFICADORES DE POTENCIA DE AUDIO Y SEÑAL PREAMPLIFICADORES DE AUDIO Para que nuestro equipo de música reproduzca el sonido tal y como lo hace, es necesario que la señal que recibe del reproductor de sonido, tocadiscos, casete, etc., sea tratada para eliminar ruidos, distorsiones, adecuarla al rango de frecuencias audible, etc. El preamplificador es la parte del amplificador que se encarga de este tratamiento de la señal.
El sonido que nos llega a nosotros procedente de un aparato de música ha pasado por muchas etapas antes de que lo escuchemos. El sonido proviene de un reproductor de sonido que puede ser el tocadiscos, la radio, el casete, etc. Después "pasa " por un amplificador de alta fidelidad, en la mayoría de los casos. Dentro del amplificador hay dos partes muy diferenciadas, una es el preamplificador, que cumple varias funciones que podríamos resumir diciendo que prepara la señal que le llega para que la oigamos "perfectamente ", es decir, sin distorsiones ni ruidos. La otra parte es el amplificador propiamente dicho y se encarga de amplificar la potencia, es decir, aumenta la señal que proviene del preamplificador o previo, pero sólo en intensidad, sin cambiar su forma. Después de salir del amplificador, la señal pasa directamente a los altavoces.
MONO, ESTÉREO Y CUADRIFONÍA Hay múltiples sistemas de sonido y cada uno de ellos puede tener unas aplicaciones u otras, por ejemplo, en una conferencia podemos reproducir las palabras del conferenciante, o podemos estar en un concierto en el que haya que reproducir el sonido del público junto con la actuación del grupo musical. Evidentemente, las condiciones no son iguales en un caso que en otro, por lo que, para satisfacer las necesidades de cada ocasión, hay varios tipos de sistemas de sonido. Los más usados son el monofónico, el estereofónico y el cuadrafónico.
La monofonía es un sistema de reproducción de los sonidos registrados o transmitidos que usa un solo canal y no permite reconstituir la repartición de las fuentes sonoras. En el monofónico, podemos tener un micrófono o varios, que toman el sonido original acoplándose a un único canal de grabación. Grabamos el sonido y después, a la hora de reproducir la grabación, esta pasará a ser tratada para su audición, siempre por un solo canal. Podemos conectar uno a varios micrófonos a dicho canal. Para que un sonido sea bien tratado hay que tener en cuenta varios factores. El margen de frecuencias de sonido debe ser tal que abarque a todos los sonidos que queremos reproducir. El volumen debe permitir reproducir el espectro con el menor ruido y la menor distorsión posibles. Las características de reverberación deben aproximarse todo lo que sea posible a las del sonido real. Resumiendo, que el sonido que reproducimos después de grabarlo debe ser lo más parecido posible al original, como cabría esperar. El sonido monofónico cumple bastante bien el margen de frecuencias y la disminución de ruido y distorsión, pero las condiciones de reverberación y la forma en que se encuentra el sonido real en el espacio no se conservan nada bien. A pesar de todo, el sonido monofónico es muy utilizado en radio, televisión, megafonía, etc.
La estereofonía es una técnica de la reproducción de los sonidos registrados o radiodifundidos, destinada a dar la sensación de relieve acústico o perspectiva auditiva. Se utilizan dos canales totalmente diferenciados para transmitir el sonido. Al grabar el sonido, podemos usar dos o más micrófonos que van a estar acoplados a los dos canales de transmisión. En este caso, la distorsión, rango de frecuencias, ruido y la reproducción de la forma del sonido en la cual se encuentra en el espacio son características que reproduce muy bien este tipo de sistemas, aunque la reverberación sigue sin ser muy buena.
Primeramente, se aplicó al sonido cinematográfico, extendiéndose después a muchos aparatos, como los discos de vinilo y compactos, cintas de casete y, en algunas ocasiones, cada vez más, a la televisión. Para captar los distintos focos sonoros, el sistema estereofónico se basa en las diferencias de intensidad de los sonidos y, cuando las frecuencias son pequeñas, normalmente cuando son inferiores a los 800 Hz, en las diferencias de fase. Los sonidos, que se captan con dos micrófonos que se colocan como si fueran los oídos de una persona - aunque a veces se ponen más separados para que el efecto sea mayor -, cuando se recogen tienen la misma diferencia de
intensidad y de fase que cuando llegan al oído humano. Las corrientes que han sido recogidas por los micrófonos se aplican a un amplificador distinto cada una. Si estamos realizando una grabación, las corrientes amplificadas inscriben sus variaciones en distintas bandas sonoras de la cinta o en los diferentes surcos de un disco que luego van a ser leídos por la aguja. Al reproducir el sonido, cada modulación se amplifica por separado y alimenta el correspondiente grupo de altavoces. La cuadrafonía es un sistema en el cual se transmiten las señales grabadas por cuatro canales. Podemos escuchar el sonido proveniente de cualquier dirección. De los cuatro canales que se utilizan, dos son usados para aceptar señales directas y los otros dos para las señales reflejadas. En este tipo de sistemas se cumplen bastante bien las condiciones exigidas de distorsión, ruido, rango de frecuencias, etc. La reproducción del sonido real es bastante buena. Nunca se va a conseguir reproducir el sonido tal y como es en realidad porque para ello hay que tener infinitas tomas de sonido por toda la habitación donde se esté grabando. A pesar de todo, el sistema cuadrafónico puede ser considerado como un reproductor de sonido con una forma muy similar a la real. Si tenemos un preamplificador (que es una parte del amplificador) estereofónico debería haber dos canales totalmente independientes para que las señales fuesen separadas en cada uno de ellos. Esto no se consigue del todo ya que, transcurrido un cierto recorrido, las dos señales tienden a mezclarse. Se conoce como diafonía al cociente entre la señal del canal interferido y la señal del canal que interfiere. Siempre se intenta conseguir el mayor cociente posible. Su valor viene dado en decibelios y va a depender de la frecuencia de la señal que estemos tratando. Las frecuencias en las cuales conseguimos un mejor valor de diafonía son las medias, estando este valor alrededor de los 60 dB.
EL PREVIO Vamos a detenernos en el previo. Esta parte del amplificador puede estar totalmente separada físicamente de este o pueden estar los dos dentro de la misma "caja ", unidos internamente de forma que no se diferencie externamente el paso de la señal del previo al amplificador.
Lo que hay que tener muy claro es que, para que una señal sea modificada, primero debe de existir, es decir, que al previo le tienen que llegar las distintas señales que va a modificar, ya que un previo no genera ninguna señal, simplemente manipula lo que le llega. Después de que una señal pase por el previo vamos a conseguir que tenga la frecuencia, el volumen, la forma, el tono, etc., que nosotros deseemos, ya que posee mandos externos que permiten al usuario escoger el tipo de valor que va a obtener.
Una de las entradas que suele ir conectada al previo es el tocadiscos. Aunque parezca que está en desuso, todavía son muchos los equipos de música que tienen un tocadiscos y por ello vamos a dedicarle el espacio que se merece junto con los otras entradas. En la entrada del previo se conecta la cápsula, que es una parte del brazo del tocadiscos donde va fijada la aguja. Hay muchos tipos de cápsulas, entre las que se encuentran: las de cristal, cerámica, magnética, bobina móvil, etc. No son todas compatibles, por lo que el tipo de entrada que vamos a tener dependerá de cómo sea la cápsula del tocadiscos. Otra entrada es la del magnetofón, al que todos conocemos como casete. Como todo sabemos, con un casete podemos hacer dos cosas, oír la música de la cinta que contiene o grabar algo en dicha cinta. Por esta razón y al contrario que en el tocadiscos, donde sólo podíamos escuchar música y no se podía grabar - por lo que solo tenía una conexión -, en el magnetofón vamos a tener dos conexiones con el previo, una mandará la señal al previo para que sea tratada y después amplificada, y la otra recibirá la señal del previo ya tratada para que pueda ser grabada. Otra de las entradas del previo es la que puede recibir señales de un sintonizador de radio. Un micrófono es un aparato que también puede estar conectado al previo. Dicha conexión suele efectuarse por medio de un jack, pudiendo ser estereofónica, al poder aceptar la entrada de dos micrófonos por el mismo jack. Casi todos los previos tienen una entrada auxiliar, en la cual se pueden conectar muchas cosas, desde otro tocadiscos, un televisor, etc., cualquier tipo de señal que sea compatible con dicha entrada, que suele ser lo más universal posible.
El amplificador es una parte de la cadena musical y va a funcionar siempre que le enviemos una señal, pero le tenemos que decir de dónde viene, del casete, de un micrófono, etc. Para ello, necesitamos un mando que seleccione qué entrada le vamos a mandar al previo y, como su nombre indica, dicho mando va a ser el selector.
LA SENSIBILIDAD E IMPEDANCIA DE UN PREVIO
Dos conceptos muy importantes dentro de un previo son la sensibilidad y la impedancia. Se conoce como sensibilidad de entrada de un previo la tensión que le tenemos que aplicar para que pueda funcionar correctamente. La impedancia de entrada de un previo es la resistencia que opone dicha entrada. Y, por último, la impedancia de salida del previo es la resistencia que opone a la salida. Cuanto más alta sea la sensibilidad, mejor, porque el previo es menos "sensible ". Para que resulte correcto el resultado de una transferencia de sonido a nuestro previo, es preciso que la impedancia de entrada del previo sea igual que la impedancia de salida del aparato que transmite dicha señal. Otro valor a tener en cuenta es la tensión de saturación de un previo, valor por encima del cual el previo se satura, aumentando muy rápidamente la distorsión.
TRATAMIENTO DE LA SEÑAL
El volumen final que vamos a obtener después de que la señal pase por el amplificador no solo va a depender de la etapa de potencia de este, sino que también va a depender de la etapa del preamplificador (previo). Si entregamos la tensión de la señal muy pequeña desde el previo, por mucho que la amplifique la etapa de potencia no vamos a conseguir una señal muy grande a la salida y, por lo tanto, el volumen tampoco será muy alto. Por el contrario, si la señal ya va amplificada desde el previo, la amplificación total que vamos a conseguir a la salida del amplificador va a ser mucho mayor, siendo el volumen final también mayor. El control de volumen se va situar a la salida de la cabeza del previo, tratándose de un divisor de tensión. Podemos tomar la tensión que deseemos
según como queramos que sea el volumen. Si estamos usando la salida de un previo para grabar, por ejemplo, una cinta, tenemos que tomar la salida de la cabeza del previo, antes de que se produzca la división de tensión porque, en este punto, la tensión es igual para todas las entradas y no le afecta la posición del mando del volumen y, por lo tanto, a la grabación no le va a afectar el volumen con que se realice. Como todos hemos hecho alguna vez al grabar una cinta, podemos bajar el volumen en un momento determinado, o grabar toda la cinta a un volumen muy bajo sin que esto vaya a afectar al resultado final de la grabación, que tendrá un volumen completamente normal.
Los sonidos pueden diferenciarse por su tono, es decir, por la frecuencia a la que estén vibrando. Hay dos tipos de tonos: el grave y el agudo, siendo el primero el correspondiente a frecuencias bajas y el segundo a frecuencias altas. Como podemos suponer, otro factor que es posible controlar de una señal es su tono. Así pues, en casi todos los aparatos de música, podemos encontrar "el botón " del tono. Con él seleccionaremos el tipo de frecuencias que queremos que tenga el sonido, pudiendo eliminar un rango determinado. La eliminación puede ser completa o parcial, es decir, podemos dejar que sólo queden de una señal los sonidos graves, o exclusivamente los agudos o diferentes cantidades de unos u otros. Al diseñar los circuitos que van a controlar los tonos, se suele hacer de tal forma que cuando se seleccione el centro del botón se permita que todo el rango de frecuencias audio se reproduzca en la misma cantidad. Normalmente, se toma como patrón de señales intermedias la frecuencia de 1kHz, considerándose graves las frecuencias menores que ella y agudas las que sean mayores. En la señal que introducimos en el previo pueden ir señales no audibles por los seres humanos, es decir, con una frecuencia superior a los 20.000 Hz o inferior a los 20 Hz. A pesar de que no podamos escucharlas, estas señales pueden afectar al rendimiento del amplificador y hacer que el rango de señales que de verdad nos interesan no sea todo lo bueno que desearíamos. Para evitar que estas señales pasen del previo, se suelen colocar unos filtros de frecuencias. Existen varios tipos de filtros pero los que nos van a interesar para los preamplificadores son los filtros paso-alto y los filtros paso-bajo. Los primeros son los encargados de eliminar las frecuencias demasiado bajas, normalmente las inferiores a 10 Hz, y dejar pasar las altas, como su nombre indica. Los segundos son los encargados de eliminar las frecuencias altas, por encima de los 8kHz, y dejar pasar las bajas. Normalmente, el corte entre las frecuencias que dejan pasar los filtros y las que no pasan no es muy brusco.
Si tenemos un previo estereofónico, va a tener dos canales independientes que están conectados a un altavoz cada uno. Para que la reproducción fuese perfecta tendría que llegar a nuestros oídos la misma cantidad de sonido de cada uno de los altavoces. Pero esto no siempre sucede así, debido normalmente a la orientación de una persona con respecto a los altavoces. Para solucionar este problema, los previos tienen un mando denominado balance. Si este mando se encuentra en su posición central, los dos canales van a tener la misma amplificación. Si movemos el mando hacia uno de los lados, un altavoz se va a mantener igual que estaba y el otro se va a atenuar, pudiendo llegar a anularse del todo. Si el amplificador de nuestro aparato musical es estereofónico, vamos a tener la opción de elegir el modo de reproducción. Puede ser "mono ", cuando las dos señales se mezclan y el resultado se reproduce por ambos canales. Será "estéreo " si cada señal va a su canal correspondiente. Por último, cuando la señal sale del preamplificador ya ha sido corregida, modificada y amplificada según nuestro gusto personal y siguiendo algunas normas. Una vez que sale del previo, deja de sufrir transformaciones. El paso siguiente será amplificar dicha señal en la etapa de potencia del amplificador. En este paso sólo va a variar la amplitud de la señal, pero su forma no va a cambiar más.
EL RUIDO Y LA DISTORSIÓN Siempre que estemos hablando de tratamiento de señales tenemos que tener en cuenta que se puede introducir "ruido " mezclado con la señal original. Este ruido es una señal no deseada que se mezcla con la señal "buena " y, dependiendo de la cantidad de señal que tengamos, puede llegar a dificultar mucho el reconocimiento de dicha señal. La mejor forma de saber si se ha producido ruido es haciendo nula la señal de entrada, si todavía se produce una señal de salida, esta no será otra cosa que ruido. El ruido suele ser de tipo térmico, es decir, proviene de algún calentamiento o defecto en los elementos que compongan el circuito.
La distorsión es, junto con el ruido, el factor que más nos interesa eliminar cuando la señal pasa por el previo. Son dos cosas diferentes, el ruido puede producirse aunque en la entrada no haya señal, pero la distorsión está totalmente relacionada con la señal de entrada y, si no tenemos señal, no habrá distorsión. En principio, se supone que la señal de salida va a ser proporcional a la de entrada, es decir, el proceso de tratar la señal debería ser completamente lineal, siendo la señal de salida de la misma forma que la de entrada aunque tuviera distinta intensidad. Pues bien, todo lo que la señal de salida se aleje de la forma de la señal de entrada es debido a la distorsión que se produce. Concretamente, se denomina distorsión al cociente entre la señal "mala " con la señal que deberíamos obtener, la "buena ". Normalmente, si el previo no se satura, la distorsión es bastante pequeña y el oído no es capaz de detectarla.
PREAMPLIFICADORES DE AUDIO (APLICACIONES) La posibilidad de modularizar los equipos de sonido no ha obviado la aparición de nuevas necesidades y problemas, casi todos ellos a la hora de manejar e interconectar equipos de calidad pero de diferentes patrones de fabricación.
Puede que la parte más oculta para el aficionado a los equipos de alta fidelidad sea precisamente la concerniente a módulos más que importantes, tales como el preamplificador y el ecualizador de señales de audio. Y no decimos que son importantes por que están ahí sino por el papel fundamental que desempeñan a la hora de tratar el sonido -no de amplificarlo- lo cual redundará sin lugar a ninguna duda en la calidad final obtenida en la salida de nuestro equipo de audio.
PREVIOS Y PARÁMETROS ASOCIADOS Los preamplificadores de audio constituyen un eslabón muy importante dentro de un sistema de sonido. Su misión fundamental, en resumen, es la de seleccionar la fuente de señal que llega al amplificador final, tratarla y adecuarla al nivel requerido por aquella. Queda claro que los previos pueden constituir parte de un equipo de audio y poseer identidad propia o bien estar integrados dentro de un amplificador. Dentro de los parámetros que afectan a las características de un previo podemos destacar: - La sensibilidad e impedancia de entrada - El nivel de saturación - La ecualización - La relación señal/ruido - La diafonía
LA SENSIBILIDAD Podemos definir como sensibilidad de entrada de un previo a la tensión que es preciso aplicar en sus bornes de entrada para que el mismo trabaje de forma correcta. Cuanto menor sea la cifra que nos indica la sensibilidad mayor será la misma. Otro valor igual de importante a la hora de calificar la característica de entrada de un previo es la impedancia de entrada del mismo o, dicho en otras palabras, la resistencia eléctrica que presenta dicha entrada a la señal que llega a la misma.
Si conectamos un dispositivo dado (por ejemplo un micrófono o una cápsula o aguja) a la entrada del mismo sin que se realice una adaptación de impedancia previa puede ocurrir que las prestaciones obtenidas del previo no sean las mejores posibles. Puede darse el caso de que la señal que hacemos llegar al previo supere el valor de la sensibilidad óptima. En este caso se generará cierta distorsión en la señal tratada, con lo que a la postre obtendremos un menoscabo de la calidad de salida. En el extremo opuesto se sitúa la hipótesis de que la señal que alcanza la entrada del previo sea de valor inferior a la idónea. En este caso, el amplificador de potencia conectado a su salida no conseguirá proporcionar la potencia máxima para la que está preparado.
EL NIVEL DE SATURACIÓN Entre las características que se consignan en las especificaciones de un previo o amplificador podemos observar el nivel, o tensión, de saturación, el cual corresponde al nivel en que el previo se satura o, dicho de otra forma, la distorsión aumenta muy rápidamente. De todo esto podemos deducir que el nivel de saturación nos indicará el valor máximo de tensión a aplicar en la entrada del previo sin que obtengamos una mala respuesta del mismo.
La mayoría de los previos suelen admitir valores de tensión de entrada que superan con creces el de la sensibilidad dada, en ocasiones hasta diez veces el valor de ésta, lo que no originará distorsión hasta alcanzar dicho valor.
ECUALIZACIÓN Ciertas entradas conectadas a un previo deben ser preparadas para atacar a éste. Esto ocurre con las cápsulas fonocaptoras encargadas de recuperar la información depositada en un disco de vinilo. Al realizar la grabación de un disco se suelen realzar según una norma dada las frecuencias elevadas (agudos) y a atenuar las más bajas (graves). Dicha norma sigue el patrón implantado por la "Recording Industries Association of America " (RIAA). Al leer la información del disco deberemos realizar una operación inversa para "reconvertir " el sonido original. Dicha operación se conoce como ecualización RIAA. Los fabricantes de equipos de audio suelen proporcionarnos un parámetro asociado que indica el porcentaje de error o separación que presentan dichos equipos con respecto a la curva de ecualización RIAA. Dicho parámetro se suele dar en decibelios (dB). Los valores aceptables para dicho parámetro pueden ser los menores de 0,5 dB.
RELACIÓN SEÑAL RUIDO Si tomamos la salida de un equipo de audio y medimos la señal presente en su salida en ausencia de señal de entrada podemos observar que existen unos pequeños niveles de tensión. Esta pequeñísima señal es lo que se conoce como "ruido ". La forma en que se genera dicho ruido es variada. Si dicho ruido se origina en la primera etapa de la cadena de audio, esto es, en el previo, la siguiente etapa no será capaz de discernir entre dicho ruido y la señal útil a amplificar. El parámetro comunicado por los fabricantes de equipos puede proporcionarse tanto en nivel real de ruido siempre expresado en µV- o bien en el valor correspondiente al cociente denominado como señal-ruido o S/N (del inglés Signal/Noise). En la práctica, el valor de ruido no suele sobrepasar el microvoltio y, en el caso de que se suministre el valor S/N, éste deberá ser superior (para movernos en un margen de calidad) a los 70 dB.
DIAFONÍA Como los equipos de audio suelen trabajar en modo estéreo se suele producir otro nuevo fenómeno que podríamos resumir como la interferencia de uno de los dos circuitos de amplificación sobre el homólogo. Este efecto recibe el nombre de diafonía y, como es lógico, conviene que su valor sea lo más pequeño posible. El valor de la misma se suele expresar en forma de cociente entre la señal presente en el canal interferido y la del canal que interfiere. Para mayor calidad el resultado de este cociente convendrá que sea lo más elevado posible. El valor de diafonía se suele expresar también en dB y un valor aceptable es aquel que supera los 55 dB. La diafonía puede variar según la frecuencia de audio con la que se mida. Para obtener los mejores resultados conviene que dicha medida se realice en un valor medio, esto es, a la frecuencia de 1kHz.
ECUALIZADORES Uno de los más modernos equipos que podemos añadir a nuestra cadena de audio es el ecualizador. Definir un ecualizador podría ocuparnos bastante, pero una forma breve de hacernos una idea de su misión es decir que no es más que un corrector de tono especializado. Los ecualizadores se caracterizan por una serie de mandos -potenciómetros- que nos permiten seleccionar qué frecuencias (dentro del espectro de audio) se realzarán y cuáles se atenuarán. Queda claro que la misión del ecualizador no es sino "ajustar " la señal de salida de nuestro equipo de audio a las necesidades del recinto acústico donde esté instalado el mismo.
AMPLIFICADORES DE BAJA FRECUENCIA La amplificación de una señal eléctrica es fundamental para la mayoría de los aparatos electrónicos. El montaje de un circuito amplificador va a depender en gran medida de la frecuencia de la señal que queremos amplificar. Podemos tener señales de frecuencias bajas, altas e intermedias. Las de baja frecuencia coinciden aproximadamente con el rango de las señales audibles.
Uno de los objetivos principales de la electrónica es la amplificación de las señales. Como sabemos, la amplificación consiste en recibir una señal cualquiera y, tras atravesar un circuito, mandar una señal mayor que la recibida. La importancia de este proceso es evidente, no tenemos más que observar el funcionamiento de la mayoría de los aparatos electrónicos y comprobaremos que en su interior se produce de alguna forma una amplificación. Así, como ejemplo más evidente, tenemos los equipos musicales. Por un lado están las pletinas donde se va leyendo una cinta de casete, la cual es simplemente una serie de pequeños valores de un campo magnético, que son interpretados por el equipo y, tras un proceso de amplificación, esos valores notablemente aumentados son enviados a un altavoz. Más ilustrativo quizá sea el funcionamiento de un tocadiscos. Aquí, las pequeñas rugosidades del vinilo hacen moverse a una aguja. Este pequeñísimo movimiento de la aguja produce corrientes y tensiones igualmente pequeñas y, tras un proceso de amplificación, estos valores son lo suficientemente aumentados como para poder mover los conos de un altavoz. Otro ejemplo no tan ilustrativo, aunque mucho más importante aún que el de los equipos musicales, consiste en la amplificación de ondas electromagnéticas.
Las ondas electromagnéticas son la forma en que mandamos información a través del "aire " y de manera imperceptible ya que no se pueden ver ni oír. Los ejemplos más comunes de ondas electromagnéticas son las ondas de radio y de televisión. Cuando una radio recibe una onda electromagnética concreta, es decir, con cierta frecuencia, ésta es transformada en corriente y amplificada antes de pasar a mover un altavoz y poder reproducir la información que la onda contiene. Por último, podemos hablar de los cada vez más utilizados lectores ópticos, bien sean de discos compactos o de CD-ROM, cuyo funcionamiento consiste en convertir variaciones microscópicas de la intensidad de un rayo láser en variaciones, lo suficientemente aumentadas, de corrientes eléctricas capaces de "excitar " a los altavoces en el caso de los discos compactos, o de ser interpretadas por un ordenador en el caso de los CD-ROM.
Podríamos extendernos cuanto quisiéramos explicando el funcionamiento de todos y cada uno de los aparatos electrónicos que existen actualmente y veríamos cómo, en algún momento, de una forma u otra, siempre es requerida la amplificación de una señal eléctrica.
AMPLIFICADORES IDEALES Vamos a ver, pues, en qué consiste la amplificación, tipos y demás características. En primer lugar, hay que dejar claro que el término amplificación a secas engloba a todas las distintas clases de amplificación que existen. Hablaremos, pues, de amplificación de tensión cuando el valor incrementado sea una diferencia de potencial; igualmente se dirá que un amplificador de intensidad es aquel que aumenta el valor de una corriente y un amplificador de potencia es el que aumenta el valor de la potencia.
Un amplificador ideal es aquel que reproduce a la salida de manera "exacta " lo recibido a la entrada pero aumentado. Si, de alguna manera, pudiésemos ver la forma de la onda que entra a un amplificador ideal y la de la onda que sale, sería como si la onda de la salida fuese la onda de la entrada vista con una lupa. Haciendo un inciso, diremos que el aparato que nos permite visualizar esas ondas es el osciloscopio. Volviendo al amplificador ideal hay que decir que, como era de esperar, no existe; es decir, no existe ningún amplificador capaz de aumentar una señal sin modificar lo más mínimo. Cuanto más se diferencia la entrada de la salida peor será la amplificación. Esto es lo que se conoce con el nombre de "distorsión ".
3.6 CONCEPTODE GANANCIA (FILTROS ACTIVOS Y PASIVOS) FILTROS ACTIVOS Como ya sabemos, entre las características que determinan a una señal eléctrica se encuentra la frecuencia. En muchos casos, en la práctica, a través de un circuito, puede pasar más de una señal eléctrica, es decir, pueden pasar señales eléctricas con distinta frecuencia; sin embargo, se puede dar el caso de que en determinadas circunstancias nos interese única y exclusivamente una de las señales que puedan circular por nuestro circuito. Esta "selección " de una señal eléctrica según la frecuencia que tenga es lo que hacen los filtros. Al principio, los filtros estaban compuestos únicamente por elementos pasivos, es decir, resistencias, condensadores e inductancias. Sin embargo, la aparición del amplificador operacional ha traído consigo una mejora notable en la fabricación de los filtros, ya que se ha podido prescindir de las inductancias. La mejora conseguida con el cambio de inductancias por amplificadores operacionales es apreciable en lo que se refiere a respuesta, aprovechamiento de la energía (menor disipación), tamaño y peso, ya que las inductancias no se pueden integrar en un circuito y, por tanto, son elementos discretos con un tamaño considerable. Como desventajas de estos filtros (filtros activos RC) frente a los filtros fabricados con elementos pasivos (filtros RLC) están las limitaciones en los niveles de tensión y corriente y los efectos parásitos inducidos por los elementos activos, como por ejemplo la tensión de desplazamiento en corriente continua a la salida, la corriente de polarización en la entrada, etc. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones que se dan a los filtros, las ventajas de los filtros activos RC sobre los pasivos RLC son más numerosas; de ahí que estén tomando una importancia cada vez mayor en el campo de la ingeniería. Los filtros activos son circuitos compuestos por resistencias, condensadores y amplificadores operacionales, cuya finalidad es dejar pasar a través de ellos las frecuencias para las que han sido diseñados, eliminando por tanto el resto de las frecuencias que no interesan. Esto se consigue atenuando o incluso llegando a anular aquellas cuya frecuencia no está en el margen de frecuencias admisible.
Existen básicamente cuatro tipos de filtros, que son: filtros paso-bajo, paso-alto, paso-banda y filtros supresores de frecuencias.
Los filtros paso-bajo son aquellos que permiten el paso de las frecuencias bajas; los paso-alto, por el contrario, sólo permiten el paso de frecuencias altas a través de ellos; a continuación están los filtros paso-banda que solamente permiten el paso de un determinado rango de frecuencias.
Este rango de los filtros paso-banda evidentemente dependerá de los elementos utilizados en su construcción y, por tanto, se podrán seleccionar según sea más conveniente.
Por último, los filtros supresores de frecuencias, como su nombre indica, son capaces de atenuar o incluso eliminar frecuencias concretas.
El uso de los filtros se ha incrementado considerablemente en estas dos últimas décadas hasta el punto de existir volúmenes enteros dedicados a ellos. Como muestra podemos ver un filtro activo paso-banda básico. Los valores de los condensadores y de las resistencias, así como las características del amplificador operacional utilizado son las que van a determinar el margen de frecuencias que pueden pasar por el filtro.
UNIDAD IV LOS OSCILADORES 4.1 INTRODUCCION A LOS OSCILADORES LOS OSCILADORES Un oscilador es un dispositivo capaz de convertir la energía de corriente continua en corriente alterna a una determinada frecuencia. Tienen numerosas aplicaciones: generadores de frecuencias de radio y de televisión, osciladores locales en los receptores, generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos, etc.
La mayoría de los equipos electrónicos utiliza para su funcionamiento señales eléctricas de uno de estos tres tipos: ondas sinusoidales, ondas cuadradas y ondas tipo diente de sierra. Los osciladores son circuitos electrónicos generalmente alimentados con corriente continua capaces de producir ondas sinusoidales con una determinada frecuencia. Existe una gran variedad de tipos de osciladores que, por lo general, se conocen por el nombre de su creador. Igualmente, los multivibradores son circuitos electrónicos que producen ondas cuadradas. Este tipo de dispositivos son utilizados ampliamente en conmutación. Los generadores de frecuencia son, junto con los amplificadores y las fuentes de alimentación, la base de cualquier circuito electrónico analógico. Son utilizados para numerosas aplicaciones entre las que podemos destacar las siguientes: como generadores de frecuencias de radio y de televisión en los emisores de estas señales, osciladores maestros en los circuitos de sincronización, en relojes automáticos, como osciladores locales en los receptores, como generadores de barrido en los tubos de rayos catódicos y de televisores, etc.
OSCILADORES Los osciladores son generadores que suministran ondas sinusoidales y existen multitud de ellos. Generalmente, un circuito oscilador está compuesto por: un "circuito oscilante ", "un amplificador " y una "red de realimentación ". El circuito oscilante suele estar compuesto por una bobina (o inductancia) y por un condensador. El funcionamiento de los circuitos osciladores (osciladores, de ahora en adelante) suele ser muy similar en todos ellos: el circuito oscilante produce una oscilación, el amplificador la aumenta y la red de realimentación toma una parte de la energía del circuito oscilante y la introduce de nuevo en la entrada produciendo una realimentación positiva.
Hay que tener cuidado y no confundir "circuito oscilante " con "oscilador ". El circuito oscilante es el encargado de producir las oscilaciones deseadas; sin embargo, no es capaz de mantenerlas por sí solo. El oscilador es el conjunto que forman el circuito oscilante, el amplificador y la red de realimentación juntos.
CIRCUITO OSCILANTE Supongamos un circuito compuesto por un condensador y una inductancia conectados en paralelo. En primer lugar, conectamos el condensador a una batería. Entonces, comienza a circular corriente eléctrica que va a provocar que el condensador se cargue. Llegado este momento, la corriente eléctrica dejaría de circular y el condensador se encontraría totalmente cargado. A continuación, movemos el interruptor y conectamos el condensador con la inductancia. En este mismo instante, la bobina, en principio se opone al paso de la corriente. Sin embargo, comienza a circular corriente de forma progresiva haciendo que el condensador se descargue y creando un campo magnético en la bobina. Al cabo de cierto tiempo, la corriente eléctrica comienza a cesar de forma progresiva y, por lo tanto, el campo magnético se reduce. Se crea entonces una tensión inducida en la bobina que hace que el condensador se cargue de nuevo, pero esta vez con la polaridad contraria. Una vez que el condensador se encuentra totalmente cargado, volvemos a estar como al principio, aunque esta vez con el condensador cargado de forma inversa a como estaba antes. Comienza otra vez el proceso de descarga progresiva del condensador sobre la inductancia y de nuevo vuelve a cargarse el condensador. Vemos, pues, cómo es un vaivén de corriente de un elemento a otro. Esto es lo que se conoce como circuito oscilante. Para poder entender mejor este proceso, se han esquematizado los pasos en la ilustración correspondiente.
Este circuito oscilante podría ser un oscilador si fuese capaz, por sí solo, de mantener su oscilación indefinidamente. Sin embargo, en la realidad existe una pérdida de energía que hace que la corriente oscilante se vaya atenuando cada vez más hasta llegar a desaparecer. Esto es debido a que la inductancia posee una cierta resistencia óhmica que hace que con el paso de la corriente se vaya perdiendo, cada vez, una pequeña cantidad de energía convirtiéndose en calor.
La frecuencia con la que oscila nuestro circuito depende evidentemente del condensador y de la inductancia que coloquemos; cuanto mayor sea el condensador y la inductancia, menor va a ser la frecuencia. Una vez dispuestos ambos elementos en el circuito, estos son fijos y, por tanto, la frecuencia de oscilación es una característica de dicho circuito, la cual recibe el nombre de "frecuencia propia del circuito oscilante ". En realidad, es bastante complicado acertar en la elección del condensador y de la inductancia a la hora de obtener una determinada frecuencia. Lo que se suele hacer es poner, por ejemplo, un condensador con capacidad variable que, una vez funcionando en el circuito, se ajusta hasta obtener el valor de la frecuencia de oscilación deseada.
Un circuito oscilante por sí solo no es capaz de mantener por mucho tiempo sus oscilaciones y, por tanto, no es de ninguna utilidad. Para solventar este problema, lo que se hace es proporcionar una "ayuda extra " desde el exterior que compensa las pérdidas de energía debido a la resistencia óhmica de la bobina; consiguiendo así que el circuito oscile de forma indefinida mientras la fuente de energía "extra " sea capaz de suministrarle energía. La fuente de energía extra que se acopla al circuito plantea una incógnita relativa a la frecuencia a la que debemos suministrar la corriente eléctrica. Evidentemente, existen tres casos bien definidos, a saber: que la frecuencia de la fuente sea mayor, menor o igual que la frecuencia propia de oscilación del circuito. En el caso en que la frecuencia sea la misma, se produce el máximo valor de la tensión en los bornes del circuito oscilante; por el contrario, la intensidad de corriente que recorre el circuito es mínima. Si la frecuencia es mayor o menor, el voltaje en bornes va siendo cada vez menor, a la vez que la corriente que atraviesa el circuito va aumentando de forma gradual.
Vamos a ver los diferentes tipos de osciladores que hay. Antiguamente se usaba una válvula termoiónica como etapa amplificadora, pero estos osciladores están totalmente obsoletos. Hoy en día, se usa en su lugar un transistor como etapa amplificadora, pudiendo estar conectado en base común, emisor común o colector común, dependiendo del tipo de oscilador y de la función que realiza en cada uno de ellos.
4.2 TIPOS DE OSCILADORES EL OSCILADOR MEISSNER Como hemos visto, hay muchos tipos de osciladores y cada uno suele llevar el nombre de quien lo descubrió. Comenzaremos con el oscilador Meissner que está compuesto por un circuito oscilante LC, una etapa amplificadora y una realimentación positiva. Una de las características de este oscilador es que la realimentación se produce por medio de un acoplo inductivo, es decir, entre una bobina auxiliar y la bobina que compone el circuito tanque. En estos osciladores la oscilación desacoplada y amplificada debe ser introducida de nuevo en el circuito oscilante, y para conseguir que la oscilación que entró en un principio al circuito sea reforzada, la oscilación de la realimentación debe estar en fase con ella. Para conseguir este efecto tenemos que cuidar que los arrollamientos del transformador estén correctamente conectados porque, de lo contrario, no conseguiríamos ningún tipo de oscilación. Para que se produzca una frecuencia de oscilación estable hay que tener en cuenta todos los datos del transistor, es decir, cómo actúa frente a las diferentes tensiones, intensidades y con los cambios de temperatura. La etapa amplificadora del oscilador está formada por el transistor que, en esta clase de montajes, se coloca en base común. El circuito oscilante se conecta al colector. Existe otro tipo de oscilador muy parecido al de Meissner que se denomina oscilador de Armstrong.
EL OSCILADOR HARTLEY La principal característica de estos circuitos osciladores es que no utilizan una bobina auxiliar para la realimentación, sino que aprovechan parte de la bobina del circuito tanque, dividiéndose esta en dos mitades, L1 y L2. Colocamos dos resistencias para polarizar adecuadamente el transistor. Hay dos formas de alimentar al transistor: en serie y en paralelo. La alimentación serie se produce a través de la bobina L2, circulando por ella una corriente continua. La alimentación en paralelo se efectúa a través de la resistencia del colector, quedando, en este caso, perfectamente aislados el componente de continua y el componente de alterna de señal. La reacción del circuito se obtiene a través de la fuerza electromotriz que se induce en la bobina L1, y que se aplica a la base del transistor a través de un condensador. En estos circuitos, la frecuencia de oscilación depende de la capacidad C y de las dos partes de la bobina, L1 y L2, del circuito oscilante. Según donde se coloque la toma intermedia de la bobina, se va a producir una amplitud de tensión u otra, pudiendo llegar a conectarse o desconectarse el circuito.
EL OSCILADOR COLPITTS Este oscilador es bastante parecido al oscilador de Hartley. La principal diferencia se produce en la forma de compensar las pérdidas que aparecen en el circuito tanque y la realimentación, para lo cual se realiza una derivación de la capacidad total que forma el circuito resonante. Una parte de la corriente del circuito oscilante se aplica a la base del transistor a través de un condensador, aunque también se puede aplicar directamente. La tensión amplificada por el transistor es realimentada hasta el circuito oscilante a través del colector. Como en todos los circuitos que tengan transistores, necesitamos conectar resistencias para polarizarlos. La tensión de reacción se obtiene de los extremos de uno de los condensadores conectados a la bobina en paralelo.
EL OSCILADOR EN PUENTE DE WIEN Hasta ahora hemos visto los osciladores tipo LC, vamos a ver ahora un oscilador tipo RC, el denominado oscilador en puente de Wien. Cuando trabajemos en bajas frecuencias no vamos a poder usar los osciladores tipo LC, debido a que el tamaño de la bobina y de la resistencia tendrían que ser demasiado grandes y caros. Para sustituirlos vamos a usar una red desfasadora formada por RC, es decir, resistencias y condensadores, como es el caso del ya mencionado oscilador en puente de Wien. Está constituido por una etapa oscilante y dos etapas amplificadoras formadas por dos transistores. El circuito está conectado en emisor común y al tener dos etapas en cascada, la señal es desfasada 360º y después vuelve a ser realimentada al circuito puente. La señal de salida del segundo transistor se aplica al circuito puente constituido por dos resistencias y también es aplicada a la entrada del puente de Wien, que es el circuito oscilante formado por una resistencia y un condensador. La frecuencia de oscilación viene determinada por los valores de la resistencia y del condensador que forman el puente de Wien. Este tipo de circuitos presenta una gran estabilidad a la frecuencia de resonancia. Aparte de esta, tiene como ventajas su fácil construcción, un gran margen de frecuencias en las que trabaja perfectamente y la posibilidad de obtención de una onda sinusoidal pura cuando tiene la suficiente ganancia como para mantener las oscilaciones. Dentro de sus inconvenientes, podemos mencionar que se pueden producir pérdidas en las resistencias y una salida variable con la frecuencia de resonancia.
EL CUARZO Muchas son las veces que hemos oído hablar del cristal de cuarzo como elemento imprescindible en gran variedad de aparatos electrónicos. Así, por ejemplo, raro es encontrarse un reloj que no lleve en su interior tan preciado cristal. La razón de la utilización masiva del cuarzo radica en una propiedad electromecánica, conocida como efecto "piezoeléctrico ", la cual es, como veremos, de una gran utilidad en los osciladores. El cuarzo tiene la propiedad de deformarse mecánicamente, es decir, aumentar o disminuir su volumen cuando se le aplica una diferencia de potencial entre sus extremos. Además, este efecto piezoeléctrico es reversible, por lo que, si de alguna forma somos capaces de oprimir un cristal de cuarzo, podríamos observar cómo, durante el tiempo en que el cristal está reduciendo su tamaño, produciría una diferencia de potencial entre sus caras opuestas. Este efecto reversible es parecido al de un motor eléctrico, el cual comienza a girar si le aplicamos una diferencia de polaridad, pero si, por el contrario, lo hacemos girar manualmente, se produciría una diferencia de potencial entre sus dos conexiones.
El cuarzo es uno de los minerales más abundantes en la naturaleza, formado por anhídrido de silicio. Se encuentra en la naturaleza en diferentes formas, principalmente como cuarzo , que se obtiene a alta temperatura y es hexagonal, y como cuarzo , que existe a temperatura ordinaria. Sin embargo, para su utilización en circuitos, la única variedad que nos interesa es la formada por cristales prismáticos hexagonales.
Volviendo al efecto piezoeléctrico, diremos que un cristal de cuarzo tiene una frecuencia natural de oscilación. Supongamos que conectamos un cristal de cuarzo a una diferencia de potencial, provocando, por tanto, que este se deforme; si, a continuación, dejamos de aplicarle la diferencia de potencial, el cristal tenderá a su forma original ya que ha cesado la causa que lo deformaba. Durante su "vuelta " al estado original, el cristal, comienza a oscilar, aumentando y disminuyendo su tamaño hasta que, al cabo de cierto tiempo, se detendrá definitivamente. Este aumento y disminución de tamaño son oscilaciones propias del cristal y a una frecuencia fija que depende exclusivamente del cristal y es lo que llamamos frecuencia natural de oscilación.
Para comprender mejor esta oscilación del cristal de cuarzo, pensemos en el clásico globo inflado de aire. Supongamos que cogemos el globo de un extremo y lo estiramos sin llegar a explotarlo: el globo se deforma. Pues bien, si, a continuación, lo soltamos, el globo evidentemente, va a volver a su posición original. Pero esta "vuelta " a su posición original no es instantánea sino que, aunque apenas se aprecie debido a la velocidad con que ocurre, el globo, una vez que hemos dejado de estirarlo, vuelve a su posición oscilando, es decir, primero se hace más pequeño que inicialmente, luego más grande, de nuevo más pequeño y así sucesivamente hasta que termina por adoptar su tamaño original. Esto lo hace en un tiempo que podría ser del orden de 0,2 segundos y depende del material con que esté hecho el globo. Para hacernos una idea aproximada de las oscilaciones del cristal de cuarzo pensemos que este puede oscilar con frecuencias del orden de MHz, es decir, de millones de veces por segundo.
OSCILADOR DE CRISTAL Con lo visto sobre el efecto piezoeléctrico, parece lógico poder aplicar las propiedades de este material, el cuarzo, para producir oscilaciones. En efecto, si a un cristal de cuarzo le aplicamos sobre sus caras opuestas una diferencia de potencial, y el dispositivo está montado adecuadamente, comenzarían a producirse fuerzas en las cargas del interior del cristal. Estas fuerzas entre sus cargas provocarían deformaciones en el cristal y darían lugar a un sistema electromecánico que comenzaría a oscilar. Sin embargo, vuelve a ocurrir lo mismo que en los circuitos formados por un condensador y por una inductancia. Esto es, las oscilaciones del cristal no duran indefinidamente, ya que se producen rozamientos en la estructura interna que hacen que se vayan amortiguando hasta llegar a desaparecer. Por tanto, necesita de un circuito externo que mantenga las oscilaciones, compensando las pérdidas producidas por el rozamiento. El comportamiento eléctrico del cuarzo se puede asemejar al de una inductancia, una resistencia y un condensador conectados en paralelo con otro condensador. Por lo tanto, es equivalente colocar un circuito con estos componentes a poner un cristal de cuarzo.
CONOSCAMOS A LOS OSCILADORES
Aunque a primera vista no lo parezca, el oscilador es un circuito tan frecuente e importante en el mundo de la electrónica como lo pueda ser el amplificador .
Existen situaciones en nuestra vida cotidiana en las que, sin darnos cuenta, estamos interactuando o utilizando de una u otra forma algún tipo de oscilador. Imaginemos una situación tan familiar para nosotros como es el cambio de sintonía de nuestro receptor de radio. En realidad, lo que estamos haciendo es variar la frecuencia de trabajo de un oscilador interno en la radio. El resultado de este cambio de frecuencia se traduce en el cambio de la emisora sintonizada. Hay una gran diversidad de circuitos en función del tipo de utilización y de los requerimientos del uso que le queramos dar. Según el tipo de aplicación, necesitaremos un montaje diferente, y generaremos una clase distinta de onda. Por ejemplo, para circuitos digitales se usarán osciladores de onda cuadrada; sin embargo, para radio, utilizaremos osciladores sinusoidales. También variará la frecuencia de funcionamiento de estos según el uso que hagamos de ellos. Un oscilador de Baja Frecuencia lo podremos utilizar para verificar o probar un amplificador de audio, ya que la Baja Frecuencia es audible y si la hacemos pasar por un amplificador, oiremos un pitido, uno de estos tipos de osciladores se denominan "inyectores de señal " y son muy conocidos por los técnicos de reparación de receptores de radio y equipos de audio, ya que son de gran utilidad como señal de prueba. Sin embargo, para realizar un transmisor de radio, necesitaremos un oscilador de Alta Frecuencia que nos servirá como portadora de la señal que queremos transmitir.
Hay osciladores que utilizan circuitos resonantes y, otros, circuitos RC. Todos ellos producen una baja señal de salida, por lo que necesitan etapas posteriores de amplificación. Un oscilador se compone básicamente de un pequeño amplificador con una realimentación positiva de su salida a la entrada, y un circuito resonante. Esto se puede comprobar fácilmente si disponemos de un amplificador con un micrófono y un altavoz conectados. Cuando subimos el volumen del amplificador o acercamos el micrófono al altavoz, se produce un fuerte pitido. En realidad lo que está ocurriendo es que se realimenta el amplificador y entra en estado de oscilación. En ese momento, el amplificador se está comportando como un circuito oscilador.
EL TRANSISTOR COMO OSCILADOR El transistor es el elemento amplificador más simple, de modo que si aprovechamos sus cualidades amplificadoras, y le añadimos ciertos elementos, podremos construir con facilidad un circuito oscilador. Dentro de los osciladores con circuitos resonantes, existen varios modelos que se diferencian básicamente según el punto donde se colocan los elementos resonantes. Los tres modelos principales toman sus nombres de los personajes que los diseñaron: el modelo Armstrong, el modelo Hartley y el modelo Colpitts. La diferencia entre ellos es la forma de hacer resonar el circuito.
Hay otro método para realizar un circuito oscilador, pero sin elementos resonantes, son los llamados osciladores de relajación. Estos se basan en redes de resistencias y condensadores, aprovechando la característica de la carga y descarga del condensador para crear una oscilación. Estos circuitos no suelen tener una onda de salida sinusoidal como los anteriores, sino que generalmente entregan una onda cuadrada o en diente de sierra; aunque éstas se pueden "redondear " posteriormente con algún filtro.
OSCILADOR DE DESFASE Está compuesto por un transistor como amplificador en emisor común. Como ya sabemos, este tipo de amplificador tiene un desfase de 180 grados entre la entrada y la salida. De forma que para realimentar la señal necesitaremos desfasarla a su vez otros 180 grados. Recordemos que la realimentación debe ser positiva, y para ser positivo es necesario que la entrada y la salida estén en fase.
De modo que para conseguir desfasar la señal, colocamos un circuito RC formado por tres secciones, cada una de las cuales introduce un desfase de 60 grados. Así conseguimos una señal de realimentación positiva. La frecuencia de un oscilador de desfase puede alterarse entre ciertos límites utilizando un condensador variable múltiple o resistencias variables múltiples en el circuito RC. Cuando conectamos la alimentación del circuito, cualquier ruido transitorio, o del propio transistor, provoca las oscilaciones. Un mínimo cambio en la corriente de base produce una variación de la corriente de colector amplificada y desfasada 180 grados. La señal que regresa a la base se invierte en 180 grados por la acción del desplazador de fase RC, haciendo regenerativo el circuito. A la salida se obtiene una onda prácticamente sinusoidal.
Cuando el desplazamiento de fase varía 180 grados, la realimentación se hace negativa y el transistor no oscila. Este tipo de oscilador debe emplear transistores de elevada ganancia para compensar las elevadas pérdidas que se producen en el circuito.
EL OSCILADOR ASTABLE Los circuitos osciladores generadores de ondas de salida no sinusoidal utilizan circuitos de realimentación equipados con componentes RC o LR, que introducen determinadas funciones de conmutación al circuito.
El tiempo de carga o descarga de los elementos reactivos sirve para conseguir formas de onda de salida en diente de sierra, cuadradas o en forma de impulsos. El multivibrador astable, o de estado libre, lleva dos transistores acoplados en emisor común. Este multivibrador consta de dos pasos de tal forma que, mientras un transistor conduce, el otro está en corte. Este proceso de oscilación de dos pasos se utiliza generalmente para producir una señal de salida cuadrada. Las oscilaciones en el circuito se inician en el momento en que se aplica la tensión de alimentación al circuito, manteniéndose mientras siga alimentado con la batería. El primer paso del multivibrador se acopla a la entrada del segundo paso mediante un condensador y la salida de éste a la entrada del primero a través de otro condensador similar.
Sabemos que, en un amplificador a transistores en emisor común, la señal de salida en el circuito de colector está en oposición de fase con la entrada del mismo paso. Para que se generen oscilaciones, es necesario que el transistor reciba una mínima realimentación positiva. Ello se obtiene aplicando a la base parte de la señal de colector con fase opuesta. De este modo, cada transistor recibe la fracción requerida de realimentación mediante la amplificación del otro paso, el cual invierte por segunda vez la fase de la señal. Si un paso invierte la señal y el siguiente la vuelve a invertir, el resultado es un desfase nulo. De esta forma, en la base de cada transistor se obtiene la señal en fase requerida para que exista realimentación positiva. Las condiciones de polarización y alimentación son iguales en ambos pasos. La forma operativa del multivibrador depende de la carga y descarga de sus condensadores de acoplo y de las constantes de tiempo. Durante el ciclo operativo hay un intervalo en el que el transistor 1 conduce y el 2 está en el corte, y otro en el que sucede al revés. Debido a que por la propia construcción de los transistores, estos no pueden ser exactamente iguales, se pone uno de ellos en funcionamiento antes que el otro, por ejemplo el 1. En ese momento el condensador C1 comienza su carga a través de la unión base-emisor del transistor 1. Mientras el transistor 1 conduce, el 2 está bloqueado y el condensador C1 se carga. En el intervalo siguiente se invierte el proceso y se descarga el condensador C1 a través del circuito colectoremisor de T2. En este intervalo C2 se carga. Ahora, veamos cómo se produce la conducción y el bloqueo de los transistores. Al conectar la batería, y suponiendo que T1 es el que conduce primero, su corriente de colector aumenta, su tensión disminuye y, por tanto, C2 se carga. La base de T2 recibe un impulso de polarización positiva que bloquea el paso de corriente por el circuito emisor-colector. La tensión de colector crece y el condensador C1 se carga. En estas circunstancias, T1 recibe un impulso de polarización directa y conduce. C1 adquiere su máxima carga y C2 se ha descargado. En esta situación, T1 entra en saturación y T2 en el corte. Entonces C1 empieza a descargarse y comienza la polarización positiva de la base de T1, disminuyendo su conducción. Esta variación negativa se transmite a la base de T2 por el condensador C2, que se carga. Su base recibe entonces una tensión negativa y comienza la conducción de T2. A partir de este momento se repite la operación con la conducción de T2, estando bloqueado T1.
LOS MULTIVIBRADORES Los multivibradores se utilizan para producir ondas cuadradas. Son circuitos constituidos por dos transistores que sólo trabajan en conmutación, es decir, o se encuentran en estado de saturación o están bloqueados. Dependiendo del tipo de multivibrador, los transistores se van a encontrar en un estado o en otro.
Los osciladores eran dispositivos capaces de producir ondas sinusoidales a una frecuencia determinada, que dependía de los elementos que introdujéramos en el circuito. Se podría decir que las señales sinusoidales son las "naturales " en la electrónica. No obstante, existe otro tipo de osciladores, los osciladores no sinusoidales, que producen, como su nombre indica, ondas no sinusoidales. Estos osciladores no sinusoidales también se conocen con el nombre de "multivibradores ". Los multivibradores son osciladores cuyas salidas son ondas de lo más variadas. Así, por ejemplo, existen multivibradores que producen ondas cuadradas, otros producen ondas en forma de dientes de sierra, etc. Estas ondas no son tan "naturales " como las producidas por los osciladores, ya que "fuerzan " más a los elementos de los dispositivos. Al decir que los fuerzan más, nos referimos a que los hacen pasar, por ejemplo, de un estado de corte, donde no circula prácticamente ninguna corriente, a un estado de saturación, donde el paso de corriente es el máximo posible. Este paso se hace bruscamente, en apenas fracciones de milésimas de segundo, y se puede considerar prácticamente instantáneo. TIPOS DE SEÑALES Las ondas que se generan a la salida de un oscilador no siempre son sinusoidales como hemos visto. Dentro de las ondas periódicas, las que se repiten cada cierto período de tiempo, puede haber varios tipos. Las más conocidas son las ondas sinusoidales, que tienen aproximadamente la forma de una semicircunferencia en la parte positiva, seguida de otra semicircunferencia en la negativa, y esta figura se va a repetir periódicamente mientras se esté emitiendo la señal.
Otro tipo de ondas que se utilizan muy a menudo en electrónica son las ondas cuadradas o rectangulares; cuando crecen muy deprisa, estas ondas tienen una forma cuadrada, como su nombre indica. Crecen muy deprisa verticalmente formando una línea perpendicular con el eje, en el caso ideal, después se mantienen constantes durante algún tiempo y vuelven a descender perpendicularmente hasta llegar a la parte negativa, manteniéndose de nuevo constantes para después volver a subir a la parte positiva.
Como toda onda periódica, las ondas cuadradas repiten su forma cada cierto tiempo, denominado período. Por último, analizaremos las ondas denominadas de diente de sierra, debido a que su forma recuerda los dientes de una sierra. Estas ondas van creciendo lentamente para luego caer rápidamente, aunque no perpendiculares como las cuadradas, sino con una cierta pendiente. Esto se va ir repitiendo a lo largo del tiempo. Algunas veces también se las denomina ondas triangulares. Un impulso es un cambio brusco de alguna magnitud, por ejemplo de tensión, y puede ser positivo o negativo, dependiendo de los valores que tome la tensión. En los impulsos que se producen, por ejemplo, en la entrada de los circuitos, hay que distinguir tres parámetros, primero el tiempo que tarda en alcanzarse el impulso deseado, después la duración de dicho impulso y, por último, la frecuencia con la cual se repite el impulso, es decir, el número de impulsos que se producen en una unidad de tiempo, por ejemplo en un segundo. Los multivibradores funcionan normalmente por impulsos de tensión que reciben en la entrada y, según estos impulsos, los transistores que los componen van a cambiar de estado, de conducción a bloqueo y al revés.
ESTABILIDAD Según el modo de funcionamiento y las características de los multivibradores, se pueden dividir básicamente en tres grandes grupos: multivibradores monoestables, multivibradores biestables y multivibradores astables. Como podemos ver, esta clasificación hace referencia a su estabilidad. Veamos, pues, qué se entiende por estabilidad. La palabra "estabilidad " hace referencia a una característica física propia de innumerables fenómenos que se dan en la naturaleza, así como de una gran cantidad de máquinas creadas por el hombre.
Por ejemplo, si habláramos de una bicicleta y la estuviésemos comparando con un triciclo, sería muy fácil decidir cuál de ambos vehículos es más estable; evidentemente el triciclo. En este caso nos estaríamos refiriendo a la estabilidad en general, la cual es bastante sencilla de comprender. No obstante, la que a nosotros nos ocupa no es la estabilidad en general sino la estabilidad en la electrónica. Este concepto, aunque no resulta complicado, es algo más "rebuscado " que la simplicidad de la bicicleta y el triciclo. Cuando hablamos de que un elemento electrónico es estable, queremos decir que sus propiedades y características de funcionamiento se mantienen "más o menos " constantes ante variaciones externas que pudieran causar alteraciones. Ciertos elementos electrónicos, como por ejemplo el transistor, se verían considerablemente afectados por cambios de temperatura. Estos cambios podrían, incluso, llegar a variar por completo sus características de funcionamiento. Otros "apuntes externos " que pueden alterar de forma considerable el funcionamiento de los dispositivos electrónicos son los cambios en la diferencia de potencial apli cada.
Así, un elemento diseñado para trabajar en un margen de voltajes de unos 10 voltios, podría llegar a estropearse si se le aplicase una diferencia de potencial superior. No obstante, en la electrónica, casi más importante que la estabilidad de un elemento concreto por separado, se suele hablar de la estabilidad de un circuito compuesto por un cierto número, más o menos elevado, de elementos:
transistores, resistencias, condensadores, inductancias, etc. Así, una de las primeras características que hay que tener en cuenta a la hora de diseñar un circuito es su estabilidad frente a variaciones que lo pudieran alterar. Pensemos lo útil que sería diseñar cualquier dispositivo si no fuese estable frente a algo tan usual como son las variaciones de temperatura. Tendríamos entonces un dispositivo que únicamente funcionaría de forma correcta a una temperatura determinada pero, en cuanto nos saliéramos de su margen de temperaturas, su funcionamiento no estaría garantizado y su repuesta sería impredecible.
MULTIVIBRADOR MONOESTABLE A los multivibradores se les califica como osciladores de relajación que, como hemos dicho, producen ondas rectangulares, no sinusoidales. Los multivibradores se dividen normalmente en tres tipos: monoestables, biestables y astables. Los multivibradores monoestables son un circuito de relajación que tiene un estado estable, mediante un impulso podemos hacerlo pasar a otro estado inestable pero, transcurrido cierto tiempo, vuelve automáticamente a su estado original.
Un multivibrador monoestable está formado por un circuito en el que hay dos transistores. Cuando el circuito está en funcionamiento siempre se encuentra un transistor cortado, mientras el otro conduce. En el estado de reposo, conduce el transistor situado en segundo lugar, ya que la base tiene una tensión negativa y al colector se le aplica prácticamente toda la tensión de la fuente de alimentación debido a que la resistencia que los separa es pequeña. En la base del primer transistor se aplica una tensión positiva. Cuando el circuito no está en reposo, el transistor que conduce es el primero, mientras que el segundo permanece cortado. Si aplicamos un impulso negativo a la base del primer transistor a través del condensador que tenemos conectado, se va a establecer un pequeño período de tiempo durante el cual va a circular corriente entre la base y el emisor de este primer transistor. La corriente de colector de este transistor va a aumentar, haciendo que disminuya la tensión en la resistencia que tiene aplicada, lo que va a provocar que se produzca un impulso positivo en la base del segundo transistor a través de otro condensador lo que, a su vez, va a provocar que la corriente a través de este transistor disminuya; al circular menos corriente por el segundo transistor, su corriente de colector también va a ser menor y la caída de tensión también va a disminuir: por lo tanto, a la base del primer transistor, a la que le llega la tensión que sale del segundo, le va a llegar una tensión negativa y, en consecuencia, el primer transistor va a conducir. El condensador que está conectado al segundo transistor se va cargando en sentido opuesto y, cuando la placa de este condensador, que está directamente unida al segundo transistor se hace un poco negativa, el segundo transistor vuelve a conducir y se vuelve así al estado de reposo. El estado inestable tiene una duración igual a lo que tarda en descargarse el condensador conectado al segundo transistor. Cuando a la entrada del circuito aplicamos una señal sinusoidal de frecuencia y magnitud adecuada, a la salida del multivibrador monoestable vamos a obtener una señal rectangular y de frecuencia igual a la de la señal de entrada.
A este tipo de multivibradores, a los monoestables, también se les denomina multivibradores de disparo, debido a que es necesario "excitar " la entrada con una determinada polarización o disparo para que los dos transistores basculen y alcancen los estados inversos. Este tipo de multivibradores es uno de los más usados debido a su simplicidad. Se utilizan para controlar la temperatura de cualquier elemento, como controlador de la luminosidad, como contador de piezas, como alarma de incendio o robo, como relevador fotoeléctrico. Resumiendo, lo podemos utilizar con cualquier magnitud que pueda transformarse en tensión con un captador y pueda controlarse con un circuito de disparo.
MULTIVIBRADOR BIESTABLE Como su nombre indica, va a tener dos estados estables. Si el circuito se encuentra en un estado estable y le aplicamos un impulso, va a pasar a otro estado igualmente estable hasta que no le volvamos a aplicar otro impulso, en cuyo caso pasaría de nuevo al primer estado estable.
Al igual que en los circuitos monoestables, los circuitos biestables están formados por dos transistores aunque conectados de diferente forma. El circuito es prácticamente simétrico, siendo iguales las conexiones de los dos transistores, así como las resistencias y condensadores que tienen conectados; la diferencia para que no sea exactamente simétrico es la forma de conectar la fuente de alimentación. En los multivibradores biestables la base del primer transistor va a estar conectada directamente al colector del segundo transistor mediante una resistencia y la base del segundo transistor va a estar conectada al colector del primero mediante otra resistencia. Estas resistencias están conectadas a su vez con dos condensadores en paralelo y su principal misión es transferir los impulsos de conmutación, es decir, los impulsos que cambian de estado. El circuito tiene otras resistencias cuya misión es polarizar a los transistores. La señal de salida puede tomarse directamente desde cualquiera de los dos colectores de los dos transistores. Para ver cómo funciona este multivibrador biestable colocamos una señal de entrada que circula directamente a través de dos condensadores colocados a la entrada y, después, atraviesa los dos diodos que están conectados a las bases de los dos transistores; estos diodos impiden el paso de señales negativas a las bases. Los impulsos positivos que van llegando de la entrada bloquean alternativamente los transistores, es decir, cada vez hay un transistor conduciendo y otro en corte. Aplicamos un impulso positivo a la entrada, si en ese momento está conduciendo el transistor uno, al aplicar dicho impulso pasa a través del condensador y del diodo hasta llegar a la base del transistor primero y éste queda cortado. Al quedar bloqueado el primer transistor, la corriente de su colector se reduce y se produce una caída de tensión. Esta caída de tensión va a llegar a la base del segundo transistor que, a partir de este momento, va a empezar a conducir, ya que hasta ahora estaba cortado. Al empezar a conducir el segundo transistor, su corriente de colector va a aumentar; este incremento va a provocar un aumento en la tensión que va a llegar hasta la base del transistor uno, por estar directamente conectada al colector del segundo transistor, y esto va a provocar que se produzca completamente el corte del primer transistor, que, hasta este momento, estaba conduciendo. El circuito va a permanecer en este nuevo estado hasta que se vuelva a aplicar un impulso positivo en la entrada, momento en el cual el transistor dos dejará de conducir y pasará a hacerlo el transistor uno.
Los multivibradores biestables también son denominados flip-flop, ya que, como hemos visto, al aplicar los impulsos positivos alternativamente a cada una de las bases de los transistores, se produce una basculación de la tensión en los colectores, lo que va a producir una onda cuadrada, cuya frecuencia va a ser la mitad que la de los impulsos. Debido a esta propiedad, los multivibradores biestables son un elemento esencial en los contadores, ya que dividen por dos los impulsos de entrada. También son utilizados en las memorias como células elementales, ya que pueden contener una información de tipo binario, es decir, de dos estados.
MULTIVIBRADOR ASTABLE El tercer tipo de multivibrador se denomina multivibrador astable o inestable, no tiene ningún estado estable y, al aplicar una señal, oscila entre dos posiciones de conexión.
Al igual que los otros dos multivibradores que acabamos de ver, multivibrador monoestable y multivibrador biestable, el multivibrador astable es un circuito compuesto por dos transistores que están acoplados por el colector. Vamos a suponer que el segundo transistor está en conducción, la tensión de su colector va a ser positiva; como el colector está conectado directamente con la base del primer transistor, a dicha base se le va a aplicar una tensión positiva a través de un condensador, lo que va a provocar que el primer transistor quede en corte. Cuando el primer transistor queda bloqueado, la tensión en su colector se hace negativa y esta tensión va a ser aplicada en la base del segundo transistor a través de otro condensador, esto va a hacer que este segundo transistor empiece a conducir y que se cargue el condensador que está conectado a la base del primer transistor. Cuando ya está cargado, actúa la tensión negativa aplicada sobre la base del transistor uno, de manera que este transistor empieza a conducir y su tensión de colector empieza a hacerse más positiva. Este impulso positivo se aplica a la base del segundo transistor a través del condensador que tiene conectado, lo que provoca el bloqueo del segundo transistor, que, hasta este momento, estaba conduciendo. La tensión del segundo transistor se va a hacer negativa y se va aplicar a la base del transistor uno haciendo que el primer transistor empiece a conducir. A partir de este instante, el transistor que está conectado al colector del primer transistor y a la base del segundo empieza a descargarse hasta que la base del segundo transistor se hace lo suficientemente negativa y empieza de nuevo a conducir.
Aparte del que acabamos de explicar, hay otros circuitos que también constituyen un multivibrador astable. Uno de ellos es casi igual al anterior, las diferencias están en la polarización de los transistores y, en este caso, las vamos a realizar mediante unos divisores de tensión que van a polarizar la base de cada uno de los transistores. Además, en este caso, vamos a utilizar transistores NPN en lugar de los PNP que habíamos usado hasta ahora, por lo que la tensión del colector deberá conectarse ahora a una tensión positiva.
La salida de un multivibrador astable es el colector de uno de los dos transistores, obteniéndose una onda cuadrada cuya frecuencia dependerá de los valores de los condensadores y sus resistencias de carga y descarga. Este tipo de multivibradores suelen ser usados como generadores de impulsos cuadrados. Tienen muchísimas aplicaciones, entre las que cabe destacar su uso en circuitos retardadores de tiempos, cronometradores, interruptores electrónicos, etc.
Tanto los osciladores como los multivibradores son circuitos que, en la actualidad, suelen utilizarse mucho y, debido a que se fabrican como circuitos integrados, se ajustan perfectamente en los nuevos diseños electrónicos.
LOS MULTIVIBRADORES (APLICACIONES) Los multivibradores son un tipo de osciladores que, por su importancia a nivel práctico, merecen un capítulo especial para analizar sus características y los diferentes tipos que se pueden construir.
EL MULTIVIBRADOR BIESTABLE Este tipo de osciladores tiene dos estados estables, pasando de uno a otro estado al aplicarles un impulso exterior. Están formados, básicamente, por dos inversores iguales realimentados entre sí, de tal manera que las dos bases de los transistores están polarizadas a un potencial negativo mediante la tensión Vbb, y a un potencial positivo mediante las tensiones colector-emisor aplicadas a los divisores de tensión R5, R3 y R2, R4. En el momento de conectar el circuito a la fuente de alimentación Vcc, las corrientes por los colectores de ambos transistores serán aproximadamente iguales pero, debido a las tolerancias de fabricación de los componentes del circuito, una de ellas será ligeramente superior a la otra. Si, inicialmente, la corriente por el transistor 1 es ligeramente mayor que por el 2, la tensión colectoremisor del transistor 2 será mayor que la del 1. En estas condiciones, la tensión negativa aplicada entre base y emisor por medio de R5 y R3 será mayor. Esto favorece aún más la conducción por el transistor 1 y, como este hecho produce una reducción de la tensión colector-emisor disminuirá la tensión negativa aplicada a la base del transistor 2. Este efecto es acumulativo, llegando el transistor 1 a un estado de saturación y el 2 a un estado de corte, es decir, la tensión base-emisor del transistor 1 resulta algo negativa y la del 2 fuertemente positiva. Para pasar al otro estado estable, habrá que aplicar un impulso capaz de llevar el transistor 1 al estado de corte y el 2 al estado de saturación. Los condensadores C3 y C4 sirven para acelerar la acción regenerativa de la conmutación. Cuando el transistor 1 está en saturación, el condensador C3 estará descargado. El transistor 2 estará en estado de corte y su tensión colector-emisor será grande, por lo que el condensador C4 se habrá cargado.
Esta condición es uno de los estados estables del multivibrador. Pero, si ahora aplicamos un impulso positivo de duración muy pequeña a los bornes de R3 y R4, el transistor 1 deja de conducir bruscamente y el condensador C3 se carga a través de R4 y R1, apareciendo en R4 una fuerte tensión negativa que hace conducir a saturación el transistor 2. Si, mientras se carga C3, el impulso de disparo ha cesado, el transistor 2 conduce a saturación y el 1 queda en el corte. En tal situación, el condensador C4, que se hallaba cargado al iniciar la conducción el transistor 2, queda sin tensión y se descarga a través de R3. Aparece entonces una tensión positiva entre los extremos de R3, que favorece aún más el estado de corte del transistor 1. Un nuevo impulso de entrada volvería a establecer las condiciones iniciales de funcionamiento, y así sucesivamente.
EL MULTIVIBRADOR MONOESTABLE Estos multivibradores se caracterizan por tener un solo estado estable de funcionamiento, bien en la región de saturación o bien en la de corte. Si se aplica un impulso exterior, se produce el disparo del transistor de una región a otra, pero el circuito vuelve a su estado primitivo tras un intervalo de tiempo que depende de la constante de tiempo de los componentes del circuito. En general, este multivibrador transforma un impulso, generalmente de corta duración y de frente muy escarpado, en otro rectangular constante y de mayor duración.
En principio, un multivibrador monoestable consta de un circuito inversor y de otro amplificador, ambos realimentados entre sí. El transistor 1 está en el circuito inversor y tiene polarizada su base a potencial positivo respecto al emisor. Está, por lo tanto, en estado de corte. El transistor 2 está en el circuito amplificador y tiene polarizada su base a un potencial negativo respecto al emisor, gracias al divisor de tensión formado por R2 y por su resistencia interior baseemisor. De modo que está en estado de saturación. El condensador C2 queda cargado por medio de R1 y de la resistencia base-emisor del transistor 1. Este será, pues, el estado estable. Al aplicar una tensión exterior negativa,
V0 > Vbb, a través del condensador de acoplamiento C1, el transistor 1 comienza a conducir. Aumenta entonces la tensión en R1, que tenderá a descargar el condensador C2, para cargarlo con la polaridad inversa que aparece en bornes de dicha resistencia. Pero, como todo aumento de la tensión de R1 aparece en el primer instante a través de C2, en bornes de R2, convierte en positiva la tensión de base-emisor del transistor 2, pasando éste del estado de saturación al de corte. Así pasa el multivibrador del estado estable al inestable. El multivibrador queda en el estado inestable, aunque el impulso exterior haya cesado. En efecto, al estar el transistor 2 en corte, su tensión colector-emisor es muy grande y, a través del divisor de tensión R4 y R3, contrarresta la tensión de polarización Vbb, manteniendo al transistor 1 saturado. Sin embargo, al ir descargándose C2 a través de R2, la tensión positiva base-emisor del transistor 2 va disminuyendo, pasa por cero y, al hacerse negativa, comienza a conducir nuevamente. Se establece así el estado estable, en el cual permanecerá hasta aplicar un nuevo impulso o disparo exterior.
4.3 EL OSCILADOR 555 EL OSCILADOR 555 A pesar de todos los circuitos analizados anteriormente, cuando estamos interesados en diseñar un oscilador de onda cuadrada o un temporizador, generalmente no recurrimos a los transistores. Para estas funciones existen un tipo de circuitos integrados pensados únicamente para ello. Son los llamados temporizadores. Este tipo de circuitos se puede configurar como oscilador libre o como generador de impulsos, según se conecten determinadas patillas. Probablemente, el mayor exponente de este tipo de temporizadores es el conocido 555.
Este circuito se caracteriza por su gran estabilidad a la hora de generar tiempos de oscilación o de retraso muy precisos. Su frecuencia de trabajo se puede controlar o ajustar sencillamente con resistencias y condensadores exteriores. Dispone de una patilla de disparo para su configuración como multivibrador monoestable.
EL 555 COMO MONOESTABLE En este modo de funcionamiento, el condensador externo se encuentra inicialmente descargado por un transistor interno del temporizador. Cuando se aplica un impulso de disparo negativo menor de 1/3 Vcc al terminal 2, el multivibrador se ajusta, con lo cual libera el cortocircuito a través del condensador y hace que la salida pase a nivel alto.
Entonces, el voltaje a través del condensador se incrementa exponencialmente por un periodo t=1,1*RA*C, al final del cual el voltaje es igual a 2/3 Vcc. Entonces el comparador reinicia al multivibrador, el cual a su vez descarga el condensador y hace pasar a estado bajo la salida.
EL 555 COMO ASTABLE Conectando el circuito, el circuito se dispara a sí mismo y oscilará. El condensador externo se carga a través de RA+RB y se descarga a través de RB. Por tanto, el ciclo de trabajo puede ajustarse exactamente por la relación entre estas dos resistencias.
EL CHIP TIMER 555 El 555 es un circuito integrado comúnmente llamado “timer” ya que la mayoría de sus aplicaciones están dirigidas hacia el control o medición del tiempo. Externamente el 555 posee 8 terminales ordenados de la siguiente manera. 1.- Conexión de tierra. 2.- Entrada de disparo. 3.- Salida. 4.- Reset. 5.- Control. 6.- Umbral.. 7.- Descarga. 8.- Conexión de alimentación. INTERNAMENTE EL 555 CONTIENE CUATRO SECCIONES PRINCIPALES: 1.- Un divisor de tensión compuesto por tres resistencias iguales, que divide el voltaje de la alimentación en tres partes iguales. 2.- Dos comparadores. 3.- Un flip flop S-R. 4.-Un transistor que controla la descarga. La siguiente figura presenta el diagrama de bloques de la estructura interna del 555.
La operación de los modos mas conocidos pueden explicarse a través de la siguiente tabla de funcionamiento.
La siguiente figura muestra la apariencia física del timer 555.
APLICACIONES DEL 555
1.- Ejemplo de un oscilador digital realizado en base ala configuración astable del chip timer 555. .TIMER 555 EN MODO ASTABLE. En el modo astable el 555 produce un patrón de oscilador periódica apropiada para usarse como señal de reloj. La siguiente figura presenta la configuración del 555 astable.
FUNCIONAMIENTO. Cuando el capacitor esta descargado el umbral esta a un nivel por debajo de 2/3 Vcc y el disparo esta por debajo de 1/3Vcc en esta condición la salida esta en alto y la descarga esta abierta. Esto produce que le capacitor se encargue a través de R1 y de R2. Cuando el voltaje de carga del capacitor sobrepase 2/3 Vcc el Umbral estará a un nivel mayor que 2/3 Vcc y el disparo estará por encima de 1/3 Vcc en esta condición la salida esta en cero y la descarga esta puesta a tierra. Esto produce que el capacitor se descargue a través de R2. Cuando el voltaje de descarga del capacitor este por debajo de 1/3 Vcc el proceso vuelve y se repite cíclicamente en forma indefinida. En la salida del 555 se produce una señal periódica apropiada para servir como base de tiempo para sistema digital. SEÑAL DE SALIDA. A continuación la señal de salida del 555 astable
En la ilustración anterior se presenta arriba el perfil de la onda de voltaje que se produce a la salida del 555 (terminal 3), mientras que abajo se presentan el perfil de la onda de voltaje que resulta en los terminales de umbral y disparo producida por la carga y la descarga del capacitor, los parámetros de la señal de salida están dado por: Talto = 0.693 * (R1 + R2) * c Talto = 0.693 * R2 * C T = 0.693 * (R1 + R2) * C Ejemplo de un generador de señal de reset con una duración de 1.1ms usando la configuración monoestable del chip timer 555.
TIMER 555 EN MODO MONOESTABLE. En modo monoestable el 555 produce un pulso de pendiente positiva en su terminal de salida. Este pulso constituye el estado inestable cuya duración la define una red R-C. En el estado estable la salida esta en abajo y la descarga esta a tierra. A continuación el 555 alambrado en configuración monoestable.
FUNCIONAMIENTO. Supóngase que el capacitor esta cargado el Umbral esta a un nivel por encima de 2/3 Vcc y el disparo esta por encima de 1/3 Vcc en esta condición la salida esta bajo y la descarga esta puesta a tierra. Esto produce que el capacitor se descargue poniendo en el Umbral un nivel por debajo de los 2/3 Vcc y el Disparo por encima de 1/3 Vcc, esto mantiene un nivel bajo en la salida y la Descarga a tierra por lo tanto el estado es estable. Cuando en la entrada de Disparo se estable momentáneamente un nivel bajo de voltaje entonces el Umbral esta debajo de 1/3 Vcc y el Disparo esta por debajo de 1/3 Vcc lo que produce que la Salida cambie a alto y la Descarga este abierta. El capacitor se empieza a cargar elevando paulatinamente el voltaje en el Umbral según la constante de tiempo de la red R-C Eventualmente el voltaje del capacitor sobrepasa 1/3 Vcc ubicado el Umbral por encima de los 2/3 Vcc y el Disparo por encima de 11/3 Vcc esto pone la salida en bajo y la Descarga a tierra descargando el capacitor y reinstaurando el estado estable.
SEÑAL DE SALIDA: A continuación la señal de salida del 555 Monoestable
En la ilustración anterior se presenta arriba el perfil de la onda de voltaje que se produce ala salida del 555 (terminal 3), mientras que abajo se presentan el perfil de la onda que se usa como Disparo del estado inestable. Los parámetros de la señal de salida están dado por: Tbajo = 1.1 * R * C
MULTIVIBRADOR MONOESTABLE CON UN OPERACIONAL Un multivibrador monoestable realizado con un amplificador operacional consiste, básicamente, en un comparador inversor en el que la tensión de entrada se obtiene de la carga de un condensador a través de una resistencia.
En la ilustración correspondiente se puede ver el esquema típico de un oscilador de este tipo. La tensión de referencia se obtiene a través de un divisor de tensión formado por R1 y R2.
En condiciones normales, C se encuentra descargado siendo, por tanto, la tensión del terminal no inversor aproximadamente 0 voltios y como, por otra parte, el terminal inversor se encuentra a un potencial de +V/2, el resultado es que la salida se encontrará en saturación negativa. Si, en estos momentos, cerramos el interruptor S, la tensión del terminal inversor pasará a ser, momentáneamente, inferior a la del terminal no inversor y la salida del operacional basculará a saturación negativa, aumentando la tensión del terminal no inversor, sin ser necesario mantener cerrado el interruptor para que la salida continúe en este estado, comenzando a cargarse C a través de R3.
Después de un tiempo aproximadamente igual a 0,69*R3*C, el condensador habrá adquirido tal carga que la tensión del terminal no inversor bajará de +V/2 y, como el terminal inversor ha recuperado su tensión igual a +V/2, esto hará bascular al operacional a saturación negativa. A partir de este momento, el condensador se descargará muy rápidamente a través del diodo y del propio operacional.
TEMA COMPLEMENTARIO: DISEÑO Y CONSTRUCCION DE CIRCUITOS IMPRESOS
