El Mundo Del Automatismo Electronico (2)

EL MUNDO DEL AUTOMATISMO ELECTRÓNICO FUNDAMENTOS FUNDAMENTO S Y APLICACIONES

Preámbulo

PREÁMBULO

No es necesario ser un experto en electrónica para enfrentarse con un circuito y saber algo de lo que se negocia en él. Las averías suelen ser recurrentes y puep ueden resolverse simplemente con sentido común. Para aclararlo vamos a poner un ejemplo: Todo circuito electrónico trabaja con corriente continua, por lo tanto lo lógico es pensar que existe siempre una etapa o fuente de alimentación, que proporciona ese tipo de corriente. Es decir, una serie de componentes que, partiendo de la tensión de red, alterna de 230V 50 Hz, proporcionan una tensión continua de 12 V, ó 24 o -5, +5, es decir, los valores que sean necesarios. Pues bien, con cierta frecuencia, por estar escasamente dimensionada, puede deteriorarse (se repite a menudo) y se manifiesta de forma que no llega tensión a las distintas partes del circuito y como consecuencia éste enmudece. Lo que nos conduce a analizarla con detenimiento. Como esta fuente representa una parte importante y delicada del circuito, hemos reducido el problema considerablemente.

El mundo del automatismo electrónico electrónico

Lo que corresponde ahora es examinar los componentes que la integran para sustituir el que falla. A pesar de todo no siempre es tan fácil resolver el problema… Hace falta decisión y el convencimiento absoluto de poderlo hacer hacer.. “Por los síntomas lo localizareis”, podría ser el lema para descubrir el componente dañado. La frase se refiere a que los restos que deja un fogonazo (negro humo), una pista interrumpida, etc., son los síntomas que nos orientan y nos ayudan a averiguar qué ha ocurrido, por qué falla el conjunto. Pero es necesario saber identificar los componentes y conocer su función, tarea que ahora, juntos, vamos a emprender. La electrónica es una asignatura pendiente para muchas personas. Unos empezaron, y al ver tanta fórmula, tanta teoría, aparentemente sin sentido, la abandonaron, aún estando interesados en ella.

Otros siguieron, alejándose de los textos complejos, buscando una explicación más cercana, tocaron componentes, los ensamblaron e hicieron sus pinitos. Estos han seguido y se dedican a ella. ¿Qué tal si nos situamos en un escalón intermedio para comprender los fenómenos electrónicos, como divertimento, y así eliminar la gran decepción de no saber por donde empezar? Ese es el propósito de este trabajo.

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Índice

ÍNDICE ÍNDICE (( LO RESERVAMOS PARA LA 2ª ENTREGA ))

El mundo del automatismo electrónico electrónico

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Índice

ÍNDICE ÍNDICE (( LO RESERVAMOS PARA LA 2ª ENTREGA ))

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El mundo del automatismo electrónico

Introducción

INTRODUCCIÓN Iniciamos en esta ocasión, como parte importante del mundo del automatismo actual, un contacto con la electrónica, materia muy importante donde las haya y que nos va a permitir entender y realizar toda suerte de circuitos, simplemente bastará con hacer un buen planteamiento de lo que deseamos. La electrónica tiene que ver con muchas ramas de la técnica que se han desarrollado desde principios de 1900 hasta nuestros días.

No es de extrañar que la radio, la televisión, los ordenadores y otros equipos con el mismo o mayor grado de sofisticación, integren componentes electrónicos. Serán las aplicaciones industriales de la electrónica las que van servirnos como nexo con el mundo del automatismo. Si en algún momento derivamos nuestra atención hacia aplicaciones más lúdicas, (la radio, por ejemplo), que las propiamente industriales, será para fortalecer la explicación, en aras de hacerla más compresiva.

Utilizaremos, como apoyo y como es habitual, la imagen chispeante de KWITO, el ANECDOTARIO y la VUELTA ATRÁS.


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Pero, ¿qué es la electrónica?

PERO ¿QUÉ ES LA ELECTRÓNICA? Difícilmente se encontrará alguien, más o menos conectado con la técnica, que no haya oído mencionar la palabra Electrónica, pero muy pocos saben en qué consiste. Decir que "es la rama de la ingeniería eléctrica que trata de los aparatos que operan mediante el flujo de haces de electrones en el vacío, en un gas a baja presión, o en un medio semiconductor" no aclara mucho la importancia extraordinaria de esta rama

Edison trataba de conseguir un filamento, para su lámpara incandescente, que durase más de 60 horas y para ello, tratando de fortalecerlo, incorporó un soporte metálico que salía al exterior. Sin saber cómo, haciendo mediciones, observó que se producía una corriente eléctrica entre el casquillo y el extremo que sobresalía. No le dio importancia pero dejó constancia escrita. Esto ocurría en 1881. Años más tarde se denominó a este descubrimiento como “efecto termoiónico”. Por la figura podemos entender lo explicado sobre la bombilla pero… el dispositivo ha evolucionado y se ha convertido en un diodo termoiónico.


joven de la ciencia. Sin embargo, a cada instante se están revelando sus frutos. Los detectores de presencia, las puertas que abren de forma automática al intentar franquearlas, el telégrafo, el teletipo de las agencias periodísticas, las telefotos, la radio, el radar, la televisión, la telefonía celular, y las computadoras son algunos de los múltiples aparatos o dispositivos que se deben a ella. Su reinado comenzó a construirse con el descubrimiento, de forma casual, del efecto termoiónico en un tubo de vacío, por Thomas Alva Edison. Breve, pero exhaustiva, historia de la electrónica La electrónica empezó con el imperio del tubo. El período de mayor desarrollo empieza en 1928 y aún continúa... Se inicia con los trabajos de varios destacados físicos, tales como Coulomb, Ampère, Gauss, Faraday, Henry y Maxwell. Estos trabajos quedaron recogidos, en 1865, en el marco formal de la Teoría del Electromagnetismo, formulada por Maxwell (deducida de las ecuaciones que llevan su nombre); teoría que, sin embargo, debió esperar varios años, concretamente hasta 1888 para su demostración. Esta demostración la realizó Hertz con la generación, en el laboratorio, de ondas electromagnéticas. Más tarde, en 1896, Marconi logró transmitir y detectar estas ondas (llamadas hertzianas) y abrió el camino a posteriores avances tan importantes como la televisión y las telecomunicaciones. El nacimiento de la electrónica, como rama de la ciencia, puede situarse en 1895,

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año en el que Lorentz postuló la existencia de partículas cargadas llamadas electrones, y que fue demostrado, experimentalmente, por Thomson dos años más tarde. Braun, en 1897, hizo pública su invención del primer tubo electrónico, rudimentario antecesor de los tubos de rayos catódicos que forman parte de los televisores. Las válvulas La electrónica no asumió las connotaciones tecnológicas que la caracterizan hasta los inicios del siglo XX, con la invención de los primeros componentes y, en particular en 1904, con la creación de la válvula termoiónica o diodo, por parte del físico británico John Ambrose Fleming. El diodo (ver figura anterior) está compuesto esencialmente por dos electrodos metálicos contenidos en un tubo vacío, uno de los cuales (el cátodo) es calentado por un filamento. Debido a este calentamiento, el cátodo emite electrones (efecto termoiónico), que son acelerados hacia el otro electrodo (el ánodo) cuando este último se mantiene positivo respecto al cátodo. De tal forma que, intercalado en un circuito, el diodo muestra la importante propiedad de conducir corriente únicamente cuando la tensión que se le aplica tiene un determinado sentido.

Como veremos en el apartado dedicado al diodo semiconductor éste último es la evolución del anterior.

De esta manera, permite la rectificación de una corriente alterna. La corriente que se obtiene conectando un electrodoméstico a una de las tomas que hay en las paredes de las casas (corriente de red), tiene la característica de invertir continuamente el sentido con que circula por un circuito, y por tanto se llama corrien-

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te alterna (la corriente de red es alterna debido a la técnica de su producción). En muchos casos, la gran mayoría en circuitos electrónicos, es necesario disponer de una corriente continua; es decir, que nunca invierta su sentido de circulación. Para esto se emplean unos determinados dispositivos que rectifican la corriente, transformándola de alterna a continua. En 1905, el físico estadounidense Lee De Forest, perfeccionando el invento de Fleming, creó el tríodo. El aporte de Forest consistió en la introducción de un tercer elemento (la rejilla), cerca del cátodo. La proximidad entre el cátodo y la rejilla hace que, si a esta última se le aplica una pequeña tensión, influya sustancialmente sobre el flujo de electrones en el interior del tubo. Por tanto, el tríodo actúa como amplificador (el nombre de audión, que originalmente dio De Forest a su invento, traduce el intento de aplicar esta característica a las señales de sonido). El invento de los dispositivos mencionados proporcionó la base tecnológica para el rápido desarrollo de las radiocomunicaciones. En 1912 en los Estados Unidos se constituyó una asociación de radiotécnicos. Allí mismo, en 1920 se construyó, la primera emisora de radio comercial. En las décadas de 1920 y 1930 se introdujeron mejoras a los tubos electrónicos originarios (que culminaron con la introducción del pentodo), aumentando su flexibilidad y su campo de aplicaciones. Entre otras cosas, se hizo posible la invención de la televisión (1930) y de la radio de modulación de frecuencia, o también conocida como frecuencia modulada, FM (1933). Los tubos de vacío dieron paso a una importante aplicación, como fue la realización de las primeros calculadoras electrónicas en los años siguientes de la Segunda Guerra Mundial.



Mientras tanto, físicos como Block, Schottky, Sommerfeld, Winger y otros realizaban excelentes progresos en el estudio de una importante clase de sustancias sólidas: los semiconductores. En 1945 se creó un grupo de trabajo, compuesto por físicos teóricos y experimentales, un químico y un ingeniero electrónico, en los Bell Telephone Laboratories, para encontrar una alternativa al empleo de los tubos electrónicos en las telecomunicaciones. Ciertamente los tubos presentan inconvenientes, entre los cuales se cuenta una escasa fiabilidad debida a sus elevadas temperaturas de funcionamiento. En 1947 los físicos John Bardeen, Walter Brattain y William Schockley obtuvieron un efecto de amplificación en un dispositivo compuesto por dos sondas de oro prensadas sobre un cristal de germanio (un semiconductor). Nacía así el transistor, que actualmente es el elemento fundamental de todo dispositivo electrónico (en 1965 estos físicos recibieron el Premio Nobel). Más tarde, el primer ejemplar fue perfeccionado por Schockley con la introducción del transistor de unión, totalmente de material semiconductor, gracias a los progresos efectuados por los laboratorios Bell en la obtención de materiales de base (germanio y silicio) con un elevado grado de pureza. La comercialización del transistor en 1951 sentó las bases para el desarrollo cualitativo y cuantitativo de la tecnología electrónica en la segunda mitad del siglo. El transistor proporcionó las mismas funcionalidades del tríodo, siendo más pequeño, eficiente, fiable, económico y duradero. Esto permitió la existencia de una gama de aplicaciones antes impensables y la reducción de costos y del tamaño de los dispositivos electrónicos de uso común (radio, televisión, etc.), abriéndose así el camino hacia el fenómeno de la electrónica de consumo.


La aparición del transistor también proporcionó un gran impulso al desarrollo de los ordenadores. En 1959 la IBM presentó el primer ordenador (el 7090) de estado sólido, es decir, con transistores. En la actualidad, los componentes con semiconductor como el transistor, han sustituido casi por completo a los tubos de vacío. Estos últimos únicamente se emplean en algunas aplicaciones particulares, como en la generación de microondas, o con tensiones de funcionamiento muy altas. Los circuitos integrados La última parte de la evolución de la electrónica se abrió a finales de los años cincuenta con la introducción del circuito integrado por parte de Kilby, de la Texas Instrument, y de Noyce y Moore, de la Fairchild Semiconductor Company. La idea fue incluir un circuito completo en una sola pastilla de semiconductor: el Chip, y hacer de las conexiones entre los dispositivos parte integrante de su proceso de producción, reduciendo así las dimensiones, peso y el costo con relación al número de elementos activos. El desarrollo de la microelectrónica, como se denomina la electrónica de los circuitos integrados es impresionante. A partir de su comercialización (1961), el número máximo de componentes integrados en un chip se duplicó cada año desde los 100 iniciales. En la segunda mitad de los años setenta, al introducirse la integración a gran escala (VLSI) y superar los 10.000 componentes, se ingresó en la época actual, en la que es normal encontrar varios millones de componentes integrados en un chip muy pequeño, por ejemplo en los microprocesadores de los ordenadores personales.

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Componentes pasivos

LOS COMPONENTES PASIVOS Son aquellos que no producen rectificación, amplificación, ni oscilación pero intervienen en esos procesos, colaborando al mejor funcionamiento de los elementos activos (llamados genéricamente semiconductores). Los componentes pasivos están formados por elementos de diversas clases que tendremos que considerar independientemente, ya que son diferentes sus objetivos, construcción y resultados, de modo que vamos a dividirlos en tres grandes grupos: 1. Resistencias 2. Condensadores 3. Bobinados La resistencia Se denomina resistencia a la mayor o menor dificultad que presentan los materiales para ser recorridos por una corriente eléctrica. Los materiales que menor dificultad presentan se denominan conductores y aquellos que dificultan notablemente el avance de los electrones, se denominan aislantes. La unidad de resistencia eléctrica es el Ohmio cuyo símbolo es la letra griega ! (omega). Por la Ley de Ohm el valor de la resistencia es:

Se llama resistividad o coeficiente de resistividad a la resistencia que presenta, al paso de la corriente eléctrica un conductor, de 1 metro de longitud y un milímetro cuadrado de sección.


La resistencia es proporcional a la longitud e inversa a la sección.

Siendo l la longitud en metros, S la sección en mm2 y el coeficiente propio de cada material. La conductividad es la inversa de la resistividad y se representa por la letra C:

Materiales

Resistividad

Plata Cobre Hierro Estaño Aluminio

0,0165 0,0175 0,13 0,12 0,02

( ! · mm2 /m)

Materiales especialmente aislantes son la parafina, ebonita, porcelana, etc. La resistencia puede disponerse de forma que toda o una parte esté incorporada en el circuito, o sea, podemos hablar de resistencia fija o variable, llamada también reóstato, formado por un cursor que va deslizándose a lo largo de la materia resistiva, con lo cual conectaremos el extremo y el cursor al circuito donde deseamos hacer que varíe la intensidad. Existe también otro tipo, de tres ensambladuras, en el que el otro extremo de la resistencia está provisto de un terminal para su conexión al circuito exterior y el cursor, en su recorrido, se desliza de uno a otro de los extremos.

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Componentes pasivos

En este caso el reóstato se denomina potenciómetro. Este último elemento sirve como divisor, o variador, de tensión. 1

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Por lo general, una vez construidas, se recubren de un barniz especial que se somete a un proceso de vitrificación a alta temperatura con el objeto de proteger el hilo y evitar que las diversas espiras hagan contacto entre sí. Sobre este barniz suelen marcarse con serigrafía los valores en ohmios y en vatios, tal como se observa en la figura:

Conclusión: Los reóstatos se utilizan para variar niveles de corriente y los potenciómetros se utilizan para variar niveles de voltaje.

Las resistencias comerciales La corriente máxima de una resistencia viene condicionada por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Las resistencias pueden clasificarse en dos grupos, de acuerdo con el material con el que estén constituidas: “resistencias de hilo” solamente para disipaciones de calor superiores a 2W, y “resistencias químicas” para, en general, potencias inferiores a 2W. Las primeras pueden clasificarse en resistencias fijas o variables (como ya hemos visto). Resistencias de hilo o bobinadas Generalmente están constituidas por un soporte de material aislante y resistente a la temperatura (cerámica, esteatita, mica, etc.) alrededor del cual está la resistencia propiamente dicha, constituida por un hilo cuya sección y resistividad depende de la potencia y de las resistencias deseadas. En los extremos del soporte hay fijados dos anillos metálicos sujetos con un tornillo o remache cuya misión, además de fijar en él el hilo de resistencia, consiste en permitir su conexión mediante soldadura.

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En la que se contempla una resistencia de 250 !, que puede disipar una potencia máxima de 10 vatios. Representa el aspecto exterior y la estructura constructiva de las resistencias de alta disipación (gran potencia). Pueden soportar corrientes relativamente elevadas y están protegidas con una capa de esmalte. A: es el hilo de conexión B: el soporte cerámico C: el arrollamiento D: el recubrimiento de esmalte. Resistencias químicas Las resistencias de hilo de valor óhmico elevado necesitarían una cantidad de hilo tan grande que en la práctica resultarían muy voluminosas. Las resistencias de este tipo se realizan de forma más sencilla y económica empleando, en lugar de hilo, carbón pulverizado mezclado con sustancias aglomerantes. La relación entre la cantidad de carbón y la sustancia aglomerante determina la resistividad por centímetro, por lo que es posible fabricar resistencias de diversos valores. Existen tipos de carbón aglomerado, de película de carbón y de película metálica. Normalmente están constituidas por un soporte cilíndrico aislante (de porcelana u


Componentes pasivos

otro material análogo) sobre el cual se deposita una capa de material resistivo. Los valores más corrientes son 0.25 W, 0.5 W y 1 W. En las resistencias, además del valor óhmico que se expresa mediante un código de colores, hay una contraseña que determina la precisión de su valor (aproximación), o sea la tolerancia anunciada por el fabricante. Esta contraseña está constituida por un anillo pintado situado en uno de los extremos del cuerpo. A continuación se representan unos ejemplos de resistencias de película de carbón y de película metálica, donde se muestra su aspecto constructivo y su aspecto exterior:

Potenciómetros químicos Se trata de un divisor resistivo variable ajustable por medio de un cursor. Es una resistencia formada por una delgada pista de carbón de cuyos extremos salen dos terminales; a dicha pista la recorre un cursor que está vinculado a un tercer terminal. Si se aplica una tensión entre los terminales 1 y 2, el cursor tendrá una tensión proporcional a la posición de este sobre la pista. Construcción Existen dos tipos de potenciómetros: Potenciómetros impresos. Realizados con una pista de carbón sobre un soporte duro como papel baquelizado, fibra, alúmina, etc.

La pista tiene sendos contactos en sus extremos y un cursor conectado a un patín que se desliza por la pista resistiva.


Potenciómetros bobinados. Consiste en un arrollamiento toroidal de un hilo resistivo (por ejemplo, constantán) con un cursor que mueve un patín sobre el mismo. Tipos

Según su aplicación se distinguen: • Potenciómetros de mando. Son adecuados para su uso como elemento de control en los aparatos electrónicos. El usuario actúa sobre ellos para variar los parámetros normales de funcionamiento. Por ejemplo, el volumen de una radio. • Potenciómetros de ajuste. Controlan parámetros preajustados, normalmente en fábrica, que el usuario no suele tener que retocar, por lo que no acostumbran ser accesibles desde el exterior. Existen tanto encapsulados en plástico como sin cápsula, y se suelen presentar como potenciómetros de ajuste vertical, cuyo eje de giro es vertical, y potenciómetros de ajuste horizontal, con el eje de giro paralelo al circuito impreso. Según la ley de variación de la resistencia: • Potenciómetros lineales. La resistencia es proporcional al ángulo de giro. • Logarítmicos. La resistencia depende logarítmicamente del ángulo de giro y se construyen de esta forma porque se utilizan en el control de volumen en los

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Componentes pasivos

aparatos de audio y deben seguir la misma curva de sensibilidad del oído humano ante las variaciones de la intensidad sonora percibida, que no presenta una variación lineal sino logarítmica. • Sinusoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo de giro. Dos potenciómetros sinusoidales solidarios y girados 90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro. Pueden tener topes de fin de carrera o no. • Antilogarítmicos. En los potenciómetros impresos la ley de resistencia se consigue variando la anchura de la pista resistiva, mientras que en los bobinados se ajusta la curva a tramos, con hilos de distinto grosor.

Es decir, la intensidad que recorre la resistencia 1, la 2 y la 3 es la misma, It.

4. Las tensiones parciales en un conjunto de resistencias conectadas en serie están determinadas por la siguiente fórmula: V1 = It. r1; V2 = It. r2; V3 = It. r3

Asociación de resistencias RESISTENCIAS EN SERIE 1. Se dice que dos o más resistencias están conectadas en serie cuando el final de la primera se conecta al principio de la segunda y el final de la segunda con el principio de la tercera. Es decir final con principio, como muestra la figura siguiente.

5. La suma de las tensiones parciales es igual a la tensión aplicada o tensión total, es decir: Vt = V1 +V2 +V3; Vt = (It .r1) + (It .r2) + (It .r3) 6. La potencia total disipada por el conjunto es la suma de las potencias parciales disipadas por cada una de las resistencias. Se puede calcular usando cualquiera de las tres expresiones siguientes: Pt =Vt. It; Pt = P1 + P2 + P3; Pt = (V1.It) + (V2.It) + (V3. It)

2. La resistencia total del conjunto es la suma de las resistencias parciales, es decir: Rt = r1 + r2 + r3 3. La intensidad del conjunto es siempre la misma en un circuito en donde todos los receptores están conectados en serie. En cualquier punto del circuito podremos medir la misma intensidad.

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RESISTENCIAS EN PARALELO 1. Se dice que dos o más resistencias están conectadas en paralelo cuando quedan conectados entre si todos los principios y todos los finales.


Componentes pasivos

Es decir, principios con principios y finales con finales.

Si todas las resistencias fueran iguales todas las intensidades parciales también lo serías entre ellas. It = I1 + I2 + I3 +… I1= Vt / r1

I2= Vt / r2

I3= Vt / r3

It = (Vt / r1) + (Vt / r2) + (Vt / r3)

2. La resistencia total de un circuito con resistencias parciales conectadas en paralelo está determinada por la fórmula siguiente:

3. Al contrario de lo que sucede en los circuitos con resistencias en serie, en un circuito paralelo la tensión a la que queda sometida todas las resistencias es igual a la total aplicada. Todas las resistencias conectadas en paralelo reciben la tensión total:

5. La potencia total disipada por el conjunto es la suma de las potencias parciales disipadas por cada una de las resistencias. Se puede calcular usando cualquiera de las tres expresiones siguientes: P1 = V1.It; P2 = V2.It; P3 = V3.It Pt = Vt. It; Pt = P1 + P2 + P3; Pt = (V1.It) + (V2.It) + (V3. It)

Vt = V1 = V2 =V3 ASOCIACIÓN MIXTA Se trata de una asociación de resistencias en serie junto con otras en paralelo. Y se calcula, resolviendo primero las distintas asociaciones y reduciéndolas a una total en serie. 4. La intensidad total en un circuito en paralelo es igual a al suma de las intensidades parciales. Existirán tantas intensidades parciales como resistencias conectadas en distintos ramales. CURIOSIDADES La resistencia total en paralelo siempre será menor que la más pequeña de las resistencias parciales. La resistencia total de un circuito en serie será siempre mayor que cualquiera de las parciales.


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Componentes pasivos

La intensidad total en un circuito paralelo será siempre mayor que cualquiera de las intensidades parciales. La intensidad en un circuito serie será la misma en cualquier punto en donde mida. Las guirnaldas navideñas son un circuito en serie de un conjunto de lámparas. La guirnalda está calculada para que cada una de las lámparas reciba sólo la tensión para la que ha sido diseñada. Si una de las lámparas se funde la guirnalda deja de funcionar. La intensidad parcial en un circuito paralelo será siempre menor a la total. La resistencia que ofrece un adulto de complexión media al paso de la electricidad y en condiciones normales está entre 400 y 500 K ! La resistencia de los materiales conductores aumenta con el calor. El camino que recorre un corriente eléctrica depende siempre de la resistencia, cuanto menor sea ésta, mayor será la cantidad de electricidad que pasa por el conductor y viceversa. Por ello, por ejemplo interesa que un pararrayos tenga la menor resistencia posible.

Código de colores Las resistencias de potencia pequeña, empleadas en circuitos electrónicos, van marcadas con un código de franjas de colores.

Para caracterizar una resistencia hacen falta tres valores: resistencia eléctrica, disipación máxima y precisión o tolerancia.

Color de la banda

Negro Marrón Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco Dorado Plateado Ninguno

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Los datos se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes, la última es el multiplicador y las otras las cifras.

Valor de la cifra significativa

Multiplicador

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 10 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 10 000 000 100 000 000 1 000 000 000 0.1 0.01

Tolerancia

Coeficiente de temperatura

1% 2%

100ppm/º C 50ppm/º C 15ppm/º C 25ppm/º C

0,5% 0,25% 0,1%

10ppm/º C 5ppm/º C 1ppm/º C

5% 10% 20%


Componentes pasivos

El valor se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras; se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en Ohmios ( ! ). El coeficiente de temperatura únicamente se aplica en resistencias de alta precisión (<1%). Identificación Ejemplo: La caracterización de una resistencia de 470.000 ! (470 k ! ), con una tolerancia del 10%, sería la representada en la figura siguiente: 1ª cifra: Amarillo (4) 2ª cifra: Violeta (7) Multiplicador: Amarillo (10000) Tolerancia: Plateado (+/-10%)

Leyes de Kirchhoff Hemos visto la asociación de resistencias sin, aparentemente, ningún problema a la vista sobre su comprensión. Sin embargo en electrónica no todo es tan sencillo. Hay circuitos que pueden ser un pequeño galimatías como por ejemplo el que aparece a continuación:

Un poco de su biografía Físico alemán nacido en Koenigsberg (actualmente Kaliningrado, Rusia). Hizo contribuciones importantes al análisis espectral, a la teoría de los circuitos eléctricos y a la física teórica. Al lado de Bunsen trabajó en la aplicación de espectroscopia a la identificación de los elementos y, en particular, al análisis químico de las estrellas. Identificó numerosas líneas de hierro en el espectro solar y, junto con Bunsen, descubrió espectroscópicamente los elementos cesio y bario. Explicó, además, las líneas de Fraunhofer (rayas negras del espectro). El principal aporte de Kirchhoff a la electricidad es el enunciado de las leyes que llevan su nombre. Fue uno de los primeros científicos de su siglo que adoptaron el positivismo.

Definiciones Para su enunciado es necesario previamente definir los conceptos de: • Nudo o nodo es el punto donde concurren varias ramas de un circuito. El sentido de las corrientes es arbitrario y debe asignarse al azar. • Rama es el fragmento de circuito eléctrico comprendido entre dos nodos. • Lazo es el circuito que resulta de recorrer el esquema eléctrico en un mismo sentido regresando al punto de partida, pero sin pasar dos veces por la misma rama. • Red plana es aquella dentro de la cual se puede dibujar una superficie cerrada sin que se corte con ninguna rama. • Malla es un lazo que cumple la condición de red plana, es decir, un lazo que no tiene otros lazos en su interior.

¿Cómo resolverlo de forma sencilla? Recurriendo a la Leyes de Kirchhoff ¿Kirchhoff?


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Componentes pasivos

Veamos unos ejemplos: 1ª Ley de circuito de Kirchhoff, o de las intensidades.

En todo nudo, donde la densidad de la carga no varíe en un instante de tiempo, la suma de corrientes entrantes es igual a la suma de corrientes salientes. Dicho de otra forma: En todo nudo la suma algebraica de corrientes debe ser 0.

En el ejemplo de la figura hay tres mallas: ABEF BCDE ABCDEF El contorno de la malla está formado por ramas. Hay tres ramas: EFAB BE BCDE

2ª Ley de circuito de Kirchhoff, o de las tensiones.

En toda malla la suma de todas las caídas de tensión es igual a la suma de todas las fuerzas electromotrices.

Un enunciado alternativo es:

En toda malla la suma algebraica de las diferencias de potencial eléctrico debe ser cero.

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En el ejemplo de la figura hay dos nudos: los puntos B y E. Se fijan en cada malla un sentido de referencia arbitrario, que no tiene por qué ser el mismo en todas las mallas. En el ejemplo se ha escogido el sentido de las agujas del reloj para ambas. Basta con tomar las mallas que sean independientes. La ABCDEF no es independiente, porque está formada por las otras dos. Se conviene en asignarle a los generadores signo positivo cuando tienden a producir corriente en el mismo sentido que el de referencia, y negativo en caso contrario. Obsérvese que esta ley no es sino la ley de Ohm generalizada. Como aplicación, se resolverá el ejemplo propuesto: ( ver Figura )


Componentes pasivos

Aplicamos la 1ª ley de Kirchoff al nudo B.

Recordemos: En un nudo, la suma de las corrientes que entran es igual a las de que salen. O bien, la suma algebraica de corrientes en un nudo es nula.

Teorema de Thévenin y Norton Vamos a explicar dos teoremas (Thévenin y Norton) que nos van a permitir simplificar y hacer más fácil la resolución de los circuitos. Sea el circuito que aparece a continuación:

I1 + I3 = I2 (I)

Aplicamos la 2ª ley de Kirchoff a la malla I.

Recordemos: A lo largo de una malla, la suma de fuerzas electromotrices es igual a la suma de las diferencias de potencial producidas en las resistencias. Otra manera de expresar esto es: la suma algebraica de las tensiones a lo largo de una malla es cero.

Se nos solicita: a) Calcular la I L cuando RL = 1,5 kW. b) Calcular la IL cuando RL = 3 kW. c) Calcular la I L cuando RL = 4,5 kW. Ley de Kirchhoff de tensiones

- 3 V + 5 V = I1 x 1 + I1 x 2 + I1 x 5 - I3 x 3 2 V = I1 x 8 - I3 x 3 (II)

Aplicamos la 2ª ley de Kirchoff a la malla II:

0 V = I2 x 2 + I2 x 4 + I2 x 1 + I3 x 3

a)

0 V = I2 x 7 + I3 x 3 (III)

Resolviendo el sistema de ecuaciones (I) (II) (III)

I1 = 20 / 101 = 0,198 A

b)

I2 = 6 / 101 = 0,0594 A I3 = -14 / 101 = - 0,138 A El signo negativo de I 3 quiere decir que, en realidad, dicha corriente tiene sentido contrario al que hemos supuesto y dibujado en nuestra figura.


c)

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Componentes pasivos

Thévenin Quitar la carga RL.

a)

b)

Creamos mallas y calculamos V Th:

c)

Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes. Ejemplo : Calcular el equivalente de Thévenin del siguiente circuito:

Unir la carga al circuito equivalente conseguido.

1.

Ahora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos.

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Componentes pasivos

2.

Norton Quitar la carga RL y poner un cortocircuito (RL = 0).

3.

Hacemos mallas y calculamos VTh:

4.

Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes.

Teorema de Norton Este teorema esta muy relacionado con el Teorema de Thévenin. Resolveremos el problema anterior usando el teorema de Norton.

Unir la carga al circuito equivalente conseguido.

Ahora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos. a) a) Calcular la I L cuando RL = 1,5 kW. b) Calcular la IL cuando RL = 3 kW. c) Calcular la I L cuando RL = 4,5 kW.


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Componentes pasivos

b)

Paso de circuito Norton a circuito Thévenin Tenemos este circuito:

c)

Abrimos la carga (RL) y calculamos la VTh, la RTh es la misma que la RN.

Paso de circuito Thévenin a circuito Norton y de circuito Norton a circuito Thévenin Los teoremas de Thévenin y Norton están relacionados, así se puede pasar de uno a otro.

Paso de circuito Thévenin a circuito Norton Tenemos el circuito siguiente:

Cortocircuitamos la carga (RL) y obtenemos el valor de la intensidad Norton, la RN es la misma que la RTh.

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Efectivamente, son métodos que nos facilitan el cálculo.

Resistencias no lineales Existen una serie de resistencias que no se comportan de la misma forma que las que hemos estudiado hasta ahora: Se trata de las resistencias no lineales, de gran utilidad y ampliamente explotadas. 1. LDR La resistencia de este tipo de componentes varía en función de la luz que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente. Los materiales que intervienen en su construcción son sulfuro de cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina.


Componentes pasivos

Su uso más común se encuentra en apertura y cierre de puertas, movimiento y paro de cintas trasportadoras, ascensores, contadores, alarmas, control de iluminación... Aspecto físico.

Símbolo de la LDR.

Aspecto físico.

Las características técnicas se estudian teniendo en cuenta la variación de su resistencia en función de la luz que reciben en su superficie en lux.

Suelen construirse con óxido de hierro, de cromo, de manganeso, de cobalto o de níquel. El encapsulado de este tipo de resistencia dependerá de la aplicación que se le vaya a dar. Por ello nos encontramos NTC de disco, de varilla, moldeado, lenteja, con rosca para chasis... Los fabricantes identifican los valores de las NTC mediante dos procedimientos: serigrafiado directo en el cuerpo de la resistencia, y mediante bandas de colores, seme jante a las resistencias y siguiendo su mismo código, teniendo en cuenta que el primer color es el que está más cercano a las patillas del componente según se observa en la figura. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura.

Curva característica de la LDR.

2. NTC Es un componente, al igual que la PTC, que varía su resistencia en función de la temperatura. Así, cuando reciben una temperatura mayor que la de ambiente disminuye su valor óhmico y cuando es baja o de ambiente aumenta.

Símbolo de la NTC.


Curva característica de la NTC.

Sus aplicaciones más importantes están: medidas, regulación y alarmas de temperatura, regulación de la temperatura en procesos de elaboración, termostatos, compensación de parámetros de funcionamiento en aparatos electrónicos (radio, TV...).

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Componentes pasivos

3. PTC En este componente un aumento de temperatura se corresponde con un aumento de resistencia. Se fabrican con titanato de bario. Sus aplicaciones más importantes son: en motores para evitar que se quemen sus bobinas, en alarmas, en TV y en automóviles (temperatura del agua). El concepto de los encapsulados de las PTC se rige por los mismos criterios que una NTC, siendo sus aspectos muy parecidos a los mismos. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura.

La identificación de los valores de estos dispositivos se realiza mediante franjas de colores en el cuerpo de los mismos que hacen referencia a un determinado tipo. Para deducir sus características se recurre a los catálogos de los fabricantes. Los márgenes de utilización de las NTC y PTC están limitados a valores de temperatura que no sobrepasan los 400 º C.

4. VDR La propiedad que caracteriza esta resistencia consiste en que disminuye su valor óhmico cuando aumenta bruscamente la tensión. De esta forma bajo impulsos de tensión se comporta casi como un cortocircuito y cuando cesa el impulso posee una alta resistividad. Sus aplicaciones aprovechan esta propiedad y se usan básicamente para proteger contactos móviles de contactores, relés, interruptores..., ya que la sobre intensidad que se produce en los accionamientos disipa su energía en el varistor que se encuentra en paralelo con ellos, evitando así el deterioro de los mismos, además, como protección contra sobre tensiones y estabilización de tensiones, adaptación a aparatos de medida...

Símbolo de la VDR.

Se utilizan en su construcción carburo de silicio, óxido de zinc, y óxido de titanio. Símbolo de la PTC.

Identificación por banda de colores.

Aspecto físico real de una PTC.

Curva característica de la PTC.

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Aspecto físico real de una VDR.

Curva característica de la VDR.


Bobinas e inductancias

BOBINAS E INDUCTANCIAS

La inductancia es otro de los tres parámetros familiares de la teoría de circuitos que se definirá en términos más generales. La resistencia fue definida como la razón de la diferencia de potencial entre dos superficies equipotenciales de un material conductor, y la corriente total a través de una u otra superficie equipotencial. La resistencia es solamente función de la geometría y la conductividad. Debido a que el campo magnético alrededor de un conductor es muy débil, para aprovechar la energía de dicho campo magnético se arrolla al alambre conductor y de esta forma se obtiene lo que se conoce como inductancia o bobina.

La ley que gobierna la determinación del flujo magnético en los circuitos magnéticos es análoga a la que rige el paso de la corriente en los circuitos eléctricos. Para caracterizar una resistencia hacen falta tres valores: resistencia eléctrica, disipación máxima y precisión o tolerancia.


El flujo magnético es comparable a la corriente en la ley de Ohm y se trata del número de líneas de fuerza de flujo presente en el circuito magnético. La unidad es el weber. Un weber (Wb) es el flujo magnético que, al atravesar un circuito de una sola espira produce en la misma una fuerza electromotriz de 1 voltio si se anula dicho flujo en un segundo por decaimiento uniforme. La reluctancia (R) equiparable a la resistencia de la ley de Ohm es la oposición ofrecida al flujo por el circuito magnético.

Donde L es la longitud en centímetros del circuito magnético, µ la permeabilidad del material y s la sección en centímetros cuadrados. La reluctancia de una sustancia magnética varía en proporción directa con la longitud del circuito magnético e inversamente respecto a la sección transversal y a la permeabilidad de la sustancia. La permeabilidad del material µ es la aptitud de una sustancia para albergar las líneas de fuerza, tomando como referencia la aptitud del aire. La unidad de reluctancia no está expresada oficialmente. Hay quien la considera como “relio” y otros oersted. Otra unidad de fuerza que se emplea es el gilbertio que es aquella capaz de crear

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una línea de fuerza de un weber en un circuito magnético que tenga la unidad de reluctancia, o sea un relio (o un Oersted). Y está relacionada con los ampervueltas: F = 1,257 I .N Donde F es la fuerza en gilbertios, I la intensidad en amperios y N el número de espiras arrolladas al núcleo. Y se relaciona con la inductancia:

Un henry (H) es la inductancia eléctrica de un circuito cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de 1 voltio, cuando la corriente eléctrica que recorre el circuito varía uniformemente a razón de un ampere por segundo. Finalmente: Un tesla (T) es la inducción magnética (B) uniforme que, repartida normalmente sobre una superficie de 1 metro cuadrado, produce a través de esta superficie un flujo magnético total de 1 weber.

Cálculos de inductancia La inductancia aproximada de una bobina de una sola capa bobinada al aire puede ser calculada con la fórmula simplificada: L ( µH) = 0,394 (d2.n2 /18d+40 l) Donde: L = inductancia en microhenrios d = diámetro de la bobina en centímetros l = longitud de la bobina en centímetros n = número de espiras

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Esta fórmula es una buena aproximación para bobinas que tengan una longitud igual o mayor que 0,4 d. Permeabilidad de bobinas con núcleo de hierro Supóngase que la bobina de la figura se enrolla en un núcleo de hierro que tenga una sección de 12 centímetros cuadrados.

Cuando se envía una cierta corriente a través de la bobina, se descubre que hay 80.000 líneas de fuerza en el núcleo. Puesto que el área es de12 centímetros cuadrados, la densidad de flujo magnético es de 6.666 líneas por centímetro cuadrado. Ahora supóngase que se retira el núcleo y se mantiene la misma corriente en la bobina. También supóngase que la densidad de flujo sin núcleo es de 10 líneas por centímetro cuadrado. La relación entre estas dos densidades de flujo, hierro a aire, es 6.666/10 = 666. Esto se llama permeabilidad del núcleo. La inductancia de la bobina ha aumentado 666 veces al insertar el núcleo de hierro, ya que la inductancia será proporcional al flujo magnético a través de las bobinas, si los otros parámetros se mantienen igual. La permeabilidad de un material magnético varía con la densidad de flujo. Para bajas densidades de flujo (o con núcleo de aire), el aumento de corriente a través de la bobina producirá un aumento proporcional del flujo.



Pero con densidades de flujo muy altas, incrementar la corriente no causará un cambio apreciable en el flujo. Cuando esto es así, se dice que el hierro está saturado. La saturación causa un rápido descenso de la permeabilidad puesto que desciende la relación de líneas de flujo con respecto a la misma corriente y núcleo de aire. Obviamente, la inductancia de una bobina con núcleo de hierro es, en gran medida, dependiente de la corriente que fluye en la bobina. En una bobina con núcleo de aire, la inductancia es independiente de la corriente porque el aire no se satura. Las bobinas con núcleo de hierro como la mostrada en la figura se usan principalmente en fuentes de alimentación. Corrientes de Foucault e histéresis Cuando circula corriente alterna a través de una bobina arrollada sobre un núcleo de hierro, se inducirá una FEM como se indicó anteriormente. Y, puesto que el hierro es un conductor, circulará una corriente en el núcleo. Dichas corrientes se llaman corrientes de Foucault y representan una pérdida de potencia puesto que circulan a través de la resistencia del hierro y, por tanto, producen calentamiento. Dichas pérdidas pueden reducirse laminando el núcleo (cortándolo en delgadas tiras). Estas tiras o láminas deben aislarse unas de otras pintándolas con algún material aislante como barniz o goma laca. Hay otro tipo de pérdida de energía en los inductores. El hierro tiende a oponerse a cualquier cambio en su estado magnético, por tanto una corriente que cambie rápidamente, como lo es la CA, debe suministrar continuamente energía al hierro para vencer esa "inercia". Las pérdidas de este tipo se llaman pérdidas por histéresis.


Las pérdidas por corrientes de Foucault e histéresis aumentan rápidamente a medida que la frecuencia de la corriente alterna. Por esta razón los núcleos de hierro normales sólo se pueden usar en las frecuencias de la línea de baja tensión doméstica y en audiofrecuencias (hasta unos 15.000 Hz). A pesar de todo, se precisa hierro o acero de muy buena calidad si el núcleo debe trabajar eficazmente en las audiofrecuencias más altas. Los núcleos de hierro de este tipo son totalmente inútiles en radiofrecuencia. Para radiofrecuencia, las pérdidas en los núcleos de hierro pueden ser reducidas a valores aceptables pulverizando el hierro y mezclando el polvo con un "aglutinante" de material aislante de tal forma que las partículas de hierro estén aisladas unas de otras. Por este sistema, se pueden construir núcleos que funcionarán satisfactoriamente incluso en el margen de VHF. Puesto que una gran parte del recorrido magnético se produce a través de material no magnético (el aglutinante), la permeabilidad del hierro es baja comparada con los valores que se obtienen a las frecuencias de las fuentes de alimentación. El núcleo tiene generalmente la forma de una barra o cilindro que se coloca en el interior de la forma aislante sobre la que está bobinada la bobina. A pesar de que con esta construcción, la mayor parte del recorrido magnético del flujo es por el aire, la barra es bastante eficaz para aumentar la inductancia de la bobina. Empujando la barra hacia dentro y hacia fuera de la bobina, se puede variar la inductancia sobre un margen considerable. Bobinas en Serie y en Paralelo Por tanto, la inductancia equivalente de N inductores en serie es simplemente la suma de las inductancias individuales. Además es evidente que una corriente inicial es igual a la que fluye por la conexión en serie. Por lo tanto, la Ley de Ohm rige este circuito.

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Cómo se representan:

Bobina

Inductancia ferromagnética

Bobina con tomas fijas

Bobina con núcleo

Bobina con núcleo de ferrita

Bobina blindada

Bobina ajustable

Bobina variable

Electroimán

Tipos de bobinas 1. Fijas Con núcleo de aire

El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas.

miento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas. Con núcleo sólido

Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aisla-

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Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético.



Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L.

De ferrita

Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión. Las bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista práctico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor.

Con núcleo toroidal

De nido de abeja

De ferrita para SMD.

Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga.


Las bobinas grabadas sobre el cobre, en un circuito impreso, tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo. 2. Variables También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo. Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten en encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma.

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Condensadores

CONDENSADORES ¿Quién no ha oído hablar del condensador eléctrico? Su antecedente es la botella de Leyden que fue descubierta accidentalmente en 1746 por Pieter van Musschenbroek y Ewald Georg von Kleist casi simultáneamente. Este aparato sirve para almacenar electricidad estática y es el prototipo más antiguo del condensador que actualmente se utiliza en aparatos electrónicos. Está constituida por un frasco de vidrio delgado (dieléctrico) forrado exteriormente por una hoja metálica de estaño (armadura exterior) a excepción de la parte superior de la botella. El interior está relleno de laminillas de latón (armadura interior), desde donde sale una varilla metálica que atraviesa el tapón de corcho que cierra el recipiente. Para evitar la comunicación entre las armaduras, el cuello de la botella está barnizado de goma laca. Para cargarla, se conecta la varilla a la máquina eléctrica* mientras la armadura exterior se pone en contacto con el suelo a través de una cadena.

Una vez cargada, si se ponen las dos armaduras en contacto, mediante un conductor, se descargará con una chispa y una pequeña explosión. Si se la deja durante un algún tiempo se podrán obtener nuevas descargas secundarias de menor intensidad que la primera hasta que se descargue por completo. * Nos referimos a una parecida a la fotografía que sigue:

Se trata del generador de Wimshurt y es un dispositivo cuyo funcionamiento se basa en la electrización por frotamiento, contacto e inducción. Pero ¿Qué es realmente un condensador ¿ y ¿Para qué sirve?

Fig. 1: Diversos tipos de condensadores.


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Condensadores

En electricidad y electrónica, un condensador, es un dispositivo formado por dos armaduras, generalmente en forma de placas o láminas separadas por un material dieléctrico (aire, mica, plásticos, cerámica, etc.) que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica. Dieléctrico

Aproximando al conductor A, (previamente cargado con carga positiva), el conductor B (descargado, es decir que sus cargas negativas son las mismas que las positivas), las cargas negativas de éste se ven atraídas por el potencial positivo del A, concentrándose éstas en el extremo izquierdo. Esta "fuga" de cargas negativas hacia el lado izquierdo deja el extremo derecho cargado positivamente.

Placas

Y aquí conviene hablar de cargas eléctricas: Electrostática Se sabe que existen en la Naturaleza dos tipos de cargas, positiva y negativa, y que la cantidad más pequeña de carga es el electrón (misma carga que el protón, pero de signo contrario). Cargas del mismo signo se repelen, y de signo contrario se atraen. Debido a ello, un conductor puede cargarse por influencia de otro, como indica la figura:

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Si el conductor B, en vez de estar aislado, como en la figura 1, estuviera conectado a tierra, como en la figura 2, la carga positiva del extremo derecho se descargaría a tierra (es decir, fluirían electrones de tierra al conductor B, neutralizando su carga positiva, con lo que dicho conductor B quedaría cargado negativamente. Este es el principio del condensador: dos conductores próximos, llamados armaduras, separados por un dieléctrico (aislante). La unidad natural de carga eléctrica es el electrón, que es: la menor cantidad de carga eléctrica que puede existir. Como esta unidad es extremadamente pequeña para aplicaciones prácticas y para evitar el tener que hablar de cargas del orden de billones o trillones de unidades de carga, se ha definido en el Sistema Internacional de Unidades el culombio: Un culombio es la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9 x 109 Nw*. Volvamos a las singularidades del condensador. A su propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad.


Condensadores

En el Sistema internacional de unidades se mide en faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. Un faradio es una capacidad extremadamente grande y es difícil de encontrar un condensador con ese valor. Lo más lógico es que nos encontremos, en electrónica, con valores más pequeños, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en microfaradios: µF = 10 -6 faradios, nanofaradios: F = 10 -9 faradios, o picofaradios: F = 10-12 faradios. Los supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko —con una capacidad de 1/3 de Faradio—, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos. Seiko cinético es un reloj que produce energía eléctrica con el movimiento natural del brazo. ¿Cómo lo hace? Lleva un volante cuyo movimiento unido a un imán, genera electricidad en una bobina, que la almacena en un condensador minúsculo o una batería recargable. Un indicador de la reserva de la energía demuestra exactamente cuánta energía se ha creado. El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente:

C=

Tensión de trabajo: Es la máxima tensión que puede aguantar un condensador, que depende del tipo y grosor del dieléctrico con que esté fabricado. Si se supera dicha tensión, el condensador puede perforarse (quedar cortocircuitado) y/o explotar. En este sentido hay que tener cuidado al elegir un condensador, de forma que nunca trabaje a una tensión superior a la máxima.

Energía almacenada El condensador almacena energía eléctrica en forma de campo eléctrico cuando aumenta la diferencia de potencial en sus terminales, devolviéndola cuando ésta disminuye.

La energía, E, almacenada por un condensador con capacidad C, que es conectado a una d.d.p. V, viene dada por: E

= 1 / 2 CV2

Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se utiliza el condensador que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes. Conviene hablar ahora de los dos regimenes de comportamiento de un circuito, el transitorio y el permanente. Se llama régimen transitorio, o solamente "transitorio", a aquella respuesta de un circuito eléctrico que se extingue en el tiempo, en contraposición al régimen permanente, que es la respuesta que permanece constante hasta que se varía bien el circuito o bien la excitación del mismo. Ver figura:

Q V

C: Capacidad. Q: Carga eléctrica. V: Diferencia de potencial.


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Condensadores

Comportamiento en corriente continúa Un condensador real en CC se comporta prácticamente como uno ideal, esto es, como un circuito abierto. Esto es así en régimen permanente ya que en régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con condensador, suceden fenómenos eléctricos transitorios que inciden sobre la d.d.p. en sus bornes.

Al igual que la resistencias, los condensadores pueden asociarse en serie (figura A), paralelo (figura B) o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie: 1/Ctotal = 1/C1+1/C2 + 1/C3 +1/ C4+…+1/C n En la asociación en serie la capacidad total es inferior a cualquiera de las que integran la serie.

La explicación: Al asociarlos de esta forma entre la primera placa y la última se ha intercalado un gran espacio (el integrado por los condensadores intercalados).

Comportamiento en corriente alterna En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del producto de la pulsación ( ) por la capacidad, C:

La pulsación es 2 "f, donde f es la frecuencia en Hz y la capacidad en faradios (F) la reactancia resultará en ohmios. Asociación de condensadores

A. Asociación serie general.

B. Asociación paralelo general.

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Para la asociación en paralelo: C total = C1 + C2 +C3 +C4 +…+Cn En la asociación en paralelo la capacidad total es superior a cualquiera de las se asocian. Para la asociación mixta se procederá de forma análoga que con las resistencias.

En este caso se crea un condensador de gran superficie (la de todos los integrantes de la asociación) y hemos visto que la capacidad es proporcional a la superficie de las placas.

Aplicaciones típicas Los condensadores suelen usarse para: • Como acumuladores, por su cualidad de almacenar energía. • Como memorias, por la misma singularidad.


Condensadores

• Para la adaptación de impedancias, haciéndoles resonar a una frecuencia dada con otros componentes. • Demodular AM, junto con un diodo, en este caso actúa como diodo detector y aquí nos permitimos un esquema de una radio muy sencilla de fabricar: Para aplicaciones de descarga rápida, como un flash, en donde el condensador se tiene que descargar a gran velocidad para generar la luz necesaria (algo que hace muy fácilmente cuando se le conecta en paralelo un medio de baja resistencia). • Como Filtro, un condensador de gran valor se utiliza para eliminar el " rizado" que se genera en el proceso de conversión de corriente alterna en corriente

Para conseguir un condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres últimas expresiones cambie de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría se utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento. Otro tipo de condensador variable se presenta en los diodos varicap, que los comentaremos en el capitulo dedicado a los diodos.

continua, que después veremos.

• Para aislar etapas o áreas de un circuito (se conoce esta facultad como desacoplo y la inversa es acoplo): Un condensador se comporta (idealmente) como un cortocircuito para la señal alterna y como un circuito abierto para señales de corriente continua, etc. Condensadores variables Un condensador variable es aquel en el cual se pueda cambiar el valor de su capacidad. En el caso de un condensador plano, la capacidad puede expresarse por la siguiente ecuación:

C=

E 0 :

E 0E 0

A d

Condensadores electrolíticos axiales.

Condensadores electrolíticos de tantalio.

Condensadores de poliéster.

Constante dieléctrica del vacío.

Constante dieléctrica o permitividad relativa del material dieléctrico entre las placas.

E 0 :

A : El área efectiva de las placas. d : Distancia entre las placas o espesor del dieléctrico.


Condensadores cerámicos, "chip" y de "disco".

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Condensadores

Tipos de condensador • Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permeabilidad eléctrica es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizaron en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas. • Condensador de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: Bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos. • Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, baquelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce su higroscopía aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se suelen utilizar dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar.

• Condensadores autoregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autoregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras. • Condensador electrolítico. El dieléctrico es una disolución electrolítica que ocupa una cuba electrolítica. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante muy fina sobre la cuba, que actúa como una armadura y el electrolito como la otra. Consigue capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad determinada, por lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo una corriente en el electrolito que aumenta la temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador. Existen de varios tipos: • Condensador de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen, pero arden en caso de que se polaricen inversamente. • Condensador de poliéster. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno.

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Condensadores

• Condensador Styroflex. Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por responder bien en altas frecuencias y ser uno de los primeros tipos de condensador de plástico. Suelen llegar hasta 1000 pF, con un 5% de tolerancia. • Condensador cerámico. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas. • Condensador variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje. • Condensador de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.

Código de colores de los condensadores Hemos visto que algunos tipos de condensadores llevan sus datos impresos codificados con unas bandas de color. Esta forma de codificación es muy similar a la empleada en las resistencias, en este caso sabiendo que el valor queda expresado en picofaradios (pF). Las bandas de color son como se observa en esta figura:

En el condensador de la izquierda aparecen los siguientes datos: Verde-azul-naranja = 56000 pF = 56 nF (recordemos que el "56000" está expresado en pF). El color negro indica una tolerancia del 20%, tal como veremos en la tabla de abajo y el color rojo indica una tensión máxima de trabajo de 250v. En el de la derecha vemos: Amarillo-violeta-rojo = 4700 pF = 4.7 nF. En los de este tipo no suele aparecer información acerca de la tensión ni la tolerancia.

Código de colores en los condensadores

COLORES

Negro Marrón Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco

Banda 1

Banda 2

Multiplicador

-1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

x1 x 10 x 100 x 1000 x 104 x 105 x 106


Tensión

100 V. 250 V. 400 V. 630 V.

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Condensadores

Código de colores en los condensadores

COLORES

Tolerancia (C > 10 pF)

Tolerancia (C < 10 pF)

+/- 20% +/- 10% +/- 5% +/- 2% +/- 1%

+/- 1 pF +/- 1 pF +/- 0.5 pF +/- 0.25 pF +/- 0.1 pF

Negro Blanco Verde Rojo Marrón

Codificación mediante letras Este es otro sistema de inscripción del valor de los condensadores sobre su cuerpo. En lugar de pintar unas bandas de color se recurre también a la escritura de diferentes códigos mediante letras impresas. A veces aparece impresa en los condensadores la letra "K" a continuación de las letras; en este caso no se traduce por "kilo", o sea, 1000 sino que significa cerámico si se halla en un condensador de tubo o disco. Si el componente es un condensador de dieléctrico plástico (en forma de paralelepípedo), "K" significa tolerancia del 10% sobre el valor de la capacidad, en tanto que "M" corresponde a tolerancia del 20% y "J", tolerancia del 5%.

LETRA

Tolerancia

"M" "K" "J"

+/- 20% +/- 10% +/- 5%

Detrás de estas letras figura la tensión de trabajo y delante de las mismas el valor de la capacidad indicado con cifras. Para expresar este valor se puede recurrir a la colocación de un punto entre las cifras (con valor cero), refiriéndose en este caso a la unidad microfaradio (µF) o bien al empleo del prefijo "n" (nanofaradio = 1000 pF).

40

Ejemplo: un condensador marcado con 0,047 J 630 tiene un valor de 47000 pF = 47 nF, tole rancia del 5% sobre dicho valor y tensión máxima de trabajo de 630 v. También se podría haber marcado de las siguientes mane ras: 4,7n J 630, o 4n7 J 630.

Código "101" de los condensadores Por último, vamos a mencionar el código 101 utilizado en los condensadores cerámicos como alternativa al código de colores. De acuerdo con este sistema se imprimen 3 cifras, dos de ellas son las significativas y la última de ellas indica el número de ceros que se deben añadir a las precedentes. El resultado debe expresarse siempre en picofaradios pF. Así, 561 significa 560 pF, 564 significa 560000 pF = 560 nF, y en el ejemplo de la figura de la derecha, 403 significa 40000 pF = 40 nF.

VEAMOS ALGUNOS EJEMPLOS DE IDENTIFICACIÓN DE CONDENSADORES.


Condensadores

Identificación de condensadores.

0,047 J 630 C=47 nF 5% V=630

403 C=40 nF

0,068 J 250 C =68 nF 5% V =250 V. V.

47p C =47 pF

22J C =22 pF 5%

2200 C =2.2 nF

10K +/-10% 400 V C =10 nF 10% V =400 V

3300/10 400 V C =3.3 nF 10% V =400 V.

amarillo-violetanaranja-negro C =47 nF 20%

330K 250V C =0.33 µF V =250 V.

n47 J C =470 pF 5%

0,1 J 250 C =0.1 µF 5% V =250 V.

verde-azul-naranjanegro-rojo C =56 nF 20% V =250 V.

µ1 250 C =0.1 µF V =250 V.

22K 250 V C=22 nF V=250 V.

n15 K C =150 pF 10%

azul-gris-rojo y marrón-negro-naranja C1=8.2 nF C2=10 nF

amarillo-violeta-rojo C =4.7 nF

0.2 µF 50V C =20 nF V =50 V.

amarillo-violeta-marrón rojo-negro-marrón y amarillo-violeta-marrón C1=4.7 nF C2=200 pF C3=470 pF


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VAMOS A HABLAR DE LINTERNAS

¿Cómo funciona?

No por capricho, sino porque nos servirá para fijar todo lo comentado hasta aquí. Describiremos una, recientemente aparecida en el mercado, y que se vende en casi todas las gasolineras, por lo menos en las situadas en Aragón y Navarra. Tiene el aspecto que aparece en la fotografía y se carga…¡agitándola! 30 segundos de movimiento alternativo nos proporcionarán varios minutos de una luminosidad curiosa porque no parece muy intensa a la luz del sol, pero no nos engañemos, porque de noche puede verse a un kilómetro.

En su cuerpo transparente se aprecia una bobina, destacándose el color característico del cobre del bobinado (Fig. 1). A la izquierda se observa un cilindro un poco más oscuro que es un potente imán, que es el se desplaza al agitarla y, al pasar alternativamente de un lado a otro (lleva unos topes de goma, para que no se dañe) a través de la bobina, genera en esta una tensión alterna, que no sabemos qué aspecto tiene pero imaginamos que puede ser sinusoidal. Lo más sorprendente es que el dispositivo que se carga es un condensador que tiene un valor de: 0,33 F 5,5 V

1

¡Curioso! Porque hablamos ahora de faradios. En la foto 2 se aprecia cómo es. La fuente de luz es un potente Led. Cómo sabremos (el las páginas dedicadas a este semiconductor) el diodo Led está polarizado, por lo tanto debe existir un rectificador. En la foto 3 se aprecia un puente rectificador (que más adelante se describe) para este menester.

2

3

42


Estructura de la materia y el diodo semiconductor

ESTRUCTURA DE LA MATERIA Y EL DIODO SEMICONDUCTOR

Los componentes activos que se estudiarán en los siguientes apartados son el diodo de unión PN, el transistor bipolar, y el transistor MOS, entre otros. Todos ellos se fabrican con materiales semiconductores, por lo que es imprescindible iniciar su estudio con una breve descripción de las principales características de la conducción eléctrica en dichos materiales. Sabemos que en la naturaleza existen materiales conductores y aislantes, debido a que la estructura de los mismos difiere notablemente de unos a otros, porque no todos los cuerpos permiten el paso de la corriente eléctrica con la misma facilidad. A los que menor oposición presentan se les denomina materiales conductores. Entre ellos, destacan el oro y la plata, pero su elevado precio hace que sólo se empleen en aparatos electrónicos de precisión.

Los materiales comúnmente empleados son el cobre y el aluminio. Son peores conductores pero muchísimo más económicos. Un buen conductor tiene una estructura atómica del estilo de la siguiente, perteneciente al cobre:

e- de valencia órbita de valencia

e- = electrón


¿Cómo es la materia? Actualmente sabemos que la materia se encuentra compuesta de átomos. Estos átomos poseen una determinada estructura, como se puede observar en la imagen.

En el núcleo se encuentran los protones y neutrones. Los protones poseen carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones no tienen carga. De estos últimos no vamos a hablar, porque no es la intención de este trabajo. En la corteza se encuentran los electrones, orbitando en torno al núcleo y poseen carga eléctrica igual a la de los protones pero de signo negativo. Es destacable la capa de valencia que determina las propiedades químicas de un cuerpo. Los átomos de los distintos elementos se diferencian en el número de las partículas que contienen, y por ello se utiliza para describir su estructura el concepto de:

Nº Atómico y Nº Másico El nº atómico es el nº de protones que hay en el núcleo de dicho átomo. El nº másico es la suma de protones y neutrones que contiene el núcleo del átomo.

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Debido a la neutralidad eléctrica del átomo, el nº atómico también nos indicará el nº de electrones que se encuentran en la corteza. Por último, un átomo puede perder o ganar electrones, transformándose en un ión (especie química con carga eléctrica). Si el átomo pierde electrones se convierte en un ión positivo: catión. Si el átomo gana electrones se convierte en un ión negativo: anión.

Niveles de energía En un átomo, los electrones están girando alrededor del núcleo formando capas. En cada una de ellas, la energía que posee el electrón es distinta. En efecto, ya que en las capas muy próximas al núcleo la fuerza de atracción entre éste y los electrones es muy fuerte, por lo que estarán fuertemente ligados. Ocurre lo contrario en las capas alejadas, en las que los electrones se encuentran débilmente ligados, por lo que resultará más fácil realizar intercambios electrónicos en las últimas capas. El hecho claro, de que los electrones de un átomo tengan diferentes niveles de energía, nos lleva a clasificarlos por el nivel energético (o banda energética) en el que se encuentra cada uno de ellos. Las energías las representaremos gráficamente de esta manera:

a) La Banda de Valencia es un nivel de energía en el que se realizan las combinaciones químicas. Los electrones situados en ella pueden transferirse de un átomo a otro, formando iones que se atraerán debido a su diferente carga, o serán compartidos por varios átomos, formando moléculas. Ponemos un ejemplo de dos elementos químicos muy conocidos por todos: El átomo de Sodio (Na) tiene 11 electrones, 2 en la primera capa, 8 en la segunda y 1 en la tercera, y el Cloro (Cl) tiene 17 electrones, 2 en la primera, 8 en la segunda y 7 en la tercera. Debido a que todos los átomos tienden a tener 8 electrones en la última capa (regla del octete): El Sodio cederá 1 electrón al Cloro con lo que el primero se quedará con 8 electrones en su ahora última capa, en cambio el Cloro aceptará ese electrón pasando su última capa de tener 7 electrones a 8. Por lo tanto el átomo de Sodio que ha perdido un electrón se ha transformado en un ión positivo: Na -> Na+

Átomo de Sodio (Na)

Ión Sodio (Na+)

Y el Cloro que lo ha ganado se transforma en un ión negativo:

Cl -> ClBorde del núcleo

Los niveles que nos interesan a nosotros para entender mejor el comportamiento del átomo son los que demarcan: La Banda de Valencia y la Banda de Conducción.

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Átomo de Cloro (Cl)

Ión Cloruro (Cl-)



Ambos se atraerán y formarán la molécula de Cloruro Sódico o Sal común (Cl Na).

b) La Banda de Conducción es un nivel de energía en el cual los electrones están aún más desligados del núcleo, de tal forma que, en cierto modo, todos los electrones (pertenecientes a esa banda) están compartidos por todos los átomos del sólido, y pueden desplazarse por este formando una nube electrónica. Cuando un electrón situado en la banda de valencia se le comunica exteriormente energía, bien sea eléctricamente, por temperatura, luz, etc. puede (al ganar energía) saltar a la banda de conducción, quedando en situación de poder desplazarse por el sólido. Teoría de las bandas de energía En un átomo aislado los electrones pueden ocupar determinados niveles energéticos pero cuando los átomos se unen para formar un cristal, las interacciones entre ellos modifican su energía, de tal manera que cada nivel inicial se desdobla en numerosos niveles, que constituyen una banda, existiendo entre ellas espacios, llamados bandas energéticas prohibidas, que sólo pueden salvar los electrones en caso de que se les comunique la energía suficiente. (Ver figura).

a) Aislante

b) Conductor

c) Semiconductor

En los aislantes la banda inferior, menos energética (banda de valencia) está completa con los e- más internos de los átomos, pero la superior (banda de conducción) está vacía y separada por una banda prohibida muy ancha (~ 10 eV), imposible de atravesar por un e-. En el caso de los


conductores las bandas de conducción y de valencia se encuentran superpuestas, por lo que cualquier aporte de energía es suficiente para producir un desplazamiento de los electrones. Entre ambos casos se encuentran los semiconductores, cuya estructura de bandas es muy semejante a los aislantes, pero con la diferencia de que la anchura de la banda prohibida es bastante pequeña. Los semiconductores son, por lo tanto, aislantes en condiciones normales, pero una elevación de temperatura proporciona la suficiente energía a los electrones para que, saltando la banda prohibida, pasen a la de conducción, dejando en la banda de valencia el hueco correspondiente. (Ver figura). ¿Qué es un electrón voltio (eV)? El electrón-voltio (eV) es la energía adquirida por una unidad de carga (electrónica) al ser acelerada a través de un potencial de un voltio y es igual a:

1 eV = 1.602 X 10-12 ergios El electrón-voltio se usa para expresar la energía atómica y nuclear.

En el caso de los diodos Led los electrones consiguen saltar fuera de la estructura en forma de radiación que percibimos como luz (fotones) (ver figura).

1 átomo de Silicio.

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Estructura cristalina de los conductores Los semiconductores son materiales que ocupan una posición intermedia entre los aislantes y los conductores. Los primeros poseen muy pocos electrones móviles y, en consecuencia, presentan una resistencia muy alta al paso de la corriente (idealmente una resistencia infinita). La resistencia eléctrica que presentan los segundos es muy baja (idealmente cero) debido a su riqueza en dichas cargas. Los semiconductores suelen ser aislantes a cero grados Kelvin, y permiten el paso de corriente a la temperatura ambiente.

Los dispositivos electrónicos que estudiaremos en este capítulo se fabrican normalmente en un semiconductor monocristalino.

Esta capacidad de conducir corriente puede ser controlada mediante la introducción en el material de átomos diferentes al del semiconductor, denominados impurezas.

Estructura cristalina del silicio El átomo de silicio posee catorce electrones:

Cuando un semiconductor posee impurezas se dice que está dopado. El material semiconductor más utilizado en la tecnología actual es el silicio (Si). El germanio también se utiliza para aplicaciones muy concretas como puede ser en los hornos microondas. También se utilizan para aplicaciones especiales (optoelectrónica, conmutación a muy alta velocidad,...) otros semiconductores, denominados binarios, por estar constituidos por dos cuerpos simples, como el arseniuro de galio (AsGa), y otros, como antimoniuro de indio y fosfuro de indio.

Teoría y tecnología de dispositivos semiconductores Debido a la utilización destacada del silicio, lo consideraremos a partir de ahora como el semiconductor de referencia. Según el grado de ordenación de sus átomos, los sólidos se clasifican en: • Amorfos: cuando no hay ninguna ordenación. • Monocristalinos: si todos sus átomos están perfectamente ordenados. • Policristalinos: cuando el sólido está formado por una agrupación de monocristales.

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Átomo de germanio aislado

Átomo de silicio aislado

De éstos, los cuatro más alejados del núcleo son los electrones de valencia que participan en los enlaces con otros átomos y son los que determinan las propiedades químicas de un cuerpo. El silicio presenta, por tanto, un átomo tetravalente. El silicio que se utiliza para fabricar dispositivos electrónicos es un monocristal cuya estructura cristalina se denomina cúbica (ver figura). Cada átomo de silicio está unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes. Un enlace covalente se forma entre dos átomos que comparten dos electrones.



Cada uno de los electrones del enlace es aportado por un átomo diferente. Tal como se indica en la figura, la célula básica del cristal es un cubo de 5,43 Ángstrom de arista. Ángstrom: Unidad de medida equivalente a la diez mil millonésima parte del metro, 0.000, 000, 000,1 metros, cuyo símbolo es Å, utilizada principalmente para indicar las longitudes de onda de la luz visible. En un centímetro caben 10 millones de ángstrom:

El enlace entre dos átomos está constituido por un enlace covalente, formado por dos electrones de valencia que son compartidos por los dos átomos. Cada electrón del enlace es aportado por uno de los átomos Otra forma de representar lo comentado es la siguiente:

1 Ángstrom = 1 Å = 10–10 m Resulta muy engorroso trabajar con la representación cristalina tridimensional que se ha descrito. Por ello suele recurrirse a un esquema bidimensional, denominado modelo de enlaces, en el que se representa la característica esencial de la estructura cristalina: cada átomo está unido a cuatro átomos vecinos mediante enlaces covalentes. En este modelo cada átomo dedica sus cuatro electrones de valencia a constituir cuatro enlaces covalentes.

Modelo bidimensional de enlaces para el silicio.

Los círculos grandes representan el núcleo y los electrones internos. Nótese que la carga total de cada átomo es nula, ya que la carga "+4" es neutralizada por los cuatro electrones de valencia que completan la envoltura electrónica.


Realmente los átomos externos serían así:

Cada átomo de silicio comparte sus 4 electrones de valencia con los átomos vecinos, de manera que tiene 8 electrones en la órbita de valencia, como se ve en la figura. La fuerza del enlace covalente es tan grande porque son 8 los electrones que quedan (aunque sean compartidos) con cada átomo, gracias a esta característica los enlaces covalentes son de una gran solidez. Los 8 electrones de valencia se llaman electrones ligados por estar fuertemente unidos en los átomos. El aumento de la temperatura hace que los átomos en un cristal de silicio vibren dentro de él, a mayor temperatura mayor será la vibración. Con lo que un electrón se puede liberar de su órbita, lo que deja un hueco, que a su vez atraerá otro electrón, etc.

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Siguen dándose las reacciones anteriores. Si introducimos 1000 átomos de impurezas tendremos 1000 electrones más los que se hagan libres por generación térmica (muy pocos). A estas impurezas se les llama "Impurezas Donadoras". El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m 3 ).

Dopado de un semiconductor Para aumentar la conductividad, se suele dopar o añadir átomos de impurezas a un semiconductor intrínseco, por lo que se convierte en un semiconductor extrínseco.

b) 2ª posibilidad: Incorporamos impurezas de valencia 3 (Aluminio, Boro, Galio). Conseguimos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 3.

a) 1ª posibilidad: Incorporamos impurezas de valencia 5 (Arsénico, Antimonio, Fósforo). Obtenemos un cristal de Silicio dopado con átomos de valencia 5.

Los átomos de valencia 5 tienen un electrón de más, así con una temperatura no muy elevada (a temperatura ambiente por ejemplo), el 5º electrón se vuelve electrón libre.

Sólo puede haber 8 electrones en la órbita de valencia por eso, el átomo pentavalente suelta un electrón que estará libre.

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Los átomos de valencia 3 tienen un electrón de menos y al faltarnos un electrón se forma un hueco (una ausencia). Observemos cómo ese átomo trivalente tiene 7 electrones en la orbita de valencia. Al átomo de valencia 3 se le llama "átomo trivalente" o "Aceptador". A estas impurezas se les llama "Impurezas Aceptadoras". Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica (muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3 ).



RESUMEN Semiconductores extrínsecos: Son los semiconductores que están dopados, esto es, que tienen impurezas. Hay dos tipos dependiendo de que tipo de impurezas tengan:

Semiconductor tipo n Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de " portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".

Semiconductor tipo: Es el que está impurificado con impurezas "Aceptadoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.


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PROCEDIMIENTO PARA OBTENER SILICIO MONOCRISTALINO

• Se coloca el Si policristalino en el crisol y el horno se calienta hasta fundirlo. • Se añaden impurezas del tipo necesario para formar un semiconductor tipo N (Fósforo, Arsénico, Antimonio) o P (Boro, Aluminio, Galio) con el dopado deseado. • Se introduce la semilla en el fundido (muestra pequeña del cristal que se quiere crecer). • Se levanta lentamente la semilla (se gira la semilla en un sentido y el crisol en el contrario). • El progresivo enfriamiento en la interface sólido-líquido proporciona un Si monocristalino con la misma orintación cristalina que la semilla pero de mayor diámetro.

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Los diodos

LOS DIODOS Vamos a estudiar en esta ocasión un dispositivo muy utilizado y a la vez poco conocido. Se trata del diodo semiconductor. Su antepasado es la válvula de dos electrodos, que como ya dijimos debe su nacimiento a Edison. No vamos a insistir en ella porque pertenece al pasado. En este momento podemos dar con ella en un museo. El diodo es el dispositivo semiconductor más sencillo.

Si unimos un semiconductor tipo "P" con uno tipo "N", obtendremos un "DIODO".

Polarización directa y polarización inversa de un diodo rectificador A. Polarización directa. El positivo de la batería va al ánodo y el negativo al cátodo. El diodo conduce manteniendo en sus extremos una caída de tensión de 0.7 voltios. B. Polarización inversa. El positivo de la batería va al cátodo y el negativo al ánodo. El diodo no conduce. Toda la tensión cae en él. Puede existir una pequeña corriente de fuga del orden de microamperios. Existen los siguientes tipos de Diodos.


Diodo rectificador Estos diodos tienen su principal aplicación en la conversión de corriente alterna AC, en corriente continua DC.

Símbolo

Aspecto físico

A significa Ánodo (+) y la K significa Cátodo (-). En la imagen de su aspecto físico observamos una franja blanca, esta representa al cátodo.

Puente rectificador Debido al gran consumo a nivel mundial de diodos que más tarde son empleados en montajes puente, los fabricantes decidieron, en un determinado momento, realizar ellos mismos esta disposición, uniendo en fábrica los cuatro diodos y cubriéndolos con un encapsulado común. Esto dio lugar a la aparición de diversos modelos de puentes de diodos con diferentes intensidades máximas de corriente y, por lo tanto, con disipaciones de potencia más o menos elevadas, en la misma forma que los diodos simples. En los tipos de mayor disipación, la cápsula del puente es metálica y está preparada para ser montada sobre un radiador. Se conoce también con el nombre de PUENTE DE GRAETZ.

Símbolo

Aspecto físico

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Los diodos

Observamos en el símbolo dos terminales de entrada de corriente alterna y dos de salida de corriente continua. Los terminales del puente rectificador pueden cambiar, dependiendo del fabricante. Vemos que pueden tener distintos aspectos, que dependen sobre todo de la potencia que sea necesaria en el circuito al que van destinados.

Aplicaciones Se utilizan en fuentes de alimentación conectados a la salida de un transformador para poder obtener en su salida, indicada por las patillas + y -, una corriente continua.

Diodo de Germanio Este tipo de diodo se utiliza para la detección de pequeñas señales, o señales débiles, por lo que trabaja con pequeñas corrientes. La tensión Umbral, o tensión a partir de la cual el diodo, polarizado directamente, comienza a conducir, suele ser inferior a la del diodo rectificador. O sea, la tensión umbral es aproximadamente 0,3 voltios.

Símbolo

Este diodo tiene aplicaciones en circuitos donde utilizan frecuencias muy altas como VHF, UHF y circuitos de microondas.

Diodo PIN El diodo PIN es un diodo que presenta una región P fuertemente dopada y otra región N también fuertemente dopada, separadas por una región de material que es casi intrínseco. Este tipo de diodos se utiliza en frecuencias de microondas, es decir, frecuencias que exceden de 1 GHz, puesto que incluso en estas frecuencias el diodo tiene una impedancia muy alta cuando está inversamente polarizado y muy baja cuando esta polarizado en sentido directo. Además, las tensiones de ruptura están comprendidas en el margen de 100 a 1000 V. En virtud de las características del diodo PIN se le puede utilizar como interruptor o como modulador de amplitud en frecuencias de microondas ya que para todos los propósitos se le puede presentar como un cortocircuito en sentido directo y como un circuito abierto en sentido inverso. También se le puede utilizar para conmutar corrientes muy intensas y/o tensiones muy grandes.

Aspecto físico

Símbolo

Aspecto físico

Diodo Schottky El material semiconductor suele ser el Germanio.

Aplicaciones Se emplean, sobre todo el la detección de señales de Radio Frecuencia (RF). Se utilizan en etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales.

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El diodo Schottky es un tipo de diodo cuya construcción se basa en la unión metal conductor. Fue desarrollado por la Hewlett-Packard en USA, a principios de la década de los 70. La conexión se establece entre un metal y un material semiconductor con gran concentración de impurezas, de forma que solo existirá un movimiento de electrones, ya


Los diodos

que son los únicos portadores mayoritarios en ambos materiales. Al igual que el de germanio, y por la misma razón, la tensión de umbral cuando alcanza la conducción es de 0,2 a 0,3V. Igualmente tienen una respuesta notable a altas frecuencias, encontrando en este campo sus aplicaciones más frecuentes. Un inconveniente de esto tipo de diodos se refiere a la poca intensidad que es capaz de soportar entre sus extremos.

Símbolo

Curva característica

Diodo Túnel En 1958, el físico japonés Esaki, descubrió que los diodos semiconductores obtenidos con un grado de contaminación del material básico mucho más elevado que lo habitual exhiben una característica tensióncorriente muy particular. La corriente comienza por aumentar de modo casi proporcional a la tensión aplicada hasta alcanzar un valor máximo, denominado corriente de cresta. A partir de este punto, si se sigue aumentando la tensión aplicada, la corriente comienza a disminuir y lo sigue haciendo hasta alcanzar un mínimo, llamado corriente de valle, desde el cual de nuevo aumenta. Pero el nuevo crecimiento de la corriente es al principio lento, y luego se hace cada vez más rápido hasta llegar a destruir el diodo si no se lo limita de alguna manera. Este comportamiento particular de los diodos muy contaminados se debe a lo que los físicos denominan efecto túnel. Para las aplicaciones prácticas del diodo túnel, la parte mas interesante de su curva característica es la comprendida entre la cresta y el valle.


En esta parte de la curva a un aumento de la tensión aplicada corresponde una disminución de la corriente. En otros términos, la relación entre un incremento de la tensión y el incremento resultante de la corriente es negativa y se dice entonces que esta parte de la curva representa una "resistencia incremental negativa". Una resistencia negativa puede compensar total o parcialmente una resistencia positiva. Así, por ejemplo, las pérdidas que se producen en un circuito resonante a causa de la presencia siempre inevitable de cierta resistencia en él se compensa asociando al circuito una resistencia negativa de valor numérico conveniente y realizada, por ejemplo, mediante un diodo túnel. En tal caso el circuito oscilante se transforma en un oscilador. Un símil mecánico puede ayudarnos a comprender lo expuesto. Imaginemos un pulsador que enciende la luz mientras está pulsado y la apaga cuando está suelto. Al principio se empieza a hacer presión en el pulsador y éste se va desplazando lentamente, sin que se encienda la luz, hasta que llega un momento en que su mecanismo se dispara, y avanza repentinamente sin esfuerzo (zona de resistencia negativa del diodo túnel) y la luz se enciende. Si soltamos lentamente, al principio la luz sigue encendida hasta que llega un momento en que cambia de estado y se apaga. La gracia del diodo túnel es que esa conmutación entre los dos estados se produce rapidísimamente y por eso una onda senoidal se convierte en una onda cuadrada muy abrupta. Un diodo túnel corriente conmuta en 600ps mientras que un túnel rápido lo hace en menos de 20 ps.

Símbolo

Curva característica

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Los diodos

Diodo Zener El diodo Zener sirve para regular o estabilizar el voltaje en un circuito. Esto quiere decir que tiene la propiedad de mantener en sus extremos una tensión constante gracias a que aumenta la corriente que circula por el.

Símbolo

Aspecto físico

Curva característica de un Diodo Zener

El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua (tensión de codo). En la zona de ruptura, entre la tensión de codo y la tensión Zener (Vz nom ) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de ruptura se puede considerar como un generador de tensión de valor Vf = -Vz. El Zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de ruptura. Podemos distinguir: 1. Vz nom: Tensión nominal del Zener (tensión en cuyo entorno trabaja adecuadamente el Zener). 2. Iz min: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de disrupción (V z min ). 3. Iz max: Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el dispositivo se destruye (Vz max ).

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4. Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se corresponde con el producto de Vz nom y Iz max. Cuando usamos un diodo Zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante): 1. Para un correcto funcionamiento, por el Zener debe circular una corriente inversa mayor o igual a I z min. 2. La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que Iz max. 3. La potencia nominal Pz que puede disipar el Zener ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito. En el cuerpo del diodo suele venir indicada la tensión a la que estabiliza, ejemplos: 5V1 Diodo Zener que estabiliza a 5,1 voltios. 6V2 Diodo Zener que estabiliza a 6,2 voltios. Según el código de identificación europeo será: Ejemplo: B Z Y 79 - C 15 • BZY79: Indica el tipo de diodo Zener. • C: Indica la tolerancia, A = 1%, B = 2%, C = 5%, D = 10%, E = 15% • 15: Indica que el Zener estabiliza a 15 voltios

Circuito ejemplo: El diodo Zener se utiliza en los circuitos, con polarización inversa, es decir positivo en el cátodo y negativo en el ánodo.


Los diodos

Fotodiodo Es un dispositivo que tiene la propiedad de que estando polarizado directamente, conduce cuando recibe luz.

Diodo Varicap Este dispositivo se fabrica con la finalidad de obtener un condensador electrónico compuesto a base de semiconductores. Se construyen buscando acentuar al máximo la propiedad que presente la unión P-N de comportarse de una forma análoga a un condensador, cuando se la polariza inversamente. La capacidad resultante es, además, variable con la tensión aplicada; lo cual permite disponer de una forma muy simple de condensadores variables, controlados por una diferencia de potencial.

Símbolo

Se utiliza con polarización inversa. Al aplicarle una tensión en sus extremos se almacena una carga eléctrica como en un condensador. Cuanto mayor sea el voltaje aplicado, menor será la capacidad.

Aplicaciones La aplicación mas importante es en los sintonizadores de canales, utilizados tanto en videos, como en los televisores actuales. Las bandas que se pueden sintonizar son: • BANDA I o VL. Canales bajos de VHF DE 47 A 68 MHZ • BANDA III o VHF. Canales altos de VHF DE 174 A 230 MHZ • BANDA V o UHF. Canales altos DE 470 A 854 MHZ


Símbolo

Aplicaciones Se utiliza en televisores, videos, y equipos de música como sensor de los mandos a distancia que utilizan diodos emisores de rayos infrarrojos.

Diodo Led Es un diodo que realiza la función contraria al fotodiodo. Cuando se le aplica tensión, polarizado directamente, emite luz. Se fabrica con un compuesto formado por Galio, Arsénico y Fósforo.

Símbolo

Aspecto físico

El diodo LED presenta un comportamiento análogo al diodo rectificador (diodo semiconductor p-n), sin embargo, su tensión de codo tiene un valor mayor, normalmente entre 1.2-1.5 V. Según el material y la tecnología de fabricación estos diodos pueden emitir en el infrarrojo (diodos IRED), rojo, azul, amarillo y verde, dependiendo de cual sea la longitud de onda en torno a la cual emita el LED. La zona plana, donde comienza una de las patillas, indica el cátodo y además una de las patillas es más larga que la otra.

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Los diodos

Inexplicablemente: Resulta difícil distinguir, por pura inspección visual, el modelo del LED así como el fabricante. Tampoco se detallan los valores máximos de tensión y corriente que puede soportar. Por esto, cuando se utilice un diodo LED en un circuito, se recomienda que la intensidad que lo atraviese no supere los 20 mA, precaución de carácter general que resulta muy válida.

Se emplean, en aparatos electrónicos como indicadores luminosos, por ejemplo: televisores, videos, mandos, etc. Los diferentes colores dependen del material con que hayan sido fabricados, teniendo cada uno de ellos las siguientes características:

565 590 615 640 690 880 900 940

VERDE AMARILLO NARANJA ROJO ROJO INFRARROJO INFRARROJO INFRARROJO

R=

V - V le d I

Si expresamos V en voltios e I en miliamperios el valor de la resistencia vendrá directamente expresado en K!. También hay que tener en cuenta el calor disipado por en la resistencia, se calcula por la Ley de Joule.

Ejemplo

Aplicaciones

LONGITUD DE ONDA en mm

La resistencia de limitación de la figura puede calcularse a partir de la fórmula:

VOLTAJE en voltios

2,2 2,2 1,8 1,6 2,2 2,0 1,2 1,3

-

3,0 3,0 2,7 2,0 3,0 2,5 1,6 1,7

A los diodos hay que conectarles una resistencia para limitar la intensidad y evitar su destrucción.

Supongamos que la tensión de alimentación es de 12 voltios y vamos a utilizar un diodo Led de 1,3 voltios por el que circulará una corriente de 5 mA. La resistencia limitadora será:

R=

12 - 1,3 5

= 2,14 K!

Utilizaremos un resistencia normalizada (ver lista normalizada) de valor 2K2, con esta resistencia la intensidad real que circulará es de 4,86 mA. Valor lo más próximo al teórico. El cálculo de la potencia lo vamos a realizar con la Ley de joule con lo que resultado queda P = 0.055 W, es decir, 55 mW; por tanto, basta con utilizar una resistencia de 1 / de vatio (250 mW) de 2K2 en serie con 4 el diodo Led.

¿Cómo podemos conectar un diodo Led en corriente alterna? Si queremos conectar un Led a un circuito en alterna tendremos que tener en cuenta que en la corriente alterna existen tensiones positivas y negativas que se van alternado en una duración que será la mitad de la frecuencia, este punto es importante debido a que los diodos tienen una tensión de funcionamiento en polarización directa y otra en la

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Los diodos

inversa y no debemos sobrepasarla para no destruir la unión semiconductora. Para ello tenemos dos opciones: 1ª Solución Consiste en colocar un diodo en oposición al Led, de forma que cuando no conduzca el Led conduzca el diodo, y a la inversa, lo que supone una caída de tensión de 0,7 voltios en el diodo, no superando los 3 voltios de ruptura del Led. Con esto evitamos la destrucción cuando está polarizado inversamente pero tendremos que limitar la tensión y eso lo podremos conseguir con una resistencia en serie que calcularemos con la fórmula que utilizamos en el apartado circuito básico en continua. La potencia podremos calcularla con la Ley de Joule.

2ª Solución Para evitar poner una resistencia de 3W podremos colocar un condensador que se comportará como una resistencia al estar frente a una tensión alterna.

Al igual que en el circuito anterior tendremos que limitar la intensidad del circuito, como ejemplo vamos a utilizar los datos anteriores. En este caso Rs nos sirve para limitar la intensidad cuando el condensador está descargado ya que se produciría un pico considerable que no soportaría el Led, como valor máximo de pico que puede soportar el Led tenemos:

Ipico = 230 / 1 " 230 mA Por tanto el valor de la resistencia será: Vamos a realizar un pequeño ejemplo práctico: Sea un diodo Led con una caída de tensión de 1,2 voltios y una intensidad máxima de 10 mA, que se desea conectar a una tensión alterna de 230 voltios.

RS =

230 230 mA

= 1 K !

VRS = 1K x 10 mA = 10V RS = 1K ! - 1/4 W

R=

R=

230 - V dl 1 I dl 1

230 - 1, 2 10

"

22 K !

Para calcular el valor del condensador se tendrá en cuenta que la tensión en el condensador está desfasada 90º con respecto a la tensión en la resistencia y en el diodo así que aplicando el Teorema de Pitágoras tendremos que:

La potencia de

P1 = V R1 x Il1 = (230 -1,2) x 10

"

3W

Un inconveniente de esta solución es que la resistencia será muy voluminosa al tener una potencia considerable.


V C =

2302 - (V R + V LED )2 =

2302 - (11,2)2 " 229,72 V Siendo la intensidad del condensador: Ic = 10 mA.

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Los diodos

La resistencia capacitiva será:

X C =

229, 7 V 10 mA

= 22,97 K!

Tomando un valor normalizado: Xc = 22 K! La capacidad del condensador será:

1

1

C = 2#f x X = 100# x 22.103= 150 nF C Podemos ver que con esta solución reducimos el valor de la resistencia sustituyéndola por un condensador de 150 nF que tenga una tensión de trabajo de 400V al ser los 230 eficaces. Como ventaja tenemos que no es tan voluminoso y al haber sustituido la resistencia de 3W no tendremos una disipación de calor tan grande. ¿Se pueden utilizar los diodos para iluminar en serio? Los diodos de color blanco están revolucionando la iluminación; realmente lo están haciendo también los azules, rojos y azules. Se están consiguiendo unos niveles de eficacia luminosa muy altos lo que permitirá su utilización a gran escala, por rendimiento, y duración.

Características técnicas del diodo Curva característica del diodo Imaginemos el circuito de la figura:

Si se van dando distintos valores a la pila y se miden las tensiones y corrientes por el diodo, tanto en directa como en inversa (variando la polarización de la pila)… Obtenemos una tabla que al ponerla de forma gráfica sale algo así:

Pero veamos qué ocurre a la izquierda, en la zona que el diodo aparentemente no conduce… El funcionamiento de este diodo, a grandes rasgos es la siguiente: En la zona directa se puede considerar como un generador de tensión continua, tensión de codo (0.5-0.7 V para el silicio y 0.2-0.4 V para el germanio). Cuando se polariza en inversa se puede considerar como un circuito abierto.

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Los diodos

Cuando se alcanza la tensión inversa de ruptura (zona inversa) se produce un aumento drástico de la corriente que puede llegar a destruir al dispositivo. Y la figura anterior se ha completado con todo lo que ocurre.

Curva característica típica de un diodo.

Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer estas, pues los libros de características y las necesidades de diseño así lo requieren. A continuación vamos a ir viendo las características más importantes del diodo, que podemos agrupar de la siguiente forma:

1. Características estáticas: Parámetros en bloqueo (polarización inversa). Parámetros en conducción. Modelo estático.

2. Características dinámicas: Tiempo de recuperación inverso (trr). Influencia del trr en la conmutación. Tiempo de recuperación directo.

3. Potencias: Potencia máxima disipable. Potencia media disipada. Potencia inversa de pico repetitivo. Potencia inversa de pico no repetitivo.

4. Características térmicas. 5. Protección contra sobreintensidades.


1. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS

Parámetros en bloqueo • Tensión inversa de pico de trabajo (VRWM): es la que puede ser soportada por el dispositivo de forma continuada, sin peligro de entrar en ruptura por avalancha. • Tensión inversa de pico repetitivo (VRRM): es la que puede ser soportada en picos de 1 ms, repetidos cada 10 ms de forma continuada. • Tensión inversa de pico no repetitiva (VRSM): es aquella que puede ser soportada una sola vez durante 10ms cada 10 minutos o más. • Tensión de ruptura (VBR): si se alcanza, aunque sea una sola vez, durante 10 ms el diodo puede destruirse o degradar las características del mismo. • Tensión inversa continua (VR): es la tensión continua que soporta el diodo en estado de bloqueo. Parámetros en conducción • Intensidad media nominal (AV): es el valor medio de la máxima intensidad de impulsos sinusoidales de 180º que el diodo puede soportar. • Intensidad de pico repetitivo (IFRM): es aquélla que puede ser soportada cada 20 ms, con una duración de pico a 1 ms, a una determinada temperatura de la cápsula (normalmente 25º). • Intensidad directa de pico no repetitiva (IFSM): es el máximo pico de intensidad aplicable, una vez cada 10 minutos, con una duración de 10 ms.

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Los diodos

• Intensidad directa (IF): es la corriente que circula por el diodo cuando se encuentra en el estado de conducción. Modelos estáticos del diodo

Recuperación inversa del diodo.

Los distintos modelos del diodo en su región directa (modelos estáticos) se representan en la figura superior. Estos modelos facilitan los cálculos a realizar, para lo cual debemos escoger el modelo adecuado según el nivel de precisión que necesitemos.

2. CARACTERÍSTICAS DINÁMICAS Tiempo de recuperación inverso El paso del estado de conducción al de bloqueo en el diodo no se efectúa instantáneamente. Si un diodo se encuentra conduciendo una intensidad IF, la zona central de la unión P-N está saturada de portadores mayoritarios con tanta mayor densidad de éstos cuanto mayor sea IF. Si mediante la aplicación de una tensión inversa forzamos la anulación de la corriente con cierta velocidad di/dt, resultará que después del paso por cero de la corriente existe cierta cantidad de portadores que cambian su sentido de movimiento y permiten que el diodo conduzca en sentido contrario durante un instante. La tensión inversa entre ánodo y cátodo no se establece hasta después del tiempo ta llamado tiempo de almacenamiento, en el que los portadores empiezan a escasear y aparece en la unión la zona de carga espacial. La intensidad todavía tarda un tiempo tb (llamado tiempo de caída) en pasar de un

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valor de pico negativo (IRRM) a un valor despreciable mientras van desapareciendo el exceso de portadores. • ta (tiempo de almacenamiento): es el tiempo que transcurre desde el paso por cero de la intensidad hasta llegar al pico negativo. • tb (tiempo de caída): es el tiempo transcurrido desde el pico negativo de intensidad hasta que ésta se anula, y es debido a la descarga de la capacidad de la unión polarizada en inverso. En la práctica se suele medir desde el valor de pico negativo de la intensidad hasta el 10 % de éste. • trr (tiempo de recuperación inversa): es la suma de ta y tb. t rr = t a + t b

• Qrr: se define como la carga eléctrica desplazada, y representa el área negativa de la característica de recuperación inversa del diodo. • di/dt: es el pico negativo de la intensidad. • Irr: es el pico negativo de la intensidad. La relación entre tb/ta es conocida como factor de suavizado "SF". Si observamos la gráfica podemos considerar Qrr por el área de un triángulo: Q rr =

1 t rr x l RRM 2

De donde: l RRM =

x t [ dI dt ] F

a

Influencia del trr en la conmutación Si el tiempo que tarda el diodo en conmutar no es despreciable: • Se limita la frecuencia de funcionamiento. • Existe una disipación de potencia durante el tiempo de recuperación inversa.


Los diodos

Para altas frecuencias, por tanto, debemos usar diodos de recuperación rápida. Factores de los que depende trr: • A mayor IRRM menor trr. • Cuanta mayor sea la intensidad principal que atraviesa el diodo mayor será la capacidad almacenada, y por tanto mayor será trr. Tiempo de recuperación directo

la potencia disipada por el elemento para una intensidad conocida. Otro dato que puede dar el fabricante es curvas que relacionen la potencia media con la intensidad media y el factor de forma (ya que el factor de forma es la intensidad eficaz dividida entre la intensidad media). Potencia inversa de pico repetitiva: (PRRM) Es la máxima potencia que puede disipar el dispositivo en estado de bloqueo. Potencia inversa de pico no repetitiva: (PRSM) Similar a la anterior, pero dada para un pulso único.

4. CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS

• tfr (tiempo de recuperación directo): es el tiempo que transcurre entre el instante en que la tensión ánodo-cátodo se hace positiva y el instante en que dicha tensión se estabiliza en el valor VF. Este tiempo es bastante menor que el de recuperación inversa y no suele producir pérdidas de potencia apreciables.

3. DISIPACIÓN DE POTENCIA Potencia máxima disipable: (Pmáx) Es un valor de potencia que el dispositivo puede disipar, pero no debemos confundirlo con la potencia que disipa el diodo durante el funcionamiento, llamada ésta potencia de trabajo. Potencia media disipada: (PAV) Es la disipación de potencia resultante cuando el dispositivo se encuentra en estado de conducción, si se desprecia la potencia disipada debida a la corriente de fugas. Generalmente el fabricante integra en las hojas de características tablas que indican


Temperatura de la unión (Tjmáx) Es el límite superior de temperatura que nunca debemos hacer sobrepasar a la unión del dispositivo si queremos evitar su inmediata destrucción. En ocasiones, en lugar de la temperatura de la unión se nos da la "operating temperature range" (margen de temperatura de funcionamiento), que significa que el dispositivo se ha fabricado para funcionar en un intervalo de temperaturas comprendidas entre dos valores, uno mínimo y otro máximo. Temperatura de almacenamiento (Tstg) Es la temperatura a la que se encuentra el dispositivo cuando no se le aplica ninguna potencia. El fabricante suele dar un margen de valores para esta temperatura. Resistencia térmica unión-contenedor (caja) (Rjc) Es la resistencia entre la unión del semiconductor y el encapsulado del dispositivo. En caso de no dar este dato el fabricante se puede calcular mediante la fórmula:

Rjc = (Tjmáx - Tc) / Pmáx Siendo Tc la temperatura del contenedor (caja) y Pmáx la potencia máxima disipable.

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Los diodos

Resistencia térmica contenedor-disipador (Rcd) Es la resistencia existente entre el contenedor del dispositivo y el disipador (aleta refrigeradora). Se supone que la propagación se efectúa directamente sin pasar por otro medio (como mica aislante, etc).

5. PROTECCIÓN CONTRA SOBREINTENSIDADES Principales causas de sobreintensidades La causa principal de sobreintensidad es, naturalmente, la presencia de un cortocircuito en la carga, debido a cualquier causa. De todos modos, pueden aparecer picos de corriente en el caso de alimentación de motores, carga de condensadores, utilización en régimen de soldadura, etc. Estas sobrecargas se traducen en una elevación de temperatura enorme en la unión, que es incapaz de evacuar las calorías generadas, pasando de forma casi instantánea al estado de cortocircuito (avalancha térmica). Órganos de protección Los dispositivos de protección que aseguran una eficacia elevada o total son poco numerosos y por eso los más empleados actualmente siguen siendo los fusibles, del tipo "ultrarrápidos" en la mayoría de los casos y también se conocen como silized (compañeros de los diazed y neozed). Los fusibles, como su nombre indica, actúan por la fusión del metal de que están compuestos y tienen sus características indicadas en función de la potencia que pueden manejar; por esto el calibre de un fusible no se da sólo con su valor eficaz de corriente, sino incluso con su I2t y su tensión. Parámetro I 2t La I2t de un fusible es la característica de fusión del cartucho; el intervalo de tiempo t se indica en segundos y la corriente I en amperios. Debemos escoger un fusible de valor I2t inferior al del diodo, ya que así será el fusible el que se destruya y no el diodo.

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Estas características deberán ser tenidas en cuenta en el momento de la elección del modelo más adecuado para cada aplicación, procurando no ajustarse demasiado a los valores límites, ya que ello acortaría excesivamente la duración del componente. Vamos a analizar las características de un diodo muy utilizado. Estudiaremos la hoja de características del diodo 1N4001, un diodo rectificador empleado en fuentes de alimentación (circuitos que convierten una tensión alterna en una tensión continua).

Características del diodo 1N4001 En la serie de diodos del 1N4001 al 1N4007 hay siete diodos que tienen las mismas características con polarización directa, pero en polarización inversa sus características son distintas. Primeramente analizaremos las "Limitaciones máximas" que son éstas: Símbolo 1N4001

Tensión inversa repetitiva de pico

Vrrm

50 V

Tensión inversa de pico de funcionamiento

Vrwm

50 V

Vr

50 V

Tensión de bloqueo en cc

Estos tres valores especifican la ruptura en ciertas condiciones de funcionamiento. Lo importante es saber que la tensión de ruptura para el diodo es de 50 V, independientemente de cómo se use el diodo. Esta ruptura se produce por la avalancha y en el 1N4001 esta ruptura es normalmente destructiva.


Los diodos

Corriente máxima con polarización directa: Un dato interesante es la corriente media con polarización directa, que aparece así en la hoja de características: Símbolo VALOR

Corriente rectificada media con polarización directa (monofásica, carga resistiva, 60 Hz, Ta = 75°C)

IO

1 A

Indica que el 1N4001 puede soportar hasta 1 A con polarización directa cuando se le emplea como rectificador. Esto es, 1 A es el nivel de corriente con polarización directa para el cual el diodo se quema debido a una disipación excesiva de potencia. Un diseño fiable, con factor de seguridad 1, debe garantizar que la corriente con polarización directa sea menor de 0,5 A en cualquier condición de funcionamiento. Los estudios de las averías de los dispositivos muestran que la vida de éstos es tanto más corta cuanto más cerca trabajen de las limitaciones máximas. Por esta razón, algunos diseñadores emplean factores de seguridad hasta de 10:1, para 1N4001 será de 0,1 A o menos. Caída de tensión con polarización directa Otro dato importante es la caída de tensión con polarización directa. Estos valores están medidos en alterna, y por ello aparece la palabra instantáneo en la especificación.

Símbolo Valores Valores típicos máximos

Caída de tensión

VF

0,93 V 1,1 V

máxima instantánea con polarización directa (if = 1,0 A, T j = 25 °C)

El 1N4001 tiene una caída de tensión típica con polarización directa de 0,93 V cuando la corriente es de 1 A y la temperatura de la unión es de 25 º C. Corriente inversa máxima En esta tabla esta la corriente con polarización inversa a la tensión continua indicada (50 V para un 1N4001). Símbolo Valores Valores típicos máximos

Corriente inversa máxima T j = 25 °C T j = 100 °C

IR IR

0,05 µA 10 µA 1,0 µA 50 µA

Esta corriente inversa incluye la corriente producida térmicamente y la corriente de fugas superficial. De esto deducimos que la temperatura puede ser importante a la hora del diseño, ya que un diseño basado en una corriente inversa de 0,05 mA trabajará muy bien a 25 º C con un 1N4001 típico, pero puede fallar si tiene que funcionar en medios donde la temperatura de la unión alcance los 100 º C.

RESUMEN DE LO MÁS IMPORTANTE Cuando usamos un diodo en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante): 1. La tensión inversa máxima aplicable al componente, repetitiva o no (V RRR máx o VR máx, respectivamente) ha de ser mayor (del orden de tres veces) que la máxima que este va a soportar. 2. La corriente máxima en sentido directo que puede atravesar al componente, repetitiva o no (IFRM máx e IF máx respectivamente), ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar. 3. La potencia máxima que puede soportar el diodo (potencia nominal) ha de ser mayor (del orden del doble) que la máxima que este va a soportar.


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Los diodos

LOS AUTODIODOS

Al aparecer los alternadores en los vehículos, sustituyendo a las dínamos, fue necesario desarrollar un mecanismo de rectificación.

El diodo conduce El diodo no conduce

En la mayoría de los alternadores, el equipo rectificador esta formada por una placa soporte, en forma de herradura, en cuyo interior se encuentran montados seis o nueve diodos, unidos y formando un puente rectificador hexadiodo o nanodiodo. Estos diodos son un tanto singulares, ya que tienen una forma especial para poder embutirlos en esa herradura. Se suele utilizar un multímetro para verificar la salud de los diodos, debiendo estar el puente rectificador desconectado del estator. Para la comprobación de los diodos se tiene en cuenta la característica constructiva de los mismos y es que según se polaricen dejan pasar la corriente o no la dejen pasar.

Despiece de un alternador.

Correspondencia de las conexiones del esquema eléctrico con el esquema físico del puente de diodos.

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Comprobación del puente rectificador hexadiodo.


Fuentes de alimentación

FUENTES DE ALIMENTACIÓN

Por ser una etapa muy importante en cualquier circuito electrónico dedicamos el espacio necesario a este conjunto. A través de su estudio iremos consolidando las ideas que sobre los componentes que intervienen hemos venido desarrollando.

Componentes de una fuente de alimentación La función de una fuente de alimentación es convertir la tensión alterna en una tensión continua y lo más estable posible, para ello se usan los siguientes componentes: 1. 2. 3. 4.

1. TRANSFORMADOR DE ENTRADA El trasformador de entrada reduce la tensión de red (generalmente 230V) a otra tensión mas adecuada para ser tratada. Sólo es capaz de trabajar con corrientes alternas. Significa que la tensión de entrada será alterna y la de salida también. Consta de dos arrollamientos sobre un mismo núcleo de hierro, primario y secundario, que son completamente independientes y la energía eléctrica se transmite del primario al secundario en forma de energía magnética a través del núcleo. El esquema de un transformador simplificado es el siguiente:

Transformador de entrada. Rectificador a diodos. Filtro para el rizado. Regulador (o estabilizador) lineal.

Este último es importante pero no es imprescindible. Red Transformador entrada Rectificador a diodos Filtro Regulador lineal Salida continua


La corriente que circula por el bobinado primario (que está conectado a la red) genera una circulación de corriente magnética por el núcleo del transformador. Esta corriente magnética será más fuerte cuantas mas espiras (vueltas) tenga el bobinado primario. Si se acerca un imán a un transformador en funcionamiento se notará que el imán vibra, debido a que la corriente magnética del núcleo es alterna, igual que la corriente por los arrollamientos del transformador. En el arrollamiento secundario ocurre el proceso inverso, la corriente magnética que circula por el núcleo genera una tensión

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que será tanto mayor cuanto mayor sea el número de espiras del secundario y cuanto mayor sea la corriente magnética que circula por el núcleo (que depende del número de espiras del primario). Por lo tanto, la tensión de salida depende de la tensión de entrada y del número de espiras de primario y secundario. Existe un concepto que nos puede ayudar a entender mejor un transformador y que debemos tener siempre presente: La potencia del primario es igual a la potencia del secundario más…pérdidas. Como el rendimiento suele ser alto podemos igualar, con bastante aproximación ambas potencias. La fórmula general dice que:

Donde I1 e I2 son las corrientes de primario y secundario respectivamente. Esto nos sirve para saber qué corriente tiene que soportar el fusible que pongamos a la entrada del transformador, por ejemplo, supongamos que el transformador anterior es de 0,4 Amperios. Esta corriente es la corriente máxima del secundario I2, pero nosotros queremos saber que corriente habrá en el primario (I1) para poner allí el fusible. Entonces aplicamos la fórmula:

V1 = V2 x (N1/N2)

Para asegurarnos de que el fusible no saltará cuando no debe, por ejemplo en el instante de la conexión, se tomará un valor mayor que este, por lo menos un 30% mayor.

Donde N1 y N2 son el número de espiras del primario y el del secundario respectivamente. Así por ejemplo podemos tener un transformador con una relación de transformación de 230V a 12V, y no podemos saber cuantas espiras tiene el primario y cuantas el secundario pero si podemos conocer su relación de espiras:

N1/N2 = V1/V2 N1/N2 = 230/12 = 19,16 Este dato es útil si queremos saber que tensión nos dará este mismo transformador si lo conectamos a 120V en lugar de 230V, la tensión V2 que dará a 120V será:

I2 = I1 x (N1/N2) 0,4 = I1 x 19,16 I1 = 0,4 / 19,16 = 20,87 mA

2. RECTIFICADOR A DIODOS El rectificador es el que se encarga de convertir la tensión alterna que sale del transformador en tensión continua. Para ello se utilizan diodos. Lo hemos comentado repetidamente en páginas anteriores. Un diodo conduce cuando la tensión de su ánodo es mayor que la de su cátodo. Es como un interruptor que se abre y se cierra según la tensión de sus terminales:

120 = V2 x 19,16 V2 = 120/19,16 = 6,26 V Por el primario y el secundario pasan corrientes distintas, la relación de corrientes también depende de la relación de espiras pero al revés, de la siguiente forma:

I2 = I1 x (N1/N2)

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El rectificador se conecta después del transformador, por lo tanto le entra tensión alterna y tendrá que sacar tensión continua, es decir, un polo positivo y otro negativo:

Cuando Vi sea positiva la tensión del ánodo será mayor que la del cátodo, por lo que el diodo conducirá: en Vo veremos lo mismo que en Vi Mientras que cuando Vi sea negativa la tensión del ánodo será menor que la del cátodo y el diodo no podrá conducir, la tensión Vo (tensión rectificada) será cero. Según lo que acabamos de decir la tensión Vo tendrá esta forma:

La tensión Vi es alterna y senoidal, esto quiere decir que a veces es positiva y otras negativa. En un osciloscopio veríamos esto:

La tensión máxima a la que llega Vi se le llama tensión de pico y en la gráfica figura como Vmax. La tensión de pico no es lo mismo que la tensión eficaz pero están relacionadas. Por ejemplo, si compramos un transformador de 6 voltios son 6 voltios eficaces, estamos hablando de Vi y la tensión de pico Vmax vendrá dada por la ecuación:

Como se puede comprobar la tensión que obtenemos con este rectificador no se parece mucho a la de una batería, pero una cosa es cierta, hemos conseguido rectificar (“planchar”) la tensión de entrada ya que Vo es siempre positiva. Aunque posteriormente podamos filtrar esta señal y conseguir mejor calidad este montaje no se suele usar demasiado. Rectificador puente, conocido como ya hemos leído como puente de Graetz. El rectificador más usado es el llamado rectificador puente, su esquema es el siguiente:

Vmax = Vi x 1, 4142 Vmax = 6 x 1, 4142 = 8, 48 V Rectificador a un diodo El rectificador más sencillo es el que utiliza solamente un diodo, su esquema es este:


Cuando Vi es positiva los diodos D2 y D3 conducen (para entenderlo basta con seguir la dirección de sus flechas y a través de la carga), siendo la salida Vo igual que la entrada Vi. Cuando Vi es negativa los diodos D1 y D4 conducen (seguir la dirección de sus flechas), de tal forma que se invierte la tensión de entrada Vi haciendo que la salida vuelva a ser positiva.

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El resultado es el siguiente:

Vemos en la figura que todavía no hemos conseguido una tensión de salida demasiado estable (plana), por ello, será necesario filtrarla después. Es tan común usar este tipo de rectificadores que se venden ya preparados los cuatro diodos en un solo componente. Suele ser recomendable usar estos puentes rectificadores, ocupan menos que poner los cuatro diodos y para corrientes grandes vienen ya preparados para ser montados en un radiador. Este es el aspecto de la mayoría de ellos:

Un transformador de este tipo tiene una conexión suplementaria en la mitad del arrollamiento secundario:

Normalmente se suele tomar como referencia o masa la toma intermedia, de esta forma se obtienen dos señales senoidales en oposición de fase. Dos señales de este tipo tienen la siguiente forma:

El esquema del rectificador con dos diodos es el siguiente:

Tienen cuatro terminales, dos para la entrada en alterna del transformador, uno la salida positiva y otro la negativa o masa. Las marcas en el encapsulado suelen ser: ~ Para las entradas en alterna + Para la salida positiva - Para la salida negativa o masa.

Tal y como son las tensiones en A y en B nunca podrán conducir ambos diodos a la vez. Cuando A sea positiva (B negativa) el ánodo de D1 estará a mayor tensión que su cátodo, provocando que D1 conduzca. Cuando B sea positiva (A negativa) el ánodo de D2 estará a mayor tensión que su cátodo, provocando que D2 conduzca. Obteniéndose la misma forma de Vo que con el puente rectificador:

Rectificador a dos diodos La forma de la onda de salida es idéntica a la del rectificador en puente, sin embargo este rectificador precisa de un transformador con toma media en el secundario.

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La ventaja de este montaje es que sólo utiliza dos diodos y sólo conduce uno cada vez. Caída de tensión en los diodos: Cuando hablábamos de los diodos decíamos que eran como interruptores que se abren y se cierran según la tensión de sus terminales. Esto no es del todo correcto, cuando un diodo está cerrado tiene una caída de tensión de entre 0,7 voltios y 1 voltio (se trata, como ya vimos, de la tensión umbral) dependiendo de la corriente que este conduciendo esta caída puede ser mayor. Esto quiere decir que por cada diodo que este conduciendo en un momento determinado se "pierde" un voltio aproximadamente. En el rectificador de un diodo conduce solamente un diodo a la vez, por lo tanto la tensión de pico Vmax de la salida será un voltio inferior a la de la Vmax de entrada. Por ejemplo: Imaginemos que tenemos un transformador de 6 V y queremos saber la tensión de pico que queda cuando utilizamos un rectificador de un diodo. La tensión de salida de pico Vmax será la siguiente:

Vmax = 6 x 1.4142 - 1 = 7,5 V En el rectificador en puente conducen siempre dos diodos a la vez, se dice que conducen dos a dos, por lo tanto la tensión de pico de la salida Vmax será dos voltios inferior a la Vmax de entrada. Por ejemplo: supongamos el mismo transformador de 6 voltios y queremos saber la tensión de pico que queda al ponerle un rectificador en puente, la tensión de salida de pico Vmax será la siguiente:

Vmax = 6 X 1.4142 - 2 = 6,5 V Quizás extrañe que el rectificador en puente sea el más usado pese a que "pierde" más voltios. Pero hay que tener en cuenta que la forma de onda del rectificador de un sólo


diodo y el rectificador puente no son iguales y al final acaba rindiendo mucho más el puente de diodos.

3. EL FILTRO La tensión en la carga que se obtiene de un rectificador es en forma de pulsos. En un ciclo de salida completo, la tensión en la carga aumenta de cero a un valor de pico, para caer después de nuevo a cero. Esta no es la clase de tensión continua que precisan la mayor parte de circuitos electrónicos. Lo que se necesita es una tensión constante, similar a la que produce una batería. Para obtener este tipo de tensión rectificada en la carga es necesario emplear un filtro. El tipo más común de filtro es el del condensador a la entrada, en la mayoría de los casos perfectamente válido. Sin embargo en algunos casos puede no ser suficiente y tendremos que echar mano de algunos componentes adicionales. Filtro con condensador a la entrada: Este es el filtro mas común y seguro que se conoce, basta con añadir un condensador en paralelo con la carga (RL), de esta forma:

Todo lo que digamos en este apartado será aplicable también en el caso de usar el filtro en un rectificador en puente. Cuando el diodo conduce el condensador se carga a la tensión de pico Vmax. Una vez rebasado el pico positivo el condensador se descarga. ¿Por que? debido a que el condensador tiene una tensión Vmax entre sus extremos, como la tensión en el secundario del transformador es un poco menor que Vmax el

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cátodo del diodo esta a más tensión que el ánodo. Con el diodo ahora abierto el condensador se descarga a través de la carga. Durante este tiempo que el diodo no conduce el condensador tiene que "mantener el tipo" y hacer que la tensión en la carga no baje de Vmax. Esto es prácticamente imposible ya que al descargarse un condensador se reduce la tensión en sus extremos. Cuando la tensión de la fuente alcanza de nuevo su pico el diodo conduce brevemente recargando el condensador a la tensión de pico.

Efecto del condensador en la conducción del diodo: Como venimos diciendo hasta ahora, el diodo solo conduce cuando el condensador se carga. Cuando el condensador se carga aumenta la tensión en la salida, y cuando se descarga disminuye, por ello podemos distinguir perfectamente en el gráfico cuando el diodo conduce y cuando no. En la siguiente figura se ha representado la corriente que circula por el diodo, que es la misma que circula por el transformador:

En otras palabras, la tensión del condensador es aproximadamente igual a la tensión de pico del secundario del transformador (hay que tener en cuenta la caída en el diodo).

La tensión Vo quedará de la siguiente forma:

La tensión en la carga es ahora casi una tensión ideal. Solo nos queda un pequeño rizado originado por la carga y descarga del condensador. Para reducir este rizado podemos optar por construir un rectificador en puente: el condensador se cargaría el doble de veces en el mismo intervalo teniendo así menos tiempo para descargarse, en consecuencia el rizado es menor y la tensión de salida es más cercana a Vmax. Otra forma de reducir el rizado es poner un condensador mayor, pero siempre tenemos que tener cuidado en no pasarnos ya que un condensador demasiado grande origina problemas de conducción de corriente por el diodo y, por lo tanto, en el secundario del transformador (la corriente que conduce el diodo es la misma que conduce el transformador).

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La corriente por el diodo es a pulsos, aquí mostrados como rectángulos para simplificar. Los pulsos tienen que aportar suficiente carga al condensador para que pueda mantener la corriente de salida constante durante la no conducción del diodo. Esto quiere decir que el diodo tiene que conducir "de vez" todo lo que no puede conducir durante el resto del ciclo. Es muy normal, entonces, que tengamos una fuente de 1 amperio y esos pulsos lleguen hasta 10 amperios o más. Esto no quiere decir que tengamos que poner un diodo de 10 amperios, un 1N4001 aguanta 1 amperio de corriente media y pulsos de hasta 30 amperios. Si ponemos un condensador mayor reducimos el rizado, pero al hacer esto también reducimos el tiempo de conducción del diodo. Como la corriente media que pasa por los diodos será la misma (e igual a la corriente de carga) los pulsos de corriente se hacen mayores:



Y esto no solo afecta al diodo, al transformador también, ya que a medida que los pulsos de corriente se hacen más estrechos (y más altos a su vez) la corriente eficaz aumenta. Si nos pasamos con el condensador podríamos encontrarnos con que tenemos un transformador de 0,5 A y no podemos suministrar más de 0,2 A a la carga (por poner un ejemplo). Valores recomendables para el conden sador en un rectificador en puente: Si queremos ajustar el valor del condensador al menor posible esta fórmula nos dará el valor del condensador para que el rizado sea de un 10% de Vo (regla del 10%):

C = (5 x I) / (F x Vmax)

• • • •

En donde: C: Capacidad del condensador del filtro en faradios I: Corriente que suministrará la fuente F: frecuencia de la red Vmax: tensión de pico de salida del puente (aproximadamente Vo)

Si se quiere conseguir un rizado del 7% podemos multiplicar el resultado anterior por 1,4, y si queremos un rizado menor resulta más recomendable que se use otro tipo de filtro o que se ponga un estabilizador. Ejemplo práctico: Se desea diseñar una fuente de alimentación para un circuito que consume 150 mA a 12V. El rizado deberá ser inferior al 10%. Para ello se dispone de un transformador de 10 V y 2,5 VA y de un rectificador en puente. Elijamos el valor del Condensador: 1. Calculamos la corriente que es capaz de suministrar el transformador para determinar si será suficiente, esta corriente tendrá que ser superior a la corriente que consume el circuito que vamos a alimentar.


It = 2,5 / 10 = 250 mA Parece que sirve y como calcularlo resulta bastante mas complicado nos fiaremos de nuestra intuición. Tengamos en cuenta siempre que el transformador debe proporcionar más corriente de la que se quiere obtener en la carga. 2. Calculamos la Vmax de salida del puente rectificador teniendo en cuenta la caída de tensión en los diodos (conducen dos a dos).

Vmax = 10 x 1,4142 - 2 = 12,14 V Esta será aproximadamente la tensión de salida de la fuente. 3. Calculamos el valor del condensador según la fórmula del 10%, la I es de 150 mA la f es 50 Hz y la Vmax es 12,14 V:

C = (5 x 0,15) / (50 x 12,14) = 0,0012355 F C = 1235,5 µF Tomaremos el valor mas aproximado por encima. Filtros Pasivos RC y LC: Con la regla del 10 por 100 se obtiene una tensión continua en la carga de aproximadamente el 10%. Antes de los años setenta se conectaban filtros pasivos entre el condensador del filtro y la carga para reducir el rizado a menos del 1%. La intención era obtener una tensión continua casi perfecta, similar a la que proporciona una pila. En la actualidad es muy raro ver filtros pasivos en diseños de circuitos nuevos, es más común usar circuitos estabilizadores de tensión. Sin embargo estos estabilizadores tienen sus limitaciones y es posible que no quede más remedio que usar un filtro pasivo.

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Filtro RC: La figura muestra dos filtros RC entre el condensador de entrada y la resistencia de carga.

El rizado aparece en las resistencias en serie en lugar de hacerlo en la carga. Unos buenos valores para las resistencias y los condensadores serían:

De nuevo, la idea es hacer que el rizado aparezca en los componentes en serie, las bobinas en este caso. Además, la caída de tensión continua en las bobinas es mucho menor porque solo intervienen la resistencia de los arrollamientos. Los condensadores pueden ser de 1000 µF y las bobinas cuanto más grandes mejor. Normalmente estas últimas suelen ocupar casi tanto como el transformador y, de hecho, parecen transformadores, menos mal que con una sola sección ya podemos reducir el rizado hasta niveles bajísimos.

• R = 6,8 ! • C = 1000 µF Con estos valores cada sección atenúa el rizado en un factor de 10, se puede poner una, dos, tres secciones. No creemos que hagan falta más. La desventaja principal del filtro RC es la pérdida de tensión en cada resistencia. Esto quiere decir que el filtro RC es adecuado solamente para cargas pequeñas. Es muy útil cuando se tiene un circuito digital controlando relés, en ocasiones estos relés crean ruidos en la alimentación provocando el mal funcionamiento del circuito digital, con una sección de este filtro para la alimentación digital queda solucionado el problema. La caída de tensión en cada resistencia viene dada por la ley de Ohm:

4. EL REGULADOR Un regulador o estabilizador es un circuito que se encarga de reducir el rizado y de proporcionar una tensión de salida de la tensión exacta que queramos. Sólo nos centraremos en los reguladores integrados de tres terminales que son los más sencillos y baratos que hay y en la mayoría de los casos la mejor opción. Este es el esquema de una fuente de alimentación regulada con uno de estos reguladores:

V = I X R Donde I es la corriente de salida de la fuente y R la resistencia en serie con la carga. Filtro LC: Cuando la corriente por la carga es grande, los filtros LC de la figura presentan una mejora con respecto a los filtros RC.

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Si se ha seguido las explicaciones hasta ahora no costará trabajo distinguir el transformador, el puente rectificador y el filtro con condensador a la entrada. Suele ser muy normal ajustar el condensador según la regla del 10%.



Es muy corriente encontrarse con reguladores que reducen el rizado en 10000 veces (80 dB), esto significa que si se usa la regla del 10% el rizado de salida será del 0.001%, es decir, inapreciable.

Las ideas básicas de funcionamiento de un regulador de este tipo son: • La tensión entre los terminales Vout y GND es de un valor fijo, no variable, que dependerá del modelo de regulador que se utilice. • La corriente que entra o sale por el terminal GND es prácticamente nula y no se tiene en cuenta para analizar el circuito de forma aproximada. Funciona simplemente como referencia para el regulador. • La tensión de entrada Vin deberá ser siempre unos 2 o 3 V superior a la de Vout para asegurarnos el correcto funcionamiento. Reguladores de la serie 78XX:

1. Input 2. GND 3. Output.

Este es el aspecto de un regulador de la serie 78XX. Su característica principal es que la tensión entre los terminales Vout y GND es de XX voltios y una corriente máxima de 1A. Por ejemplo: el 7805 es de 5V, el 7812 es de 12V... y todos con una corriente máxima de 1 Amperio. Se suelen usar como reguladores fijos. Existen reguladores de esta serie para las siguientes tensiones: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18 y 24 voltios. Se ponen siguiendo las indicaciones de la página anterior y ya esta, obtenemos una Vout de XX Voltios y sin rizado.


Es posible que se tenga que montar el regulador sobre un radiador para que disipe bien el calor, pero de eso ya nos ocuparemos mas adelante. Reguladores de la serie 79XX:

1. GND 2. Input 3. Output.

El aspecto es como el anterior, sin embargo este se suele usar en combinación con el 78XX para suministrar tensiones simétricas. La tensión entre Vout y GND es de - XX voltios, por eso se dice que este es un regulador de tensión negativa. La forma de llamarlos es la misma: el 7905 es de 5V, el 7912 es de 12V. Pero para tensiones negativas. Una fuente simétrica es aquella que suministra una tensión de + XX voltios y otra de - XX voltios respecto a masa. Para ello hay que usar un transformador con doble secundario, mas conocido como "transformador de toma media" o "transformador con doble devanado". En el siguiente ejemplo se ha empleado un transformador de 12v + 12v para obtener una salida simétrica de ± 12v:

El valor de C se puede ajustar mediante la regla del 10%.

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Regulador ajustable LM317: Este regulador de tensión proporciona una tensión de salida variable sin más que añadir una resistencia y un potenciómetro. Se puede usar el mismo esquema para un regulador de la serie 78XX pero el LM317 tiene mejores características eléctricas. El aspecto es el mismo que los anteriores, pero este soporta 1,5A. El esquema a seguir es el siguiente:

En este regulador, como es ajustable, al terminal GND se le llama ADJ, es lo mismo. La tensión entre los terminales Vout y ADJ es de 1,25 voltios, por lo tanto podemos calcular inmediatamente la corriente I1 que pasa por R1:

I1 = 1,25 / R1 Por otra parte podemos calcular I2 como:

I2 = (Vout - 1,25) / R2 Como la corriente que entra por el terminal ADJ la consideramos despreciable toda la corriente I1 pasará por el potenciómetro R2.

Es decir:

I1 = I2 1,25 / R1 = (Vout - 1,25) / R2 Que despejando Vout queda:

Vout = 1,25 x (1 + R2/R1) Si se consulta la hoja de características del LM317 se verá que la fórmula obtenida no es exactamente esta.

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Ello es debido a que tiene en cuenta la corriente del terminal ADJ. El error cometido con esta aproximación no es muy grande pero si se puede usar la fórmula exacta. Observando la fórmula obtenida se pueden sacar algunas conclusiones: cuando se ajuste el potenciómetro al valor mínimo (R2 = 0 ! ) la tensión de salida será de 1,25 V. Cuando se vaya aumentando el valor del potenciómetro la tensión en la salida irá aumentando hasta que llegue al valor máximo del potenciómetro. Por lo tanto ya sabemos que podemos ajustar la salida desde 1,25 en adelante. En realidad el fabricante nos avisa que no pasemos de 30V. Cálculo de R1 y R2: Los valores de R1 y R2 dependerán de la tensión de salida máxima que queramos obtener. Como sólo disponemos de una ecuación para calcular las 2 resistencias tendremos que dar un valor a una de ellas y calcular la otra.

Lo más recomendable es dar un valor de 240 ! a R1 y despejar de la última ecuación el valor de R2 (el potenciómetro). La ecuación queda de la siguiente manera:

R2 = (Vout - 1,25) x (R1/1,25) Por ejemplo: Queremos diseñar una fuente de alimentación variable de 1,25 a 12v. Ponemos que R1 = 240 !. Sólo tenemos que aplicar la última fórmula con Vout = 12 y obtenemos R2:

R2 = (12 - 1,25) x (240 / 1,25) = 2064

!

El valor mas próximo es el de 2 K !, ya tendríamos diseñada la fuente de alimentación con un potenciómetro R2 de 2 K! y una resistencia R1 de 240 !. En teoría podemos dar cualquier valor a R1 pero son preferibles valores entre 100 ! y 330 !.



Regulador Ajustable de potencia LM350:

1. Adj 2. Output 3. Input.

El LM317 es muy útil para conseguir tensiones variables, sin embargo no es capaz de suministrar más de 1,5A a la carga. El LM350 es otro regulador variable que funciona exactamente igual que el LM317, con la diferencia de que este es capaz por si solo de suministrar 3A. Para conseguir más de 3 A podemos acudir al siguiente esquema que utiliza un transistor de paso para ampliar la corriente:

En este circuito, la resistencia de 0,6 ! se usa para detectar la máxima corriente que pasará por el regulador. Cuando la corriente es menor de 1 A, la tensión en bornas de los 0,6 ! es menor que 0,6 V y el transistor está cortado. En este caso el regulador de tensión trabaja solo. Cuando la corriente de carga es mayor de 1 A, la tensión en bornas de los 0,6 ! es mayor de 0,6 V y el transistor entra en conducción. Este transistor exterior suministra la corriente de carga extra superior a 1 A. En definitiva, el regulador solamente conducirá una corriente poco superior a 1 A


mientras que el transistor conducirá el resto, por ello podríamos cambiar tranquilamente en este circuito el LM350 por un LM317. La resistencia de 0,6 ! será de 3 o 4 W dependiendo del transistor empleado. Si montamos el circuito con un transistor TIP32 podremos obtener 4 A, ya que el TIP32 soporta una corriente máxima de 3A. Y si lo montamos con un MJ15016 podemos llegar hasta 16A. Se puede usar cualquier otro transistor de potencia PNP. Disipación de potencia en los regulado res: Cuando un regulador esta funcionando se calienta. Esto es debido a que parte de la potencia tomada del rectificador es disipada en el regulador. La potencia disipada depende de la corriente que se esté entregando a la carga y de la caída de tensión que haya en el regulador.

La figura muestra un regulador funcionando. La corriente que lo atraviesa es la corriente de la carga IL. Recordemos también que para que un regulador funcione correctamente la tensión de entrada Vin tenia que ser mayor que la tensión de salida Vout. Por lo tanto la caída de tensión en el regulador Vr será:

Vr = Vin - Vout

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Y la potencia disipada vendrá dada por la la siguiente ecuación:

PD = Vr x IL Los reguladores que hemos visto son capaces de disipar una potencia de 2 o 3 W como mucho por si solos. Si se llega a esta potencia es necesario montarlos sobre unos radiadores adecuados, que serán más grandes cuanta más potencia queramos disipar. Para evitar que la potencia disipada sea lo menor posible tendremos que procurar que Vin no sea mucho mayor que Vout. Ejemplo 1:

Tenemos una fuente de alimentación variable desde 1,25 V a 15 V y 0,5A con un LM317. Como la tensión máxima de salida es 15v, la tensión de entrada al regulador tendrá que ser de 18v más o menos. Vamos a calcular la potencia que disipa el regulador cuando ajustamos la fuente a 15 V, 4 V y 2 V. En todos los casos la corriente de salida será 0,5A. A 15 V la caída de tensión en el regulador será de 18 - 15 = 3V, la corriente es 0,5 A luego:

PD = 3 x 0,5 = 1,5 W A 4 V la caída de tensión en el regulador será de 18 - 4 = 14 V, la corriente es 0,5A luego:

PD = 14 x 0,5 = 7 W A 2 V la caída de tensión en el regulador será de 18 - 2 = 16v, la corriente es 0,5A luego:

Fijémonos que hemos hecho los cálculos para el mejor de los casos en el que nos hemos preocupado de que la tensión de entrada al regulador no sea mas de la necesaria, aun así tenemos que poner un radiador que pueda disipar poco más de 8W. Es un radiador bastante grande para una fuente de medio amperio nada más. Este es un problema que surge cuando queremos diseñar una fuente con un alto rango de tensiones de salida. Verificamos que al hacer el cálculo para una fuente variable hasta 30v y 1A, salen más de 30 W.

Ejemplo 2:

Queremos una fuente fija con una salida de 5V y 0.5A, vamos a calcular la potencia que se disipa en el regulador usando un transformador de 7 voltios y otro de 12 voltios.

Para el transformador de 7 voltios: La Vmax de salida del transformador será 7 X 1,4142 = 9,9 V descontando la caída en los diodos del puente serán 7,9v a la entrada del regulador. Como la salida es de 5 V la potencia disipada PD será:

PD = (7,9 - 5) x 0,5 = 1,45 W Para el transformador de 12 voltios: La Vmax de salida del transformador será 12 x 1,4142 = 16,9 V, descontando la caída en los diodos del puente serán 14,9v a la entrada del regulador. Como la salida es de 5 V la potencia disipada PD será:

PD = (14,9 - 5) x 0,5 = 4,95 W

PD = 16 x 0,5 = 8 W

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ASPECTO DE ALGUNOS DIODOS DE PEQUEÑO TAMAÑO. En esta tabla no están todos los encapsulados en los que se fabrican los diodos, pero si están los más importantes.

DO-5

DO-35

DO-41

TO-220AC

TO-3

PWRTAB

PWRTABS

SOT-223

SMA

SMB

SMC

D618sl

D2pak Puentes rectificadores

Dpak

TO-200AB

TO-200AC

B380C1000G(GS)

KBPC(D46)

KBB(D37)

GBL

GBU (IR)

GBPC(D34) (IR)

DF8(D71)


IN LINE 5S2(FAGOR)

POWER-L(FAGOR)

DF(D70)

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ASPECTO Y CARACTERÍSTICAS DE DIODOS DE MAYOR TAMAÑO.

IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas) VRSM

3A

VRRM V

6,7 A IFAV (SIN 180 - T = 45° C

1,15 A Cmax µF Rmin ! Ref.:

1,8 A Cmax µF Rmin ! Ref.:

1200

400

6

SK1/12

1600

2

SK3/12

1600

200

10

SK1/16

-

-

-

V(BR) min 1700

TIPO AVALANCHA 200

10

SKA1/17

800

4

SKA3/17

IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas) VRSM

5A

VRRM

IFAV (SIN 180 - T = 45° C

V 1200

2,5 A referencia

V(BR) min 1700

10 A 5 A SK2.5/12

referencia

-

TIPO AVALANCHA referencia

SKNA2/17

referencia

SKNA4/17

IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas) 40 A IFAV (SIN 180 - T case = 100° C) 25 A VRSM VRRM V

1200

78

SKN20/12

SKR20/12

SKN26/12

SKR26/12




IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas) 80 A 150 A IFAV (SIN 180 - T case = 100° C) 25 A 50 A (118°C)

SKN45/12

95 A (100°C)

SKR45/12

SKN70/12

SKR70/12

IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas)

SKN100/12

200 A

260 A

500 A

125 A

IFAV (SIN 180 - T case =100º C) 25 A 165 A

320 A

SKR100/12

SKN130/12

SKR130/12

SKN240/12

SKR140/12

IFRMS (valor máximo para operaciones continuadas) VRSM VRRM

700 A IFAV (SIN 180 - T case =100º C)

V

420 A (118º C)

800

SKN320/08


-

79



ID (Tamb=45ºC) 2,5 A

VRSM VRRM V

VRSM V

Cmax µF

Rmin !

REFERENCIA

1200

500

500

6

SKB2/12

VRSM VRRM V

VRSM V

Cmax µF

REFERENCIA

Rmin !

REFERENCIA

400

125

0,5

SKBB70/70A

-

-

1200

380

2

SKBB50/445

0,75

SKB15/12

ID (Tamb=45ºC) 5 A

ID (Tamb=117ºC) 15 A

ID (Tcase=...) 17 A

VRSM VRRM V

ID (Tamb=45ºC - 5,3 A) SKB25/12

1200 1600

SKB25/16

ID (Tamb=45ºC) 5 A

VRSM VRRM V

Rmin !

REFERENCIA

Rmin !

REFERENCIA

1200

0,75

SKB30/12

0,60

SKB50/12

1600

80

1

Rmin !

REFERENCIA SKB60/12

SKB30/16



Es muy fácil: Del análisis de las tablas anteriores se desprenden varias consecuencias de las que aún no habíamos hablado:

1. Nos percatamos de que existen diodos de gran tamaño y que llevan una rosca, normalmente para fijarlos a un radiador como el de la figura. Carga

2. Para el montaje de estos diodos en un puente, monofásico o trifásico, es necesario disponer de diodos directos 2/3 (según sea el puente monofásico o trifásico) y de diodos inversos 2/3 (puente monofásico o trifásico). 3. Un diodo directo será, por ejemplo, el que tenga el ánodo en la rosca. 4. Un diodo inverso tendrá el cátodo en la rosca. 5. Otro detalle importante, que nos debe preocupar, es la temperatura de la unión n-p (que se relaciona con T case) y para detectarla existe un orificio en el cuerpo de los diodos de gran tamaño, que nos permite la introducción del termopar de un termómetro.

Carga

Para terminar este apartado sobre diodos, vamos a descubrir una aplicación importante y que nos puede ser de gran ayuda. Imaginemos que disponemos de una fuente de tensión continua, una batería de 12 voltios, que podemos cargarla porque disponemos de una fuente de alimentación para ese menester. La utilizamos para receptores de esa tensión, 12 V pero imaginemos que necesitásemos menos tensión, por ejemplo en torno a los 10 V ¿Cómo lo solucionaríamos? Muy fácil, disponiendo dos diodos soldados en serie en el terminal positivo de la batería:

6. ¿Seriamos capaces de dibujar un puente de diodos, en frío, basándonos en su funcionamiento?


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DIVERSOS MODELOS DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN REGULABLES

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Cómo fabricar un protector contra subidas de tensión

CÓMO FABRICAR UN PROTECTOR CONTRA SUBIDAS DE TENSIÓN

Planteamos un ejercicio interesante que tiene que ver con las variaciones bruscas de tensión, picos, espúreos, o con la caída del neutro de una acometida trifásica.

Una de las causas más frecuentes de las averías en nuestros ordenadores son las subidas de tensión de la red eléctrica, debidas a fenómenos transitorios, de ahí que nos planteemos muchas veces el adquirir algún tipo de dispositivo para proteger nuestros equipos. Puede ser habitual la llegada por la red de picos de tensión provocados por arranque de motores, variadores de velocidad, disparo de protecciones o soldadura eléctrica. Estos picos hacen sufrir la fuente de alimentación de los dispositivos electrónicos que tengamos instalados.

Hay otro tipo de subidas, de enorme magnitud, inesperadas, y que se producen cuando el neutro se desplaza hacia una fase activa, provocadas por alguna reparación externa de las líneas y la instalación eléctrica de nuestras casas se ve afectada con nada menos que 400 voltios.


Se conoce como caída del neutro. Las fuentes de alimentación de los ordenadores aguantan, casi todas, con bastante seguridad hasta los 250 V, pero ni mucho menos 400V como se da en el supuesto mencionado. En este artículo abordamos cómo realizar una económica, pero eficaz, protección para ambos casos, pero vamos a centrarnos en la protección del ordenador únicamente, siendo válido lo que se describa para el otro tipo de protección que la llevaremos a cabo si sospechamos que la caída del neutro puede llegar a darse. Advertimos que existen muy pocos dispositivos en el mercado que protejan de la desaparición momentánea del neutro. Empecemos el montaje. Se trata de montar unos varistores en paralelo con los cables que alimentan nuestro ordenador.

Pequeña explicación teórica Los varistores proporcionan una protección fiable y económica contra transitorios de alto voltaje que pueden ser producidos, por ejemplo, por relámpagos, conmutaciones o ruido eléctrico en líneas de potencia de CC o CORRIENTE ALTERNA. Los varistores tienen la ventaja sobre los diodos (supresores de transitorios) que, al igual que ellos pueden absorber energías transitorias (incluso más altas) pero además pueden suprimir los transitorios positivos y negativos (recordemos la direccionalidad única de los diodos). Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro valor muy bajo.

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El transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera los componentes sensibles del circuito. Los varistores se fabrican con un material no-homogéneo. (Carburo de silicio).

Características • Amplia gama de voltajes - desde 14 V a 550 V (RMS). • Esto permite una selección fácil del componente correcto para una aplicación específica. • Alta capacidad de absorción de energía respecto a las dimensiones del componente. • Tiempo de respuesta de menos de 20 ns, absorbiendo el transitorio en el instante que ocurre. • Bajo consumo (en stand-by) - virtualmente nada. • Valores bajos de capacidad, lo que hace al varistor apropiado para la protección de circuitería en conmutación digital. • Alto grado de aislamiento. Insistimos en que son componentes cuya resistencia aumenta cuando disminuye el voltaje aplicado en sus extremos.

- VOLTAJE » + RESISTENCIA + VOLTAJE » - RESISTENCIA

Símbolo

Aspecto físico

Aplicaciones de la VDR • Compensación del valor óhmico cuando varía la tensión en un circuito. • Estabilizadores de tensión. Por tanto, si ponemos entre los cables de alimentación unos varistores, alimentaremos nuestro ordenador normalmente,

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pero si la tensión se eleva de una forma peligrosa (superior a los 250 V), se harán conductores y cortocircuitarán la fase con el neutro o la fase con la toma de tierra, de manera que harán saltar las protecciones de nuestra vivienda, cortando la corriente. Es decir, crearemos un cortocircuito intencionadamente, una "avería eléctrica momentánea" que hará saltar lo que normalmente llamamos "automático”, pero que técnicamente recibe el nombre de interruptor magnetotérmico, que hoy en día es de obligada instalación en todas las viviendas.

Material necesario • Vamos a necesitar 3 varistores de 250 V y de aproximadamente 50 A. • Una base múltiple, que será donde conectaremos el ordenador y sus periféricos. • Un poco de macarrón termoretráctil. • Una caja de plástico pequeña, y una ficha de empalme. • Todos estos componentes los podemos encontrar en cualquier establecimiento de componentes electrónicos a unos precios muy asequibles. • Los varistores vienen a salir por 1 € la unidad, la cajita unos 2,40 €, el macarrón termoretráctil 1,20 € un metro, y la base múltiple la podemos encontrar, según sea el lugar donde la compremos, desde 1 a 3 €. • Para este montaje hemos aprovechado una base múltiple simple, pero aconsejamos una con interruptor de corte bipolar y piloto incorporado.



Primeros pasos y más teoría Preparación de la caja : no tiene mayor dificultad, simplemente perforaremos por los dos extremos para que pueda pasar la manguera de alimentación (7,5 mm aprox.) y realizar las conexiones dentro de la caja. Después abriremos la manguera dejando a la vista los tres conductores internos (con mucho cuidado de no dañar el aislante de los mismos ), y pelaremos sus puntas dejando el alambre al desnudo, una longitud suficiente para realizar las conexiones en la ficha de empalme.

Los tres cables conductores que apreciamos en la fotografía son: • La fase activa (cable marrón, negro o gris en algunas ocasiones), esta fase es la que lleva los 230 V de tensión alterna, es decir que entre esta fase y el neutro o tierra, están presentes 230 V. Esta aclaración nos sirve para cualquier aparato, o caja de conexiones eléctrica. • El neutro (siempre de color azul ) es el conductor de tensión 0 Voltios (o aproximada), es decir, es el que crea la diferencia de potencial con la fase para que circulen entre ellos los 230 V. Con éste no hay que tener tantos miramientos (tocarlo o no) pues, al no llevar tensión, no nos dará calambre "casi nunca". (Por si acaso hay que ser prudentes, pues en ciertas instalaciones no sabemos lo que podemos encontrarnos, ni sabemos si se ha respetado el código de colores.)


• El conector de tierra (siempre de amarillo y verde ), es el conductor para descargar la tensión que puede llegar a circular cuando hay una fuga debido a una avería. Es una buena conexión a 0 V, pues aunque tocásemos el aparato averiado, la tensión de fuga que tuviera se iría por el conductor de tierra, evitándonos una desagradable y peligrosa descarga. En la entrada de nuestras viviendas, en el cuadro de control y protección tenemos un interruptor diferencial, y por lo menos un interruptor magnetotérmico.

El diferencial dispone de una palanquita para activarlo de nuevo y un botón de test, y el magnetotérmico simplemente de una palanca que se sube para conectar y baja cuando salta o lo desconectamos. De esta forma si se produce un cortocircuito (la unión de los hilos marrón y azul) habría un consumo excesivo y el magnetotérmico saltaría. ¿Inconvenientes? Que en el hipotético supuesto de que se sobrepase el límite de tensión, tendremos un momentáneo apagón en toda la casa, pero salvaremos nuestro equipo de modo rápido de una sobretension que podría dañarlo más que un corte de corriente y un Scandisk al arrancar de nuevo. Otra forma sería que el neutro (azul) o la fase (marrón) hiciesen contacto con el conector de tierra (amarillo-verde), en este caso entraría en funcionamiento el interruptor diferencial o "salvavidas". Esta protección hoy en día es de obligado montaje en cualquier tipo de instalación eléctrica de baja tensión.

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¿Cómo funciona? Es el vigilante de la seguridad de la casa, que constantemente verifica que la corriente que sale por la fase (marrón), regresa por el neutro (azul). Cuando hay una pérdida de corriente por cualquier motivo (una descarga a una persona, o a tierra, por avería), salta automáticamente y no se puede activar hasta que no cese la pérdida. Son tan sensibles que algunas veces, en instalaciones viejas, llegan a saltar por la lluvia, ya que la humedad produce fugas de corriente. Pero lo importante es que si por cualquier motivo, alguno de nosotros recibiésemos una descarga eléctrica, el diferencial saltaría salvándonos seguramente la vida. De esta manera vamos a aprovechar este valioso aparato casero para hacerlo saltar si sube la tensión.

El montaje en sí No nos olvidemos antes de continuar, el asegurar la manguera eléctrica con dos bridas de plástico para proteger la conexión de posibles tirones involuntarios, que pudiesen producir daños en nuestro montaje.

Así cortará la corriente y salvaremos nuestro ordenador de una descarga. NOTA: Si nuestra instalación no dispone de toma de tierra, utilizaremos un único varistor entre los cables de la fase activa (marrón) y el neutro (azul). La protección será igualmente eficaz pues saltará el magnetotérmico en caso de subida excesiva de tensión. A continuación, montamos los tres varistores: simplemente intercalamos un varistor entre fase y neutro (marrón-azul), otro entre fase y tierra (marrón-verde/amarillo), y otro entre neutro y tierra (azulverde/amarillo).

El montaje está terminado y listo para conectar.

Bridas.

Si conectamos un varistor entre la fase y el conductor de tierra (marrón con verdeamarillo) y otro entre neutro y tierra (azul y verde-amarillo), cuando suba la tensión por encima de 250 V, conducirá el varistor y creará una perdida de corriente a través del conductor de tierra que hará saltar el interruptor diferencial de la vivienda.

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NOTAS: Este montaje es perfectamente válido para casi cualquier electrodoméstico de mediano consumo (hay varistores de 50 amperios que a 230 V serian capaces de soportar 11.000 vatios aprox.), así que podemos utilizarlo para proteger nuestro grabador de video, equipo de música, TV, etc.,



protegiéndonos de las clásicas descargas que se producen cuando estamos fuera del hogar y que pueden quemar aparatos como el vídeo (recordemos que el vídeo no se desconecta nunca de la red, está siempre en espera hasta que lo hacemos funcionar nosotros. Muchos fabricantes de equipos electrónicos incluyen varistores dentro de sus aparatos para protegerlos de subidas de tensión, es más, estos componentes se utilizan casi en exclusiva como fusibles de protección para equipos o instalaciones profesionales. Si un aparato electrónico, que incluya este dispositivo, se nos avería y tenemos fácil acceso a la fuente, siempre podremos verificar si quien provoca el disparo del limitador es un varistor dañado (ver "averías").

Cuando una subida de tensión haga saltar el magnetotérmico o el diferencial: Esperaremos un rato. Verificaremos en la vecindad si tienen luz. Porque si no tienen…, puede tratarse de la otra posibilidad, ya comentada, de la caída del neutro y eso afecta a todos los vecinos. Y conviene esperar a que arreglen la avería que habrá destrozado la mayor parte de los electrodomésticos del edificio (en nuestra vivienda posiblemente se hayan salvado). Desenchufaremos la regleta protegida de la red, y a continuación restauramos a su posición normal el diferencial, el magnetotérmico o ambos. Seguidamente volveremos a enchufar nuestra regleta protegida y a trabajar de nuevo. Posibles averías y conclusión Como nuestro protector podría averiarse y tendremos que repararlo, vamos a ver como solucionarlo.


¿Qué pasa si al conectar la regleta al enchufe, sigue saltando el diferencial o el limitador y el resto de la comunidad dispone de fluido? Posiblemente la última subida fue tan grande, o fue la postrera de repetidas subidas, que uno o varios de nuestros varistores, no han podido aguantar y se han quemado, se han quedado en cortocircuito y están comunicadas permanentemente sus patillas. Si lo que salta es el magnetotérmico, sin duda alguna se ha deteriorado el varistor que comunica la fase con el neutro (marrónazul), la solución es simplemente sustituirlo por uno nuevo.

Si por el contrario es el diferencial el que salta, sin duda se habrá ido alguno de los otros dos varistores. ¿Solución? Sustituirlos. Como consejo, sustituir siempre los tres varistores, son económicos y no merece la pena mantenerlos cuando ha fallado uno. Si disponemos de un polímetro, y ajustamos la medida a realizar en la escala de resistencias o continuidad, al conectar entre las patillas del varistor las bananas de medida nos marcará una resistencia infinita, si el varistor está en buen estado. Si el varistor está averiado, conducirá, el polímetro pitará (si dispone de esa función) y se pondrá el display a cero Ohmios y en ese caso habrá que sustituirlo.

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SI NOS QUEDAMOS A OSCURAS...

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ADIOS AMIGOS, HASTA LA PRÓXIMA ENTREGA (( RECORDAD INTERCALAR EL ÍNDICE DEFINITIVO ))

HASTA LA PRÓXIMA ENTREGA

El Transistor

EL TRANSISTOR. Hemos comentado que el desarrollo del diodo semiconductor fue consecuencia de la válvula diodo, buscando otras ventajas de índole práctico. En la misma línea y tratando de lograr un

William Bradford Shockley

equivalente semiconductor del tríodo (válvula termoiónica con ánodo, cátodo y rejilla) se iniciaron investigaciones dando el fruto deseado con el descubrimiento del transistor.

John Bardeen

Walter Houser Brattain

Imágenes del transistor 1947 fabricado por William Shockley, John Bardeen, y Walter Houser Brattain


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El Transistor

Historia del Transistor. En julio de 1948, John Bardeen, William Shockley y Walter Houser Brattain, continuando con las investigaciones, descubren que al mezclar más elementos o cristales pertenecientes al grupo de los metaloides, midiendo valores resistivos y aplicándoles señales o corrientes, obtenían como resultado una amplificación de éstas. El nuevo semiconductor, bautizado como transistor, controlaba, polarizando sus uniones, su resistencia interna y esto permitía ser usado como conductor o aislante y especialmente como amplificador de señales. Sus fundamentos han sido descritos como el fenómeno físico más sorprendente y uno de los avances científicos más grandes de nuestra época, y también el más importante, dentro de la electrónica, después de que, en noviembre de 1904, Fleming, estudiando el efecto Edison, inventó la válvula diodo, que posteriormente perfeccionaron Lee de Forest y Langmuir ideando el tríodo. El nombre original en inglés de este dispositivo fue de transfer resistor, transferidor de resistencias, que abreviado quedó como transistor. La invención del transistor, anunciada en julio de 1948, fue el resultado de investigaciones básicas en semiconductores que tuvo su inicio en los laboratorios de la Bell Telephon. Entre 1931 y 1932 fue cuando Becker y Brattain, en sus indagaciones, descubrieron que el efecto rectificador era una propiedad de los semiconductores. Poco antes del comienzo de la segunda guerra mundial se comprobó que el silicio era un buen semiconductor y se comenzó a usar como rectificador de señal en el radar que se usó durante la contienda. Al fin de la guerra, se reiniciaron nuevamente las investigaciones con Shockley a la cabeza del grupo. Éste propuso que podía controlarse el número de portadores de carga cerca de la

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superficie de un semiconductor mediante la aplicación al mismo de una tensión eléctrica. Cuando Bardeen y Brattain intentaban mejorar el tiempo de respuesta en una muestra de germanio, descubrieron el efecto transistor. La aplicación de este efecto para amplificar corrientes fue demostrada, el 27 de diciembre de 1947, colocando dos contactos metálicos separados apenas 0,05mm entre sí sobre la superficie de germanio. Con pequeñas variaciones de corriente aplicadas a un lado de la muestra, se constataron grandes variaciones en el otro extremo. Por esta contribución Bardeen, Brattain y Shockley recibieron el premio Nóbel de física en 1956. A partir de los años 50 la tendencia al uso de circuitos electrónicos incrementó considerablemente su demanda.

Así es como quedó construido el transistor en los primeros años de su fabricación.

El grado de integración de la técnica electrónica en todos los campos de la industria y de la economía es de tal nivel que ha pasado a ser considerada como una tecnología de carácter estratégico para los Estados Unidos, la Unión Europea, Japón y por algunos países en proceso de industrialización como Corea, Taiwán, Singapur, Hong Kong y muy recientemente China.


El Transistor

La tecnología electrónica representa una de las actividades económicas más grandes del mundo (más del 50%) y con una fuerte tendencia a crecer. Los productos electrónicos tienen un alto valor añadido y en su fabricación se requiere

personal con alto nivel de preparación. Las diez compañías de electrónica más grandes en el mundo son: IBM, Matsushita Electric, NEC, Philips, SIEMENS, Toshiba, Hitachi, AT&T, Fujitsu y SONY.

ANECDOTARIO. Es obligado comentar una leyenda relacionada con la invención del transistor. Nos referimos al Incidente OVNI de Roswell que tiene que ver con la supuesta caída de una nave extraterrestre en Roswell, Nuevo México, EEUU, en 1947. Algunos especialistas en ufología y gran parte del público se han interesado por los acontecimientos de Roswell. Se han escrito muchos libros y rodado películas sobre los presuntos sucesos, tanto novelas de ficción como informes serios y elaborados. Los partidarios de la hipótesis extraterrestre consideran el caso Roswell como uno de los acontecimientos ufológicos más importantes, ya que a partir de este suceso comenzó la historia de la ufología moderna. Los escépticos alegan que la hipótesis que sostiene que en Roswell cayó una nave extraterrestre se apoya en pruebas insuficientes o poco fiables y que presenta demasiadas incoherencias. Sostienen además que existen otras explicaciones a los sucesos de Roswell que resultan mucho más admisibles que la hipótesis de naves extraterrestres. Además se debe tomar en consideración el lucro comercial, a través de la venta de libros, entrevistas, etc, que obtienen varios de los principales involucrados que apoyan la hipótesis extraterrestre.

Supuesta autopsia de un extraterrestre que luego se demostró ser un montaje.


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El Transistor

Pero lo más sorprendente fue la vinculación de la invención del transistor con la supuesta caída del OVNI… Vamos a reproducir un texto, extraído de Internet, que se refiere al tema: “Pero, hablando de noticias basura, Sierra riza el rizo al hacerse eco de las manifestaciones de su colega STANTON T. FRIEDMAN, un físico y ufólogo famoso por creerse todo tipo de historias disparatadas [Sierra, 1995d]. Friedman sostiene que el secretismo gubernamental en torno a Roswell tiene su origen en la importancia de la tecnología alienígena. Así, el ufólogo norteamericano se atreve a apuntar que la invención del transistor fue posible a partir del estudio del platillo volante estre llado en Roswell. La prueba es que «el nacimiento o ficial del transistor se produce el 23 de diciembre de 1947» , seis meses después del incidente de Nuevo México. La memez de Friedman, para quien en medio año hay tiempo suficiente para entender la tecnología alienígena, adaptarla a las necesidades terrestres y probarla satisfactoriamente, no hace que suene la alarma en la cabeza de Sierra, sino al contra rio. El ufólogo alicantino, en su delirio, advierte que los inventores del transistor «tuvieron conexiones políticas y con los servicios de inteligencia al más alto nivel» -¿podía ser de otra forma en plena guerra fría?- y apunta a uno de ellos, WILLIAM , como «el científico idóneo para recibir piezas de Roswell para su B. SHOCKLEY eventual manufacturación».” “La disparatada idea de atribuir el nacimiento del transistor a tecnología alienígena no tiene nada que envidiar a las portadas de Noticias del Mundo, en las que es habitual ver al presidente de Estados Unidos pasear por el campo charlando con un extraterrestre. El mismo ufólogo que hace cuatro años criticaba en Más Allá la abundancia de noticias sobre ovnis «basadas en fuentes inexistentes o descarada mente falsas» [Sierra, 1991] se dedica ahora a hacer publicidad de una película cuyo autor se oculta en el anonimato, a dar más credibilidad a un productor televi sivo con intereses económicos en el asunto que a patólogos que no tienen nada que ganar, y a propalar las sandeces de un investigador ovni que ve conspiracio nes y extraterrestres por todos lados. Este es el auténtico niño prodigio de la ufouf o logía española.”

Curioso, ¿no?

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El Transistor

Conviene echar una mirada hacia atrás.

Hemos visto, en páginas anteriores, la conducta de los componentes pasivos y también del diodo, cuyo comportamiento se ha descrito de forma bastante exhaustiva hasta el punto de perder casi la noción de qué utilidades puede tener, salvo las descritas y la de ser elemento clave en una fuente de alimentación. Vamos, por ello, a insistir en ese punto porque nos a servir para desentrañar el comportamiento del transistor transistor.. Un diodo es una válvula, valga el símil, una trampilla que situada en una tubería de agua sólo se abate (se abre) en un sentido, quedando cerrada en el otro, es decir:

El sentido del agua es la corriente eléctrica. Si colocamos un diodo en el circuito de una bombilla observaremos que ésta luce la mitad debido a que el diodo hace desaparecer medio periodo y esto traducido al idioma común significa que el circuito consume aproximadamente la mitad.

Por tal motivo deberemos entender que es posible colocar una bombilla de 125 V en un circuito de 230 V, con un diodo intercalado, sin que se funda. ¿Esto qué nos indica? Sencillamente: Utilidades que nos permiten entender el comportamiento del diodo.


Imaginemos una estufa eléctrica de 2000W.

Colocamos dos interruptores, uno que activa los 2000W y dispondremos del calor correspondiente a esa potencia. En el circuito del otro interruptor intercalamos un diodo y tendremos el calor que pueden emitir los 1000W y... ¡consumiendo la mitad de la potencia total de la estufa! La mayoría de placas de este estilo funcionan así. Otra aplicación importante del diodo, no descrita, es su incorporación en los electrodomésticos, en una zona insospechada: ¡En la clavija de alimentación! Para dotar al aparato de una función, cada día menos necesaria pero no por ello importante: Que el electrodoméstico en cuestión sea bitensión, es decir, que tenga la posibilidad de conectarlo indistintamente a 230/125 voltios.

Llegados a este punto conviene que nos hagamos toda una serie de preguntas relacionadas con el tema y que no estén condicionadas por la rigidez de un cuestionario. Se trata de las interrogaciones simples, que se haría cualquier persona al enfrentarse con un elemento nuevo.

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El Transistor

• ¿Qué es un transistor? • ¿Para que sirve realmente? • ¿Sustituye a algún modelo de compocomponente que se haya quedado anticuado? • ¿Cómo se identifica? • ¿Cómo se compra? • ¿Es caro? • ¿Se desgasta con el tiempo? • ¿Tiene incompatibilidades? • ¿Puede prescindirse olímpicamente de él? Empecemos… Al iniciar este apartado se habla de lo significó su descubrimiento, nada menos que tres premios Nobel. Esto de por sí ya tiene trascendencia porque no van dando este tipo de enaltecimientos todos los días. La mayor parte de las preguntas que a priori nos hagamos, y muchas más, se irán contestando en los próximos párrafos, pero como ejemplo bastante concluyente vamos a adelantarnos explicando una utilidad que lo define con suficiente precisión: Se trata de construir un variador de velocidad, o caudal, como queramos definirlo, de un ventilador del modelo que llevan las torres de los ordenadores, donde se ubica la CPU, para que la velocidad del ventilador se ajuste a la necesidad de evacuar el calor del procesador, en función del calor que éste desprenda.

Más adelante podremos entender mejor este montaje, pero ahora la figura nos sirve para justificar la presencia de un transistor en el circuito, del que explicamos someramente su funcionamiento. El potenciómetro se encarga del ajuste, como casi todos los potenciómetros. La NTC es quien capta la temperatura del sistema. Es una resistencia que, como ya vimos, varía negativamente en función de la temperatura, esto es, a mayor temperatura menor resistencia. Este montaje nos libera de estar pendientes de un ajuste manual de la velocidad. Sólo diremos que el calor que absorbe la NTC obliga al transistor a dar paso a mayor mayor o menor intensidad al ventilador. El Transistor de Unión

Principio de funcionamiento. El transistor es un elemento semiconductor que tiene la propiedad de poder gobernar a voluntad la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres terminales, que se llaman emisor y colector, a través de la acción de una pequeña corriente, mucho más baja que la anterior, aplicada al tercer terminal, que recibe el nombre de base.

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El Transistor

El transistor dispone de dos uniones semiconductoras, separadas por una finísima capa de material. Supongamos que se dispone de una estructura formada por dos zonas de material semiconductor tipo N (formado por germanio o silicio sobre el que se ha difundido o diluido un segundo material que tiene un exceso de electrones, tal como fósforo o arsénico) y entre ellos existe una capa muy delgada de otro, tipo P (formado a partir del mismo material base que el N, con la adición de un segundo que produzca un defecto de electrones, tal como indio o boro). El conjunto forma dos uniones: una P-N y otra N-P produciéndose entre las tres zonas un movimiento de electrones, similar al que se forma en el diodo, que provoca la aparición de dos regiones de transición en la que se generan unas pequeñas diferencias de potencial, de forma que las dos zonas N quedarán a una tensión ligeramente más positiva que la zona P, P, intermedia.

a) Regiones

b) Símbolo

Composición y símbolo del transistor NPN

a) Regiones

El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama de amplificación.

A este factor se le denomina ß (beta) y es un valor propio de cada transistor. IC (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por IB (corriente que pasa por la patilla base): IC = ß x IB IE (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que I C, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa. Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (VCE ), pero en la realidad si, y la corriente IB cambia ligeramente cuando cambia VCE, según puede observarse en la figura.

b) Símbolo

Composición y símbolo del transistor PNP


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El Transistor

Actualmente el semiconductor utilizado es prácticamente siempre silicio y son mucho más abundantes los transistores N-P-N que los P-N-P P-N-P.. Y para que no olvidemos nunca el sentido de la flecha, proponemos un juego de palabras: En la unión PNP ) (flecha hacia la base). PNP,, P (“pincha” En la unión NPN, NP (“no pincha”) (flecha hacia fuera).

Seguimos: En todo transistor se cumple, respecto a tensiones tensio nes y corrient corrientes, es, lo sigui siguiente: ente:

V CB + V BE = V CE

IC + IB = IE

Además, insistimos, como un parámetro muy importante, tenemos que: ß (beta ) = I C /IB También se utiliza, en lugar de ß, el término hFE . Ambos, ß ó hFE, representan la ganancia de corriente colector-base cuando la resistencia de carga es nula.

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Polarización Si ahora se aplica una tensión exterior, procedente de una batería o de cualquier otro circuito de alimentación, a la primera unión N-P, cuyas dos zonas se llaman emisor y base respectivamente, en forma directa o con el negativo aplicado al emisor y el positivo a la base, se producirá una un a circulación de corriente entre ambas regiones.

Aplicando una segunda tensión externa a la unión P-N restante, formada por la base b ase y una tercera zona denominada colector, colector, en sentido inverso (negativo a la base y positivo al colector) se conseguirá que la corriente de electrones que se generó con la primera tensión aplicada sea atraída por la diferencia de potencial positiva aplicada al colector, a pesar de la fuerte oposición que origina la unión base-colector polarizada en sentido inverso, con lo que la corriente que salió del emiso emisorr puede puede llegar llegar prácti prácticamen camen-te en su totalidad al colector, salvo una pequeñísima fracción que saldría por la conexión de base. Pues bien, esta fracción de corriente es la que es capaz de gobernar a la principal, ya que ésta será siempre un múltiplo de la de base.


El Transistor

Transistor N-P-N y P-N-P. Insistimos en la explicación. Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son denominados: Diodo de emisor (el de la izquierda en este caso) y Diodo de colector (el de la derecha en este caso).

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 va 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-NP o N-P-N. Aunque su estructura no sea excesivamente complicada, sería absurdo 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 ya hemos visto.


Para que los transistores actúen es necesario aplicarles una diferencia de potencial externa, que ya hemos leído se llama polarización.

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 u na 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 traba jando en una u otra zona. 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 y, por último, el emisor conectado al borne negativo de la 1 y el colector al borne negativo de la 2.

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El Transistor

Curvas de un transistor. Para entender el modo de funcionamiento de un transistor vamos a recordar cómo se comportan las uniones P-N al conectarlas a una batería.

En primer lugar supondremos conectada la batería A (V BB ) y desconectada la B (VCC ), 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, polarizado directamente. Curva característica de entrada Si variamos el valor de la pila V BB de la malla de entrada, tomando valores de I B y VBE podemos obtener la característica de (la malla de) entrada.

Si desconectamos la batería A (que une a la base con el emisor) y sólo 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 PN inversamente polarizada y, por tanto, no se produce paso de corriente eléctrica. Pero ¿qué ocurre al conectar las dos baterías a la vez? Conseguiremos una… Curva característica de salida Analizamos la malla de salida y obtenemos distintas curvas para diferentes valores de IB. Ajustando VBB fijamos un valor de I B que vamos a mantener constante (por ejemplo IB = 10 µA ). Ahora variando V CC medimos valores de VBE y IC y obtenemos la correspondiente curva de IB = 10 µA . Hacemos lo mismo para IB = 20 µA , etc... Y así sucesivamente para diferentes valores de IB.

Como vemos, es la característica del diodo base-emisor, y tiene una forma exponencial. 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.

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El Transistor

Regiones operativas del transistor.

Región de corte: Un transistor está en corte cuando: corriente de colector = corriente de emisor = 0 (IC = IE = 0)

Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (IC ) depende principalmente de la corriente de base (IB ), de ß (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor).

Esta región es la mas importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, según la Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (IB =0) Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, ( IC = IE = I MÁXIMA ) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, según la ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector ß veces más grande. (Recordar que IC = ß x IB )


Recordar que en la zona activa conociendo el valor de I B se puede calcular la IC (IC = ß x IB ). La zona de corte es desde IB = 0 hacia abajo (zona rallada) y no conduce La unión del emisor con la base (J E ) 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.

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El Transistor

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 acabarán atravesando al 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 VBE y al conectado al colector V CE, aumentando su valor o disminuyéndolo es la forma que tenemos para 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 semicon-

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ductor 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-NP 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. Recta de carga estática

La recta que atraviesa la curva se denomina recta de carga y se compone de los lugares que puede ocupar el punto de trabajo del transistor.


El Transistor

Responde a la siguiente fórmula, que sería la ecuación de la malla de salida. V CC = V CE + RC x IC

Punto de trabajo Q

ecuación de la recta de carga

Toda recta se determina mediante dos puntos. Si IC = 0

transistor en corte

entonces V CC = V CE (punto en abscisas). No hay intensidad de colector, por tanto no hay caída de tensión en la R C y toda la tensión de alimentación está entre colector y emisor. Si V CE = 0

transistor en saturación

entonces Ic = V CC /RC (punto en ordenadas) El transistor conduce a tope. Toda la tensión de alimentación cae en la resistencia de carga. Los transistores en emisor común suelen trabajar como amplificadores (zona activa) o como conmutadores (zonas de corte saturación). El modo en que queramos que trabajen determinará el circuito de polarización del mismo que utilicemos.

Siempre está situado en la recta de carga y dentro de alguna curva, especificando una cierta corriente de colector I C y una determinada tensión colector-emisor VCE. Para obtener el punto de trabajo Q plantearemos tres ecuaciones: La de la malla de base, la de la malla de colector y por último la ecuación del transistor: Malla de base: V CC-V BE = IBRB+(IC+IB )RE Malla de colector: V CC-V CE = ICRC+(IC + IB )RE Ecuacion del transistor IC = ß x I B Modos de trabajo del transistor. 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, 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.


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El Transistor

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, I C, depende del valor de la corriente del emisor, l E, es decir, si le aumenta también lo hará I C y, por el contrario, una disminución en le provocará una disminución en I C. Así pues, controlando lE, automáticamente controlaríamos I C. El control de l E 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 V BE. 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, I C. 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, que se produce cuando las dos uniones están polarizadas de forma inversa. Podemos imaginamos 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 corrie corrientes ntes circu circulan lan como si prácticamente no existiese transistor alguno.

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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 muy importantes, que 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. Respecto a la amplificación, habrá que determinar si el transistor produce amplificación o no. En caso de producir amplificación, hay que saber si ésta es de tensión, de corriente o de ambas, es decir, de potencia, y


El Transistor

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 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 qué comportamiento presenta frente a frecuencias altas, medias y bajas.

Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes: Zona ACTIVA: UE en Directa y UC en Inversa. AMPLIFICADORES Zona de SATURACIÓN:

UE en Directa y UC en Directa. CONMUTACIÓN Zona de CORTE:

UE en Inversa y UC en Inversa. CONMUT CONMUTACIÓN ACIÓN Zona ACTIVA INVERTIDA:

UE en Inversa y UC en Directa. SIN UTILIDAD

Con esto comprobamos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.

Emisor común. Esta configuración es la más utilizada.

El transistor polarizado Además de lo comentado si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e inesperados. Hay 3 configuraciones:

Sólo el 1 % se recombina y el 99 % no se recombina.

Ganancia de corriente ß CC:

• Base común (BC).

A veces (casi (casi siempre) se desprecia la I B, por ser muy pequeña, en comparación con la IC.

• Emisor común (EC). • Colector común (CC).


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El Transistor

En ella, el transistor actúa como un amplificador de corriente y de tensión. Aparte de los efectos de amplificación, también se invierte la tensión de señal, es decir,, si la tensión es tendente decir tend ente a positiva en la base pasa a ser tendente a negativa en el colector.

Emisor común en un NPN

Emisor común en un PNP

En un transistor NPN cuando la entrada es baja, por el colector no pasa corriente y por lo tanto la salida es alta. Cuando la entrada es alta, circula una corriente elevada por la resistencia de colector y por lo tanto la salida es baja. Es decir, decir, el transistor se comporta como una puerta NO (ver puertas lógicas en el capítulo correspondiente). Y en un PNP, cuando la entrada es alta, por el colector no pasa corriente y por lo tanto la salida es baja. Cuando la entrada es baja, circula una corriente elevada por la resistencia de colector y por lo tanto la salida es alta.

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El valor de la corriente de base va a depender del valor de la resistencia R B, la corriente que circula por el colector, I C, depende de la corriente de base, l B, como hemos visto con la formula IC = ß x lB; IC es mucho más grande que l B y ese aumento viene dado por ß. 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 R E, que va a perjudicar mucho la amplificación de tensión, pero va a hacer que el transistor sea mucho más estable y no le afecten los cambios de la temperatura. Aumentando o disminuyendo los valores 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 l B 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 lB 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 decir,, que la unión colector-bas colector-base, e, que está inversamente polarizada en activa, pase a estar directamente polarizada y, por lo tanto, en saturación. Esto se produce porque l B aumenta y, en consecuencia, I C también aumenta. Si un circuito está trabajando en zona activa, el transistor se comporta de forma lineal. Es decir, decir, que a iguales variaciones de la corriente de base, l B, se producen iguales variaciones de la corriente de colector, I C. El primer punto en el cual al aumentar l B 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


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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 pu nto 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, Q, ya hemos visto que se encuentra situado en la recta de carga. Valores Valor es máximos de un transistor que no deben superarse. Se definen para cada tipo de transistor, un conjunto de valores máximos en sus características que nunca deberán ser superados durante el funcionamiento. Son los siguientes: • VCE MAX para IB = 0 • VBE MA MAX X • IC MAX • Potencia máxima disipada P D ó PTOT La última característica se obtiene multiplicando I C por V CE. Se puede dibujar una curva de máxima disipación de potencia sobre las curvas características de salida, separando así la zona a partir de la cual no puede hacerse trabajar al transistor sin riesgo de dañarle. Criterio para el sentido de la corriente. Siempre se considera a la corriente para un transistor NPN como entrante por el colector y la base y saliente por el emisor. Hemos visto que otra forma de construir transistores, manteniendo las mismas bases funcionales, es empleando materiales tipo P para colector y emisor y N para la base. Así el elemento elemento resultante resultante es el transistor transistor PNP. Sus únicas diferencias con el modelo NPN estriban en que las corrientes que le atraviesan son exactamente de sentido contrario siendo necesario utilizar tensiones exteriores de polarización de signo opuesto.


Símil hidráulico. Nos puede ayudar a comprender el funcionamiento de un transistor transistor.. Comprobamos que si no hay suficiente flujo de corriente en la válvula L el sistema permanece estable pero cuando la pequeña circulación es capaz de abrir la base se producirá la apertura del colector y agua fluirá sumándose las dos corrientes de agua.

Conexionado y Patillaje La forma de conexionar un transistor es diferente según el modelo. Para poder identificar sus patillas es necesario consultar la hoja de características del fabricante o bien los numerosos libros de equivalencias que existen en el mercado. Los transistores son elementos muy versátiles. Hemos visto que 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. Hemos visto que hay tres tipos de configuraciones básicas del transistor BJT: emisor común, colector común y base común. Recordemos que… El nombre de común se le da al terminal del transistor que es compartido por la entrada y la salida. 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. 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.

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Corriente constante. Una propiedad muy interesante del transistor es su capacidad para entregar una intensidad de corriente fija y constante a una resistencia en una forma independiente del valor de ésta, por lo tanto, las variaciones de corriente obtenidas por la acción de la base, producirán sobre la resistencia unas variaciones de tensión que podrán ser calculadas aplicando la ley de Ohm, y dependerán por lo tanto de la corriente de base y del valor de la resistencia R que se sitúe en el colector, dando valores mayores cuanto más alta sea esta R, estando el limite fijado, obviamente, por la tensión externa de alimentación. El resultado de todo ello, será una amplificación de tensión, calculada como la relación entre la tensión, obtenida sobre la resistencia, denominada de carga, y la tensión que se aplicó en la unión base-emisor para generar la corriente que se ha llamado de base. Formas de polarizar un transistor. La polarización básicamente tiene dos misiones, primero se trata de fijar un punto de trabajo sobre la recta de carga y segundo, mantener la estabilidad del mismo. No se consigue nada con un punto de trabajo que sufre variaciones importantes sin modificar a voluntad el tipo de trabajo que del mismo se exige. Otra cuestión importante sería la que supone utilizar dos pilas, una para cada unión. En la práctica se recurre a emplear una sóla, de manera que con la incorporación de las resistencias adecuadas puedan polarizarse todos los terminales. Todavía se plantearía una cuestión más grave si un montaje tuviera varios transistores y cada uno necesitara un par de pilas. Todo ello obligaría a cambios continuos en el circuito, debido a que las diferentes etapas de los circuitos no tienen el mismo consumo. Así, una sola fuente de alimentación deberá ser capaz de alimentar el transistor

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dándole a cada terminal la tensión adecuada, por ello, hoy día se ha generalizado la autopolarización o polarización automática del terminal de control o base, mientras que la batería de alimentación se aplica sobre el circuito de salida de la señal. En un transistor NPN, la base ha de ser positiva respecto del emisor pero menos positiva que el colector; por ello parece difícil hacerlo con una sola alimentación, pero esto es posible si todos los terminales reciben tensiones positivas siendo mayor la del colector que la de la base y a su vez la de base mayor que la del emisor. Solución a la que se puede aproximar mediante divisores de tensión a partir de la batería común. Empleando un transistor PNP la polarización general se haría a partir de una tensión negativa de batería. Autopolarización de un transistor. transistor. En un montaje de emisor común, la corriente de base determina la aparición de una corriente de colector así como de una tensión entre el colector y el emisor, estableciéndose las condiciones de funcionamiento en reposo del transistor. Existen muchos procedimientos para lograr esta autopolarización. Uno de ellos consiste en la colocación de una resistencia que, procedente de la alimentación, da lugar a una caída de tensión para lograr una corriente de base suficiente. Un grave inconveniente de este circuito es la gran inestabilidad que tiene su punto de polarización frente a las variaciones de temperatura, por ello, en vez de unir directamente la base con la alimentación, se une con el colector para que así queden compensadas dichas variaciones. De esta manera tiene lugar una realimentación tal que cuando se incrementa la corriente de colector debido a la temperatura, también es mayor la caída de tensión en la resistencia de carga con lo que ser más pequeña la tensión de polarización de la base. Así tiene lugar una realimentación


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negativa de señal y se utiliza cuando no sea precisa una ganancia de señal muy grande porque, en este caso, la realimentación negativa la reduciría en gran parte. Otro paso para mejorar la polarización consiste en no llevar directamente el emisor a masa, sino que se intercala en serie una resistencia de emisor de pequeño valor. La resistencia R E introduce una caída de tensión para reducir la tensión de polarización entre la base y el emisor, para cualquier aumento de la corriente de colector debido a las temperaturas, y si baja la V BE inmediatamente se hace más pequeña la I C. A pesar de todo, uno de los procedimientos más empleados lo constituye el divisor de tensión entre la alimentación, la base y masa. De esta forma la base tiene una corriente estabilizada. A efectos de cálculo, la corriente continua resulta de dividir la tensión de alimentación por la suma de las dos resistencias (R1 + R 2 ). Para la polarización de la base se considera que la corriente que pasa por el divisor de tensión es del 5 al 10 % de la corriente de colector. Si además del divisor de tensión el transistor va provisto de la resistencia de emisor, da lugar a una disposición práctica de las más abundantes en los montajes. Esta resistencia de emisor supone mantener constante la tensión en bornes de la misma. Cuando aumenta la temperatura quien primero lo hace es la corriente de colector y, con ello, la corriente de emisor haciéndolo más negativo, entonces aumentará la tensión en bornas de R E y disminuirá la tensión entre la base y el emisor, con ella se hace menor la corriente de base, ocasionando la disminución de la corriente de colector. Todo ello da lugar a la estabilización del circuito. Además de los circuitos externos de regulación, para compensar las variaciones de temperatura es conveniente dotar a los


transistores de los oportunos disipadores de calor para que así la realimentación negativa no sea tan necesaria. El propio disipador evacua el exceso de calor, manteniendo la ganancia del circuito siempre que no sea excesiva la temperatura de la unión, en cuyo caso, se hace necesario recurrir a alguno de los circuitos de autopolarización y estabilización citados. Insistimos en el efecto de la temperatura. Un factor muy importante, capaz de desestabilizar y puede que destruir los transistores y que no se suele tener 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, Q, se va a desplazar.

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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, I C, también se incrementa la corriente del emisor. Si ponemos una resistencia, se va a producir una caída de potencial, luego la tensión en el emisor va a ser menor. 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 sea prácticamente despreciable. Corrientes de fuga. El inconveniente de la temperatura se debe a las corrientes de fuga, I CBO e I CEO. La corriente I CBO es la corriente existente entre la base y el colector con el emisor abierto, es decir, cuando este electrodo quede desconectado del circuito. La corriente I CEO aparece cuando la base está desconectada del circuito. I CBO es la corriente más pequeña y apa-

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rece por la agitación térmica que rompe enlaces covalentes dejando cargas libres o portadores minoritarios dentro del monocristal. Su valor depende de la temperatura, y será tanto mayor cuanto más elevada sea ésta. Al elevarse la temperatura y aumentar algo I CBO va en aumento la corriente de colector y como la tensión entre el colector y el emisor varía poco, el transistor alcanza pronto la saturación. Si queda abierto el circuito de base, la corriente de fuga I CBO atraviesa la base y entonces queda amplificada porque ha intervenido la ganancia ß del transistor pasando a ser ß I CBO. En estas condiciones, la corriente total de fuga sería la I CBO que al encontrar la base abierta vendría de ésta al emisor y además la corriente I CEO. Sucede esto porque la corriente I CEO que pasa por el colector, con la base en circuito abierto, está formada por un movimiento de huecos de intensidad I CBO del emisor al colector y además por el movimiento de electrones de intensidad I CBO del colector hacia la base, de ahí que se consideren dos I CBO, la directa y la amplificada. Poniendo la corriente de fuga I CEO, que es la más importante, en función de I CEO, se tendría: I CEO = I CBO + ß I CBO = I CBO (1 + ß) La estabilización por temperatura resulta muy conveniente en la configuración de emisor común mientras que en base común y en colector común no resulta tan necesaria. Estabilización de transistores. Las corrientes de fuga formadas por los portadores de carga minoritarios llegan a la base y, como consecuencia de ello, se recogen, amplificadas, a la salida del transistor. La regulación a efectuar consiste en impedir la saturación de portadores en la base y hacer descender I CBO.


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Con una resistencia entre la base y el emisor, la corriente I CEO disminuye y con un cortocircuito entre la base y el emisor la corriente total de fuga pasa a ser I CEO cuando queda abierto el circuito base-colector. La unión base-emisor se comporta como una resistencia con un coeficiente de temperatura negativo puesto que, para una V BE dada, un aumento de temperatura representa una disminución de la resistencia baseemisor y con ella un aumento de I E y, por consiguiente de I C, no siendo apenas importante I CBO en estas condiciones. Para contrarrestar este efecto se procede a incorporar R E que sin ser muy elevada, presenta un valor más elevado que la de la unión. También se emplean las resistencias de coeficiente negativo de temperatura (NTC) para que disminuyan de valor cuando suba la temperatura. Estabilización con resistencia NTC. Al aumentar la temperatura, sea por un aumento en el ambiente o por un exceso de corriente en las uniones del transistor, este calor llega a la resistencia NTC, ésta disminuye su valor, con lo que disminuye la tensión en sus bornes. La corriente por el divisor aumenta y, por lo tanto, la caída de tensión en R 1 también aumenta. Entonces la base es menos conductora dando lugar a la estabilización del transistor, que además es ayudado por R E. A pesar de todo, este método tiene el inconveniente de no seguir una variación lineal con la temperatura, por lo que la estabilización no es perfecta y además tiene lugar con un cierto retraso porque debe transcurrir un determinado tiempo hasta que se calienta y comienza a actuar la resistencia NTC. Estabilización mediante diodos. Se consigue mejorar la estabilización incorporando uno o dos diodos en el circuito de polarización, aprovechando que un diodo tiene una unión P-N igual a las existentes en el interior de un transistor. La resistencia y el diodo actúan formando un divisor de tensión para polarizar la base a partir de V CC. Por el divisor de tensión pasa una corriente que da lugar a una caída de tensión en el


diodo que polariza directamente la unión base-emisor. Si aumenta la temperatura baja la resistencia de unión y su caída de tensión, bajando la polarización directa y estabilizando el circuito. La compensación tiene lugar dentro de un amplio margen de temperatura pero superado éste, el diodo no compensa el aumento de I CBO por que la temperatura comienza a crecer de manera constante. Empleando dos diodos en lugar de uno se consigue una estabilización de I C prácticamente independiente de la temperatura. El diodo D 2 y R 1 compensan la variación de resistencia base-emisor con la temperatura y R 2 junto con D 1 hacen lo propio con el efecto de la corriente de fuga I CBO. Para las bajas temperaturas D 1 es casi un circuito abierto, mientras que la caída de tensión en D 2 polariza la unión base-emisor, pero cuando aumenta la temperatura aparece una corriente inversa en D 1. La corriente que pasa por él junto a la corriente que pasa por la resistencia R 2 y la I CBO, son las corrientes que intervienen. Para que el montaje actúe correctamente es necesario que la corriente que pase por D1 sea mucho mayor que la corriente de fuga. La polarización de la base es la diferencia entre la caída de tensión en D 2 y en R 2, si aumenta la temperatura lo hace I CBO, disminuyendo la resistencia del diodo D 1 y aumentando la corriente que pasa por éste, lo que da lugar a una mayor tensión en R 1, bajando la polarización directa base-emisor y compensando la subida de I CBO. En un montaje emisor común puede colocarse un diodo Zener en paralelo con la salida para estabilizar la tensión e indirectamente la temperatura. La resistencia inversa de un diodo Zener aumenta cuando se incrementa la temperatura de la unión. Colocándolo en los circuitos, al elevarse la corriente de colector por la temperatura disminuye la tensión de colector y al aumentar el Zener su resistencia ocasiona la disminución de la corriente de colector, restableciendo el equilibrio.

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Amplificación. Clases de funcionamiento de un amplificador. Una vez polarizado un amplificador queda determinado el punto de trabajo sobre las curvas características. Tiene un consumo determinado para una tensión concreta. El punto de trabajo da lugar a un comportamiento estable del amplificador en ausencia de señal a la entrada del mismo. Sería, por decirlo de otro modo, el refle jo de la corriente de salida en relación a la polarización dada a la entrada, ambos valores son continuos y constantes. Aplicando una señal variable a la entrada del amplificador, la corriente de salida varía entre un margen concreto, tomando como valor central de la variación el correspondiente al punto de trabajo determinado por la polarización. El control de un transistor se realiza mediante I B mientras que I C es la de salida, la que, al atravesar la carga, ocasiona ganancia de tensión, corriente o potencia del transistor. Según el punto de trabajo determinado por la polarización, existen diferentes tipos de funcionamiento. En cualquier caso, se considera que el transistor trabaja en régimen lineal, es decir, en la zona lineal de sus características de salida.

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Amplificación clase A.

El estudio de los amplificadores se inicia a partir de la relación de transferencia del transistor, es decir, la curva que da I C en función de I B. La polarización dada al transistor, en este caso debe ser aquella que sitúe el punto de trabajo (o de reposo sin señal), en el centro del tramo recto de la característica de colector de tal manera que la amplitud de la señal aplicada a la entrada, no llegue a superar esta zona rectilínea para que a la salida se disponga de una señal amplificada y exactamente igual a la de entrada, esto es, sin distorsión. La señal alterna dibujada, que puede ser cualquier tipo de señal variable recibida a la entrada, se superpone sobre la polarización fija dada a la base que da lugar al punto de trabajo. Esta señal es amplificada por el transistor dando a la salida una señal mucho mayor y el hecho de evitar que ésta quede distorsionada significa que el tipo de traba jo sea el de clase A. El rendimiento de este tipo de configuración proporciona un valor por debajo del 50 % entendiendo como tal el cociente entre la potencia suministrada por el amplificador y la potencia aportada por la fuente de alimentación. Amplificación clase B.


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Si la polarización fija dada entre la base y el emisor es cero, I B será nula, y el transistor, sea PNP o NPN, solamente conducirá cuando la unión base-emisor de entrada quede polarizada directamente, dando como resultado que el paso de la corriente a la entrada va a tener lugar en un semiciclo de la señal, puesto que en el otro quedará bloqueado. Un transistor NPN sólo aceptará los semiciclos de señal que hagan el emisor negativo respecto de la base, y para un PNP, el emisor debe ser más positivo que la base. En cualquiera de los casos, solamente existirá corriente de colector en un semiciclo de la señal. Pero hay algo más, existirá una cierta distorsión debido a que los puntos más cercanos al cero del eje de señal resultan amplificados en parte dentro del tramo curvo de respuesta, e incluso se pierde una parte del semiciclo porque aún siendo I B cero, existe una pequeña I C, y al no pasar la curva por el origen supondrá un ligero recorte de esta señal. A efectos de potencia es el tipo de polarización que proporciona un mayor rendimiento, pudiendo alcanzar el 78 % utilizándose mucho cuando no sea obstáculo la pérdida de la mitad de la señal. En la práctica se recurre a este tipo de polarización cuando se trabaja con monta jes complementarios en etapas de salida, de este modo los dos transistores amplifican por separado los dos semiciclos de la señal, y a la salida se obtiene una potencia importante. Amplificación clase AB.


De acuerdo a estas siglas que sirven de referencia a este tipo de amplificación, reúne unas propiedades de la clase A y otras de la clase B, por quedar situada en un punto intermedio al de ambas polarizaciones. La polarización fija queda dentro de la zona recta, pero cerca del origen. Mediante este sistema, a partir de muy pequeñas amplitudes de señal, queda una parte del semiciclo fuera de la amplificación. La corriente variable de salida reproduce a la de entrada durante un ángulo comprendido entre 180 y 360º pero sin llegar a este valor, de ahí que su rendimiento quede comprendido entre el 60 y 78 % Se recurre a este tipo de circuito en etapas de salida para amplificaciones de baja frecuencia, en cuyo caso se procura que el transistor trabaje en la clase AB pero muy cerca de la clase B, lo que proporciona una señal con menos distorsión que la B, pero aprovechando al máximo su elevado rendimiento. La clase B introducía una ligera distorsión debida al codo inferior de la característica, por lo que es necesario recurrir a una pequeña polarización adicional base-emisor cuando los transistores deban funcionar en montajes tipo contrafase. Amplificación clase C. Este tipo de polarización se da cuando la unión de entrada queda polarizada inversamente y, en consecuencia, la conducción solamente tendrá lugar cuando el semiciclo de la señal tienda a favorecer la polarización directa de la mencionada unión, superando el valor inverso fijado en un principio. El ángulo de conducción resulta inferior a 180º, significando que la distorsión será muy grande comparada con los otros tipos de polarización. Como contrapartida su rendimiento es del 100 % aunque éste no es aprovechable en aplicaciones de audiofrecuencia por cuanto la gran distorsión impediría tener resultados con fidelidad en el sonido.

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La distorsión en los amplificadores. El concepto de distorsión es de gran importancia para describir el comportamiento de las señales a la salida de los amplificadores. Prácticamente, la distorsión interesa especialmente en los circuitos de alta fidelidad, porque en los de tipo industrial se renuncia al aspecto de la señal en beneficio de un elevado rendimiento en la mayoría de las ocasiones. La distorsión resulta verdaderamente importante en los circuitos de alta potencia y en especial cuando las ganancias de las etapas han de ser elevadas. A la hora de adquirir un amplificador, es uno de los datos más importantes a tener en cuenta, ya que además de buscar una potencia sonora es preciso que la reproducción del sonido tenga las mismas características (fidelidad) que la señal aplicada a la entrada del amplificador. Amplificadores de potencia. El propósito del amplificador de potencia es proporcionar una tensión de salida sin distorsión y una baja resistencia de carga. En la práctica, un sistema puede consistir en varias etapas de amplificación de tensión y la última de las cuales suele ser un amplificador de potencia. La carga alimentada por este amplificador de potencia puede ser un altavoz, un excitador, un solenoide o algún dispositivo análogo. La entrada al sistema es una serie que se amplifica a través de etapas de ganancia de tensiones. La salida de las etapas de ganancia de tensión tiene la suficiente amplitud para alimentar el amplificador de potencia de la salida. La representación bloques de un amplificador de audio puede ser la mostrada en la figura:

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En la figura el transductor produce una señal muy débil, del orden de milivoltios, las dos primeras etapas amplifican esta señal de audio. La tercera etapa genera una gran señal, de algunos voltios a decenas de voltios y debe producir suficiente corriente para manejar la baja impedancia del altavoz. El amplificador de potencia debe operar en forma eficiente y debe ser capaz de manejar valores altos de potencia ya que deben trabajar con tensiones e intensidades de gran amplitud. (La potencia por lo regular es de unos cuantos vatios a cientos de vatios). Los factores del amplificador de potencia que mayor interesa presentar son: Eficiencia en potencia del circuito (rendimiento). Máximo valor de potencia que el circuito es capaz de manejar. Acoplamiento de impedancia en relación con el dispositivo de salida. Con respecto al rendimiento debe ser lo mayor posible para que el amplificador entregue una señal de la máxima potencia posible a cambio de la potencia que toma de la fuente de alimentación en forma de corriente continua. El rendimiento esta dado por:

El rendimiento indica el valor de potencia de corriente continua de entrada que alcanza la salida en forma de potencia de corriente alterna en la carga. Indica también la cantidad que no alcanza la carga y que debe disiparse en forma de calor por el transistor. El rendimiento depende del punto de operación establecido.


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Ejemplo. La potencia de la salida del amplificador es 8W, la fuente de alimentación genera 16V y el amplificador consume 1A. Determinar cual es el rendimiento del amplificador. La potencia de corriente continua que entra al amplificador es P = VI = 16V x 1A =16W por tanto, según la ecuación, se tiene que:

Este rendimiento indica que el 50% de la potencia de corriente continua de entrada alcanza la salida en forma de potencia de corriente alterna en la carga. Hemos visto cómo se puede llegar a conseguir una importante potencia de salida gracias a la intervención de una o varías etapas de amplificación. Es interesante conocer cómo interactúan estas etapas... Acoplamiento entre etapas. Los circuitos de media y baja potencia admiten básicamente tres modalidades de acoplamiento: Acoplamiento directo. Las diferentes etapas están enlazadas directamente. Presentan una gran dificultad de diseño ya que están interrelacionados los puntos de funcionamiento de cada uno de los transistores de forma que en la polarización de cada uno interviene el anterior y el siguiente. Tienen el inconveniente adicional de que son sensibles a las derivas térmicas o de cualquier otro tipo que se produzcan, que son también amplificadas, por lo tanto exi-


gen unas precauciones muy rigurosas al realizarlos. Su gran ventaja es que son capaces de trabajar desde frecuencia cero (corriente continua) lo que les hace atractivos en aquellas aplicaciones en que las variaciones de señal son muy lentas. Acoplamiento RC por resistencia y condensador. Es uno de los métodos de acoplamiento más empleados por su efectividad aunada a su bajo coste, mucho más que el acoplamiento directo. En realidad, el acoplamiento entre las etapas se efectúa por el condensador, puesto que la resistencia actúa como carga de la primera etapa. El condensador impide que el valor de tensión continua que acompaña a la señal de salida pueda saturar la base del transistor siguiente. Debe ser de gran capacidad para presentar la menor reactancia posible al paso de las componentes variables. Puede utilizarse este acoplamiento en las etapas montadas en base común y en colector común, aunque este último caso no es recomendable debido a la débil potencia que suministra a la salida. De todos modos, no es un acoplamiento inductivo. Una bobina en lugar de la resistencia permite obtener un elevado rendimiento en potencia pero atenúa las bajas frecuencias, ya que estas serían derivadas a masa a través de ella. Acoplamiento por transformador. Las etapas amplificadoras en las que no importe demasiado el coste del equipo y en las que, además del acoplo entre las mismas, se pretende adaptar las impedancias para conseguir una mayor potencia a la salida de cada paso, recurren a la utilización de transformadores. El transformador modifica los valores de tensión y de corriente de manera que antes y después del transformador se mantiene

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casi constante la potencia, adaptando además los valores de tensión y corriente en cada circuito. No existirá corriente continua de polarización a la salida del transformador porque este actúa solamente para la señal que sufre variaciones con el tiempo. Los transformadores de acoplamiento deben calcularse para una determinada frecuencia de trabajo o ser ajustables para así poder adaptar en cualquier caso las impedancias. Las impedancias de salida son muy elevadas porque la unión de colector tiene polarización inversa, en consecuencia, el transformador tiene en estos casos menos espiras en el secundario que en el primario porque la impedancia de entrada de estas etapas es baja comparada con la de salida del paso anterior. La respuesta en frecuencia no es tan buena porque las inductancias que forman los devanados presentan diferente oposición a las distintas frecuencias. El acoplamiento sintonizado entre etapas se realiza a través de un circuito resonante. Por lo tanto, su ganancia será elevada para una determinada frecuencia o margen de frecuencias, bajando sensiblemente fuera de esta banda. Para el acoplamiento se utiliza un sistema de bobina y condensador o un transformador con o sin núcleo magnético que separa los niveles de continua, realizándose la sintonía con un condensador acoplado al primario, secundario o ambos. El transistor como oscilador.

Un oscilador se compone de cuatro partes fundamentales, una fuente de alimentación, un amplificador, un generador de señal y una red de alimentación. F. de alimentación Amplificador G. de señal. El generador de señal se conoce con el nombre de circuito tanque, llamado así por su capacidad de almacenar energía eléctrica y magnética, ya que sus componentes son tales como bobinas y condensadores. Circuito tanque. Si suponemos que C está inicialmente descargado, conmutamos S1 a la posición 1, por lo que circulará una corriente de carga del condensador. Cuando C está totalmente cargador, conmutamos a la posición 2, por lo cual circulará una corriente de descarga a través de L, creando un campo magnético en ésta. Cuando la corriente de descarga tiende a desaparecer, la bobina, a costa de la energía almacenada en su campo magnético, induce una corriente del mismo sentido que la que lo había creado, dando como resultado una carga de C de polaridad opuesta a la anterior. Al agotarse la energía del campo magnético nos encontramos con un condensador cargado con polaridad inversa a la inicial; en ese momento comienza a descargarse, nuevamente, a través de L con una corriente de sentido inverso, repitiéndose el proceso anterior. Así, se ha completado un ciclo del proceso de oscilación, que seguiría, indefinidamente, si no fuera porque la resistencia interna de los componentes produce una pérdida de energía por efecto Joule; por ello, al cabo de cada ciclo, la tensión entre extremos de C es inferior a la del ciclo anterior, llegando con el tiempo a desaparecer, esto se llama amortiguación. Para reducir este efecto, en los osciladores de radiofrecuencia se obliga a un transistor que se encuentra cortado a conducir durante un breve periodo de tiempo, consi-

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guiendo así volver a reponer la energía perdida y que no se produzca esta amortiguación. Existen dos modelos básicos de osciladores: • Oscilador Hartley

Analizando el funcionamiento de la bobina con derivación y tomando en cuenta que la conexión D (derivación central) está puesta a tierra a través del capacitor C4 las formas de onda en los extremos de la bobina serán:

• Oscilador Colpitts Funcionamiento del Oscilador Hartley. Este tipo de oscilador es muy utilizado en receptores de radio con transistores adaptándose con facilidad a una gran gama de frecuencias. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con derivación central. Analizando el dibujo se ve que el punto de derivación D, de la bobina L 1, estará puesto a tierra para corriente alterna (a la frecuencia de oscilación) a través del condensador C4, lográndose de esta manera que los extremos A y B de la bobina estén 180° fuera de fase (funciona como un inversor). El extremo B se realimenta a la base del transistor a través de C 1, haciendo que éste (el transistor) cambie de estado, esto a su vez cambia las polaridades en los extremos de la bobina, repitiéndose el proceso y produciéndose así la oscilación.

La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por: fO = 1 / [2π x ( LC)1/2]. Notas: • C3 puede ser un condensador variable para ajustar la frecuencia de oscilación • El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada

La función de la bobina L 2 es de choque de R.F. y evita que la señal del oscilador pase a la fuente de alimentación.

Funcionamiento del oscilador Colpitts. Este tipo de oscilador es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1 Mhz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley. Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado


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por dos condensadores: C1 y C2. De la unión de estos condensadores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión en los terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrá valores opuestos. La realimentación positiva se obtiene del terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistencia y un condensador La bobina L2 (choque) se utiliza para evitar que la señal alterna no pase a la fuente Vcc. Este oscilador se utiliza para bandas de VHF (Very High Frecuency), frecuencias que van de 1 Mhz a 30 Mhz. A estas frecuencias sería muy difícil utilizar el oscilador Hartley debido a que las bobinas a utilizar serían muy pequeñas. La frecuencia de oscilación de este tipo de oscilador está dada por: fO = 1 / [2π x ( LC)1/2] Donde: C = C 1 x C2 / [C 1+ C2] L = L1 Notas: • R1 puede ser un potenciómetro para ajustar la magnitud de la señal de la salida que se realimenta a la entrada.

Supongamos el circuito, adecuadamente polarizado para trabajar como conmutador. Con el interruptor abierto, no hay intensidad de base, luego no puede haber Ic, por lo que el transistor no conduce, en la resistencia de salida no cae tensión y la Vsal será igual al V de alimentación (10 V). IB = 0 I C = 0 CORTE (el transistor no conduce) Estamos en el punto 1 de la recta de carga: en la práctica si que hay una pequeña corriente de fugas, por lo que la V SAL es un poco menor de 10 V. Para electrónica digital no tiene mucha

importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia. Si ahora cerramos el interruptor, tendremos una IB fuerte, lo cual por el efecto transistor provocará una gran Ic. El transistor conduce y toda la tensión de la malla de salida cae en la resistencia de colector, por lo que en la salida tendremos prácticamente 0 voltios (en realidad 0,7 voltios). Estamos en el punto 2 de la recta de carga.

• El exponente 1/2 equivale a una raíz cuadrada. El transistor como conmutador. Consideración… El transistor de potencia es usado con frecuencia en funciones de conmutación donde se encarga de dejar pasar o no energía desde una fuente eléctrica a una carga. Interesa por tanto que su comportamiento sea los más cercano posible al inte-

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rruptor ideal lo cual implica conmutación instantánea, esto es tiempos de conmutación despreciables y perdidas de potencia en el transistor también nulas. En la práctica deben considerarse (para diferentes circuitos, diferentes cargas eléctricas y diferentes señales de control), los tiempos de encendido ton (tiempo que necesita el transistor bipolar para pasar de corte a saturación) y los tiempos de apagado toff que es el tiempo que necesita el transistor para pasar de saturación a corte. Como se aprecia en la figura cada uno de esos tiempos ton y toff a su vez se descomponen en: td tiempo de retardo, tr tiempo de subida, tiempo de almacenamiento ts y tiempo de caída (las siglas vienen del igles Delay, Rise, Storage y Fall).

Midiendo las tensiones y corrientes en el transistor también se calculan las perdidas de potencia en los diferentes casos. Parámetro

El par Darlington En electrónica, el transistor Darlington es un dispositivo semiconductor que combina dos transistores bipolares en tándem (a veces llamado par Darlington) en un único dispositivo. La configuración (originalmente realizada con dos transistores separados) fue desarrollada por el ingeniero de los Laboratorios Bell Sidney Darlington. La idea de poner dos o tres transistores sobre un chip fue patentada por él, pero no la idea de poner un número arbitrario de transistores que originaría la idea moderna de circuito integrado. Esta configuración sirve para que el dispositivo sea capaz de proporcionar una gran ganancia de corriente (parámetro _ del transistor) y, al poder estar todo integrado, requiere menos espacio que dos transistores normales en la misma configuración. La ganancia total del Darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales. Un dispositivo típico tiene una ganancia en corriente de 1000 o superior. También tiene un mayor desplazamiento de fase en altas frecuencias que un único transistor, de ahí que pueda convertirse fácilmente en inestable. La tensión base-emisor también es mayor, siendo la suma de ambas tensiones base-emisor, y para transistores de silicio es superior a 1,2V.

Descripción

tD

Tiempo transcurrido desde el 90% IB hasta que reacciona al 10% IC. Es lo que tarda en cargarse la base para hacer reaccionar la corriente de colector. (time delaying)

tR

Tiempo de subida desde 10% IC hasta el 90% IC. (time rise)

tON

Tiempo de encendido del transistor, es la suma de tr más td.

tS

Tiempo que le lleva llegar al 90% IC comenzando desde la caída al 90% IB. Es el tiempo que tarda en vaciarse las cargas almacenadas en la base. (time storing)

tF

Tiempo de bajada desde el 90% IC hasta el 10% IC. (time fall)

tOFF

Tiempo de apagado del transistor, es la suma de ts más tf


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La beta de un transistor o par Darlington se halla multiplicando las de los transistores individuales. La intensidad del colector se halla multiplicando la intensidad de la base por la beta total. ß=ß1·ß2 IC = IB·ß

Ahora… ¡Vamos al laboratorio!

Relés Son interruptores controlados por una pequeña corriente eléctrica. Según el tipo relé puede ser energizado con una corriente muy pequeña, por lo que pueden ser disparados directamente por el transistor. (Asegurarse que no se sobrepasen los 8 miliamperios y que está conectado el diodo de protección.) Los circuitos que el relé active dispondrán de una fuente de alimentación separada del circuito del transistor, entregando la corriente necesaria para el funcionamiento del dispositivo a controlar.

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Con la intención de fijar las ideas, nada mejor que ponerlas en practica. Los montajes que aparecen a continuación nos van a acercar más al conocimiento de los fenómenos descritos.

Polarización fija con resistencia de emisor.


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Obtención del punto Q:

Obtención del punto Q: Ecuación de corrientes: IE = IC+IB Malla de colector: V CC-V CE = IR+(IC+IB )RE (R = 810 Ω ) Malla de base: V CC-V BE = IR+IBRB+(IC+IB )RE Ecuación del transistor:

Ecuación de corrientes: IE = IC+IB Malla de colector: V CC-V CE = ICRC+(IC+IB )RE Malla de base: V CC-V BE = IBRB+(IC+IB )RE Ecuación del transistor: IC = ßIB (suponemos ß = 120) De la malla de base: IB = 38,87 microamperios. De la ecuación del transistor:

IC = ßIB (suponemos ß = 110) De la malla de base: IB = 42,53 microamperios. De la ecuación del transistor: IC = 4,58 miliamperios De la malla de colector: V CE = 4,95 voltios. Estabilización por resistencia de emisor (RE ) y polarización por divisor de tensión en base (autopolarización).

IC = 4,58 miliamperios. De la malla de colector: V CE = 5,42 voltios. Polarización por realimentación de colector. El mecanismo eléctrico de este circuito es muy eficaz y se desarrolla del siguiente modo: Si suponemos un aumento de I C, la caída de tensión en R E aumenta y contrarresta el aumento de la corriente Ic porque se produce un descenso en la tensión de polarización de base V BE. R1 y R2 son las resistencias que hacen variar el punto de trabajo Q y consecuentemente la zona de trabajo.


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Obtención del punto Q: Ecuación de corrientes: IE = IC+IB Malla de colector: V CC-V CE = ICRC+(IC+IB )RE Ecuación de tensión en base: V BB = V CC R2 / (R1+R2 ) ; RB = R1R2 / (R1+R2 ) Malla de base:

El punto de trabajo está situado en la parte más baja de la zona de conducción. Amplificador en clase C: El punto de trabajo se sitúa en la zona de corte. También aquí se necesitan dos transistores. Si atendemos a la magnitud a amplificar podemos también hacer la siguiente clasificación: • Amplificador de tensión. Amplificador en clase AB:

• Amplificador de corriente.

V BB-V BE = IBRB+(IC+IB )RE Ecuación del transistor:

• Amplificador de potencia.

IC = ß I B (suponemos ß = 110) De la malla de base:

• Amplificador de baja frecuencia.

IB = 55,11 microamperios. De la ecuación del transistor:

• Amplificador de vídeo frecuencia.

IC = 5,31 miliamperios De la malla de colector:

Nos centraremos exclusivamente en los amplificadores de tensión clase A. Amplificador en emisor común.

• Amplificador de continúa.

• Amplificador de alta frecuencia.

V CE = 5 voltios. Amplificación Una vez polarizado el transistor para que trabaje en una zona determinada, introduciremos una señal alterna en su entrada para amplificarla. La amplificación consiste en aumentar la amplitud de una señal eléctrica, por tanto en la salida del amplificador tendremos una señal idéntica a la de la entrada pero de mayor amplitud. Dependiendo de donde se sitúe el punto de trabajo Q tendremos los siguientes tipos de amplificadores: Amplificador en clase A: El punto de trabajo está situado en la zona activa. Amplificador en clase B: El punto de trabajo se sitúa en el límite de la zona activa. Sólo amplifican el semiciclo positivo de la señal de entrada, por lo cual se necesitarán dos transistores para amplificar ambos semiciclos (positivo y negativo).

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Al circuito ya polarizado en zona activa se le ha conectado un condensador en la entrada y otro en la salida (condensadores de acoplo). De este modo se impide el paso de la corriente continua procedente de ó hacia otra etapa anterior ó posterior respectivamente. El condensador en paralelo con la resistencia de emisor (condensador de desacoplo) evita la disminución de la ganancia


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debida a la presencia de la resistencia de emisor, que es necesaria para evitar la avalancha térmica. En la base se aplica una señal de entrada senoidal de 10 mV (Ve = 10 mV), obteniéndose en el colector la señal de salida, también senoidal, de amplitud 1V (Vs = 1V); la ganancia es de 100, pues Gv = Vs/Ve = 1000 mV/10 mV = 100.

Tanto la ganancia de tensión como de intensidad son de valor medio, siendo la impedancia de entrada pequeña y la impedancia de salida media. Debido a las características de sus ganancias, su aplicación más común es como amplificador de medias y bajas frecuencias, y como la diferencia entre las impedancias no es muy elevada se puede emplear como amplificador de varias etapas ya que permite un relativo buen acoplo entre ellas. Amplificador en base común.

También como en el caso del emisor común el circuito lleva los condensadores de acoplo y desacoplo. Aquí la entrada es por el emisor y la salida se obtiene en el colector.

Con Ve = 10 mV se obtiene 1 voltio y la ganancia de tensión será de 100. En este tipo de disposición, la ganancia de tensión es elevada (normalmente más grande que en caso del emisor común), sin embargo la ganancia de corriente es menor (aunque próxima) o igual a la unidad. La impedancia de entrada es pequeña y la de salida grande. Su aplicación más común es como amplificador en altas frecuencias. Amplificador en colector común.

La señal a amplificar va conectada a la base del transistor y la salida se toma en el emisor.


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En nuestro circuito V E = 1 V , V S = 1 V , consecuentemente la ganancia de tensión será G V = 1.

La ganancia de tensión es menor o igual a uno, la ganancia de corriente es alta, la impedancia de entrada es alta y la de salida baja. Debido a las características de sus impedancias, su aplicación típica es como adaptador de impedancias. Amplificadores de salida. Los amplificadores de salida, también denominados de potencia, tienen como misión entregar a la carga una señal de potencia grande con la mínima distorsión y el máximo rendimiento. La impedancia de salida ha de ser pequeña puesto que la carga suele ser un altavoz (4 u 8 ohmios); así pues, estos amplificadores suelen ser en colector común ya que su ganancia de intensidad es muy elevada y esto hace que la intensidad de salida sea grande, lo suficiente como para mover la membrana del altavoz. Existen diversos montajes tales como amplificador en emisor común con acoplo de salida mediante transformador, amplificador con salida en push-pull y amplificador con salida en simetría complementaria, en el que nos centraremos a continuación.

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Amplificador con salida en simetría complementaria El circuito consta de dos transistores de características idénticas pero de diferente tipo, uno PNP y otro NPN (de aquí su nombre de complementario). Están polarizados en clase B por lo que cada transistor conducirá en semiciclos opuestos de la señal de entrada.

Como se puede observar en el osciloscopio, la señal de salida presenta una distorsión llamada distorsión de cruce. Esta distorsión es un tipo más de las que puede haber en cualquier circuito electrónico, siendo las más comunes (y todas ellas indeseables) las de frecuencia, fase o amplitud.


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La distorsión de cruce se produce porque al estar polarizado en clase B (muy cerca de la zona de corte) los transistores no empiezan a conducir hasta que haya una tensión de unos 0,6 voltios entre base y emisor. Para evitar esta distorsión se polariza a los transistores en clase AB mediante el aumento del valor de la resistencia R 1, o disponiendo dos diodos en serie tal como podemos apreciar en el circuito siguiente; así se produce una caída de tensión igual a la umbral de las uniones base emisor de los transistores, por lo que la distorsión de cruce desaparece (ver señal en el osciloscopio).

tor está en corte o en saturación, y el cambio de un estado a otro se denomina conmutación.

La señal de entrada es una señal cuadrada que varía de 0 a 5 voltios. Cuando lleguen los 5 voltios el transistor entra en saturación, con lo cual la tensión en la salida será muy próxima a cero. Aquí ya no se cumple que IC = ßIB, pues aunque aumente la corriente de base no aumenta la corriente de colector. En el circuito tenemos: ISAT = V CC /RC = 5V/620 = 8,06 µA. IBSATMÍN = ICSAT /ß

aquí estamos en el límite entre activa y saturación. IBSATMÍN = ICSAT /ß = 8,06µA/120 = 67,20 µA.

Para garantizar la saturación, IBSAT>3IBSATMÍN-->IBSAT>3x67, 20 = 201,60 µA. RBMÁX = (V E-V BE )/IBMÍN = (5-0,6)/201,60 = 21 kΩ

Cuando la señal de entrada tenga el valor de cero voltios, el transistor entrará en corte y la tensión de la señal de salida será igual a la tensión de alimentación 5 voltios ---> V CE = V CC = 5 V. El transistor en conmutación. Anteriormente hemos descrito los estados del transistor (corte, activa y saturación) y las configuraciones. Sin embargo, en una parte de la Electrónica (la electrónica digital) no importan los valores de tensión exactos, sino solamente los estados alto o bajo (exista tensión o no exista tensión). Estos estados ocurren cuando el transis-


Ciertos circuitos utilizan el transistor en conmutación, como son los denominados multivibradores u osciladores de señal no senoidal.

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Podemos distinguir tres tipos: • Multivibrador astable. • Multivibrador monoestable. • Multivibrador biestable. Multivibrador astable. Este circuito es capaz de generar por sí solo una señal cuadrada a su salida. El circuito es totalmente simétrico y está constituido por dos transistores que cuando uno está en corte, el otro está en saturación y viceversa. Presenta dos estados inestables pues en ninguno de ellos permanece indefinidamente. Este circuito no necesita ningún tipo de pulso (disparo) para que empiece a funcionar, pues lo hace de forma automática debido a la carga y descarga de los condensadores.

Al conectar la alimentación, aunque los transistores sean del mismo tipo y denominación siempre habrá una ligera variación entre ellos y uno de ellos empezará a conducir antes que el otro. Si, por ejemplo, suponemos que comienza a conducir antes el transistor T 1, éste entrará en saturación y T 2 en corte y si tomamos la salida por ejemplo en el colector de T2 tendremos VCC. C1 se irá cargando a través de R 4 y de la tensión base emisor de T 1 (C2 ya estaba cargado), así que mientras C 1 se va cargando, C2 empieza a descargarse por medio de R2 y la tensión colector emisor de T 1. Esto hace que T1 pase al corte (circuito abierto) y T 2 a saturación (cortocircuito) y en salida tendremos tensión nula.

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En este momento C 2 empezará a cargarse por medio de R 2 y tensión base emisor de T2 mientras que C1 se descarga a través de R3 y tensión colector emisor de T 2. Este proceso se repetirá indefinidamente. El tiempo en que la señal está a nivel alto viene determinado por el tiempo que tarda en descargarse C 1: t1 = 0,69 R3 C1. El tiempo en que la señal está a nivel bajo corresponderá a la descarga de C 2: t2 = 0,69 R2 C2.

Como puede observarse en el osciloscopio, la tensión de salida no es exactamente rectangular, y ello se debe a la carga de los condensadores a través de R 1 y R 4. Para evitar este inconveniente se recurre al circuito denominado astable mejorado, que consta de dos diodos y dos resistencias más.

C1 se carga a través de R 5 y V BE1, descargándose por R 4, el diodo y VCE2. C2 se carga por R2 y V BE2, y se descarga a través de R3, el otro diodo y V CE1.


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El tiempo a nivel alto será:

Multivibrador biestable

t1 = 0,69 R4 C1. El tiempo a nivel bajo será: t2 = 0,69 R3 C2. Multivibrador monoestable Presenta un estado estable y otro monoestable. En nuestro circuito el estado estable se corresponde con el nivel bajo de tensión (T 1 cortado, T2 saturado) y ahí permanecerá indefinidamente hasta que le introduzcamos un pulso de disparo para que cambie, y al cambiar pasará al estado inestable caracterizado por el nivel alto de tensión (T 1 saturado, T2 cortado) permaneciendo un tiempo determinado por la descarga de C 1: t = 0,69 R2 C1.

Al aplicar la alimentación al circuito, T 2 permanece en saturación y T 1 en corte, la tensión de salida es cero y el condensador C1 se habrá cargado por R 1 y V BE2 permaneciendo así indefinidamente a menos que se aplique un pulso a la base de T 1. Con ello se consigue que T 1 pase a saturación y T2 a corte y que la tensión alcance un nivel alto en el que permanecerá hasta que C 1 se descargue a través de R 2 y VCE1 haciendo que T1 vuelva al corte y T 2 a la saturación.


Este circuito tiene dos estados estables, permaneciendo indefinidamente en cualquiera de ellos a menos que se introduzcan sendos impulsos de disparo a las bases de los transistores para que se produzca el cambio de corte a saturación y viceversa.

El tiempo de permanencia en cada estado dependerá de la frecuencia (en realidad, de su inver sa) de la señal de disparo.

Un símil electromecánico del multivibrador biestable es el típico telerruptor que se utiliza en los circuitos de vivienda. Recordemos…

Le damos un empujoncito a la tecla del pulsador y la luz se enciende (un estado) y así puede permanecer indefinidamente, hasta que otra pulsación apaga la luz (el otro estado).

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Como Identificar Transistores. Ya sabemos que un transistor está constituido por una estructura formada por tres regiones semiconductoras alternadas NPN o PNP en un cristal único. En cada una de estas regiones se encuentra un terminal que corresponder a la Base, Colector y Emisor, designadas por las letras, B, C y E. En la práctica, los transistores son diferentes no sólo en lo que se refiere a la manera como las tres regiones semiconductoras están dispuestas, sino también a su envoltorio o parte externa. Si el transistor va a operar con corrientes elevadas, las regiones semiconductoras precisan una mayor superficie para no ser dañadas por esos aumentos de corriente. A su vez, si el transistor va a operar con señales de alta frecuencia, la región de base específicamente, deben de ser más fina, para que la corriente pueda circular por ella rápidamente. En los montajes que no sean muy críticos, las características de los transistores usados no es necesario que sean muy rigurosas. En principio, un tipo de la misma familia sirve. Por ejemplo, cuando se cita en un montaje un transistor de silicio de uso general, podemos usar no sólo el BC237, sino también alguno de su familia, como el BC238, BC547 o el BC548, así como una infinidad de tipos cuyas características son semejantes. Respecto a su denominación y valiéndonos de las letras de orden grabadas en su carcasa, podemos deducir: • Transistores que comienzan por BC, son de uso general y de silicio. • Transistores que comienzan por AC, son de uso general y de germanio. • Transistores que comienzan por BF, son para uso en RF y de silicio. • Transistores que comienzan por AF, como los anteriores, pero de germanio.

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• Transistores que comienzan por AD, son de germanio y para etapas de potencia. • Transistores que comienzan por BD, de potencia pero de silicio. • Transistores con nomenclatura 2N, son de procedencia americana. • Transistores con denominación 2SB, germanio, uso general y son japoneses. • Transistores 2SC son de silicio uso en RF y uso general en Japón. • Transistores 2SD son de potencia. Si tenemos en cuenta que un transistor se puede comparar como dos diodos: a) Entre colector y emisor debemos medir siempre una resistencia muy elevada. b) Entre base y emisor, o entre base y colector, en un sentido debemos medir baja resistencia y en otro elevada, dependiendo de que el transistor sea NPN o PNP, ya que en este caso lo que hacemos es polarizar los diodos directa e inversamente. Transistores de uso general (NPN o PNP) de baja potencia. En estos transistores, el material de la patilla semiconductora que le da su nombre puede ser de silicio o de germanio, y de pequeñas dimensiones. Están proyectados para amplificar señales de baja frecuencia (audio) y aparecen en la salida de audio de aparatos de radio, grabadores y pequeños amplificadores. Los japoneses, suelen usar la denominación 2SB75, 2SB54, 2SC170, etc., y los tipos americanos, así como de otras familias, comienzan siempre con la denominación 2N. Transistores de RF. Estos transistores son de reducida dimensiones, ya que trabajan con señales débiles y de alta frecuencia. En cuanto a su denominación así como los anteriores de silicio comienzan con las letras BC (código europeo), estos comienzan con las iniciales BF.


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Asimismo, los tipos más conocidos de esta familia son los BF494, BF254 y BF495. Transistores de potencia. Estos transistores están dotados de una carcasa de grandes dimensiones, pudiendo ser tanto se silicio como de germanio. Los grandes transistores de carcasa metálica como el 2N3055 o el AD149 utilizan la propia carcasa como uno de los terminales, correspondiendo en este caso al Colector. Cuando esto es así, si colocamos este componente sobre un radiador para que disipe el calor que se produce en él, puede existir contacto eléctrico entre el radiador y el colector. En este caso se coloca un aislante que suele ser una lámina de mica entre transistor y radiador. Los transistores de potencia con carcasa de plástico, normalmente, el terminal del centro corresponde al colector (C). 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 este: 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 ó 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 parecen de idéntico tipo - poseen el mismo encapsulado- y, sin embargo, uno de ellos es un transistor, otro


es un triac y el tercero un regulador integrado (dispositivo, por cierto, de suma utilidad).

Una herramienta utilísima 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. 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 acabado. Pero los transistores también están sujetos a un determinado paso de corriente a través de ellos lo que 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 estas en material metálico (de más alto poder disipador), o en dotar a los transistores de la posibilidad de añadirles posteriormente un método de disipación. Cabe mencionar aquí estos dispositivos, aunque hay un capítulo dedicado a ellos.

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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 solo 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. Verificación de los transistores. Empezamos por comprobar un diodo. Hoy en día existen multímetros digitales que permiten probar con mucha facilidad un diodo, pues ya vienen con esta alternativa listos de fábrica. El caso que se presenta aquí es el método típico de medición de un diodo con un tester analógico (el que tiene una aguja).

Se realizan las dos pruebas siguientes: Se coloca el cable de color rojo en el ánodo de diodo (el lado de diodo que no tiene la franja) y el cable de color negro en el cátodo (este lado tiene la franja), el propósito es que el multímetro inyecte una corriente continua en el diodo (esto es lo que hace cuando mide resistencias). Si la resistencia que se lee es baja indica que el diodo, cuando está polarizado en directo funciona bien y circula corriente a través de él (como debe de ser). Si esta resistencia es muy alta, puede ser síntoma de que el diodo está abierto y tenga que ser reemplazado. Se coloca el cable de color rojo en el cátodo y el cable negro en el ánodo. En este caso como en anterior el propósito es hacer circular corriente a través del diodo, pero ahora en sentido opuesto a la flecha de este. Si la resistencia leída es muy alta, esto nos indica que el diodo se comporta como se esperaba, pues un diodo polarizado en inverso casi no conduce corriente. Si esta resistencia es muy baja podría significar que el diodo esta en corto y tenga que ser reemplazado.

Nota: • El cable rojo debe ir conectado al terminal del mismo color en el multímetro. Para empezar, se coloca el selector para medir resistencias (ohmios / Ω ), sin importar de momento la escala.

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• El cable negro debe ir conectado al terminal del mismo color en el multímetro (el común)


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Como probar un transistor Para probar transistores bipolares hay que analizar un circuito equivalente de éste, en el que se puede utilizar lo aprendido al probar diodos. Ver la siguiente figura.

Se ve que los circuitos equivalentes de los transistores bipolares NPN y PNP están compuestos por diodos y se sigue la misma técnica que probar diodos comunes. La prueba se realiza entre el terminal de la base (B) y el terminal E y C. Los métodos a seguir en el transistor NPN y PNP son opuestos. Al igual que con el diodo, si uno de estos diodos equivalentes del transistor no funcionan cono se espera hay que cambiar el transistor. Nota: • Aunque este método es fiable (99 % de los casos), hay casos en que, por las características del diodo o el transistor, esto no se cumple.

Cuando seleccionamos un transistor tendremos que conocer el tipo de encapsulado, así como el esquema de identificación de los terminales. También tendremos que conocer una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no debemos sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la


temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos. Una forma bastante rápida de identificar un transistor NPN o PNP es mediante un polímetro buscando en él un zócalo con la serigrafía hFE, localizaremos unos orificios para insertar el transistor, tanto para un NPN como para el PNP. Ver figuras.

Para obtener la medida de la ganancia es necesario insertarlo en su orificio apropiado, con lo que queda determinado si es un NPN o un PNP. Aplicaciones de los transistores. Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las que se encuentran: • Amplificación de todo tipo (radio, televisión, instrumentación). • Generación de señal (osciladores, generadores de ondas, emisión de radiofrecuencia). • Conmutación, actuando de interruptores (control de relés, fuentes de alimentación conmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de impulsos PWM). • Detección de radiación luminosa (fototransistores). Como no los hemos mencionado vamos a hablar de ellos:

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Fototransistores. Los fototransistores no son muy diferentes de un transistor normal, es decir, están compuestos por el mismo material semiconductor, tienen dos uniones y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Por supuesto, siendo un elemento sensible a la luz, la primera diferencia evidente es en su cápsula, que posee una ventana o es totalmente transparente, para dejar que la luz llegue hasta las uniones de la pastilla semiconductora y produzca el efecto fotoeléctrico. Teniendo las mismas características de un transistor normal, es posible regular su corriente de colector por medio de la corriente de base. Y también, dentro de sus características de elemento optoelectrónico, el fototransistor conduce más o menos corriente de colector cuando incide más o menos luz sobre sus uniones.

Diversos tipos de fototransistores

Los dos modos de regulación de la corriente de colector se pueden utilizar en forma simultánea. Si bien es común que la conexión de base de los fototransistores no se utilice, e incluso que no se la conecte o ni siquiera venga de fábrica, a veces se aplica a ella una corriente que estabiliza el funcionamiento del transistor dentro de cierta gama deseada, o lo hace un poco más sensible cuando se debe detectar una luz muy débil.

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Esta corriente de estabilización (llamada bias, en inglés) cumple con las mismas reglas de cualquier transistor, es decir, tendrá una relación de amplificación determinada por la ganancia típica de corriente, o hFE. A esta corriente prefijada se le suman las variaciones producidas por los cambios en la luz que incide sobre el fototransistor. Los fototransistores, al igual que los fotodiodos, tienen un tiempo de respuesta muy corto, es decir que pueden responder a variaciones muy rápidas en la luz. Debido a que existe un factor de amplificación de por medio, el fototransistor entrega variaciones mucho mayores de corriente eléctrica en respuesta a las variaciones en la intensidad de la luz. Encapsulados de transistores y otros semiconductores.

Ahora vamos a ver los transistores por fuera. Están encapsulados de diferentes formas y tamaños, dependiendo de la función que vayan a desempeñar. Hay varios encapsulados de tipo estándar y cada encapsulado tiene una asignación de terminales que puede consultarse en un catálogo general de transistores. Independientemente de la cápsula que tengan, todos los transistores tienen impreso sobre su cuerpo sus datos, es decir, la referencia que indica el modelo de transistor. Por ejemplo, en los dos transistores mostrados se observa la referencia MC 140. Los transistores bipolares, triacs, tiristores, y otros tipos vienen en muchas presentaciones o encapsulados y estos vienen ligado al tipo de aplicación en que se les va a utilizar.


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Cada uno tiene impreso en el cuerpo el tipo de transistor que es, siendo así muy fácil poder encontrar sus características técnicas en un manual como el ECG o NTE. En estos manuales también se pueden encontrar transistores de características similares o muy parecidas a los que se los llama equivalentes. Entre los encapsulados están: (hay más)

TO-18: Es un poco más grande que el encapsulado TO-92, pero es metálico. En la carcasa hay un pequeño saliente que indica que la patita más cercana es el emisor. Para saber la configuración de patitas es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias.

TO-92. Cápsula miniatu ra. Se utiliza en transisto res de pequeña señal. Tienen un tamaño bastante pequeño.

TO-92: Este transistor pequeño es muy utilizado para la amplificación de pequeñas señales. La asignación de patitas (emisor - base - colector) no está estandarizado, por lo que es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias para obtener estos datos.

Cápsula TO-92. Es muy utilizada en transistores de pequeña señal.

En el centro vemos la asignación de terminales en algunos modelos de transistores, vistos desde abajo. Abajo vemos dos transistores de este tipo montados sobre una placa de circuito impreso. Nótese la indicación "TR5" de la serigrafía, que indica que en ese lugar va montado el transistor número 5 del circuito, de acuerdo al esquema.


Cápsula TO-18. Se utiliza en transistores de pequeña señal. Su cuerpo está for mado por una carca sa metálica que tiene un saliente que indica el terminal del Emisor.

TO-39: Tiene le mismo aspecto que el TO-18, pero es mas grande. Al igual que el anterior tiene una saliente que indica la cercanía del emisor, pero también tiene la patita del colector pegado a la carcasa, para efectos de disipación de calor.

TO-126: Se utiliza mucho en aplicaciones de pequeña a mediana potencia. Puede o no utilizar disipador dependiendo de la aplicación en que se esté utilizando. Se fija al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del transistor. Se debe utilizar una mica aislante

131

El Transistor

Cápsula TO-126. Se uti liza en transistores de potencia reducida, a los que no resulta general mente necesario colocarles radiador.

Arriba a la izqui erda vemos la asignación de terminales de un transistor BJT y de un Tiristor. Abajo vemos dos transistores que tienen esta cápsula colocados sobre pequeños radiadores de aluminio y fijados con su tornillo correspondiente.

El TO-220: Este encapsulado se utiliza en aplicaciones en que se deba de disipar potencia algo menor que con el encapsulado TO-3, y al igual que el TO-126 debe utilizar una mica aislante si va a utilizar disipador, fijado por un tornillo debidamente aislado.

Cápsula TO-220. Se uti liza para transistores de menos potencia, para reguladores de tensión en fuentes de alimentación y para tiristores y triacs de baja potencia.

Generalmente necesitan un radiador de aluminio, aunque a veces no es necesario, si la potencia que van a disipar es reducida. Abajo vemos la forma de colocarle el radiador y el tornillo de sujeción. Se suele colocar una mica aislante entre el transistor y el radiador, así como un separador de plástico para el tornillo, ya que la parte metálica está conectada al termi nal central y a veces no inter esa que entre en contacto eléctrico con el radiador.

132

El TO-3: Este encapsulado se utiliza en transistores de gran potencia. Como se puede ver en el gráfico es de gran tamaño debido a que tiene que disipar bastante calor. Está fabricado de metal y es muy normal ponerle un disipador para liberar la energía que este genera en calor. Este disipador no debe estar en contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este estaría conectado directamente al colector del transistor. Para evitarlo se pone una mica para que sirva de aislante y a la vez de buen conductor térmico. El disipador de fija al transistor con ayuda de tornillos adecuadamente aislados que se introducen el los orificios que estos tienen. En el transistor con encapsulado TO-3 el colector esta directamente conectado al cuerpo del mismo (carcasa), pudiendo verse que sólo tiene dos pines o patitas. Estas patitas no están en el centro del transistor sino que ligeramente a un lado y si se pone el transistor como se muestra en la figura, al lado izquierdo estará el emisor y la derecha la base. Cápsula TO-3. Se utiliza para transistores de gran potencia, que siempre suelen llevar un radiador de aluminio que ayuda a disipar la potencia que se genera en él.

Arriba a la izquierda vemos su distribución de terminales, observando que el colector es el chasis del transistor. Nótese que los otros terminales no están a la misma distancia de los dos aguje ros. A la derecha vemos la forma de colocarlo sobre un radiador, con sus tornillos y la mica aislante. La función de la mica es la de aislante eléctrico y a la vez conductor térmico. De esta forma, el colector del transistor no está en contacto eléctrico con el radiador.


El Transistor

Precios de transistores. Teniendo, tal vez, la idea de que estos componentes puedan tener un precio excesivamente alto vamos a presentar una tabla donde aparece una oferta de transistores de distintas potencias, para situarnos un poco más en este mundillo. Transistores de pequeña señal

BC107

NPN

TO-18

0, 45 €

BC108

NPN

TO-18

0, 45 €

BC109

NPN

TO-18

0, 45 €

BC140

NPN

TO-39

0, 55 €

BC237

NPN

TO-92

0, 18 €

BC238

NPN

TO-92

0, 10 €

BC239

NPN

TO-92

0, 18 €

2N2219

NPN

TO-92

0, 46 €

BC307

PNP

TO-92

0, 08 €

2N2222

NPN

TO-92

0, 49 €

BC516

PNP

TO-92

0, 12 €

2N2907

PNP

TO-18

0, 36 €

BC517

NPN

TO-92

0, 09 €

2N4401

NPN

TO-92

0, 10 €

BC635

NPN

TO-92

0, 11 €

2N2906

PNP

TO-18

0, 44 €

BC636

PNP

TO-92

0, 16 €

2N3563

NPN

TO-92

0, 22 €

BC638

PNP

TO-92

0, 16 €

2N3904

NPN

TO-92

0, 13 €

BC640

PNP

TO-92

0, 09 €

2N3906

PNP

TO-92

0, 13 €

BD135

NPN

TO-126

0, 27 €

2N4403

PNP

TO-92

0, 10 €

BD137

NPN

TO-126

0, 24 €

2N5401

PNP

TO-92

0, 10 €

BD139

NPN

TO-126

0, 27 €

BC169

NPN

TO-92B

0, 45 €

BD140

PNP

TO-126

0, 25 €

BC327

PNP

TO-92

0, 10 €

BCR119 SMD-NPN

SOT363

0, 43 €

BC337

NPN

TO-92

0, 18 €

BC338

NPN

TO-92

0, 11 €

BC546

NPN

TO-92

0, 09 €

2N3055

NPN

TO-3

0, 93 €

BC547

NPN

TO-92

0, 10 €

2N5885

NPN

TO-3

2, 27 €

BC548

NPN

TO-92

0, 10 €

2N5886

NPN

TO-3

2, 27 €

BC549

NPN

TO-92

0, 09 €

2SD1548

NPN

TO-3P(H)

1, 41 €

BC550

NPN

TO-92

0, 39 €

BD241

NPN

TO-220

0, 43 €

BC556

PNP

TO-92

0, 09 €

BD242

PNP

TO-220

0, 44 €

BC557

PNP

TO-92

0, 10 €

BD243

PNP

TO-220

0, 48 €

BC558

PNP

TO-92

0, 09 €

BD245

NPN

SOT-93

1, 83 €

BC807 SMD-PNP

SOT-23

0, 09 €

BD249

NPN

TO-247 (3)

1, 89 €

BC817 SMD-NPN

SOT-23

0, 09 €

BD250

PNP

TO-247 (3)

1, 90 €

BC848 SMD-NPN

SOT-23

0, 10 €

BD677

NPN

SOT-32

0, 29 €

BD680

PNP

SOT-32

0, 31 €

BDX33C

NPN

TO-220

0, 41 €

Transistores de pequeña potencia

Transistores de potencia

2N1711

NPN

TO-39

0, 59 €

MJE340

NPN

TO-126

0, 32 €

2N2369

NPN

TO-18

0, 41 €

MJE350

PNP

TO-126

0, 66 €

2N2905

PNP

TO-39

0, 63 €

MPSA42

NPN

TO-92

0, 06 €

2N2907

PNP

TO-39

0, 36 €

TIC3055

NPN

TO-220

0, 78 €

2N3053

NPN

TO-39

0, 34 €

TIP110

NPN

TO-220

0, 62 €


133

El Transistor

TIP120

NPN

TO-220

0, 37 €

TIP122

NPN

TO-220

0, 26 €

TIP142

NPN

TO-3P

1, 26 €

TIP2955

PNP

CASE-340D 1, 07 €

TIP3055

NPN

CASE-340D 0, 94 €

TIP31

NPN

TO220

0, 39 €

TIP32

PNP

TO220

0, 39 €

Parámetros característicos de transistores Los fabricantes proporcionan la información necesaria para identificar todos los parámetros de un transistor. Vamos a ver como presentan esa información en el caso de un modelo de pequeña potencia y en otro de potencia

Transistores de Efecto de Campo (mos-fet) 2N3819 FET CANAL N 2N4393 FET CANAL N 2N7000 FET CANAL N CANAL-N 2SK1341 BF245A FET CANAL N BF245B FET CANAL N CANAL-N BS170 BS250 CANAL-P CANAL-N BUZ11 BUZ90 CANAL-N BUZ91A CANAL-N IRF1310N Power MOSFET IRF510 Power MOSFET IRF520 Power MOSFET IRF540 Power MOSFET IRFBC30 Power MOSFET IRFBE30 Power MOSFET IRFP140 Power MOSFET IRFP240 Power MOSFET IRFP250N Power MOSFET IRFP9240 Power MOSFET

TO-92 TO-18 TO-92 TO-3P TO-92 TO-92 TO-92 TO-92 TO-220 TO-220 TO-220 TO-220 TO-220 TO-220 TO-220 TO-220 TO-220 TO-247 TO-247 TO-247 TO-247

0, 67 € 2, 27 € 0, 24 € 3, 35 € 0, 37 € 0, 39 € 0, 14 € 0, 46 € 0, 82 € 1, 23 € 1, 45 € 1, 53 € 0, 51 € 0, 64 € 1, 92 € 1, 63 € 1, 59 € 2, 21 € 2, 83 € 2, 16 € 2, 79 €

Transistores RF 2SC2078

NPN

TO-220

0, 35 €

BF240

NPN

TO-92

0, 16 €

BF256

J-FET

TO-92

0, 42 €

BF763

NPN

TO-92

0, 69 €

BFQ232

NPN

SOT32

0, 46 €

BFQ270

NPN

SOT172A1 22, 42 €

BFR91 SMD-NPN

TO-50

0, 51 €

BFW92 SMD-NPN

TO-50

0, 44 €

134


El Transistor


135

El Transistor

136


El Transistor


137

El Transistor

138


El Transistor


139

El Transistor

140


El Transistor


141

El Transistor

142


El Transistor

Montajes con transistores bipolares Iremos mostrando algunos en orden creciente de dificultad. Detector de humedad. La luz se encenderá si hay humedad en la tierra de la maceta, ya que se cierra el circuito de base. Se pueden buscar otras utilidades a esta aplicación.

Otra etapa de amplificación permitirá activar un claxon de aviso. Detector de nivel de agua. Al alcanzar el agua el nivel A la lámpara se encenderá, pues a través de ella se cierra el circuito de base del transistor.

Interruptor controlado por la luz. La LDR (resistencia que varía en función de la luz que incide) presenta mucha resistencia en la oscuridad y poca cuando hay más luz. Si le da el sol o luz artificial, su resistencia desminuye y el transistor se desblo-


queará, encendiéndose la bombilla. En el caso contrario, si no le da la luz, su resistencia será mayor, bloqueando el transistor y apagándose la bombilla.

Detector de temperatura. La NTC (resistencia de variación negativa con la temperatura), disminuye su resistencia al variar la temperatura y al revés. En consecuencia, si aumenta la temperatura disminuye la resistencia total de la base y el transistor conduce, contrariamente a si disminuye la temperatura en la NTC, su resistencia obliga al transistor a bloquearse.

Interruptor crepuscular. Imaginemos el farol de una terraza, automatizado, independiente de la voluntad del inquilino. Con la luz ambiental, la LDR presenta poca resistencia y el transistor permanece bloqueado. A medida que va oscureciendo, la LDR va presentando más resistencia, cayendo

143

El Transistor

en ella más tensión y el transistor conduce. La luz se enciende. Al amanecer el transistor se vuelve a bloquear y la luz se apaga hasta la noche siguiente. Sirena.

Lista de componentes: • Transistores: 2 PNP BC559 o equivalente, 1 NPN BC547 o equivalente, 1 PNP BC636 o equivalente. • Resistencias: 2 de 15 KΩ, 2 de 3.3 KΩ, 1 de 10 KΩ, 1 de 27 KΩ • Condensadores: 2 de 15 µF (microfaradios), electrolíticos, 1 de 4,7 µF, electrolíticos, 1 de 0,1 µF. • Otros: Altavoz común de 8 W.

Con 4 transistores bipolares (BJT). Este circuito produce el sonido de una sirena típica con sólo 4 transistores. Se puede variar la cadencia del sonido cambiando los dos condensadores por otros de valor diferente. Los transistores T1 y T2 conforman un biestable (un circuito que tiene dos estados estables). El circuito biestable oscila entre estos dos estados, alto y bajo, que se pueden medir en el colector del transistor T 2. Estos dos niveles son entregados al grupo de elementos formados por las resistencias de 10 KΩ, 27 KΩ y el condensador de 4,7 µF que dan la cadencia del sonido conforme se carga el condensador y se descarga. T3 y T 4 que conforman un oscilador que hace sonar el altavoz de 8 ohmios.

144

Inversor. Cómo conseguir 230V CA / 100W, a partir de 12V CC. Disponer de 230 V de tensión alterna en un coche o en un camión puede ser muy útil, no solo en campamentos o viajes sino también para conectar soldadores u otra clase de herramientas. También pude ser interesante para cargar las baterías de teléfonos, videocámaras u ordenadores portátiles, entre otros dispositivos. Aunque se hace referencia a un circuito integrado, el 4047, (aún no conocemos los circuitos integrados), podemos aventurarnos y comprarlo, sin ningún problema.


El Transistor

Para reducir o elevar una tensión determinada nada mejor que un transformador, pero este componente no funciona en corriente continua, que es la disponible en las baterías de los vehículos. Debemos recurrir a un oscilador que genere unas alternancias en la CC de entrada para así tener en la bobina del transformador CA. El circuito integrado (4047) es un oscilador cuyas salidas son una inversa con respecto de la otra. Esto quiere decir que mientras una está en estado alto la otra está bajo y viceversa. Estas señales son demasiado débiles para mover el trasformador así que se incorpora una etapa formada por tres transistores en cadena. El diodo en paralelo con cada uno de los transistores finales evita que la corriente inversa producida al retirar la corriente del bobinado queme el transistor. El diodo de 5A colocado en paralelo con la línea de alimentación genera un cortocircuito cuando la polaridad es accidentalmente invertida, haciendo que el fusible salte. El potenciómetro de 50K permite ajustar la frecuencia del oscilador, que es directamente proporcional con la frecuencia de la CA producida en el transformador. Para que el oscilador trabaje de forma estable se ha dispuesto la resistencia de 220 Ω como limitador de corriente y el Zener de 9.1 V junto con sus condensadores de filtrado. Este conjunto hace que sin importar los cambios en la batería la tensión en el oscilador sea de 9 V. El transformador puede ser uno común de los que se emplean para hacer fuentes de alimentación, solo que en este equipo lo usaremos inversamente. En vez de aplicar tensión en el devanado de 230 V y conseguir en el secundario 18 V, lo que haremos es aplicar la tensión en el devanado de 18 V para conseguir lo buscado, 230 V.


En realidad los cálculos de este elemento exigían un bobinado de 230V y otro de 9.3V+9.3V, pero como no es común este tipo de valores hemos recurrido a uno de 9+9, más habitual en los comercios. La potencia del mismo deberá ser 100VA Los transistores de salida deben ser colocados sobre disipador de calor. Respetar las potencias de las resistencias indicadas. Comprobar la posición de los diodos y condensadores electrolíticos. Deberá utilizarse cables de sección adecuada para la conexión de la batería. Secciones pequeñas pueden causar caídas de tensión o un funcionamiento errático. Una buena alternativa para comprobar el funcionamiento visualmente es colocar un indicador de neón en la salida de 230V. Así, sólo cuando el sistema trabaje adecuadamente el indicador brillará. Calibración: Bastará con alimentar el sistema y colocar un frecuencímetro ú osciloscopio en la salida del transformador. Girar el potenciómetro de 50K conectado al 4047 hasta que la frecuencia medida sea de 50Hz. Después de esto la calibración habrá concluido. Importante: Este equipo genera corriente alterna cuya forma de onda es cuadrada. Es así porque los transistores están dispuestos en corte / saturación. No presenta problemas para los equipos resistivos, como soldadores, lámparas o alimentadores. Pero los equipos de TV o cámaras de vídeo, que empleen como referencia la frecuencia y onda de la red, pueden no funcionar correctamente.

145

El Transistor

Montaje curioso: Cómo lograr que luzca un diodo Led de 3 W con una pila de 1,5 V.

Es sencillo proyectar una alimentación para LED, usando un regulador de tensión integrado, cuando la tensión de que disponemos es 12 V, 6 V e incluso 5 V…pero con una única fuente, una pila, tamaño D, 1,5 V, cómo hacer lucir un diodo Luxeon de 3 W, que precisa una corriente constante de 700 mA y una tensión de 3,6 V. ¡Muy fácil! Con un inversor tipo Push-pull. Se trata de un oscilador Push-pull realizado con pocos componentes. Sólo dos transistores en configuración auto oscilante y un puente de diodos para recuperar toda la forma de onda generada. El componente importante es el transformador, que para que actúe correctamente es necesario que actúe de forma simétrica, El transistor Q1 y Q2, conduciendo alternativamente generan un forma de onda perfectamente simétrica. La frecuencia de trabajo está próxima a 1,5 Khz. Para determinarla, así como el número de espiras del circuito magnético usaremos la siguiente fórmula:

En este caso se han usado dos transistores de potencia tipo MJE13005 NPN VCE: 400V Ic: 4A f: 5Mhz hFE: 8

A este conjunto se le conoce como convertidor DC/DC y suele representarse como: DC DC

Balasto electrónico para un tubo fluorescente de 40w con tensión de entrada 12VCC. Presentamos aquí un circuito muy fácil de hacer y que nos dará excelentes resultados a la hora de utilizarlo.

f = Vb / (2 N S B) Donde f =frecuencia V B = tensión de la pila N = número total de espiras del primario S = sección del núcleo (metros cuadrados) B = valor de la inducción (Weber/m 2 )

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Se basa en el principio de provocar una oscilación en el primario de un transformador para conseguir en su secundario una tensión elevada capaz de ionizar el gas


El Transistor

contenido dentro del tubo y, por consiguiente, hacerlo brillar. En el circuito todas las resistencias son de 1W y la alimentación es de 12 V CC. El transistor debe tener la suficiente disipación de calor. Tal como se ve, no hay un sistema oscilador por lo que no debería funcionar. Pero veamos un poco en detalle el con junto L 1 /T1. Sobre una barra de ferrita se bobina tanto el transformador elevador (T 1 ) como el inductor de base (L1 ). De esta forma logramos que el circuito oscilador sea del tipo realimentado. A cada disparo del transistor una porción de energía es captada por el bobinado de L1 el cual vuelve a disparar el transistor y sigue funcionando así. ¿Pero cómo se construye este inductor?

Primero hemos de conseguir una barra de ferrita del tipo utilizado en radios de AM de 6 cm de largo. Puede ser ligeramente mas larga para luego hacer alguna especie de soporte de fijación.

Sobre esta barrita bobinamos 60 vueltas de hilo de cobre esmaltado de 1mm 2 de sección. Este es el bobinado primario, que será manejado por el transistor de potencia. Una vez bobinado el primario procedemos a fijar las espiras del mismo con cinta de enmascarar (cinta de pintor).


Una vez fijadas las espiras del primario con la cinta, bobinamos en el centro (sobre la cinta) las 13 vueltas de hilo de cobre de 0,4mm2, esmaltado, que conforman el bobinado de realimentación o feedback. Este es el bobinado que se encargará de hacer que el sistema oscile. Nuevamente, cuando terminemos de bobinar estas 13 espiras cubriremos, sólo las 13 vueltas, con cinta de enmascarar para mantener armado el bobinado sin cuidado a que nos quede en desnivel el centro. Luego haremos que los hilos de este bobinado salgan por un costado.

Bobinaremos ahora las 450 espiras de hilo de cobre de 0,4mm2, esmaltado, que forman el secundario. Este bobinado se realiza en tres capas de 150 espiras cada una. Entre capa y capa debemos intervenir con cinta de enmascarar para mantener la bobina firme. Primero daremos 150 vueltas, cubriremos con cinta, bobinaremos otras 150 vueltas, volveremos a cubrir con cinta, otras 150 vueltas más y otra vez mas cubriremos con cinta. Nos quedará entonces un mazacote de cinta y cobre sobre la ferrita y este será nuestro inductor T1 /L1. Antes de encender este equipo debemos poner en fase el inductor.

147

El Transistor

Esto consiste en conectar el tubo fluorescente a la salida y alimentar momentáneamente el sistema. Si el tubo no enciende deberemos invertir los dos alambres de la bobina osciladora (L1 ). Nuevamente probaremos y ahora si deberá encender. Si el sistema encendió de primera (antes de invertir los alambres, no será necesario tocar nada). Una vez ajustada la posición de la bobina L 1 podremos quitar la resistencia limitadora de entrada (la de 2,2 Ω ) y dejar el sistema alimentado directamente. Relé controlado por luz con fotorresistencia (LDR). Activador de persianas, por ejemplo, al llegar la noche. Este circuito es muy interesante, la fotorresistencia LDR (resistencia dependiente de la luz) cambia su valor en ohmios dependiendo de la cantidad de luz que la incida sobre ella. De modo aislado no puede hacer nada, no tiene fuerza para activar nada. Necesita el resto del circuito. Cuando la LDR está iluminada su resistencia es baja y provoca que el voltaje en la base del transistor se incremente. El transistor 1 conducirá, lo que causará que el transistor T 2 no lo haga (entre en corte). De esta manera el relé no se activa. Cuando la LDR NO está iluminada su resistencia es alta y induce a que el voltaje en la base del transistor se haga pequeño. El transistor T 1 NO conducirá lo que causará que el transistor T 2 si lo haga (entre en conducción). De esta manera el relé se activa. El valor de la fotorresistencia no es crítico y se puede utilizar casi una de cualquier valor pues se incluye un potenciómetro en serie para controlar la sensibilidad del circuito Se utiliza un sistema muy sencillo de

148

obtención de corriente continua, como es el rectificador de media onda con sólo un diodo y esta señal rectificada se aplana con ayuda de un condensador de 470 o 1000 µF. La tensión resultante está lejos de ser plana, pero el circuito no necesita más.

Notas N.A. = contacto Normalmente Abierto N.C. = contacto Normalmente Cerrado Lista de componentes • Transistores: 2 NPN 2N2222 o equivalente (NTE 123). • Resistencias: 1 potenciómetro de 47 K Ω (1/4 W), 1 de 4.7 KΩ, 1 de 1 MΩ (Megaohmios) • Condensadores: 1 de 470 µF (microfaradios) 25 Voltios (electrolíticos). • Diodos: 1 1N4002 o equivalente. • Otros: 1 LDR (fotorresistencia de cualquier valor), 1(relé conmutado) de 12 voltios (con la resistencia del bobinado lo más alta posible, (500 Ω o más), 1 transformador de 230 C.A. Voltios en el primario y de 9 voltios en el secundario, de 500 miliamperios. Otros transistores Transistor de efecto de campo (FET) ¿Por qué le llamamos Bipolar al transistor que acabamos de conocer?


El Transistor

Porque funciona jugando con el movimiento de huecos y electrones, esto es, los dos tipos de portadores. En el resto de los transistores las corrientes se deben a solo un tipo de portadores. El transistor JFET (Juntion Field Effect Transistor) consiste en una barra de tipo N entera con una zona, hacia la mitad, estrangulada por una zona tipo P llamada Graduador o también Compuerta. Si se aplica tensión entre los extremos de la barra, como ésta se encuentra íntegra, a través de ella fluye una corriente de valor importante. Polarizando inversamente la unión compuerta-barra, en la zona de la Compuerta se produce un enrarecimiento de portadores o zona de agotamiento que dificulta la conducción. Se dice que el Canal, como se le llama a la sección de barra que queda frente a la Compuerta, se estrecha.

Por lo tanto, si aplicáramos una tensión inversa variable a la Compuerta (Gate) tendríamos una variación de la zona de estrangulamiento, variando así la conductividad de la barra de cristal N y por tanto la corriente que fluye por el Drenador. ¿No es lo mismo que un transistor bipolar trabajando como amplificador? ¿Se parece a un grifo que moviésemos rápidamente, cerrándolo y abriéndolo, de forma que variáramos el caudal que pasa por la cañería?


Los extremos de las barras podrían seguir llevando los mismos nombres que los del transistor bipolar, pero parece ser que sus inventores han preferido matizar llamando Surtidor al que hace las veces de Emisor, y Sumidero o Drenador al Colector. El JFET se emplea muchísimo menos que el BJT, fundamentalmente porque responde mal a altas frecuencias, aunque su amplificación es más pura (la corriente de salida no atraviesa ninguna unión PN, que introducen ruido en la señal), y su ganancia más estable. Transistores MOSFET (FET Metal-oxidosemiconductor)

Canal N

Canal P

Canal N Canal P Los dos primeros símbolos son los Mosfet de enriquecimiento. Los otros dos son Mosfet de empobrecimiento.

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El Transistor

Mosfet de enriquecimiento canal N. En este tipo de transistores la tensión de Compuerta (G) se aplica a una fina película de aislante de óxido. La característica fundamental de estos transistores es que no circula corriente por la compuerta. El óxido actúa como dieléctrico.

En principio, aplicando tensión UDS no tendríamos circulación de corriente por el Drenador, ya que hay dos barreras de potencial, una de ellas polarizada inversamente.

Si aplicamos tensión positiva a la compuerta, se producirá un desplazamiento de electrones a la zona cercana (en el cristal P), creándose una región rica en cargas negativas, y por tanto una región N, que anula las barreras de potencial anteriores y permite el paso de corriente de Id. En la curva característica podemos ver que la intensidad de drenador crece linealmente, primero, para llegar a saturación, después.

Cuanto mayor sea la tensión Vgs más rápidamente crecerá la intensidad.

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Transistores CMOS En la figura vemos una pareja de transistores MOSFET, un NMOS y otro PMOS, unidos y formando la denominada tecnología CMOS, muy utilizada en la fabricación de circuitos integrados. EL circuito sería un inversor lógico. Cuando la tensión de entrada es 1 (nivel lógico alto) el transistor NMOS (abajo) conduce, pero el transistor PMOS (arriba) está en corte, por lo que la tensión en Y será de cero voltios (nivel lógico bajo). Cuando la tensión de entrada sea cero, NMOS estará cortado y PMOS en saturación o conduciendo, siendo entonces la tensión de salida en Y igual a +VDD (nivel lógico alto). La gran ventaja de los transistores CMOS es que su consumo estático (mientras no cambian de estado) es prácticamente nulo, pues ya hemos visto que traba jan por tensión y no por intensidad, además de que siempre uno de los dos transistores está cortado, por lo que no hay corriente ni por las Puertas ni por los Drenadores. La configuración CMOS sólo consumirá corriente en la conmutación. Ello lo hace muy interesante de cara a la integración en chips, donde la disipación de potencia es un tema a tener muy en cuenta.


El Transistor

Cómo fabricar componentes en casa ¿Quién puede dudar que fabricar componentes de forma casera es una idea, como mínimo, descabellada? Pues bien, trataremos de demostrar que, aunque nadie fabrica microprocesadores en la cocina de su casa, existen una serie de trucos muy simples que nos permiten, de alguna manera, crear ciertos componentes a partir de otros. En una primera instancia esto puede parecer algo inútil. En efecto, ¿Para qué perder el tiempo en apaños pudiendo comprar el componente? Pues bien, a veces resulta imposible conseguir ciertos componentes, ya sea porque su precio, disponibilidad o por falta de tiempo. Otras, no vale la pena. Por ejemplo, ¿para qué colocar en un montaje un circuito integrado con cuatro compuertas cuándo sólo utilizamos una? Y de esta forma se multiplican los ejemplos en los que es bueno conocer algunos pequeños trucos a la hora de necesitar un componente. Sin más preámbulos comencemos, pues, con la información. Componentes analógicos Veamos cómo, a partir de cualquier transistor bipolar NPN ó PNP, se puede obtener un diodo. La técnica es muy simple, y su base radica en el propio funcionamiento del transistor. Para obtener un diodo a partir de cualquier transistor, basta unir los terminales Base y Colector del mencionado componente. De esta forma obtendremos un diodo cuyo ánodo será la base y el cátodo el emisor.

Lógicamente el nuevo diodo estará limitado por la corriente de base del transistor y por su tensión máxima de base-emisor.


A la hora de requerir diodos recordemos que el comportamiento en directo de un diodo Zener es exactamente igual al de un diodo convencional. El único cuidado a tener en cuenta es que la tensión inversa no sea superior al valor de la tensión de Zener. No solamente se pueden fabricar diodos. Es factible, utilizar un SCR (tiristor, que veremos a continuación, en el capitulo siguiente) como un diodo de 4 capas (Shockley), si se lo conecta como muestra la figura:

En este caso la tensión de cebado (Vth) del nuevo diodo PNPN será aproximadamente Vz+1 voltio. En donde Vz es la tensión de Zener de DZ. R puede adoptar cualquier valor aunque se recomienda que no sea inferior a 100 Ω ni superior a 47k Ω. Veamos cómo se puede realizar un foto transistor a partir de un transistor convencional. Como requisito el transistor a utilizar debe tener encapsulado del tipo TO-3 como, por ejemplo, un 2N3055.

Para realizar la conversión basta sólo con tomar una pequeña sierra y cortar la capa superior del encapsulado metálico. De esta manera, permitiremos que la luz incida directamente sobre la pastilla de silicio, obteniéndose así un fototransistor en forma totalmente casera.

Para realizar este proceso es necesario ser muy cuidadoso para no dañar la peque-

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El Transistor

ña pastilla de silicio. Si se desea aumentar la sensibilidad puede ser conectado en Darlington con un transistor convencional. Una forma de obtener resistencia de precisión es la siguiente: En primer lugar se debe estar seguro de que la resistencia en cuestión es de carbón. Seguidamente se lima la resistencia con una pequeña lima, y se comprueba su valor con un Ohmetro. Lógicamente el valor inicial de la resistencia debe ser superior al requerido. Finalmente la precisión mejora aún más si la resistencia es algo vieja. Esto hace que su deriva en valor sea muy pequeña. Finalmente, no está demás recordar que se puede obtener cualquier valor de resistencia o capacidad a través de una adecuada combinación de resistencias/condensadores. Las resistencias se suman directamente en serie, mientras que en paralelo la resistencia total es la inversa de la suma de las inversas de cada resistencia. Es decir:

Matemáticamente se opera de forma inversa con los valores de capacidad. O sea:

Construcción de una celda solar con un transistor. Celda Solar: Oblea de silicio que convierte la energía proveniente de la luz directamente en electricidad. Las celdas solares también se conocen como celdas fotovoltaicas. Foto de luz y voltaico de voltaje. Cuando se exponen a la luz, las celdas solares son fuentes efectivas de energía. No proveen energía cuando es de noche. Sin embargo, cuando están expuestas a la luz, la energía se puede almacenar conectando las celdas solares con baterías recargables.

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Las celdas solares proporcionan solamente voltaje de corriente continua (DC). En esta ocasión vamos a tratar el tema de la fabricación de una fotocelda con transistores. Precaución: Los transistores antiguos de germanio contenían substancias tóxicas. Como ya se indicó en el inicio, las celdas solares son obleas silicio, los transistores también y algunos de germanio. Para nuestro proyecto usaremos transistores de potencia, tales como el 2N3055 (NPN) u otros similares de preferencia de los que se consiga. Procedimiento: Tomando las precauciones del caso, procedemos de la siguiente manera: Quitamos la tapa superior del transistor, a modo de dejar descubiertas, sus conexiones interiores, tal como se observa en la figura. Luego conectamos el colector al emisor, de esta manera tendremos únicamente 2 puntos de conexión. El colector y emisor serán el positivo y la base el negativo, el voltaje que entregará será de aproximadamente 0,6 voltios. Prueba: Para verificar el funcionamiento de la celda solar la colocamos de forma que la luz solar incida sobre los elementos del transistor que quedaron descubiertos cuando quitamos la tapa que los cubría, y colocamos un multímetro en los pines. Es obvio que este proyecto no servirá para alimentar una radio a transistores, ya que el amperaje es mínimo, pero se podrá entender el funcionamiento de las celdas solares. Podremos tratar de hacer un pequeño cargador solar interconectando varios transistores, en serie, para obtener, por ejemplo, 1,8 voltios con 3 transistores y ver en que tiempo se carga una pila recargable triple A, por ejemplo.


Electrónica de potencia

ELECTRÓNICA DE POTENCIA Se suele denominar así a las aplicaciones industriales donde se regulan altas tensiones y corrientes, mediante dispositivos electrónicos. Es la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de la energía eléctrica. A diferencia de lo que ocurre en la electrónica de las corrientes débiles, en que se da prioridad a la ganancia y fidelidad, la característica más importante de la electrónica de potencia es el rendimiento.

La electrónica de potencia combina la energía con el control (comparación) y el mando. A continuación podemos apreciar un esquema básico de bloques de un sistema electrónico de potencia.

La regulación de la potencia se realiza mediante un muestreo de la señal de salida con una tensión de referencia.


Ese muestreo dará un resultado y median-

te un circuito de mando se actuará sobre el circuito de potencia, aumentando o disminuyendo la transferencia de la misma desde la alimentación a la carga. Actores principales de la electrónica de potencia Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general, los protagonistas de la electrónica de potencia pueden clasificarse en ocho:

1. Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR). 2. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 3. Tiristores de tríodo bidireccional (TRIAC). 4. Tiristores de conducción inversa (RTC). 5. Tiristores de inducción estática (SITH). 6. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). 7. Tiristores controlados por FET (FET-CTH). 8. Tiristores controlados por MOS (MCT). En esta ocasión sólo vamos a hablar del tiristor, del triac y del diac, (no mencionado en la relación, pero útil para el disparo del triac), porque entendemos que con tener una idea clara de lo que son estos tres componentes es suficiente para el propósito del Mundo de la Electrónica.

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El tiristor o Rectificador controlado de Silicio (SCR).

Tiratrón de hidrógeno de General Electric, utilizado en radares.

El nombre proviene de la unión de Tiratrón y Transistor.

Tiratrón

Un tiristor es un dispositivo semiconductor de cuatro capas de estructura PNPN con tres uniones PN. Tiene tres terminales: ánodo, cátodo y puerta ó gate.

Se llama tiratrón a una válvula termoiónica parecida a un tríodo pero sin vacío, es decir, lleno de gas. Se utiliza para el control de grandes potencias y corrientes, lo que en un dispositivo de vacío es muy difícil debido al número limitado de electrones que puede producir un cátodo termoiónico. Añadiendo un gas inerte que se ioniza, inicialmente por medio de los electrones termoiónicos, se tiene un número mucho mayor de portadores de corriente que en el tríodo. A diferencia del tríodo, la corriente de ánodo no es proporcional a la tensión de rejilla, sino que cuando se dispara, se produce la ionización del gas que lleva al dispositivo a su resistencia mínima.

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Es uno de los dispositivos semiconductores de potencia más importantes. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. La figura muestra el símbolo del tiristor y su estructura interna.

Símbolo del tiristor

Funcionamiento Si aplicamos una tensión ánodo-cátodo V AK positiva: las uniones J1 y J3 tienen polarización directa o positiva. La unión J2 tiene polarización inversa, y sólo fluye una pequeña corriente de fuga. Se dice entonces que el tiristor está en condición de bloqueo directo en estado desactivado. Si el voltaje de ánodo a cátodo V AK se incrementa a un valor lo suficientemente grande, la unión J2 polarizada inversamente entrará en ruptura. Esto se conoce como ruptura por avalancha y el voltaje correspondiente se llama voltaje de ruptura directa. Dado que las uniones J 1 y J3 tienen ya polarización directa, habrá un movimiento libre de portadores a través de las tres uniones, que provocará una gran corriente directa del ánodo. Se dice entonces que el dispositivo está en estado de conducción o activado. La caída de voltaje se deberá a la resistencia óhmica de las cuatro capas y será pequeña, por lo común cercana a 1 voltio.

Estructura interna

En la siguiente figura podemos ver el modelo básico de gobierno de un tiristor: una carga Rc alimentada por una tensión, y un circuito de gate o puerta que controla la conducción.

Una vez que el tiristor está activado, se comporta como un diodo en conducción y ya no hay control sobre el dispositivo.


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Curva característica La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es. Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO ) el tiristor no se dispara. Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (I A ), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente. Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4...), ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado del mismo. Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, y sólo ocurre en el primer cuadrante de la curva. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca su destrucción.

Si aplicamos una tensión positiva en la puerta del tiristor, se establece una corriente por la unión J 3, polarizada directamente, que produce un aumento de electrones en el cristal P, donde son portadores minoritarios para la unión J 2 y por tanto pueden atravesarla, facilitando que el efecto avalancha en esta unión se realice a menor tensión V AK. Cuanto mayor sea esa tensión de compuerta, menor será la tensión V AK necesaria para lograr el disparo del tiristor, por lo que una variación VGK consigue diferentes puntos de disparo. Tenemos por tanto un “diodo de disparo controlado” que nos permitirá rectificar toda o parte de la corriente que nos ofrezca una fuente de tensión alterna.

Cuando el voltaje del cátodo es positivo con respecto al ánodo, la unión J 2 tiene polarización directa, pero las uniones J 1 y J3 tienen polarización inversa. Esto es similar a dos diodos conectados en serie con un voltaje inverso a través de ellos.

El tiristor estará en estado de bloqueo inverso y una corriente de fuga, conocida como corriente de fuga inversa I R fluirá a través del dispositivo. Descebado del tiristor: Una vez en conducción, el tiristor sólo se puede cortar o descebar disminuyendo la intensidad por debajo de la intensidad de mantenimiento.

Es una forma posible de cebar o activar el tiristor, que no nos interesa, pues para ello pondríamos un diodo. Lo interesante del tiristor es el poder activarlo a diferentes tensiones ánodo-cátodo, gobernándolo mediante el terminal de puerta o gate.

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En la práctica lo que se suele hacer es cortocircuitar las patillas del tiristor momentáneamente, o reduciendo la tensión V AK a cero.

Entonces el tiristor se bloquea y hay que volver a dar una tensión de compuerta para cebarlo de nuevo. El tiristor sólo puede ser cebado mediante V AK positiva, de forma que por sí solo no puede gobernar corriente alterna.



Su aplicación más inmediata se centró en la regulación de velocidad de motores de corriente continua. Anteriormente (a la invención del tiristor) se regulaban los motores de corriente continua con un equipo WARD-LEONARD: Se denomina así al grupo de máquinas formada por un generador de corriente continua impulsada por un motor asincrónico trifásico de rotor bobinado. La tensión así generada y controlada a voluntad se aplicaba a un motor de corriente continua, con el objeto de controlar la velocidad del mismo. El generador de C.C., que gira a velocidad constante impuesta por el Motor de C.A., tiene distintas posibilidades de excitación (independiente, derivación, compuesta aditiva y compuesta diferencial). Este grupo se utilizaba también para conectarse a una resistencia de carga en lugar del motor de C.C. A continuación podemos ver el esquema del mismo.

Actualmente el equipo necesario para variar la velocidad de un motor, tanto de tensión continua como alterna, se reduce a un armario, relativamente pequeño, gracias al componente que estamos describiendo.

El circuito, de la figura que viene a continuación, es una lámpara activada por tiristor. La Ve es alterna, así que la lámpara sólo se encenderá durante un semiciclo (180º) de la tensión de entrada. El potenciómetro de 470 K regula la corriente que carga el condensador, de


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forma que este tardará más o menos en hacerlo, y por tanto la tensión de compuerta del tiristor aumentará más o menos rápidamente en función de ello, variando así el ángulo de disparo del tiristor y por tanto la potencia suministrada a la bombilla.

Para entender mejor la actuación de un tiristor podemos compararlo con la puerta de entrada a una estancia, de las que tienen resorte y se cierran solas. Vamos a suponer que un fuerte viento la golpea por uno de sus lados, tratando de abrirla pero lo impide el picaporte. Bastará con que alguien lo accione, para que el viento se encargue de abrirla y mantenerla así, sin importar el estado del picaporte. El viento es el equivalente al voltaje de los electrones presentes en el terminal de control.

Variedad de Tiristores Los tiristores se pueden dividir en tiristores de mando y tiristores de potencia al igual que ocurre con los transistores. También pueden distinguirse por su estructura, pues pueden estar fabricados del tipo PNPN ó NPNP. En cuanto a su estructura conviene aclarar que tanto en el caso PNPN como NPNP el ánodo siempre está fijado a un cristal P y el cátodo al cristal N, pero el electrodo de

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gobierno es positivo en el primer caso y negativo en el segundo.

Los tiristores con el electrodo de gobierno en P, son los más corrientes; pero los que llevan el electrodo de gobierno en N reciben el nombre de complementarios, en las dos variantes más corrientemente utilizadas.

Código de designación de los diodos semiconductores controlados (tiristores) Veamos el código que se utiliza para distinguir las características de los diodos controlados. La primera letra siempre es una B, que indica que se trata de un semiconductor realizado con silicio. La segunda letra puede ser una R o una T.

La R indicará que se trata de un dispositivo de control y conmutación disparado electrónicamente, con una característica de ruptura y una resistencia térmica entre la unión y la base de montaje mayor de 15º por W. Si la segunda letra es una T, indica que se trata de un dispositivo de potencia para control y conmutación disparado eléctricamente, que tiene una característica de ruptura y una resistencia térmica entre la unión y la base de montaje igual o menor de 15º por W. El número de serie está formado por tres cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para aplicación en aparatos de uso doméstico, o por una letra y dos cifras para los dispositivos semiconductores diseñados para equipos profesionales. Finalmente, el código se complementa con un sufijo, separado del código principal por un guión, y que está compuesto por unas cifras indicativas de la tensión inversa máxima de cresta.



En el caso de dispositivos semiconductores controlados en los que el ánodo está conectado a la cápsula (polaridad inversa), se añade detrás del código complementario la letra R.

Aplicaciones del tiristor De momento diremos que: En amplificación se utiliza en las etapas de potencia en clase D cuando trabaja en conmutación. También se utilizan como relés estáticos, rectificadores controlados, inversores y onduladores, interruptores... Encapsulados Como en cualquier tipo de semiconductor su apariencia externa se debe a la potencia que será capaz de disipar. En el caso de los tiristores los encapsulados que se utilizan en su fabricación son diversos y aquí aparecen los más importantes.

T0 200AB

TO 200AC

TO 209AE (TO 118)

TO 220AB

d2pak

TO 208AD (TO 83)

TO 208AC (TO 65)

EL DIAC El Diac es un dispositivo semiconductor de dos conexiones. Es un diodo bidireccional, una combinación paralela inversa de dos terminales de capas de semiconductor que permiten el disparo en cualquier dirección. Las características del dispositivo muestran que hay un voltaje de ruptura en ambas direcciones. Esta posibilidad de encendido en cualquier dirección puede usarse al máximo para aplicaciones en AC.

Los Diac son una clase de tiristor, y se usan normalmente para disparar los triac, otra clase de tiristor.

Un Diac se activa cuando el voltaje entre sus terminales alcanza el voltaje de ruptura, dicho voltaje puede estar entre 20 y 40 voltios según la referencia. En la curva podemos ver que su comportamiento es similar al de un tiristor, salvo que su tensión de disparo es única y en ambos sentidos.

TO 247AC

TO 209 AB (TO 93)


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En el esquema que sigue podemos ver un diac utilizado para controlar un Triac en una regulación de corriente alterna. La carga del condensador es regulada mediante el potenciómetro, cuando la tensión del condensador llegue a la de disparo del diac, este entrará en conducción, activando el Triac, que hará lo mismo, e iluminándose la bombilla.

Tiene unas fugas en bloqueo y una caída de tensión en conducción práctica-mente igual a la de un tiristor y el hecho de que entre en conducción, si se supera la tensión de ruptura en cualquier sentido, lo hace inmune a destrucción por sobretensión. La estructura contiene seis capas, aunque funciona siempre como un tiristor de cuatro. En sentido T2-Tl conduce a través de P1NlP2N2 y en sentido Tl-T2 a través de P2NlPlN4. La capa N3 facilita el disparo con intensidad de puerta negativa. La complicación de su estructura lo hace más delicado que un tiristor en cuanto a su

Se emplea normalmente en circuitos que realizan un control de fase de la corriente del triac, de forma que solo se aplica tensión a la carga durante una fracción de ciclo de la alterna. Estos sistemas se utilizan para el control de iluminación (Dimer) con intensidad variable, calefacción eléctrica con regulación de temperatura y algunos controles de velocidad de motores.

di dt

,

dv

y de menor capacidad para

dt

soportar sobre corrientes. Se fabrican para intensidades desde algunos amperes hasta unos 200 A eficaces y desde 400 a 1.000 V de tensión de pico repetitivo.

TRIAC Un Triac es un dispositivo semiconductor, de la familia de los tiristores. El éxito obtenido con la introducción del tiristor convencional en el campo de la electrónica, indujo a los investigadores a desarrollar otro tiristor más apto para conducción controlada en circuitos de corriente alterna. El Triac (Triode AC semiconductor) es un semiconductor capaz de bloquear tensión y conducir corriente en ambos sentidos entre los terminales principales T1 y T2. Su estructura básica, símbolo y curva característica, aparece a continuación. Es un componente simétrico en cuanto a conducción y estado de bloqueo se refiere, pues la característica en el cuadrante I de la curva v T2-T1 vs i T2 es igual a la del III.

160

Luego explicaremos qué es di dt

y

dv dt



La diferencia con un tiristor convencional es que éste es unidireccional y el triac es bidireccional. De forma coloquial podría decirse que el triac es un interruptor capaz de conmutar la corriente alterna, o sea los dos sentidos de una senoidal.

Estructura interna

de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido. Si permanece una parte pequeña del tiempo en estado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio será alta.

Símbolo

Su estructura interna se asemeja en cierto modo a la disposición que formarían dos tiristores en antiparalelo. Posee tres electrodos: A1, A2, o T1 y T2 según fabricantes (en este caso pierden la denominación de ánodo y cátodo) y puerta. El disparo del triac se realiza aplicando una corriente al electrodo puerta. La curva del Triac es similar a la del Diac, pero con la diferencia de que podemos controlar la tensión VBD de disparo del Triac como en el tiristor, haciéndola mayor o menor y regulando así la potencia que dejamos pasar en ambos sentidos (CA). El triac puede ser disparado en cualquiera de los dos cuadrantes I y III mediante la aplicación entre los terminales de compuerta G y MT1 de un impulso positivo o negativo. Esto le da una gran facilidad de empleo y simplifica mucho los montajes.

Un triac no está limitado a 180º de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360º del ciclo. Por tanto proporciona control de corriente de onda completa, en lugar del control de media onda que se logra con un tiristor (SCR). Después de transcurrido los 30º, el triac dispara y se convierte en un interruptor cerrado comenzando a conducir corriente a la carga y esto lo realiza durante el resto del semiciclo. La parte del semiciclo durante la cual el triac esta encendido se llama ángulo de conducción.

Regulación de potencia por el Triac. En el circuito simplificado de la figura, tenemos un triac en serie con una carga, por lo que esta recibirá potencia eléctrica cuando el triac entre en conducción. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad


161


En las formas de onda del ejemplo (a), estamos disparando el Triac cuando la tensión entre sus terminales A1 y A2 es pequeña. Al dispararlo, el triac entra en conducción y la corriente puede atravesar la carga, creándose esa forma de onda. Si fuese una bombilla, se iluminaría mucho. Se observa también que al ser disparado, la VA1A2 del triac desciende a prácticamente cero voltios. El Triac, al pasar la tensión por cero voltios, se bloquea, y por lo tanto tenemos que volver a dispararlo en el semiciclo negativo. En el ejemplo (b), estamos disparando el Triac a 120 grados, por lo que el tiempo en el que entregamos corriente a la carga es mucho más pequeño. El Triac, al igual que el tiristor y el Diac, se bloquea cuando la tensión en sus terminales pasa por cero voltios, por lo que hay que dispararlo en cada cambio de semiciclo de la tensión de alimentación. Regulador de luz por triac Conocido como Dimer. Se trata del ya conocido y mencionado (en EL MUNDO DE LA ILUMINACIÓN) regulador de potencia lumínica que se utiliza para conseguir confort y ahorro. El cebado del triac se realiza mediante un conjunto RC que introduce un desfase debido a la constante de tiempo de carga del C. La constante está determinada por los valores de R, P, y C

El retraso introducido por el circuito RC puede ser variado con el potenciómetro y con ello la potencia media entregada a la carga. Cuando el poteciómetro está al mínimo, habrá menos desfase en la señal con lo que producimos el impulso antes y aplicamos más potencia a la RL. Si aumentamos el valor del potenciómetro, el impulso se producirá más tarde y aplicamos menos potencia a la carga, ya que está más tiempo. Funcionamiento: El potenciómetro (250KΩ ) tiene cinco terminales, dos de ellos forman interruptor que conecta el circuito a la red. Al conectarlo, una pequeña intensidad atravesará la bombilla y el potenciómetro, cargando el condensador de 100nF. Esto ocurre muy rápidamente. A través de la resistencia de 8,2KΩ, aplicamos tensión al Diac, que en cuanto supere los 30 Voltios, se disparará, conduciendo y permitiendo la aplicación de un impulso de tensión en la puerta del Triac, con lo que a su vez este también se disparará, permitiendo el paso de corriente y encendiéndose por tanto la bombilla. Variando el potenciómetro, variamos la velocidad de carga del condensador de 100nF, o lo que es lo mismo, variamos el ángulo de disparo del Diac, y por tanto el ángulo de conducción del Triac. Esto ocurre en cada semiciclo de la tensión de entrada, de forma que controlamos prácticamente los 360 grados de la misma.

Interruptor

162



Características del Tiristor (SCR) y del Triac. Existen un sin fin de características que debemos indicar si queremos definirlos convenientemente: VDRM

Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo directo. (Repetitive peak off-state voltage). Expresa el valor máximo de voltaje repetitivo para el cual el fabricante garantiza que no hay conmutación, con la puerta en circuito abierto. VDSM

Tensión de pico no repetitivo en estado de bloqueo directo. (Non -repetitive peak off – state voltage). Valor máximo de tensión en sentido directo que se puede aplicar durante un determinado periodo de tiempo con la puerta abierta sin provocar el disparo. VDWM

Tensión máxima directa en estado de trabajo. (Crest working off - state voltage). Valor máximo de tensión en condiciones normales de funcionamiento. VRRM

Tensión inversa de pico repetitivo. (Repetitive peak reverse voltage). Valor máximo de tensión que se puede aplicar durante un cierto periodo de tiempo con el terminal de puerta abierto. VRSM

Tensión inversa de pico no repetitivo. (Non - repetitive peak reverse voltage). Valor máximo de tensión que se puede aplicar con el terminal de puerta abierto. VRWM

Tensión inversa máxima de trabajo. (Crest working reverse voltage). Tensión máxima que puede soportar el tiristor con la puerta abierta, de forma continuada, sin peligro de ruptura.


VT

Tensión en extremos del tiristor en estado de conducción. (Forward on - state voltage). VGT

Tensión de disparo de puerta. (Tensión de encendido). (Gate voltage to trigger). Tensión de puerta que asegura el disparo con tensión ánodo - cátodo en directo. VGNT

Tensión de puerta que no provoca el disparo. (Non - triggering gate voltage). Voltaje de puerta máximo que no produce disparo, a una temperatura determinada. VRGM

Tensión inversa de puerta máxima. (Peak reverse gate voltage). Máxima tensión inversa que se puede aplicar a la puerta. VBR

Tensión de ruptura. (Breakdown voltage). Valor límite que si es alcanzado un determinado tiempo en algún momento, puede destruir o al menos degradar las características eléctricas del tiristor. IT (AV)

Corriente eléctrica media. (Average on state current). Valor máximo de la corriente media en el sentido directo, para unas condiciones dadas de temperatura, frecuencia, forma de onda y ángulo de conducción. IT (RMS)

Intensidad directa eficaz. (R.M.S. on state current). ITSM

Corriente directa de pico no repetitiva. (Peak one cycle surge on - state current). Corriente máxima que puede soportar el tiristor durante un cierto periodo de tiempo. ITRM

Corriente directa de pico repetitivo. (Repetitive peak on - state current). Intensidad máxima que puede ser soporta-

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da por el dispositivo por tiempo indefinido a una determinada temperatura. IRRM Corriente inversa máxima repetitiva. (Corriente inversa). (Reverse current). Valor de la corriente del tiristor en estado de bloqueo inverso. IL Corriente de enganche. (Latching current). Corriente de ánodo mínima que hace bascular al tiristor del estado de bloqueo al estado de conducción. IH Corriente de mantenimiento. (Holding current). Mínima corriente de ánodo que conserva al tiristor en su estado de conducción. IDRM

PGAV

Potencia media disipable en la puerta. (Average gate power dissipation). Representa el valor medio de la potencia disipada en la unión puerta-cátodo. PGM Potencia de pico disipada en la puerta. (Peak gate power dissipation). Potencia maxima disipada en la unión puerta-cátodo, en el caso de que apliquemos una señal de disparo no continua. Ptot Potencia total disipada. (Full power dissipation). En ella se consideran todas las corrientes: directa, media, inversa, de fugas, etc. Su valor permite calcular el radiador, siempre que sea preciso. Tstg

Corriente directa en estado de bloqueo. (Off - state current). IGT

Temperatura de almacenamiento. (Storage temperature range). Margen de temperatura de almacenamiento. T j

Corriente de disparo de puerta. (Gate current to trigger). Corriente de puerta que asegura el disparo con un determinado voltaje de ánodo. IGNT

Temperatura de la unión. (Juntion temperature). Indica el margen de la temperatura de la unión, en funcionamiento. Rth j-mb ; R j-c; RφJC

Corriente de puerta que no provoca el disparo. (Non-triggering gate current). ITC

Resistencia térmica unión-contenedor. (Thermal resistance, Junction to ambient) Rth mb-h; Rc-d

Corriente controlable de ánodo. (Controllable anode current). (Para el caso de tiristores GTO). I2t

Resistencia térmica contenedor - disipador. (Thermal resistance from mounting base to heatsink). Rth j-a; R j-a; RφJA

Valor límite para protección contra sobreintensidades. (I2t Limit value). Se define como la capacidad de soportar un exceso de corriente durante un tiempo inferior a medio ciclo. Permite calcular el tipo de protección. Se debe elegir un valor de I2t para el fusible de forma que: I2t (fusible) < I 2t (tiristor)

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Resistencia térmica unión - ambiente. (Termal resistance juntion to ambient in free air).

Zth j-mb; Z j-c; ZφJC(t)

Impedancia térmica transitoria unión contenedor. (Transient thermal impedance, juntion - to - case). Zth j-a; Z j-a; ZφJA(t) Impedancia térmica transitoria unión ambiente. (Transient thermal impedance, juntion - to - ambient).



td

Tiempo de retraso. (Delay time). tr

IFAV (SIN 180) VRSM V (Tcase=71ºC)

VRRM

19 A

1300

1200

SKT10/12

25 A

1300

1200

SKT16/12

32 A

1300

1200

SKT24/12

Tiempo de paso a conducción. (Gate controlled turn – on time). tq; toff

40 A

1300

1200

SKT40/12

50 A

1300

1200

SKT50/12

86 A

1300

1200

SKT80/12

Tiempo de bloqueo, (Circuit - commutated turn - off time). Intervalo de tiempo necesario para que el tiristor pase al estado de bloqueo de manera que aunque se aplique un nuevo voltaje en sentido directo, no conduce hasta que haya una nueva señal de puerta. di/dt

110 A

1300

1200

SKT100/12

140 A

1300

1200

SKT130/12

178 A

1300

1200

SKT160/12

285 A

1300

1200

SKT250/12

450 A

1300

1200

SKT340/12

640 A

1300

1200

SKT491/12

890 A

1300

1200

SKT600/12

Tiempo de subida (Rise time). tgt; ton

Valor mínimo de la pendiente de la intensidad por debajo de la cual no se producen puntos calientes. dv/dt Valor mínimo de la pendiente de tensión por debajo de la cual no se produce el cebado sin señal de puerta. (dv/dt)C Valor mínimo de la pendiente de tensión por debajo de la cual no se produce el nuevo cebado del SCR cuando pasa de conducción a corte.

Sin embargo vamos a reflejar lo que un fabricante destaca en sus catálogos, que en definitiva serán los parámetros que utilizaremos preferentemente si trabajamos con estos componentes.


Vemos que los valores se han quedado reducidos a 4. Ni tanto ni tan… Entendemos que las características más importantes del SCR y el Triac son: Voltaje de ruptura directo . Es el voltaje que soporta en polarización directa y en estado de bloqueo. Tensión de pico repetitivo en estado de bloqueo directo. (Repetitive peak off-state voltage). Expresa el valor máximo de voltaje repetitivo para el cual el fabricante garantiza que

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no hay conmutación, con la puerta en circuito abierto. Voltaje de pico inverso. Es el máximo voltaje inverso que puede soportar (similar al de los diodos).

Tensión de pico no repetitivo en estado de bloqueo directo. (Non -repetitive peak off – state voltage). Valor máximo de tensión en sentido directo que se puede aplicar durante un determinado periodo de tiempo con la puerta abierta sin provocar el disparo. Corriente máxima de operación. Es la corriente de operación o trabajo. Caída de voltaje en polarización directa. Es el voltaje entre el ánodo y el cátodo cuando está en estado de conducción. Voltajes de compuerta. Son los valores de voltaje en la compuerta el mínimo para activarlo o máximo que soporta. Corrientes de compuerta. Son las corrientes mínima y máxima que debe haber en la compuerta para que el SCR o Triac puedan conducir. Corriente de enganche. Es la corriente mínima que debe pasar entre sus dos terminales principales para mantener al dispositivo en estado de conducción inmediatamente después de que ha sido activado y se ha retirado la señal de la compuerta. Corriente de sostenimiento. Es la corriente mínima necesaria entre sus dos terminales principales para mantener al dispositivo conduciendo en régimen permanente. Esta corriente es menor que la corriente de enganche. dv Es el máximo valor de la velocidad de dt cambio de voltaje de la señal entre terminales del Triac o SCR que permiten los dispositivos para no entrar en estado de conducción o bien de ruptura. di Es el máximo valor de la velocidad de dt cambio de corriente de la señal a través del Triac o SCR que permiten los dispositivos para no entrar en estado de conducción.

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Verificación y chequeo de Tiristores y Triacs La prueba de Tiristores es aconsejable realizarla desconectándolos del circuito. Prueba con el Ohmetro o multímetro Debido a que todos los medidores de resistencia tienen una fuente de corriente



continua (Pilas), se pueden verificar con este instrumento la gran mayoría de rectificadores SCR y TRIAC,s. No se aconseja hacer estos chequeos con instrumentos que sólo usan una pila de 1,5 voltios, pues la señal que entregan no alcanza ni para probar un LED (diodo emisor de luz). Procedimiento: Coloquemos el Ohmetro o multímetro en la escala para medir baja resistencia (R x 1). Coloquemos la pinza positiva (rojo) al cátodo del SCR, y conectemos el ánodo al cable negativo (negro), podrá parecer incorrecto, puesto que se ha dicho que el ánodo debe quedar positivo, pero resulta que las corrientes de salida en los terminales del instrumento tienen polaridad contraria a la que señalan sus signos y colores. En este momento la aguja del medidor señala alta resistencia (si es que se mueve). Ahora hagamos un puente entre los terminales gate y ánodo, esto ocasionara que la aguja suba a una posición de baja resistencia, y se debe conservar allí aunque retiremos el puente que unió estos dos terminales y suministró la señal de disparo. Si se trata de un Triac, hagamos primero la prueba anterior, luego invertimos los terminales del Ohmetro (es posible que en esta última posición no se sostenga la aguja en su lugar de baja resistencia cuando se retire el puente, pero esto se debe a que la baja corriente del instrumento medidor no alcanza para mantener encendido el triac en esta polaridad). Para las pruebas, TP1 equivale al cátodo, y TP2 al ánodo. COMPORTAMIENTO DEL TIRISTOR EN VARIOS SUPUESTOS. Funcionamiento en corriente continua.


El funcionamiento de un Tiristor en corriente continua es fácil de entender. Normalmente el Tiristor trabaja con polarización directa entre ánodo (A) y cátodo (C o K) (la corriente circula en el sentido de la flecha del Tiristor). Con esta condición, sólo es necesario aplicar un pulso en la compuerta (G) para activarlo. Este pulso debe de tener una amplitud mínima, para que la corriente de compuerta (IG) provoque la conducción. Activación del Tiristor En la figura se ve una aplicación sencilla del tiristor en corriente continua. El SCR se comporta como un circuito abierto hasta que activa su compuerta (GATE) con un pulso de tensión que causa una pequeña corriente (el cierre momentáneo del interruptor S). El tiristor conduce y se mantiene conduciendo, no necesitando de ninguna señal adicional para mantener la conducción. No es posible desactivar el tiristor (que deje de conducir) con la compuerta. Características del pulso de disparo La duración del pulso aplicado a la compuerta G debe ser lo suficientemente largo para asegurar que la corriente de ánodo se eleve hasta el valor de retención. Otro aspecto importante a tomar en cuenta es la amplitud del pulso, que influye en la duración de éste. Desactivación de un Tiristor. Una vez activado, se mantiene conduciendo, mientras la corriente de ánodo (I A ) sea mayor que la corriente de mantenimiento (IH ). Normalmente la compuerta (G) no tiene control sobre el Tiristor una vez que este está conduciendo. Opciones para desactivarlo:

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1. Se abre el circuito del ánodo (corriente I A = 0). 2. Se polariza inversamente el circuito ánodo-cátodo (el cátodo tendrá un nivel de tensión mayor que el del ánodo). 3. Se deriva la corriente del ánodo I A , de manera que esta corriente se reduzca y sea menor a la corriente de mantenimiento IH. Si se disminuye lentamente el voltaje (tensión), el Tiristor seguirá conduciendo hasta que por él pase una cantidad de corriente menor a la llamada "corriente de mantenimiento o de retención (IH)", lo que causará que el SCR deje de conducir aunque la tensión VG (voltaje de la compuerta con respecto a tierra) no sea cero. Como se puede ver el SCR, tiene dos estados: 1- Estado de conducción, en donde la resistencia entre ánodo y cátodo es muy baja. 2- Estado de corte, donde la resistencia es muy elevada. El Tiristor con carga inductiva Cuando la carga del SCR no es resistiva pura, como la mostrada en la figura anterior, si no, una carga inductiva, (bobina), es importante tener en cuenta el tiempo que tarda la corriente en aumentar en una bobina.

El pulso que se aplica a la compuerta debe ser lo suficientemente duradero para que la corriente de la carga iguale a la corriente de enganche y así el Tiristor se mantenga en conducción.

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Funcionamiento en corriente alterna Control de fase con tiristor

Se usa principalmente para controlar la potencia que se entrega a una carga. (En el caso de la figura es una bombilla o foco) La fuente de voltaje puede ser de 110V, 120V, 230V, en corriente alterna, etc. La potencia suministrada a la carga se controla variando el ángulo de conducción pero sólo conducirá un semiciclo. Curva característica La siguiente figura muestra la dependencia entre la tensión de conmutación y la corriente de compuerta. Cuando el Tiristor está polarizado en inversa se comporta como un diodo común (ver la corriente de fuga característica). En la región de polarización en directo el Tiristor se comporta también como un diodo común, siempre que el tiristor ya haya sido activado (On). Puntos D y E. Para valores altos de corriente de compuerta (IG) (Punto C), la tensión de ánodo a cátodo es menor (VC). Si la IG disminuye, la tensión ánodocátodo aumenta. (Punto B y A, y la tensión ánodo-cátodo VB y VA). Concluyendo, al disminuir la corriente de compuerta IG, la tensión ánodo-cátodo tenderá a aumentar antes de que el SCR conduzca (se ponga en On).



PROTECCIÓN DEL TIRISTOR Protección contra los incrementos bruscos de corriente, protección contra cambios bruscos de tensión. El tiristor puede dañarse si no se toman algunas precauciones. Protección contra incrementos bruscos de corriente (di/dt), velocidad de crecimiento de la intensidad. La di/dt máxima es especificada por el fabricante. Este problema aparece cuando se tiene una carga capacitiva.

Un condensador descargado se comporta inicialmente (al ser conectado) como un corto circuito y la gran demanda de corriente tiene que atravesar el tiristor. Para evitar este problema se pone en serie con la carga una bobina (ver figura) de poco valor, para retardar el incremento de la corriente a un valor aceptable.


Acordémonos de que la bobina se opone a cambios brusco de corriente. Protección contra cambios bruscos de tensión (dv/dt), velocidad de crecimiento de la tensión. Los cambios bruscos de tensión entre el ánodo (A) y el cátodo (K = C), pueden producir cebados no deseados, causando con ello que el Tiristor se dispare y empiece a conducir. El dv/dt máximo es especificado por el fabricante. A veces por diferentes motivos, la tensión entre los terminales del SCR pueden cambiar en forma repentina y de manera evidente (el cambio de tensión es grande) Para evitar este inconveniente, se utiliza un circuito RC en paralelo con el tiristor como se muestra en la figura.

Este circuito limita la velocidad de subida de la tensión en los terminales del tiristor. Acordémonos de que el condensador se opone a cambios bruscos de tensión. El circuito RC produce un desplazamiento de la fase entre la tensión de entrada y la tensión en el condensador que es la que suministra la corriente a la compuerta del SCR.

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Como R es un potenciómetro, el valor resistivo puede variar y así producir un corrimiento de fase ajustable, que causará que la entrega de potencia a la carga (la bombilla) también sea variable. Con esto se logra que la intensidad de la luz en la bombilla varíe. El diodo en la compuerta del SCR se usa para bloquear la tensión de compuerta durante el ciclo negativo (de 180° a 360°). MÁS APLICACIONES DEL SCR Ahora indicamos todas: Sus aplicaciones se extienden desde la rectificación de corrientes alternas, en lugar de los diodos convencionales hasta la realización de determinadas conmutaciones de baja potencia en circuitos electrónicos, pasando por los onduladores o inversores que transforman la corriente continua en alterna.

La principal ventaja que presentan frente a los diodos cuando se les utiliza como rectificadores es que su entrada en conducción estará controlada por la señal de puerta. De esta forma se podrá variar la tensión continua de salida si se hace variar el momento del disparo ya que se obtendrán diferentes ángulos de conducción del ciclo de la tensión o corriente alterna de entrada. Además el tiristor se bloqueará automáticamente al cambiar la alternancia de positiva a negativa ya que en este momento empezará a recibir tensión inversa. Por lo anteriormente señalado el SCR tiene una gran variedad de aplicaciones, entre ellas están las siguientes: · Controles de relevador. · Circuitos de retardo de tiempo. · Fuentes de alimentación reguladas. · Interruptores estáticos. · Controles de motores. · Recortadores. · Inversores. · Ciclo conversores. · Cargadores de baterías. · Circuitos de protección. · Controles de calefacción. · Controles de fase.

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CARACTERISTICAS DE CONMUTACIÓN Los tiristores, al no ser interruptores perfectos, necesitan un tiempo para pasar del estado de bloqueo al estado de conducción y viceversa. Para frecuencias inferiores a 400 Hz se pueden ignorar estos efectos. En la mayoría de las aplicaciones se requiere una conmutación más rápida (mayor frecuencia), por lo que éste tiempo debe tenerse en cuenta. Se realiza el análisis por separado del tiempo que tarda el Tiristor en pasar de corte a conducción o tiempo de encendido, ton y el tiempo que tarda el Tiristor en pasar de conducción a corte o tiempo de apagado, toff · Tiempo de Encendido, t on El tiempo de encendido o tiempo en pasar de corte a conducción, ton se puede dividir en dos tiempos: Tiempo de retardo, td y Tiempo de subida, tr

Representación gráfica del tiempo de encendido, t off

El tiempo de retardo También llamado tiempo de preacondicionamiento, td es el tiempo que trascurre



desde que el flanco de ataque de la corriente de puerta alcanza la mitad de su valor final (50%) hasta que la corriente de ánodo alcanza el 10% de su valor máximo para una carga resistiva, ver figura. El tiempo de retardo depende de la corriente de mando, de la tensión ánodo cátodo y de la temperatura, td disminuye si estas magnitudes aumentan. El tiempo de subida tr es el tiempo necesario para que la corriente de ánodo pase del 10% al 90% de su valor máximo para una carga resistiva. Este tiempo se corresponde también con el paso de la caída de tensión en el Tiristor del 90% al 10% de su valor inicial. Ver figura. La amplitud de la señal de puerta y el gradiente de la corriente de ánodo, juegan un papel importante en la duración del t r que aumenta con los parámetros anteriores. El tiempo de cebado o tiempo de encendido, debe ser lo suficientemente corto, como para no ofrecer dificultades en aplicaciones de baja y de mediana frecuencia. La suma de los dos tiempos anteriores, td y tr es el tiempo de cierre ton, trascurrido el cual el Tiristor se satura comenzando la conducción. Otro factor, de gran importancia, que se debe tener en cuenta es el hecho de que durante el cebado del dispositivo, el impulso sólo afecta a la parte vecina del electrodo de puerta, con lo cual el paso del Tiristor del estado de corte a conducción está limitado en principio a esta superficie inicialmente cebada. Como la caída de tensión en el Tiristor no se efectúa de una forma instantánea, simultáneamente se pueden presentar valores altos de tensión y de corriente, alcanzándose valores muy altos de potencia. La energía será disipada en un volumen muy reducido, en las cercanías de la puerta que es donde comienza la conducción, dando lugar a un calentamiento considerable.


Si se alcanzase en algún momento el límite térmico crítico, podría destruirse la zona conductora por fusión de la pastilla de silicio. Esto se conoce con el nombre de destrucción por d /d i t. Sobre los tiempos anteriores (td y t )r pueden influir una serie de parámetros entre los que cabe destacar los que influyen sobre td: Tiempo de subida, amplitud de la corriente de ánodo y tensión de ánodo. · Tiempo de apagado, t off Para comprender mejor el estudio del tiempo de apagado (extinción) del Tiristor, es decir el paso del estado de conducción al estado de bloqueo (toff ), hay que tener en cuenta las formas de onda características que aparecen en la figura.

Tiempo de apagado

La extinción del Tiristor se producirá por dos motivos: Por reducción de la corriente de ánodo por debajo de la corriente de mantenimiento y por anulación de la corriente de ánodo. El tiempo de apagado, toff se puede subdividir en dos tiempos parciales: el tiempo de recuperación inversa, trr y el tiempo de recuperación de puerta, tgr toff = t rr + t gr

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Si la tensión aplicada al elemento cambia de sentido y lo polariza inversamente, la corriente directa se anula, alcanzándose un valor débil de corriente inversa, ir. Las cargas acumuladas en la conducción del tiristor se eliminan entonces parcialmente, pudiéndose definir un tiempo de recuperación inversa, trr, desde t1 a t3 en la figura. El resto de las cargas almacenadas se recombinan por difusión. Cuando el número de cargas es suficientemente bajo, la puerta recupera su capacidad de gobierno: puede entonces volver a aplicarse la tensión directa sin riesgo de un nuevo cebado. Este tiempo se denomina tiempo de recuperación de puerta, tgr Los parámetros que influyen sobre el tiempo de apagado, toff son: • Corriente en estado de conducción, IT: Elevados picos de corriente implican mayores tiempos de apagado. • Tensión inversa, VR: Pequeños valores de VR implican grandes tiempos de extinción. Para limitar esta tensión aproximadamente a un voltio, se coloca un diodo en antiparalelo con el Tiristor. • Velocidad de caída de la corriente de ánodo, di/dt: Altos valores de di/dt implican bajos tiempos de apagado. • Pendiente de tensión, dVD /dt: Elevados valores de pendiente de tensión implican mayores toff. • Temperatura de la unión, Tj o del contenedor, Tc. Altas temperaturas implican mayores toff. • Condiciones de puerta. La aplicación de una tensión negativa de puerta durante la recuperación inversa reduce el t off . Es importante no aplicar un valor excesivo de tensión inversa en la puerta. Veamos como las presentan los fabricantes:

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CARACTERÍSTICAS TÉRMICAS Para proteger a los dispositivos de este aumento de temperatura, los fabricantes proporcionan en las hojas de características una serie de datos térmicos que permiten determinar las temperaturas máximas que puede soportar el elemento sin destruirse y el cálculo del disipador adecuado.

PRÁCTICAS CON TIRISTORES Conviene que nos familiaricemos con ellos para descubrir que no son tan inexpugnables… Cebado y descebado de un tiristor. 1º circuito: ¿Por qué al quitar la corriente a la puerta, la bombilla sigue encendida?

2º circuito: ¿Cuándo se ceba el tiristor, de día o de noche? ¿Y por qué no se apaga la bombilla cuando amanece de nuevo? ¿Es un encendido/apagado automático o semiautomático?

ALARMA CONTRA LLUVIA Este simple dispositivo es ideal para despistados que dejan las ventanas abiertas de par en par y, cuando llueve, se olvidan de cerrarlas. El corazón del proyecto es el tiristor TS08 que se encuentra inicialmente abierto. Cuando las gotas de agua caen sobre las pistas entrelazadas se produce una conducción parcial de corriente que logra disparar la compuerta y hacer sonar la alarma.


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CIRCUITO PARA AUMENTAR LAS ENTRADAS DE UNA ALARMA

Descripción del circuito: Normalmente las entradas de disparo de una central de alarma se activan al abrir un circuito, que puede ser un interruptor, pulsador, relé, etc., en los que sus contactos se encuentran normalmente cerrados. Cuando en dicha central de alarma hemos cubierto todas sus entradas y tenemos que ampliar las zonas a cubrir, procedemos a coger varios dispositivos de disparo (magnéticos, volumétricos, interruptores pánico, etc.) y los ponemos en serie, de modo que cuando alguno de estos se activa nos dispara esta entrada de alarma. El inconveniente de este sistema es que no podemos saber a simple vista que elemento es el que nos ha provocado la alarma. Con este circuito podemos ampliar cualquier entrada de alarma al número que queramos, simplemente habrá que ir encadenando circuitos. Cada zona de disparo llevara asociada 2 diodos Led (rojo y verde). El Led rojo nos indicara que esa zona ha estado abierta, mientras que el verde lo que indica es que está abierta en este momento. Para apagar los Led rojos abra que actuar sobre un pulsador de RESET. Descripción del esquema: Procederemos a la explicación de un único módulo de disparo, ya que este se repite continuamente. Partimos del caso de que el interruptor SW1 esta cerrado, por lo que el Led D1 estará apagado y el tiristor, al tener la puerta al potencial de masa, no conducirá, por lo que D2 también estará apagado. Al abrirse SW1 se iluminara D1, y a su vez, mediante R3 y R4 polarizaremos la puerta del tiristor, que entrará en avalancha quedando permanentemente en estado de conducción haciendo que se ilumine D2. Mediante D3 polarizamos al transistor BC548, de modo que la salida de este quedara a potencial de masa, la cual podemos utilizar para disparar directamente alguna alarma o bien actuar sobre la bobina de un relé. El condensador C1 tiene como misión eliminar los parásitos o interferencias que pueden producirse en el cableado de SW1. El pulsador de reset es del tipo que en reposo esta normalmente cerrado, de modo que al accionarlo le quita la alimentación al circuito y reestablece el estado de los tiristores.

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Optoelectrónica, Termoelectricidad y Disipadores de calor

OPTOELECTRÓNICA, TERMOELECTRICIDAD Y DISIPADORES DE CALOR La optoelectrónica constituye el nexo de unión entre los sistemas ópticos y los sistemas electrónicos. Los componentes optoelectrónicos son aquellos cuyo funcionamiento está relacionado directamente con la luz. Optoacopladores Un optoacoplador es un componente formado por la unión de un diodo LED y un fototransistor u otro semiconductor, acoplados a través de un medio conductor de luz y encerrados en una cápsula cerrada y opaca a la luz.

Esquema de un optoacoplador

Cuanta mayor intensidad atraviesa el fotodiodo, mayor será la cantidad de fotones emitidos y, por tanto, mayor será la corriente que recorra el fototransistor. Se trata de una manera de transmitir una señal de un circuito eléctrico a otro. Obsérvese que no existe comunicación eléctrica entre los dos circuitos, es decir existe un trasiego de información pero no existe una conexión eléctrica: la conexión es óptica. Las ejecuciones de un optoacoplador son variadas y dependen de la casa que los fabrique.


Una de las más populares se ve en la figura. Se puede observar como el LED, en la parte superior, emite fotones que, tras atravesar el vidrio, inciden sobre el fototransistor.

Obsérvese también el aislamiento eléctrico entre fototransistor y LED ya mencionado.

Tipos Existen varios ejemplos de optoacopladores cuya diferencia entre sí depende de los dispositivos de salida que se inserten en el componente. Según esto tenemos los siguientes: · Fototransistor: o lineal, conmuta una variación de corriente de entrada en una variación de tensión de salida. Se utiliza en acoplamientos de líneas telefónicas, periféricos, audio... · Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento entre una señal lógica y la red. · Optotriac: Al igual que el optotiristor, se utiliza para aislar circuitos de baja tensión de la tensión de red. En general pueden sustituir a los relés ya que tienen una velocidad de conmutación mayor, así como ausencia de rebotes.

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Símbolo del optotransistor

Símbolo de un optotransistor en configuración Darlington

Símbolo del Optotiristor

Encapsulados de los optoacopladores El encapsulado varía en función del tipo de optoacoplador y de su aplicación, así como del número de unidades que se encuentren en su interior. En el caso de optoacopladores sencillos la cápsula, de tipo DIL, suele tener 6 patillas, siendo estos los más utilizados (obsérvese en la figura su construcción interna). Los dobles, también de tipo DIL tienen 8 pines; algunos pueden tener hasta cuatro unidades en cápsulas DIL de 16 patillas.

Optotransistor insertado en cápsula tipo DIL

Aspecto de un encapsulado DIL de 6 patillas (pdf)

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Símbolo de un optotransistor encapsulado ranurado

Símbolo Optotriac

Normalmente, los pines del elemento emisor están a un lado de la cápsula y los del sensor en el lado opuesto. Existen unos encapsulados diferentes en los que, físicamente se puede interrumpir el haz luminoso (usados para control de posición, nº de revoluciones, cerraduras...). De esta forma el encapsulado presenta una ranura entre el emisor y el receptor. Se les denomina de cápsula ranurada o fotocélulas de herradura.

Dos tipos de optoacopladores de cápsulas ranuradas

Encapsulados DIP-8 y DIP-14



Veamos su comportamiento con un ejemplo

Si variamos la tensión de la pila varía ILED, varía la iluminación que recibe el fotodiodo, y varía su corriente I. Esta variación de V afecta a la I y esta a la tensión en RL. En realidad ese circuito es como:

TERMOELECTRICIDAD La interacción entre un fenómeno eléctrico y térmico se conoce desde el siglo XIX, cuando Joule observó que la materia ofrece cierta resistencia al movimiento de los electrones. Éstos ceden energía cinética al entorno en los sucesivos choques. Ésta energía proporcionada por los electrones se disipa en forma de calor. Sin embargo, no es éste el único fenómeno de interacción termoeléctrica. Otros efectos son los denominados Seebeck, Thomson y Peltier. El efecto Seebeck

Pero el fotodiodo sirve para aislar, porque pueden originarse problemas al conectar directamente la carga. Ejemplo:

Thomas J. Seebeck descubrió que en un circuito formado por dos metales distintos homogéneos, A y B, con dos uniones a diferente temperatura, T y T + DT, aparece una corriente eléctrica J, o bien, si se abre el circuito una fuerza termoelectromotriz que depende de los metales utilizados en la unión y de la diferencia de temperatura entre las dos uniones. Ver figura.

Imaginemos que debemos pasar la información procesada (de un ordenador) al control numérico de un torno.

Mandamos información en 5 V y 0 V y al estar en un ambiente polucionado eléctricamente, picos, espúreos, esos datos pueden distorsionarse (llegan del torno picos que alteran esa información). Hay que aislar el circuito de control (CNC) de la máquina que vamos a controlar.

El efecto Thomson

Descubierto en 1857 por Thompson W., consiste en la absorción o liberación de calor por parte de un conductor eléctrico, con un gradiente de temperaturas, por el cual circula una corriente eléctrica.

El optoacoplador elimina esos picos, amortigua los parásitos, y la señal no llega distorsionada.


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Ya en 1885 el físico inglés Rayleigh J.W. planteó la posibilidad del uso de dispositivos termoeléctricos como generadores de corriente eléctrica. Sin embargo, pese a que los fenómenos termoeléctricos son bien conocidos desde hace ya más de cien años, su desarrollo, tanto como generadores de corriente o como refrigerantes, estuvo totalmente frenado debido al escaso rendimiento que se obtenía. Como consecuencia, la mayor parte de las aplicaciones termoeléctricas, que han ido desarrollándose desde hace más de 30 años han sido para el campo militar, donde es más importante la robustez y precisión que la eficiencia o el coste. En el mercado civil actual, la refrigeración termoeléctrica tiene un lugar en aplicaciones de medicina, aparatos científicos y en dispositivos en los cuales la potencia de refrigeración es muy pequeña y de aplicación puntual. El efecto Peltier

El efecto Peltier fue descubierto en el año 1834 por el físico francés Peltier J. C. A. Surgió sobre la base del descubrimiento del físico alemán Seebeck T.J. en 1821, quien observó que en un circuito formado por dos conductores distintos, cuyas uniones soldadas se encuentran en medios con temperaturas distintas, aparece entre ambos una diferencia de potencial. Esta diferencia de potencial es función de la naturaleza de los conductores y de la diferencia de temperaturas. Este dispositivo se conoce como termopar. La esencia del efecto Peltier, que básicamente es el contrario del efecto Seebeck, consiste en hacer pasar una corriente procedente de una fuente de energía eléctrica continua, a través de un circuito formado por dos conductores de distinta naturaleza, obteniéndose que una de sus uniones absorbe calor y la otra lo cede. El calor que cede el foco caliente será la suma de la energía eléctrica aportada al ter-

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moelemento y el calor que absorbe del foco frío. Estos termoelementos, configurados de este modo, constituyen una máquina frigorífica. ¿Qué ha ocurrido con los pronósticos tan optimistas, que tras el gran avance que supuso la incorporación de los materiales semiconductores a la termoelectricidad, tenían los investigadores de la década de 1960 sobre la refrigeración termoeléctrica? ¿Por qué no se ha logrado la eficiencia frigorífica que se esperaba? Efectivamente, no se han obtenido los rendimientos que se preveían y el mercado civil de refrigeración sigue dominado por la máquina de compresión. Se pueden apuntar varias razones que expliquen el bajo nivel de aplicación en la actualidad. En primer lugar hay que señalar que tras el gran impulso que supuso la incorporación de los materiales semiconductores, la evolución de éstos ha sido más lenta de lo esperado. En segundo lugar, debido a que la pastilla Peltier suministra una elevada potencia calorífica en una pequeña superficie, resulta difícil disipar el calor de manera eficiente, provocando una importante disminución en el rendimiento de la pastilla. Ya Stockholm J. G., 1997, señaló que las prestaciones de la refrigeración termoeléctrica dependen en primer lugar del desarrollo de materiales y en segundo lugar del diseño térmico.



Vamos a centrarnos en el efecto PELTIER. Todos los que tenemos interés por la electrónica, hemos oído hablar o nos ha tocado leer algo referido a las células de PELTIER, y no nos significa una gran ayuda el que se repitan los escasos datos que figuran en los folletos. Para hacer algo útil, hay que moverse en otra dirección: experimentar con ellas (las células) es decir, hay que buscarlas, adquirir varios ejemplares y comprobar, a nivel práctico, si cuanto se dice y escribe es cierto. Sólo así se pueden descubrir las venta jas y defectos, que no se suelen citar. Las células de efecto PELTIER no son un descubrimiento reciente, ya que fue en 1834 cuando el físico francés Jean Charles Peltier descubrió este efecto termoeléctrico, en el curso de sus investigaciones sobre la electricidad. Comprobó que, haciendo pasar una tensión continua a través de las superficies de contacto de dos sustancias conductoras distintas, por un lado se absorbía calor (lado frío), y por el lado contrario se generaba calor (lado caliente). Este descubrimiento no se aprovechó mucho en el pasado, pero cuando empezaron a aparecer en el mercado los nuevos materiales semiconductores, utilizados en la actualidad para fabricar los transistores, muchos fabricantes empezaron a realizar innumerables tipos de células –de baja, media y alta potencia- debido a las enormes ventajas que ofrecían.

De hecho, además de ser totalmente silenciosas tienen un tamaño y peso muy reducidos, soportan sin problemas golpes y vibraciones, se pueden utilizar en cualquier


posición, vertical, horizontal, inclinadas, y además, gracias a ellas, se puede regular la potencia frigorífica variando simplemente la corriente de alimentación.

Lo que las hace aún más interesantes es el hecho de que, al invertir la polaridad de alimentación, se invierta también su funcionamiento; es decir: la superficie que antes generaba frío empieza a generar calor, y la que generaba calor empieza a generar frío. Las aplicaciones prácticas de estas células son infinitas.

La lista podría ser interminable, ya que son muchas las aplicaciones en que es necesario utilizar el frío y al mismo tiempo, el calor. Si observamos las figuras presentadas, podemos ver que una célula se compone, prácticamente, de dos materiales semiconductores, uno tipo N y otro tipo P, unidos entre si por una lámina de cobre. Si en el lado del material N se aplica la polaridad positiva de alimentación en el lado del material P la polaridad negativa, la placa de cobre de la parte superior enfría, mientras que la inferior calienta.

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Si en esta misma célula, se invierte la polaridad de alimentación, es decir, se aplica en el lado del material N la polaridad negativa y en el lado del material P la positiva, se invierte la función de calor / frío: la parte superior calienta y la inferior enfría.

Comparémosla con frigorífico. Un dispositivo de refrigeración convencional lleva tres elementos fundamentales: un evaporador, un compresor y un condensador. El evaporador representa la sección fría dentro de la cual el refrigerante, bajo presión, puede evaporarse. El paso del refrigerante de estado líquido a gaseoso necesita tomar calor de su entorno.

El compresor funciona como una bomba para el refrigerante, que, comprimiéndolo, hace que pase de estado gaseoso a líquido, restituyendo su energía calórica. El condensador radia las calorías cedidas por el refrigerante y el compresor, al exterior. El módulo Peltier por lo tanto presenta ciertas analogías con un dispositivo como este. Es, por lo tanto, una bomba de calor estática que no requiere ni gas ni partes móviles. Físicamente los elementos de un módulo Peltier son bloques de 1 mm3 conectados eléctricamente en serie y térmicamente en paralelo (ver figura).

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Si tenemos en cuenta sus reducidas dimensiones, unos milímetros escasos, una sola célula puede alcanzar, como máximo una potencia frigorífica de 0,5 vatios. Es decir, que para conseguir potencias frigoríficas de 15 a 20 vatios, hay que realizar baterías formadas, como mínimo por 30 o 40 células. De hecho, al aumentar el número de células, aumenta la superficie radiante y, por lo tanto, la potencia refrigerante. En resumen, que tanto la dimensión como la potencia calorífica obtenida dependen del número de elementos utilizados por módulo. Existen células Peltier con dimensiones y potencias diversas. También existen células aisladas y no aisladas, en función de que encima y deba jo de las dos superficies exista, o no, una capa fina de material cerámico, necesario para aislar las láminas de cobre de las distintas células, Por consiguiente estas dos superficies se pueden apoyar sobre cualquier plano metálico sin necesidad de aislantes, o no. Si una célula Peltier está sin aislar será necesaria la utilización de una mica del tipo Sil-Pad, para poder transferir la energía. Este tipo de micas son caras y difíciles de conseguir. Por otro lado, las células ya aisladas tienen un material cerámico con una resistencia térmica muy baja, por lo que la pérdida de transferencia es insignificante. El frío o calor que puede generar un módulo Peltier viene especificado por el salto térmico (diferencia térmica, incremento, etc.) que indican sus fabricantes. En teoría, un salto térmico de 70 grados significa que si el lado caliente de la célula se ha estabilizado a una temperatura de 45 grados, en el lado frío existe una temperatura de 45-70= -25 grados. Por el contrario, si el lado caliente sólo alcanza 35 grados, en el lado frío existirá una temperatura de 35-70= -35 grados.



A nivel práctico, debido a las inevitables pérdidas de transferencia de calor entre célula y aleta de refrigeración es difícil alcanzar este salto térmico. Tampoco tiene un rendimiento lineal y son elementos muy pesados, es decir que el rendimiento obtenido del funcionamiento es muy bajo. Nuestro objetivo, al trabajar con estos aparatos, es obtener una diferencia de temperatura máxima entre las superficies de los módulos.

Si suponemos que la diferencia indicada por el constructor es de unos 67ºC, entre las dos caras, esta condición no se podrá obtener mientras la potencia calórica a extraer por la cara fría (recordemos que una cosa se enfría cuando pierde calor y el lado frío toma calor del exterior) no sea nula, es decir, cero: debemos considerar que el módulo se encuentra en un espacio ausente de radiación infrarroja y aislado (ausencia de cambio de calor con el exterior). Resulta evidente que, en estas condiciones, está fuera de lugar colocar un componente electrónico sobre la cara fría. Seamos realistas, conviene contar siempre con una diferencia de temperatura de unos 30-40ºC en una utilización normal. Es decir, que si el lado caliente del módulo se estabiliza a una temperatura de 45ºC, en el lado contrario la temperatura puede ser de 45-40= +5ºC. Por el contrario, si el lado caliente no supera los 35ºC, en el frío tendremos 35-40= -5ºC. Por consiguiente, si pretendemos conseguir en el lado frío del módulo una temperatura de -15ºC, tendríamos que lograr


que en lado contrario, es decir, el caliente, no se alcance nunca una temperatura superior a 40-15= 25ºC, lo que se consigue aplicando en el lado caliente una aleta de refrigeración de tamaño adecuado y disipando rápidamente el calor por medio de un ventilador, o por evaporación, o por evaporación-condensación en vacío, o por cualquier otro medio que creamos necesario y conveniente. Y ahora pongamos otra nota de color: cuanto más se enfría la parte caliente más se enfría la parte fría. Y, todo hay que decirlo, mayor es su necesidad energética. Es decir, más amperios consume, por lo que hay que limitarlo. A todo esto hay que añadir que el elemento conductor del frío también influye, ya que no conduce igual el aluminio que el cobre o el latón. El material ideal es el cobre cuya conductividad térmica es de 4,1W/cm/ºC. El Aluminio se sitúa en segundo lugar con una conductividad de 2W/cm/ºC y por último el latón que tiene 1,1W/cm/ºC. (NOTA: si se quiere tener un mejor rendimiento, aunque sea más caro, hay que utilizar cobre). Los módulos Peltier también funcionan mejor o peor en función de la alimentación que requieran, ya que no todos funcionan con los mismos voltios ni amperios. Por consiguiente, cada tipo de módulo se alimenta con la tensión indicada por el fabricante, para evitar que se inutilice en un plazo breve. No se puede presentar un proyecto alimentado con la tensión de 12 a 13 voltios de una batería, sin puntualizar el tipo de módulo que hay que utilizar, ya que si uno compra uno que requiera de 3,6 u 8 voltios, la quemaría de inmediato al aplicar los 12 voltios. Igual que hablamos de voltios hay que mencionar los amperios. Digamos que los mejores resultados se obtienen cuando el elemento Peltier funciona entre un 40% y un 80% de la corriente máxima indicada por el fabricante.

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Tanto los voltios, como los amperios, influyen en la duración y el buen funcionamiento del elemento Peltier antes de que llegue a transformarse en una masa amorfa (literalmente, se funda). Ya se ha mencionado que se puede incrementar la potencia frigorífica aumentando el número de células. Si se utilizan dos módulos de 52 vatios, se puede alcanzar una potencia frigorífica de 102 vatios; si se utilizan 5 se consiguen 260 vatios. No obstante, si tenemos en cuenta su coste, esta solución ya es válida en el caso de aplicaciones industriales muy concretas. Los módulos en serie (o en cascada) sólo se pueden utilizar si tienen características idénticas, es decir, la misma tensión de alimentación, la misma corriente de absorción y la misma potencia frigorífica. En una palabra, que sean iguales. Esto último no es del todo cierto, ya que depende de la utilización y la disposición de las mismas (juntas o separadas por un elemento conductor del frío). Es fácil suponer que si se enlazan en serie dos células que requieren una tensión de 12 voltios cada una, deberán ser alimentadas con una tensión de 24 voltios. Si se conectan 3 se tiene que triplicar la tensión, es decir, usar 36 voltios. Sea como fuere, no se aconseja enlazarlas en paralelo, ya que se precisarían alimentadores capaces de generar corrientes exageradas. Un caso práctico: enfriador con célula Peltier. Uno de los problemas comunes cuando se acerca el verano es el exceso de temperatura en un acuario. El agua demasiado caliente puede afectar seriamente la salud de los peces y bajar enormemente el contenido de oxígeno en el agua. A las plantas les sientan aún peor las altas temperaturas.

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Para solucionar este problema proponemos un enfriador basado en una célula Peltier. Introducción El centro del invento es una célula Peltier. La célula Peltier es una plaquita cuadrada de unos 4 por 4 centímetros y un grosor de 4 milímetros. Al suministrarle electricidad, que ha de ser de 12 V y en corriente continua, la temperatura de sus dos caras adquiere una diferencia térmica de unos 40 °C: una se calienta y la otra se enfría. Si conseguimos que la cara caliente no se caliente demasiado, la cara fría estará más fría aún. Por tanto se trata de enfriar lo más rápidamente posible la cara caliente, y de dotar a la cara fría también de algo que nos permita absorber el máximo calor del agua de nuestro acuario. El material · Una célula Peltier. Unos 36 € en una tienda de electrónica. · Un radiador 9x9x4 cm aprox. 4,80 € en la misma tienda de electrónica. · Un radiador 12x12x6 cm aprox. 4,80 €. · Silicona conductora. Se encuentra en las tiendas de electrónica. No es imprescindible. · Un ventilador 8cm de diámetro a 12 V. Unos 9 €. · Una fuente de alimentación de 12 V y 6 A. Usar una fuente de ordenador. · Un tubo rígido de PVC de 21 mm de diámetro y de 25 cm de largo. · Un tubo rígido de PVC de 125 mm de diámetro y 10 cm de longitud. · Un tapón ciego de PVC de 125 mm de diámetro. · Un tapón de rosca, o tapón de registro, de PVC de 125 mm de diámetro.



· Pegamento de PVC. · Todo esto se puede adquirir en cualquier tienda de saneamientos.

Construcción del enfriador Paso 1: mediante un cúter caliente recortamos un cuadrado en el centro del tapón ciego, de manera que quepa la célula Peltier de forma lo más ajustada posible.

Paso 2 : posicionamos los dos radiado-

res según el esquema. Con un taladro hacemos cuatro orificios cerca del hueco que va a ocupar la célula Peltier, pero sin pasar por ella.


Paso 3 : montamos en el tapón ciego la

célula Peltier. Para averiguar la cara caliente, la conectamos brevemente a la fuente de alimentación (No invertir la polaridad). La cara fría ha de quedar hacia dentro. Rellenamos el borde entre la célula y el orificio del tapón con silicona. Dejamos secar la silicona. Paso 4 : recubrimos la célula Peltier con una fina capa de silicona conductora por ambas caras. El contacto entre la silicona con la célula y los disipadores ha de ser perfecto, sin burbujas de aire. Paso 5 : en la parte exterior de los disipadores aplicaremos un cordón de silicona. Los colocamos y apretamos fuertemente los tornillos. Paso 6 : atornillamos el ventilador y hacemos las conexiones. Paso 7 : pegamos con pegamento de PVC el resto de las piezas plásticas. Finalmente dejamos secar al menos 73 horas y ya tenemos listo nuestro enfriador. Instalación Es sencilla. Simplemente debemos intercalar este dispositivo entre el filtro y el acuario, teniendo en cuenta que el radiador exterior y su ventilador desprenden mucho calor. El tapón ciego de registro nos permitirá abrirlo para limpiar el refrigerador, aunque no debería ensuciarse mucho si lo ponemos después del filtro. El rendimiento es aceptable, aunque la bajada de temperatura es muy lenta, cosa ideal para nuestros peces. Puede mantener la temperatura de 120 litros a unos 6°C por debajo de la temperatura ambiente en un acuario debidamente aislado. El consumo es de aproximadamente unos 60 W.

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Deseamos experimentar y tratamos de conseguir un elemento Peltier, y para ello nos acercamos a una tienda de electrónica y nos piden 33 euros. Ya tenemos una referencia. A continuación consultamos en Internet y nos encontramos los precios que figuran a continuación: Referencia-descripción-Euros sin IVA Célula Peltier 33W ( 9,2V 6A) 30 x 30 x 3,9 mm 38,72 euros Célula Peltier de 59W (16,4V 6A) 40 x 40 x 3,9 mm 52,10 euros

Sin embargo nuestra curiosidad es poderosa y encontramos, en un centro comercial, unas neveras portátiles para conectar en el mechero del coche y nos piden 36 euros, incluyendo un alimentador externo 230 V AC/12 V DC.

¡Qué maravilla! Leemos las instrucciones y descubrimos que el salto térmico sólo es de 20 ºC, es decir, que si tenemos 32 ºC, sólo podemos enfriar hasta +12 ºC. ¡Bueno! ¡Que le vamos a hacer! La compramos y manipulándola empezamos a entender del tema. ¡Es más!, leemos varios artículos sobre este efecto tan curioso e incluso descubrimos un texto muy esclarecedor, que vamos a transcribir… Truco para mejorar el rendimiento de las neveras de coche. “Las neveras portátiles con sistema de enfriamiento, al igual que las de las caravanas y autocaravanas cuando funcionan a 12V, solo sirven para conservar lo que ya introducimos frío, (con mucho tiempo, enfriaríamos una cerveza). Estas neveras funcionan por células Peltier, que lo que hacen es absorber el calor (o sea, enfriar) por un lado produciendo calor por el otro, siendo reversible el funcionamiento simplemente cambiando la polaridad de los 12 V, la célula va cogida a una superficie de aluminio que hace a su vez de fondo y parte de laterales de la nevera, y por el otro lado lleva un radiador de aluminio que se refrigera con aire de un ventilador para mejorar el rendimiento de la célula.

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Hace algunos años me compre una de estas, decepcionándome con lo que yo esperaba en aquellos momentos, vista la utilidad, noté que algunas veces no conservaba como debía y puse una sonda de termómetro dentro para observar las oscilaciones en diversas ocasiones y puntos distintos, encontrando que algunos puntos si que estaban fríos, pero otros no, por lo que me decidí a ponerle un ventilador en el interior que impulsara aire justo contra la superficie donde se encuentra el aluminio en contacto con la célula, ya que esta es la zona mas fría, por razones obvias, saliendo el aire que hemos impulsado por la separación que dejé entre el ventilador y el aluminio. Para ello y debido al poco volumen de que disponen este tipo de nevera utilicé un ventilador como los que se usan (o mas bien usaban) los micros Pentium ya que cumplen las dos premisas fundamentales, tamaño pequeño y funcionamiento a 12 V. Este ventilador lo fijé sustituyendo uno de los tornillos que sujetan la célula Peltier por otro mas largo que me permitiera coger el ventilador más un pequeño separador, en el mismo punto, y en otro lateral del ventilador puse un tornillo más otro separador, pero sin cogerlo al aluminio, de esta forma el aire ya enfriado sale por todos los espacios que dejan estos separadores. El cable de alimentación lo he sacado por la parte de plástico de ese mismo lateral, por ser mas fácil y porque además donde tenia que soldar los terminales de alimentación estaban mas altos en el otro lado. La conexión la realicé en el mismo punto donde va conectado el ventilador grande que enfría el radiador de aluminio de la célula Peltier, pues aquí no se invierte la polaridad, como ocurre donde conecta la célula Peltier. Una vez montado todo, observé mejoras del orden de unos 7 grados menos en el interior, teniendo las mismas condiciones en el exterior, ya que las células Peltier, según modelos, lo que hacen es conseguir del orden de 20 grados menos que la temperatura exterior, repito, según modelos. Y ya puestos, busqué un sitio donde ubicar un termómetro, de los que venden para coches que marcan la temperatura interna y externa, de manera fija, encontrando un lugar justo detrás del plástico negro que canaliza el aire del ventilador hacia el radiador. Para pasar el sensor dentro, desmonté el termómetro, desoldé el cable y lo pasé desde el interior hacia el exterior, volviendo a soldarlo, es importante no cortarlo ni reducir la longitud del cable, pues estos termómetros vienen calibrados con esa longitud, aunque no son muy precisos por lo menos no se empeoran sus características.


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Otro truco, por llamarlo de alguna forma, es que para conectar estas neveras a 230 V podemos utilizar una fuente de un ordenador tipo 386,486, Pentium, pues este tipo de fuente suministra hasta 8 A en su salida de 12 V siendo el consumo de la mía de 5 A, y llevan interruptor, cosa que no ocurre con las fuentes de los equipos modernos (ATX), además esta fuente se puede encontrar por unos 24 euros, dependiendo del sitio etc.”

Otras aplicaciones interesantes: enfriar los componentes que sufren calentamiento en un ordenador Se comercializan conjuntos Peltier-disipador-ventilador ya preparados para paliar el excesivo calor que se produce dentro del ordenador. ¿Qué hay de especial en los elementos Peltier para esta aplicación? Los buenos refrigeradores Peltier refrigeran significativamente mejor que los disipadores convencionales, siendo muy adecuados para el procesador y las tarjetas gráficas. Es importante subrayar que el disipador de un refrigerador Peltier estará mas caliente que un disipador de un refrigerador convencional, debido al calor añadido que produce el propio elemento Peltier. Son muy interesantes pero también tienen… Peligros Si bien un refrigerador Peltier puede ser una perfecta solución térmica, si su diseño es insuficiente o los ventiladores están instalados inadecuadamente puede ser inseguro.

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He aquí relacionados algunos de los peligros: Sobrecalentamiento: Los refrigeradores Peltier vienen con un disipador y un ventilador. Si el ventilador falla, es mas peligroso que el comportamiento con un disipador convencional. Debido a que el calor del elemento Peltier, puede freír la CPU. También debe asegurarse de la ventilación adecuada del sistema. Un refrigerador Peltier añadirá calor al sistema y por eso otras unidades sensibles al mismo, como los discos duros, deben ser refrigeradas adecuadamente. Asegúrese que no haya cables de impidan la libre circulación del aire o cubran el ventilador. Como con otros refrigeradores, deberá utilizarse los accesorios correspondientes. Problemas eléctricos:

El elemento Peltier consume una potencia eléctrica importante, posiblemente más de lo que pueda suministrar su fuente de alimentación. Esto es especialmente un problema al arrancar un sistema:



Mientras los discos duros alcanzan velocidad, estos utilizan más potencia, y si el Peltier se inicia consumiendo esta potencia al principio, se producirá una sobrecarga en la fuente de alimentación que a la larga acortará su vida Los buenos conjuntos refrigeradores Peltier resuelven este problema arrancando los elementos después de cierto tiempo, cuando la CPU está caliente. Otro problema puede ser el cableado eléctrico del elemento Peltier, si tiene poca sección (como algunos Peltiers baratos). Este puede no ser motivo suficiente para sobrecalentar el elemento Peltier. Conviene que el refrigerador Peltier tenga una línea alimentación específica y única desde la fuente de alimentación. El Peltier no debe compartir la alimentación con un disco duro, floppy, etc. La condensación de agua es especialmente un problema cuando utiliza su ordenador en un ambiente húmedo. Cuando la CPU funciona en frío (unos segundos o minutos después de la puesta en marcha), puede enfriarse por debajo de la temperatura de la habitación, y esto produce condensación en el CPU, en el zócalo, y debajo del zócalo. Las buenas unidades resuelven este problema haciendo funcionar el elemento Peltier sólo después de que el CPU alcance una cierta temperatura. La condensación es un problema a considerar, pero no debemos sobrestimar su importancia, sino prevenirla. Un cortocircuito debido a la condensación es muy improbable, especialmente a partir de agua condensada (destilada), pues conduce muy mal la electricidad (casi no contiene iones). El elemento Peltier debe tener el tamaño adecuado. Si el elemento Peltier sólo cubre una parte del CPU (algunas veces puede haber un problema con la CPU si esta tiene una pequeña placa metálica en medio, por ejemplo el Pentium-200 MMX), entonces


puede ocurrir la condensación. Si el elemento Peltier es demasiado pequeño (como el caso del K6, que tiene una gran placa metálica), la refrigeración puede ser inadecuada. ¿Cuando ocurre la condensación exactamente? El que en un elemento Peltier ocurra o no la condensación, depende de tres factores: La temperatura ambiente, la humedad del aire, y la temperatura del objeto refrigerado (P.E. CPU o lado frío del elemento Peltier). El aire caliente y húmedo dentro de la caja del ordenador, es la causa más probable para producir condensación. Unos ejemplos de condensación Temperatura ambiente de 20º C, humedad del aire, 65%. Resultado: Habrá condensación en una superficie que alcance una temperatura de 13,2º C (CPU, refrigerador Peltier). Si la temperatura ambiente es de 25º y la humedad del aire es de 90% se producirá la condensación a una temperatura de 23,2º C. Y si la temperatura ambiente es de 30º y la humedad del aire del 90% la condensación se producirá a los 28,2º C. No nos asustemos porque si se utiliza adecuadamente, un buen refrigerador Peltier puede ser una excelente solución. Si se utiliza inadecuadamente, o es de baja calidad, si puede causar problemas o hacer peligrar la integridad de su sistema. ¿Cuánto puede durar un elemento Peltier? Un elemento Peltier por sí mismo dura mucho tiempo. De hecho hay quien utiliza Peltier sin problemas desde hace muchos años. Es poco probable que el elemento Peltier deje de funcionar. Sin embargo, como en otros disipadores, el ventilador es el que puede dejar de funcionar y provocar un desastre.

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Disipadores de calor

Conviene asegurarse al comprar el refrigerador Peltier para este fin (si se compra uno) que éste incluya una alarma de temperatura.

DISIPADORES DE CALOR

Radiadores de extrusión

Introducción

Vamos a hablar del calor generado por los semiconductores en su trabajo y cómo evacuarlo.

La potencia manejada por los dispositivos semiconductores, Transistores, Triac, Reguladores de tensión, etc., es, en muchos casos, una magnitud considerable. Además, el problema se agrava teniendo en cuenta que el tamaño de tales dispositivos es muy pequeño, lo que dificulta la evacuación del calor producido. Un cuerpo que conduce una corriente eléctrica pierde parte de energía en forma de calor por efecto Joule. En el caso de los semiconductores, se manifiesta principalmente en la unión PN, y si la temperatura aumenta lo suficiente, se produce la fusión térmica de la unión, inutilizando el dispositivo. Los dispositivos de potencia reducida, disipan el calor a través de su encapsulado hacia el ambiente, manteniendo un flujo térmico suficiente para evacuar todo el calor y evitar su destrucción.

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En los dispositivos de más potencia, la superficie del encapsulado no es suficiente para poder evacuar adecuadamente el calor disipado. Se recurre para ello a los radiadores, que proporcionan una superficie adicional para el flujo térmico. En Electrónica de Potencia la refrigeración juega un papel muy importante en la optimización del funcionamiento y vida útil del semiconductor de potencia. Propagación del calor El calor se transmite mediante tres formas conocidas: radiación, convección y conducción. Por radiación recibimos los rayos del Sol. La radiación no necesita un medio material para propagarse, puede hacerlo a través del vacío. Todo cuerpo con una temperatura superior a los cero grados absolutos (kelvin) produce una emisión térmica por radiación, pero en el caso que nos ocupa es de una magnitud despreciable, y por tanto no se tiene en cuenta la emisión por radiación. La convección es un fenómeno que atañe a fluidos, tales como el aire o el agua. Favorece la propagación del calor en estos cuerpos, que son de por sí muy buenos aislantes térmicos. Un cuerpo caliente sumergido en aire, hace que las capas próximas al mismo se calienten, lo que a su vez ocasiona una disminución de su densidad, y por esto se desplazará esta masa de aire caliente hacia estratos más elevados dentro del recinto. Inmediatamente, el "hueco" que ha dejado este aire es ocupado por aire más frío, y así se repite el ciclo, generando corrientes de convección que facilitan el flujo térmico. Este mismo fenómeno se da en el agua, o cualquier líquido o gas. La transmisión por conducción se manifiesta más obviamente en cuerpos sólidos. Curiosamente los cuerpos que son buenos conductores eléctricos, también son



buenos conductores térmicos, y se explica a nivel subatómico. El cobre, la plata, níquel, aluminio, oro, etc., son excelentes conductores. Si aplicamos una llama a una barra de cobre, enseguida notaremos el calor por el extremo que lo agarramos. Este calor se ha propagado por conducción. En la disipación de calor de los semiconductores, solamente consideramos los dos últimos tipos de propagación: convección y conducción. Analogía eléctrica. Se puede establecer una correspondencia entre la Ley de Ohm y la propagación térmica mediante la siguiente tabla de equivalencias: Analogía térmica

Ley de Ohm

intensidad ( I ) tensión ( V ) resistencia ( R ) V = IR

calor ( W ) temperatura ( T ) resist. térmica ( R ) T = WR

Las unidades son W (vatios), T (°C, grados centígrados) y R (°C/W)

T = Tj-Ta = W ( Rjc + Rc d + Rda) Tj = temp. de la unión Ta = temp. ambiente Rjc = resist. tér mica unión-cápsula Rcd = r esist. térmica cápsula-disipador Rda = resist. térmica disipador-ambiente

El tipo de contacto entre cápsula y disipador podrá ser: · Directo. · Directo más pasta de silicona. · Directo más mica aislante. · Directo más mica aislante más pasta de silicona. El valor de esta resistencia térmica influye notablemente en el cálculo de la superficie y longitud que debe disponer la aleta que aplicaremos al dispositivo a refrigerar. Cuanto más baja es Rcd menor será la longitud y superficie de la aleta requerida. Por ejemplo, para una cápsula TO.3 se tiene con contacto directo más pasta de silicona una Rcd = 0,12 ºC/W, con contacto directo Rcd = 0,25 ºC/W, con contacto directo más mica y más pasta de silicona Rcd = 0,4 ºC/W, y con contacto directo más mica Rcd = 0,8 ºC/W. Por lo tanto podemos decir que cuando no sea necesario aislar el dispositivo, el tipo de contacto que más interesa es el directo más pasta de silicona, ya que da el menor valor de Rcd y si hubiese que aislar con mica interesa montar mica más pasta de silicona ya que la Rcd es menor que si se monta sólo con mica.


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Por ello podemos obtener la siguiente conclusión: La mica aumenta la Rcd mientras que la pasta de silicona la disminuye y como se ha dicho cuanto más pequeña sea la Rcd menor superficie de aleta refrigeradora. La asociación de resistencias térmicas es igual que la asociación de resistencias eléctricas. En serie, sumamos los valores de cada R, de manera que la resistencia térmica equivalente es mayor que cada una de las resistencias por separado. Lógicamente, cuanto mayor es la resistencia térmica, mayor dificultad para el flujo de calor. Cálculo del disipador La mayoría de fabricantes de semiconductores proporcionan los datos suficientes para poder calcular el disipador que requerimos. Necesitamos como punto de partida, la temperatura máxima que puede alcanzar la unión del transistor.

DISPOSITIVO

RANGO DE Tjmáx

de unión de Germanio de unión de Silicio JFET MOSFET Tiristores Transistores Uniunión Diodos de Silicio Diodos Zener

Entre 100 y 125 ºC Entre 150 y 200 ºC Entre 150 y 175 ºC Entre 175 y 200 ºC Entre 100 y 125 ºC Entre 100 y 125 ºC Entre 150 y 200 ºC Entre 150 y 175 ºC

Esta temperatura no se deberá alcanzar en ningún caso, para no destruir el componente. Normalmente el fabricante proporciona el "operating temperature range" por ejemplo, de 65 a 200 °C indica que la temperatura máxima es de 200°C. Deberemos tomar como coeficientes de seguridad, k, los siguientes: k = 0,5 para un diseño normal con temperatura moderada.

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k = 0,6 para economizar en tamaño de disipador. k = 0,7 cuando el disipador permanezca en posición vertical y en el exterior (mejora de convección). Con el coeficiente k, y tomando la temperatura máxima de funcionamiento como Tj, tenemos la expresión: T = kTj - Ta = W (Rjc + Rcd + Rda) Donde W representa la potencia en vatios (calor) que disipará el componente. Si no disponemos de estos datos, podemos tomar como Tj = 135 °C para transistores de silicio, y Tj = 90°C para transistores de germanio. El flujo de calor, desde la unión PN hasta el ambiente tiene que atravesar varios medios, cada uno con diferente resistencia térmica. Resistencia unión-cápsula (Rjc). Viene dado en manuales y tablas, y depende de la construcción de la cápsula. El tipo TO-3 disipa gran cantidad de calor. Resistencia cápsula-disipador (Rcd). Depende del encapsulado y del aislamiento, si lo hay, entre el componente y el disipador. El aislante puede ser mica, pasta de silicona y otros medios. Cada uno presenta diferente resistencia térmica. Resistencia disipador-ambiente (Rda). Este es el que tratamos de calcular.

Radiador para TO-220

Radiador para TO-3



Ejemplo Vamos a utilizar un regulador de tensión LM317T con encapsulado TO-220 y cuyos datos son los siguientes: Del data book o datasheet sacamos estos datos: Tj = 125 °C Rjc = 5 °C/ W

Buscamos en catálogo y encontramos el radiador siguiente:

De nuestro montaje y las tablas, deducimos: Rcd = 1,4 °C/ W (separador de mica) Ta = 25 °C (tomamos este valor)

Cálculo de la potencia que disipa el LM317.

La potencia que disipa el regulador es el producto de la V que existe entre la patilla de entrada y salida y la corriente que entrega el regulador. Por mediciones obtenemos: Vin = 12 voltios Vout = 6,3 voltios V = Vin-Vout = 5,7 voltios I = 0,9A es la corriente que entrega el regulador. Pot = 5,7 x 0.9 = 5,13 vatios Partimos de la expresión: T = Tj - Ta = W (Rjc + Rcd + Rda) Tenemos que calcular el valor del disipador que necesitamos, Rda. Despejamos y ponemos un k = 0,7 porque vamos a poner el disipador en el exterior y vertical. Rda = [(k Tj - Ta) / W] - Rjc - Rcd = [(0,7·125 - 25)/5,13] - 5 - 1.4 = 5,78 °C/ W


Tiene una R = 5 °C/W, que es suficiente, máxime teniendo en cuenta que ya hemos tomado un coeficiente k de seguridad igual a 0,7 y nos aseguramos de sobra. Con este radiador, podemos calcular la temperatura que alcanzará el mismo cuando el LM317 disipa 5,13 W de una forma muy sencilla: Td - Ta = Rda W ---> Td = Rda W + Ta = 5 5,13 + 25 = 50,65 °C La elección del coeficiente k es arbitraria por nuestra parte. Podemos perfectamente elegir k =1 pero nos arriesgamos mucho. Es preferible en este caso subir la temperatura ambiente de diseño a 30 ó 35 grados, o incluso más, para evitar que se destruya. Tener en cuenta que si el dispositivo está en una caja, la temperatura fácilmente sube a 40 grados o más.

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Cálculo de grandes radiadores Cuando tengamos que disipar potencias de más de 50 vatios, las dimensiones del radiador se disparan (y los euros también). Es habitual en transistores de salida, sobre todo en amplificadores de clase A. A veces, es incluso difícil evaluar cual será la potencia que tenemos que disipar. Si por ejemplo, se trata de un amplificador clase A, la cosa es fácil, pues sabemos que la máxima potencia se disipa en el reposo y conociendo la corriente y la tensión a la que está sometido el transistor podemos inmediatamente saber la potencia. Pero en el caso de clase B o clase AB la cosa no es tan sencilla y tendremos que recurrir a predicciones más o menos acertadas, teniendo siempre presente que más vale tirar por lo alto para evitar fallos. La lógica nos dice que si tenemos un radiador con una resistencia térmica R y lo dividimos en dos partes iguales, entonces obtenemos dos radiadores cuya R es justo el doble. No es cierto. Dependerá de la geometría y características propias del fabricante. No hay más remedio que consultar datasheets, que para grandes radiadores de extrusión incluyen gráficas de R y longitud. Normalmente, en el caso anterior la R obtenida en cada una de las mitades es menor que el doble. El gráfico adjunto corresponde a un radiador de la casa Semikron (modelo P39): Observamos el gráfico y vemos que el rendimiento disminuye con la longitud del radiador. Por ejemplo, para 200 vatios de disipación térmica, la R oscila entre 0,29 °C/W (200mm) y 0,38 °C/W (100mm) y no como era de esperar (0,58 °C/W para 100mm). Al revés, el rendimiento aumenta según la potencia que disipe. Por ejemplo, para una L =100mm la R varía desde 0,5 (75W) hasta 0,38 °C/W (200W).

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Si por ejemplo, necesitamos 0,4 °C/W para 200W vale con un radiador de 90mm, pero si sólo disipamos 75W de calor, entonces vamos a necesitar una longitud de 160 mm. (Porque la R se hace mayor) Tener en cuenta que la anchura (w) es constante y vale 300mm.

Varios transistores en un radiador Ya vimos como el sentido común nos jugó una mala pasada en nuestro cálculo de la longitud del radiador. Examinemos otro proceso mental muy habitual en estos casos.



Nos encontramos ante dos transistores que disipan cada uno 30 vatios y decidimos poner ambos en el mismo radiador. Por tanto, debemos disipar un total de 60 vatios, y con los datos del fabricante, sabemos que: Tj = 200 °C

La resistencia térmica total de los transistores (Rjd) es de 1,15°C/W en lugar de los 2,3°C/W, que alegremente supusimos. O sea, hemos reducido a la mitad la Rjd por el mero hecho de utilizar dos transistores. Tiene sentido, porque proporcionamos dos caminos al flujo de calor. Calculemos de nuevo nuestro radiador:

Rjc = 1,5 °C/W Rc d = 0,8 °C/ W (separ ador de mica y cápsula TO-3)

Cogemos una Temperatura ambiente de 30 grados (el radiador está al aire libre) Hacemos nuestros cálculos mecánicamente, y en seguida obtenemos la resistencia de radiador que necesitaremos:

¡Gran equivocación! Examinemos detenidamente el escenario, dibujando un diagrama de analogía eléctrica:

Fig. 1

Fig. 2

Fig. 3

La diferencia entre un radiador de 0,53°C/W y otro de 1,68°C/W es notable. Si en lugar de dos transistores, pusiéramos cuatro, la nueva Rjd valdría 0,575°C/W y el nuevo radiador que necesitaríamos tendría una R de 2,26°C/W. En resumen, podemos ahorrar en radiador si distribuimos el flujo de calor entre más transistores. Estos sencillos cálculos nos han mostrado que no siempre las cosas son como parecen. Si bien un primer vistazo nos condujo por el camino equivocado, un análisis con mayor detenimiento nos enseñó una realidad bien diferente. Para saber más sobre cálculo de radiadores No es fácil conseguir información sobre este campo, la información está dispersa y es incompleta. La mayor parte de lo aquí se ha expuesto se ha sacado de fabricantes, datasheets y algún libro de electrónica. La mayoría de la gente se desorienta bastante con unidades del tipo "°C/W" que no le suenan.

La asociación de resistencias térmicas se trata igual que las eléctricas, asociando series y paralelos llegamos al resultado de la Fig.3. Aisladores para TO-220 y TO-3


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TABLAS DE RESISTENCIAS TÉRMICAS DE AISLADORES

TABLAS DE RESISTENCIAS TÉRMICAS DE ENCAPSULADOS

TO-218

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TO-220

TO-247

TO-5

TO-92


Cómo diseñar circuitos impresos y cómo soldar los componentes

CÓMO DISEÑAR CIRCUITOS IMPRESOS Y CÓMO SOLDAR LOS COMPONENTES Hemos llegado a un punto en que la curiosidad nos envuelve y empezamos a preguntarnos si somos capaces de aplicar lo aprendido haciendo algún pinito… ¿Seremos capaces de desarrollar un circuito? ¿Por qué no? Sigamos leyendo para conocer cómo proceder…partiendo de cero Una placa de circuito impreso o PCB (del inglés Printed Circuit Board ), es una plancha de material rígido aislante, cubierta por unas pistas de cobre, por una de sus caras o por ambas, para servir como conexiones entre los distintos componentes que se montarán sobre ella. La materia prima consiste en esa plancha aislante, normalmente fibra de vidrio, cubierta completamente por una lámina de cobre. Dependiendo del tipo de placa, el cobre puede ir a su vez protegido por una capa de resina fotosensible.

Capas de una placa de circuito impreso


En la realización de un circuito electrónico se pueden distinguir tres etapas fundamentales: El diseño, la prueba y el montaje final El diseño

El objetivo de esta etapa es definir el dibujo que formarán las pistas de cobre sobre la placa. Generalmente se hace en dos fases. En primer lugar, partiendo de las especificaciones sobre la funcionalidad del circuito se deciden los componentes a utilizar y las interconexiones necesarias entre ellos. Después, con toda esa información, se define la máscara: La colocación de los componentes sobre la placa, y la forma de las conexiones entre ellos. En montajes muy sencillos no es raro que se prescinda de alguna de las dos etapas. La prueba

Después de diseñado el circuito en papel es imprescindible probarlo para comprobar si funciona como se esperaba. Al igual que en cualquier otro proceso de fabricación, cuanto antes se detecten los problemas menos costará solucionarlos. Por ese motivo es muy conveniente realizar las pruebas antes de completar el montaje definitivo, para evitar gastar placa, componentes, y más tiempo del necesario. En ciertos casos se pueden realizar algunas pruebas incluso antes de diseñar el circuito, por ejemplo para probar por separado cada componente de los que se esperan utilizar.

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2.

Placa de prototipos

El montaje final

Cuando hayamos comprobado el correcto funcionamiento del prototipo podemos pasar a hacer el montaje definitivo en una placa de circuito impreso, afinando el diseño, y soldando todos los componentes necesarios. Por supuesto que una vez montado el circuito final será necesario volver a probarlo, aunque si las etapas anteriores se completaron cuidadosamente será raro encontrar errores graves. Consideraciones generales de diseño Esta serie de indicaciones son muy generales, pero no se aplican en todos los casos. Puede ser interesante leerlas como información general y luego poner en práctica las que sean aplicables en cada situación. 1. Hay que estudiar la colocación de los componentes teniendo en cuenta la interconexión, interferencias electromagnéticas e interferencias térmicas.

No poner pistas ni colocar componentes cerca de los bordes de las placas donde pueda existir contacto con los tornillos de fijación, guías o con la caja. 3. Poner puntos de test en la placa donde se puedan conectar instrumental fácilmente. Usar conectores para separar bloques funcionales y así facilitar su comprobación. Estudiar siempre el diseño desde el punto de vista de la refinación y medición. 4. Diseñar de forma estandarizada y modular. De ese modo se podrá reutilizar partes del diseño PCB en circuitos nuevos. Recordar que los mayores costes de la ingeniería son los relacionados con la I+D. 5. No olvidar las leyes de Murphy: “todo diseño genera un producto difícil de ensamblar e imposible de reparar”. 6. En los circuitos de alta velocidad tener en cuenta la capacidad eléctrica entre líneas. 7. Cualquier componente debe poder cambiarse sin necesidad de quitar otros. 8. Hacer PADs grandes (puntos de conexión del componente con la pista) para componentes que por su peso (transformador) o uso (botonera) puedan crear tensiones mecánicas en la PCB. 9. En los circuitos de alta frecuencia los componentes deben estar cercanos y las patas de los mismos deben ser lo más cortas posible. Lo ideal es emplear SMD (montaje superficial). 10. Las bobinas y transformadores deben orientarse para disminuir acoplamientos magnéticos (lo mejor es ponerlos en perpendicular unos con otros). 11. Tener en cuenta la influencia que puede tener un componente que disipa mucha energía sobre otro de características dependientes de la temperatura.

Placa final

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12. Los componentes con peso considerable deben fijarse a la placa mediante bridas, pegamento, soldadura, etc. 13. Diseñar los soportes de los componentes de modo que sean resistentes a cambios de tamaño. Esto puede ocurrir a menudo con componentes pasivos, transformadores, etc. 14. Verificar que la impresora no genere discontinuidades y que imprima a la escala correcta. 15. Antes de hacer la placa verificar cuidadosamente la interconexión y numeración de cada pin de los circuitos integrados. 16. Llenar con planos de masa toda la parte de la placa que no lleve pistas. 17. Dimensionar las pistas teniendo en cuenta la máxima corriente que deban conducir. 18. Tener en cuenta el espacio necesario para obtener aislamiento entre pistas cuando se trabaja con alta tensión. 19. Para reducir el acoplamiento entre líneas en una placa de RF, es conveniente separar las líneas por un camino de masa. Lo mismo para señales en cable plano. En ambos casos se reduce la inductancia y capacidad parásita entre líneas. 20. En circuitos digitales se puede reducir el ruido de conmutación conectando: Condensador cerámico de 0,1 μF entre Vcc y Gnd de cada circuito integrado lo más cercano posible a éste. Un condensador de 10μF por cada 10 integrados. Un condensador de 47μF o más junto a la entrada de alimentación de cada placa. 21. En placas con partes analógicas y digitales, sepárese cada uno de los bloques y utilícese una masa analógica y otra digital. Ambas deben estar unidas mediante un filtro paso bajo que permita filtrar el


ruido producido por la conmutación digital. 22. En los bloques analógicos que traba jen con bajas tensiones diseñe cuidadosamente los caminos de tierra para evitar lazos. Realización de prototipos Antes de hacer el montaje final es muy recomendable probar su funcionamiento en una placa de prototipos rápidos, para comprobar que el esquema eléctrico sea correcto y que todos los componentes funcionan como se espera. Sin embargo hay circuitos que no es factible o práctico montar en placa de prototipos, y no quedará más remedio que probarlo por partes, o realizar un prototipo sobre PCB. En cada caso concreto habrá que decidir cuál es la alternativa que más tiempo va a ahorrar a la hora de probar el circuito, e incluso si vale la pena intentar montar el circuito final sin haberlo probado antes. Placas entrenadoras (protoboard)

Protoboard con un montaje

La placa entrenadora está compuesta por unas matrices de puntos de conexión donde poder introducir las patillas de casi todos los tipos de componentes que existen. Los puntos de inserción están interconectados de la forma que se ve en la figura. Estas placas no son cómodas en circuitos muy complejos, donde los cables se van acumulando y la probabilidad de una conexión errónea o un falso contacto es elevada.

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Sin embargo, son especialmente recomendables en circuitos no demasiado complejos pero muy variables, donde no está nada claro qué componentes harán falta o la interconexión necesaria entre ellos. Por el tamaño de las conexiones no son utilizables en circuitos de radiofrecuencia. Los cables apropiados para hacer de puentes entre los terminales de los diferentes componentes deben ser con cubierta plástica, rígidos, y la parte que pelemos no debe ser demasiado larga (aproximadamente 4mm), para evitar cortocircuitos en la placa. Placas pretaladradas Además de las placas entrenadoras, si el circuito es pequeño también se pueden utilizar placas pretaladradas para hacer el prototipo o incluso el dispositivo final. Las placas pretaladradas son PCBs llevan una matriz de agujeros sucesivos a la distancia estándar entre patillas (100 milésimas de pulgada). Cada agujero tiene su PAD (a menudo ya estañado), y éstos pueden estar desconectados o interconectados en tiras.

Soldaduras en una placa pretaladrada

Para usarlas, se sueldan los componentes como si se tratase de un circuito hecho a medida, y las conexiones entre patillas se realizan con puentes, cortocircuitando PADs con estaño, o aprovechando las conexiones que vienen hechas en placas de tiras. En este último caso, será necesario cortar la tira con un cutter en los puntos donde no se desee una conexión.

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Placas impresas Como última alternativa, puede ser conveniente diseñar una placa provisional para hacer las pruebas antes de la placa definitiva. Dependiendo de la complejidad, frecuencia de trabajo, etc. del circuito a montar, ésta puede ser la mejor opción. La placa de pruebas será más grande que la definitiva, con los componentes más separados, y con previsión para cortar conexiones o para soldar diferentes componentes en pruebas (por ejemplo, si no se está seguro de qué componente dará las mejores prestaciones). También es recomendable utilizar zócalos para todos los integrados. Cuando se acaban las pruebas, la placa suele quedar con una buena cantidad de sus pistas cortadas y posiblemente vueltas a soldar, componentes soldados entre pista y pista donde no se esperaba colocar componentes, y algunos puentes y cortocircuitos. En resumen: se trata de hacer un diseño previo al definitivo teniendo especialmente en cuenta la facilidad para probar la placa, corregir posibles errores, e introducir los cambios necesarios. Una vez que, gracias a ella, se obtiene el diseño definitivo, se puede diseñar la placa final de una forma más compacta, eliminando los componentes descartados, etc. Esto no quiere decir que en la placa final no se deba tener en cuenta la facilidad para localizar los errores, si no todo lo contrario. Realización de circuitos impresos Sin duda el sistema con el que mejores resultados se pueden conseguir es el envío del diseño a una empresa especializada para su fabricación. Este método es inabordable económicamente para la fabricación de un pequeño número de placas (menos de 50-100), pero es la única alternativa para la realización de placas con más de dos caras.



Placa enviada a fábrica

Todos los procedimientos manuales parten de una placa cubierta enteramente por una lámina de cobre, y pasan por la eliminación del indeseado, permitiendo que quede únicamente donde deba haber pistas. Para ello se empieza por proteger el cobre en las zonas donde deba permanecer, para luego disolver el resto en un baño químico.

Pasos típicos en la fabricación de un circuito.

Protección directa del cobre La forma más sencilla de proteger el cobre donde deba haber pistas es cubrirlo directamente con alguna sustancia resistente al atacado químico posterior. Al ser un procedimiento enteramente manual no se puede conseguir fácilmente una precisión inferior a 1mm, y por tanto este método sólo es útil para placas sencillas y con separaciones grandes entre patas.


Como no se va a utilizar un procedimiento de fotograbado, la materia prima necesaria es placa virgen, es decir, la base (fibra de vidrio, baquelita...) cubierta únicamente por el cobre. La alternativa más típica consiste en pintar literalmente las pistas sobre el cobre con un rotulador indeleble. La tinta del rotulador queda adherida al cobre formando una capa que es prácticamente insoluble a los productos usados para el atacado posterior. Otra alternativa consiste en recortar tiras de cinta adhesiva y pegarlas sobre la superficie de la placa siguiendo el diseño que deban tener las pistas. Por supuesto, si se necesita realizar más de una placa será necesario repetir todo el trabajo para cada una de ellas. Impresión fotográfica de las pistas en la placa (fotograbado) Para poder realizar el fotograbado es necesario utilizar una placa especial sensibilizada, es decir, una placa de circuito impreso en la que el cobre viene cubierto por una capa de resina fotosensible. Dicha resina posee unas propiedades químicas que se ven alteradas por la exposición a la luz ultravioleta, lo que permitirá disolver la laca protectora sólo en las zonas donde se deba eliminar después el cobre. Para limitar la exposición de la luz a ciertas zonas de la placa se utiliza un fotolito o máscara, que no es más que una transparencia realizada típicamente en acetato o papel cebolla con un dibujo que representa las pistas del circuito deseado. Máscara en acetato y placa sensibilizada

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Existen dos tipos de placas sensibilizadas: positivas y negativas. En la placa positiva (la más común), la resina no es soluble en el revelador, aunque se vuelve soluble al exponerla a la luz ultravioleta. Una transparencia impresa para placa positiva, por tanto, debe ser opaca sobre las pistas y transparente en los espacios entre ellas. En la placa negativa el comportamiento es el inverso: la resina es soluble hasta que recibe una cantidad suficiente de radiación que la fija, y por tanto deberemos imprimir en negro las zonas donde no debe quedar cobre. La más utilizada es la placa positiva Que suele expenderse con una protección adhesiva contra la luz, que no se debe retirar hasta el último momento. Aún así, la sustancia fotosensible no necesita que trabajemos a oscuras. También hay sprays que permiten sensibilizar placas vírgenes, pero el resultado es peor que empleando placa ya sensible, y el ahorro suele ser insignificante. La máscara se puede preparar de dos formas: pintando directamente sobre ella con un rotulador negro, o realizando todo el diseño en un ordenador e imprimiendo el resultado sobre la transparencia. El primer método tiene la misma pega que la protección directa manual del cobre en cuanto a la precisión, pero cuenta con la ventaja de que permite fabricar varias placas sin tener que repetir el dibujo de cada vez. Si no se dispone de una impresora capaz de imprimir sobre transparencia se puede imprimir sobre papel normal, y fotocopiar el diseño sobre una transparencia en una librería. También se puede utilizar papel cebolla en vez del acetato, aunque el contraste conseguido entre zonas transparentes y oscuras suele ser inferior.

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Es conveniente cortar la placa antes de retirar la protección, para evitar rallar la resina que provocarían cortes en las pistas del circuito final. Una vez obtenida la transparencia podemos repasar las pistas que estén en mal estado con un rotulador permanente de color negro. Insolado Para trasladar el diseño de la máscara a la resina fotosensible se procede al insolado. Éste consiste en cubrir la placa con la máscara y aplicar luz durante un cierto tiempo. Para ello se suele utilizar una insoladora, que no es más que una caja opaca con tubos fluorescentes de luz actínica (con un gran contenido de radiación ultravioleta, para acelerar el insolado) donde se coloca la placa con la máscara. De este modo se consigue que sólo reciba luz la resina bajo las zonas transparentes de la máscara, mientras que el resto queda protegido por el tóner o la tinta.

Insoladora

La cantidad de luz necesaria para activar la resina depende del tipo de placa. El tiempo de insolación dependerá por tanto de la placa, así como de la potencia luminosa de la insoladora, el tipo de máscara, etc. Si se desconoce el tiempo necesario para un caso concreto, el mejor método para averiguarlo es por prueba y error. Este tiempo estará limitado por la calidad de la transparencia: cuanto más opa-



cas sean las zonas negras, mejor protegida de la luz estará la resina que no se debe activar, y por tanto se podrá aplicar más luz sin que haya problemas. De forma similar, cuanto más claras sean las zonas transparentes más luz las atravesará y por tanto se podrá conseguir un buen resultado con menos tiempo. Se puede decir que el tiempo mínimo de insolación viene limitado por lo opaca que sea la transparencia, mientras que el tiempo máximo depende de lo transparente que sea la tinta. Hay que tener cuidado con la posición en que se pone la máscara, ya que es muy fácil despistarse y ponerla al revés. Para evitar confusiones suele ser útil marcar el diseño con unas letras o un logotipo que identifiquen claramente en que posición se ha de poner, leyéndose al derecho si la máscara está bien puesta. En caso contrario, se puede deducir la colocación de la máscara teniendo en cuenta que las pistas en el cobre seguirán exactamente el dibujo en la máscara y que los componentes se colocan por la otra cara de la placa, simplemente identificando alguna patilla de un integrado. Si al imprimir no se consigue una opacidad suficiente en las zonas que deben quedar cubiertas, se pueden pegar juntas dos copias idénticas del circuito. Esta técnica no es muy recomendable con papel cebolla, pero con acetato suele dar buenos resultados. Un tiempo de exposición típico para una insoladora de 4 tubos es de unos 2 minutos, aunque esa cifra puede variar mucho en función de otros parámetros. Podemos fabricar nuestra insoladora con tubos fluorescentes blancos, que son más baratos que los negros (los usados por insoladoras comerciales). También necesitaremos un cristal translúcido y una caja donde alojar todo.


Si el insolado ha salido bien, generalmente se puede apreciar a simple vista el sutil cambio de color de la resina activada. Si por error se insoló una placa poniendo la máscara al revés hay componentes que no tienen problema, como las resistencias o condensadores, pero hay otros que no pueden ser montados porque los pines no coinciden donde deberían estar. Lo que se puede hacer para aprovechar la placa es soldar esos componentes por el lado de las pistas de cobre. Es posible insolar una placa con una lámpara normal, aunque hay que tratar de que la luz sea lo más homogénea posible sobre la superficie de toda la placa, y el tiempo necesario aumentará mucho. Para que el dibujo de la máscara se imprima sobre la placa de forma precisa es necesario que durante el insolado estén perfectamente juntas, sin que queden arrugas o burbujas entre ellas. Para evitarlas la mayoría de insoladoras dispone de una espuma que presionará la placa contra la transparencia. Precaución:

· No deb deben en exp expon oner erse se los los ojo ojoss a la lu luzz actínica. · La radi radiaci ación ón ultr ultravi aviole oleta ta pued puedee dañar dañarlos los.. Revelado Una vez insolada la placa, toda la resina correspondiente a las zonas en que no debe quedar cobre está lista para ser disuelta en un baño químico, mientras que la resina que debe quedar sobre las pistas de cobre se mantendrá insoluble a lo largo de todo el proceso. El siguiente paso es precisamente la eliminación de toda la resina sobrante, para dejar luego el cobre expuesto al ataque final. Para ello se suele sumergir la placa insolada en un disolvente (el revelador): se vierte una cierta cantidad de líquido revelador (lo suficiente para cubrir completamente la placa) en un recipiente de fondo plano y se introduce la placa.

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Durante el revelado es conveniente mover ligeramente el recipiente para provocar un flujo del líquido sobre la placa. El tiempo que debe estar la placa sumergida en el revelador no es crítico. Además Adem ás existe la ventaja de que durante durante el revelado se ve la placa, por lo que se sabrá a simple vista cuándo se puede retirar retirar.. Sin embargo, si se mantiene demasiado tiempo podría acabar disolviéndose también la resina que no fue expuesta a la luz, con lo que tendríamos una bonita placa virgen. Si el revelado tarda demasiado (más de 2 o 3 minutos), puede deberse a un insolado insuficiente o a una concentración del revelador demasiado baja. Si por el contrario al poco tiempo de introducir la placa en el revelador desaparece toda la resina, probablemente se haya insolado la placa demasiado tiempo. Una vez terminado el revelado es necesario lavar bien la placa para eliminar todos los restos de revelador (cualquier resto de revelador reducirá la potencia del atacador en la siguiente etapa). En este momento, ya disponemos de una placa “virgen” con el cobre cubierto por resina protectora únicamente sobre las pistas que deben quedar en el circuito. Si al terminar el revelado observamos que hay alguna pista sobre la que desapareció demasiada resina, o con algún corte, se puede reforzar con un rotulador indeleble antes del atacado. Por otra parte, si aún quedan restos de resina en alguna zona donde no debería haberla, se puede rascar con un cutter. En las tiendas de electrónica se suele vender polvo revelador en sobres, con la cantidad justa para disolver en un litro de agua. Para disolverlo rápidamente es conveniente que el agua esté algo caliente; de lo contrario tardará un rato en deshacerse. Una alternativa económica consiste en utilizar sosa cáustica, vendida en droguerías y ferreterías por un precio sensiblemente inferior.

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Es fácil encontrarla en escamas o en granos, en botes de 1Kg. La proporción en que se debe rebajar con agua es necesario calcularla por prueba y error, aunque probablemente sea cercana a un tapón de sosa por litro de agua. Precaución:

· La sos sosaa cáus cáusti tica ca es es muy muy corr corros osiv iva, a, y puede causar graves quemaduras. · En caso caso de manc manchar harse se con con re revel velado adorr, es necesario lavarse con agua abundante. · El man manej ejo o de la la plac placaa es con conve veni nien ente te hacerlo con unas pinzas plásticas, con cuidado de no rayar la resina. Atacado Ahora debemos eliminar las partes de cobre que quedaron desprotegidas. desprotegidas. En el procedimiento puramente manual serán las partes que no fueron cubiertas con el rotulador; en el fotográfico las que fueron activadas por la luz y después reveladas. Para ello hay dos métodos: · Uti Utiliz lizar ar una una soluc solución ión de cloru cloruro ro férr férrico ico en agua.En el comercio se vende ya un bote con garbanzos de cloruro, para llenar de agua y realizar la solución con la concentración exacta, o bien ya disuelto. · Uti Utiliz lizar ar una una solu solució ciónn ácid ácidaa rápid rápida. a. Esta Esta opción es más cara y peligrosa que la anterior pero ofrece mejores resultados y es más rápida.

El atacado, utilizando cloruro férrico, es un procedimiento razonablemente lento (de 15 a 30 minutos) y muy dependiente de la temperatura del líquido. Se debe disolver algo de cloruro férrico en la cantidad necesaria de agua, para luego sumergir en ella la placa revelada. La concentración no es crítica pero tendrá efecto sobre el tiempo necesario para completar el proceso. Para acelerar el atacado, es conveniente que el líquido esté caliente (a unos 30º), y a poder ser bien oxigenado.



Precaución:

Cloruro férrico

El cloruro férrico no es corrosivo si cae sobre la piel, pero es conveniente lavarlo cuanto antes, además mancha mucho. La otra alternativa es el atacador rápido, que consiste en un ácido para disolver el cobre y un reductor para limpiar la superficie de la placa y permitir actuar al ácido. El procedimiento es muy similar al usado con el revelador: se vierte la cantidad necesaria de disolución en un recipiente limpio y se sumerge en él la placa, moviendo ligeramente el recipiente para renovar el atacador en contacto con la placa. El proceso termina cuando se observa que ya no queda cobre entre las pistas; si la mezcla estaba bien no debería tardar más de 5 minutos, aunque eso depende mucho de las concentraciones y la cantidad de cobre a disolver. Si el revelado fue defectuoso, también lo será el atacado. Si quedaban restos de resina entre pistas, el atacador no será capaz de retirar correctamente el cobre. Si por el contrario toda la resina estaba demasiado debilitada, toda la placa resultará atacada, provocando cortes o incluso la desaparición completa de pistas. Si el problema fue un revelado insuficiente pero se supone que el insolado fue correcto, es posible lavar la placa y volver a bañarla en el revelador. Una vez completado el atacado de nuevo es necesario lavar bien la placa para evitar que los restos de ácido corroan el cobre de las pistas.


Al igual que el revelador revelador,, el atacador es muy corrosivo y si entra en contacto con la piel es necesario lavarse con agua abundante. Además durante el atacado se generan gases tóxicos (cloro), por lo que es necesario realizarlo en un lugar bien ventilado. La solución rápida se vende en el comercio en dos botes o sobres diferentes, uno con cada componente denominado típicamente “S” y “L”. Se debe rebajar las concentraciones de cada bote con agua en la proporción indicada y en el momento de su uso, mezclar ambos líquidos. Como alternativa barata al atacador rápido de tienda se puede utilizar una disolución de ácido clorhídrico (salfumán, aguafuerte) y agua oxigenada. El ácido clorhídrico puede conseguirse en cualquier ferretería o droguería, pero el agua oxigenada es necesario que sea de farmacia, de 110 volúmenes (la típica del botiquín suele ser de 10 volúmenes; no tiene la concentración suficiente). La mezcla se puede realizar en el momento de fabricar la placa, y suele constar de un 25% de ácido, un 25% de agua oxigenada, y un 50% de agua. Si el atacado tarda mucho en empezar suele indicar una falta de agua oxigenada. Si por el contrario empieza rápido pero tarda demasiado en terminar probablemente se deba a una falta de ácido o una mala limpieza de la placa tras el revelado.

Ácido clorhídrico y agua oxigenada

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Utilizar en todas las fases del proceso diferentes recipientes para las distintas soluciones; además deben ser plásticos. Los utensilios que se introduzcan en las mismas, para manejar el circuito, deben ser plásticos también. Si no se dispone de probetas para medir la cantidad de cada líquido, se puede hacer a ojo, echando aproximadamente a partes iguales ácido y agua oxigenada y luego diluyendo. Las proporciones no son críticas, por lo que con un poco de práctica se puede hacer una buena mezcla a la primera. Finalización

Una vez terminado el atacado, la placa ya tiene las pistas dibujadas en cobre. Sobre el metal aún quedan los restos de la resina (o del rotulador permanente, si se hizo a mano), que imposibilitarán la soldadura de los componentes. Antes de soldar soldar,, por tanto, es necesario terminar de limpiar la placa. Para ello se pueden utilizar dos métodos: disolver la resina o la tinta indeleble con un disolvente común (alcohol, acetona, etc.), o volver a insolar la placa sin máscara (para que todas las pistas reciban luz) y volver a revelarla para eliminar toda la resina (¡ojo, no se la debe volver a atacar después!). Una vez limpia la placa de resina es conveniente comprobar con un tester la continuidad eléctrica de todas las pistas, o al menos de aquellas más finas o que planteen alguna duda. Este paso puede ahorrar mucho tiempo si después de montar todos los componentes el circuito no funciona. Si entre la fabricación de la placa y el montaje de los componentes van a transcurrir varios días, se puede posponer la limpieza de la resina hasta el momento de soldar los componentes, ya que ésta protege al cobre de la suciedad y la oxidación.

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Soldado y ensamblaje de los componentes

Suponiendo que la placa ya esté terminada y limpia podemos empezar a soldar los componentes. No es necesario seguir ningún orden concreto, aunque suele ser más cómodo empezar por los componentes de menor altura (resistencias, diodos) para acabar por los más voluminosos. Es importante fijarse bien en la polaridad y la colocación de los componentes antes de empezar a soldarlos, especialmente en condensadores, condensador es, diodos, e integrados. Si alguna pista quedó mal (demasiado fina, con agujeros, cortes, etc.) se puede repasar con estaño. Si el corte es grande, se puede soldar sobre la pista un hilo de cobre, o un trozo de patilla de resistencia. Si se encuentra algún cortocircuito entre dos pistas, se puede eliminar con un cutter. Taladrado de la placa

Una vez terminada la fabricación de la placa y antes de empezar a soldar los componentes hay que hacer los agujeros en el circuito impreso para introducir los terminales. Esta etapa no será necesaria si estamos haciendo un montaje con tecnología SMD. La gran mayoría de los agujeros que tengamos que realizar en una placa serán para soldar la patilla de algún componente, y por tanto estarán rodeados de cobre. Recordemos que a ese punto de conexión entre una pista y una patilla de un componente se le denomina pad. Una ayuda para esta etapa es considerar los agujeros ya en el diseño de las pistas, dejando sin cobre los puntos donde tengamos que taladrar. Si el diseño es con ordenador, normalmente éste ya imprime las marcas para esos agujeros.



De esta forma, conseguimos que la broca del taladro no resbale por el pad, quedando un taladrado más preciso. Para el taladrado de la placa lo más recomendable es utilizar un mini-taladro apropiado para ello, con su soporte de columna. En general cualquier taladro con poca holgura en el eje y poca vibración (ya que no romperá las finas brocas utilizadas) puede valer, pero cuanto más grande sea más incómodo será de manejar.

Minitaladro para uso electrónico

Para la mayoría de los componentes se utilizarán brocas de 0,6mm a 1,25mm de diámetro. Con una broca de 0,8mm tendremos suficiente para la mayoría de resistencias, condensadores, condensador es, transistores, etc. Se debe elegir una broca que genere un agujero no mucho mayor que la patilla del componente, de forma que la podamos introducir cómodamente por el mismo pero sin que quede demasiado holgada. Asegurarse bien de que no quede ningún agujero por hacer antes de empezar a soldar los componentes, ya que una vez que la placa tenga componentes soldados no se podrá apoyar bien y será muy incómodo taladrarla.


Iniciación a la soldadura con estaño La soldadura con estaño es la base de todas las aplicaciones electrónicas porque permite la realización de conexiones entre conductores y entre éstos y los diversos componentes, obteniendo rápidamente la máxima seguridad de contacto. Consiste en unir las partes a soldar de manera que se toquen y cubrirlas con una gota de estaño fundido que, una vez enfriada, constituirá una verdadera unión, sobre todo desde el punto de vista electrónico. Ésta es una tarea manual delicada que sólo se consigue dominar con la práctica. Una soldadura mal hecha puede causar que el producto falle en algún momento. Esto es como aprender a andar en bicicleta, una vez que se domina ya nunca se olvida.

El soldador utilizado en Electrónica En Electrónica se suelen utilizar soldadores de potencia reducida, ya que generalmente se trata de trabajos delicados. Es una herramienta útil que tiene un enorme campo de aplicación, ya sea para realizar nuevos montajes o para hacer reparaciones. El soldador debe permitir las operaciones de soldadura con estaño correspondientes a la unión de dos o más conductores, o conductores con elementos del equipo. Debido a su frecuente empleo, deberá presentar, entre otras características, una gran seguridad de funcionamiento y durabilidad.

En general, se trata de una masa de cobre (punta), que se calienta indirectamente por una resistencia eléctrica conectada a una toma de energía eléctrica (generalmente el enchufe de 230V). Los tipos que se encuentran generalmente en el mercado pueden clasificarse en soldadores comunes o de lápiz y soldadores de pistola.

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Tipos de soldadores

durante el tiempo que no se usa, para evitar quemar la mesa de trabajo. Aquí se ven algunos ejemplos: 1

Éste es el clásico soldador de tipo lápiz, de 30W. Su calentamiento es permanente y posee una alta inercia térmica. Tanto en el momento de la soldadura como en las pausas de esta labor labor,, el soldador permanece conectado a la corriente eléctrica. Resulta adecuado para trabajos repetitivos y numerosos. El soldador de abajo es de pistola. La punta se calienta por el efecto de una gran corriente que pasa por ella (el abultado mango lleva dentro un transformador que la produce) y la punta viene a ser el secundario. Resulta útil para trabajos esporádicos ya que se calienta instantáneamente. No se usa mucho en electrónica porque la punta no suele resultar lo bastante fina y precisa. Suele llevar un par de bombillas que iluminan la zona donde se va a soldar.

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Tipos de soportes Ya que el soldador mantiene la punta caliente (a unos 250~300 ºC), se hace necesario el uso de un soporte donde dejarlo

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1. Soporte típico para soldadores de poca potencia. Tiene esponja. 2. Soporte JBC que permite colocar el soldador de dos formas distintas. Tiene esponja 3. El soporte más sencillo. Puede construirse con un trozo de chapa y una tabla de madera. 4. Soldador con todas las puntas que se le pueden acoplar: punta fina, punta gruesa, punta para desoldar circuitos integrados e incluso accesorio para desoldar, con pera de goma incluida. 5. Punta fina, ideal para la soldadura en Electrónica.

La composición de esta pasta es a base de colofonia (normalmente llamada "resina") y que en el caso del estaño que utilizaremos, está contenida dentro de las cavidades del hilo, en una proporción del 2~2.5%.

Aquí se observan las 3 cavidades que forman el "alma" de resina del estaño.

El estaño En realidad, el término "estaño" se emplea de forma impropia porque no se trata de estaño sólo, sino de una aleación de este metal con plomo, generalmente con una proporción respectiva del 60% y del 40%, que resulta ser la más indicada para las soldaduras en Electrónica. Para realizar una buena soldadura, además del soldador y de la aleación descrita, se necesita una sustancia adicional, llamada pasta de soldar , cuya misión es la de facilitar la distribución uniforme del estaño sobre las superficies a unir evitando, al mismo tiempo, la oxidación producida por la temperatura demasiado elevada del soldador.


La resina resulta de una gran ayuda durante la soldadura. La otra fotografía presenta un rollo de estaño típico de 500 gr., aunque hay rollos más pequeños, ya que no suele resultar muy cómodo sujetar un peso de medio kilo mientras hacemos soldaduras. Proceso para soldar Antes de iniciar una soldadura hay que asegurase de que: · La punta del soldador esté limpia. En ningún caso se raspará con una lima, tijeras o similar, ya que puede dañarse el recubrimiento de cromo que tiene (el

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recubrimiento proporciona una mayor vida a la punta). · Las piezas a soldar deben estar totalmente limpias y de ser posible preestañadas. · Se esté utilizando un soldador de la potencia adecuada. En Electrónica, lo mejor es usar soldadores de 15~30 W., nunca superiores, pues los componentes del circuito se pueden dañar si se les aplica un calor excesivo. Los pasos para soldar son éstos: Asegurarse de que las zonas a soldar están bien limpias, sin grasa ni suciedad. Para las placas de circuito impreso se puede utilizar una goma de borrar bolígrafo, tal como vemos aquí. Si se trata de hilos de cobre, se pueden raspar con unas tijeras o una cuchilla para limpiar el hilo.

Limpiar la punta del soldador de vez en cuando. Para ello la frotaremos suavemente en una esponja húmeda, como la del soporte de la figura. Alternativamente podemos restregarla con un cepillo de alambres suave, como los que suelen venir incluidos en el soporte.

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Acercar los elementos a unir hasta que se toquen. Si es necesario, utilizar unos alicates para sujetar bien las partes. Aplicar el soldador a las partes a soldar, de forma que se calienten ambas partes. Tener en cuenta que los alicates o pinzas absorben parte del calor del soldador.

Las piezas empiezan a calentarse hasta que alcanzan la temperatura del soldador. Si la punta está limpia, esto suele tardar menos de 3 segundos. Este tiempo dependerá de si se usan alicates y de la masa de las piezas a calentar.

Sin quitar el soldador, aplicar el estaño (unos pocos milímetros) a la zona de la soldadura, evitando tocar directamente la punta.



Cuando la zona a soldar es grande, se puede mover el punto de aplicación del estaño por la zona para ayudar a distribuirlo. La resina del estaño, al tocar las superficies calientes, alcanza el estado semilíquido y sale de las cavidades, distribuyéndose por la superficie de la soldadura. Esto facilita que el estaño fundido cubra las zonas a soldar. Retirar el hilo de estaño. El estaño fundido, mientras sigue caliente, termina de distribuirse por las superficies.

Como se puede observar, el accesorio tiene una punta, un depósito donde se almacena el estaño absorbido, una espiga para adaptarlo al soldador y una pera de goma que sirve para hacer el vacío que absorberá el estaño.

Retirar el soldador, tratando de no mover las partes de la soldadura. Dejar que la soldadura se enfríe naturalmente. Esto lleva un par de segundos. El metal fundido se solidifica, quedando la soldadura finalizada, con aspecto brillante y con buena resistencia mecánica. Como sucede con la mayoría de las cosas, a base de experimentar unas cuantas veces se conseguirá dominar este proceso, que por otro lado resultará sencillo.

Vemos en detalle la punta y el depósito del accesorio para desoldar. Ésta se calienta de la misma manera que la punta normal. El modo de proceder es el siguiente: · Presionar la pera con el dedo. · Acercar la punta hasta la zona de donde se quiera quitar el estaño. · Si la punta está limpia, el estaño de la zona se derretirá en unos pocos segundos. En ese momento, soltar la pera para que el vacío producido absorba el estaño hacia el depósito. · Presionar la pera un par de veces apuntando hacia un papel o el soporte para vaciar el depósito con cuidado, ya que el estaño sale a 300ºC.

Proceso para desoldar Para desoldar hay varios métodos, aunque nosotros nos vamos a centrar sobre los que se basan en la succión del estaño. Vamos a describir los desoldadores y los chupones. El desoldador de pera En lugar de la punta se le coloca el accesorio que se ve debajo y ya tenemos un desoldador, que suele recibir ese nombre.


Estos cuatro pasos se pueden repetir si fuera necesario. El desoldador de vacío o chupón Ahora vamos a describir el otro tipo de soldador, el denominado chupón.

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Si es necesario, repetir este último paso cargando previamente el desoldador.

Este desoldador de vacío es una bomba de succión que consta de un cilindro que tiene en su interior un émbolo accionado por un muelle. Tiene una punta de teflón o grilon , que soporta perfectamente las temperaturas utilizadas. El cuerpo principal ( depósito ) suele ser de aluminio. Para manejarlo debemos cargarlo venciendo la fuerza del muelle y en el momento deseado pulsaremos el botón que lo libera y se produce el vacío en la punta. Nos servirá para absorber estaño, que estaremos fundiendo simultáneamente con la punta del soldador. El modo de proceder es el siguiente: Cargar el desoldador, venciendo la fuerza del muelle. Aplicar la punta del soldador a la zona de donde se quiera quitar el estaño. Si la punta del soldador está limpia, el estaño se derretirá en unos pocos segundos. Asegurarse de que el desoldador está listo.

Retirar el soldador y el chupón. En la foto vemos el resultado de la desoldadura. Si después del proceso aún queda algo de estaño sujetando el componente que queremos quitar, entonces será necesario repetir el proceso.

Este dispositivo tiene un depósito suficientemente grande como para no necesitar vaciarlo cada vez que se usa, como ocurre con el desoldador de pera. Para limpiarlo, generalmente hay que desmontarlo desenroscando sus partes.

En ese momento, sin retirar el soldador, acercar la punta del chupón a la zona y pulsar el botón de liberación del émbolo. Éste se disparará, produciendo un gran vacío en la punta y absorbiendo el estaño hacia el depósito.

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LAS HERRAMIENTAS ÚTILES EN ELECTRÓNICA Aparte del soldador y el desoldador, vamos a necesitar una serie de herramientas que nos harán más fácil el trabajo. Lo ideal sería poder disponer de todas estas herramientas que se ven, aunque sólo con unas pocas nos podremos arreglar la mayoría de las veces.

Aparecen diferentes tipos de destornilladores, alicates, pinzas y limas. Vamos a describir aquéllas cuyas características son las más adecuadas a las necesidades del aficionado electrónico.

los hilos de conexión, el de puntas curvas sirve para alcanzar lugares de difícil acceso y el de corte sirve para cortar conductores. Las Pinzas

Finalmente, las llamadas pinzas de muelle, del todo similares a las que usan los coleccionistas de sellos, son muy útiles para sostener los extremos de los hilos de conexión en la posición adecuada durante la soldadura con estaño.

Son las típicas pinzas, muy útiles para la realización de conexiones y para la colocación de pequeños componentes. Existe un modelo que tiene las puntas recubiertas con una capa de plástico o goma, o incluso que están hechas íntegramente con plástico. Las Tijeras

Las tijeras también tienen una notable utilidad.

Los Alicates

Los alicates para usos electrónicos los elegiremos de tal forma que nos sean lo más manejables posible.

Aquí vemos tres tipos de alicates de los más corrientes para el trabajo del electrónico.

En electrónica se emplea un tipo bastante robusto y corto, el que se corresponde con las tijeras de electricista. Una muesca adecuada también las hace útiles para cortar hilos delgados. Sirven para pelar los conductores aislados cuando no se dispone de un utensilio más adecuado. La muesca de corte se observa mejor aquí:

El de puntas redondas es particularmente útil para hacer anillos en los extremos de


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CÓMO DESOLDAR Y SOLDAR COMPONENTES SMD SIN HERRAMIENTAS PROFESIONALES Prácticamente todos los circuitos electrónicos comerciales poseen componentes de montaje superficial que son difíciles de reemplazar si no se cuenta con herramientas adecuadas, lo que suele dificultar el trabajo del técnico reparador. Vamos a exponer una forma de cambiar componentes de montaje superficial con herramientas comunes que están presentes en el banco de trabajo de todo especialista. Desarrollo Los dispositivos de montaje superficial SMD o SMT (Surface Mount Technology) se encuentran en mayor proporción en todos los aparatos electrónicos y gracias a esto la mayoría de los procesos involucrados en el funcionamiento de los diferentes equipos se ha agilizado considerablemente, trayendo como consecuencia grandes ventajas para los fabricantes, que pueden ofrecer equipos más compactos sin sacrificar sus prestaciones. Sin embargo, todas estas ventajas pueden invertirse en un momento dado, cuando en la prestación de sus servicios, el técnico tenga que reemplazar algunos de estos componentes. Gracias al avance de la industria química, hoy es posible conseguir diferentes productos que son capaces de combinarse con el estaño para bajar la temperatura de fusión y así no poner en riesgo la vida de un microprocesador (por ejemplo), cuando se debe quitar de una placa de circuito impreso. Se han probado diferentes productos y, en su mayoría, permiten desoldar un componente sin que exista el mínimo riesgo de levantar una pista de circuito impreso. El problema es que a veces suele ser difícil conseguir estos productos químicos y debemos recurrir a métodos alternativos. Para extraer componentes SMD de una placa de circuito impreso, para el método que vamos a describir, precisamos los siguientes elementos:

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· Soldador de 20W con punta electrolítica de 1mm de diámetro. · Soldador de gas para electrónica. · Flux líquido. · Estaño de 1 a 2 mm con alma de resina. · Malla metálica para desoldar con flux. · Unos metros de alambre esmaltado de menos de 0,8mm de diámetro. El flux es una sustancia que se aplica a una pieza de metal para que se caliente uniformemente dando lugar a soldaduras parejas y de mayor calidad. El flux se encuentra en casi todos los elementos de soldadura. Si se corta un pedazo de estaño diametralmente y se pone bajo una lupa, se podrá observar en su centro (alma) una sustancia blanca amarillenta que corresponde a la resina o flux.

Esta sustancia química, al fundirse junto con el estaño, facilita que éste se adhiera a las partes metálicas que se van a soldar. También podemos encontrar flux en las mallas metálicas de desoldadura de calidad, que permite que el estaño fundido se adhiera a los hilos de cobre rápidamente.

Vamos a explicar cómo desoldar un circuito integrado para montaje superficial tipo TQFP de 144 terminales, tal como se muestra en la figura.



En primer lugar, se debe tratar de eliminar todo el estaño posible de sus patas. Para ello utilizamos malla desoldante fina con flux. Colocamos la malla sobre las patas del integrado y aplicamos calor con el objeto de quitar la mayor cantidad de estaño. Aconsejamos utilizar, para este paso, un soldador de gas, de los que se hicieron populares en la década del 90. Funciona con butano, tienen control de flujo de gas y es recargable. Puede funcionar como soldador normal, soplete o soldador por chorro de aire caliente dependiendo de la punta que utilicemos. Para la soldadura en electrónica la punta más utilizada es la de chorro de aire caliente, esta punta es la indicada para calentar las patas del integrado con la malla desoldante para retirar la mayor cantidad de estaño posible.

Una vez quitado todo el estaño que haya sido posible debemos desoldar el integrado usando el soldador de 25W, provisto con una punta en perfectas condiciones que no tenga más de 2 mm de diámetro (es ideal una punta cerámica o electrolítica de 1 mm). Tomamos un trozo de alambre esmaltado al que le hemos quitado el esmalte en un extremo y lo pasamos por debajo de las patas (el alambre debe ser lo suficientemente fino como para que quepa debajo de las patas del integrado, según figura).

El extremo del cable pelado se suelda a cualquier parte del PCB. Con uno de los extremos libres del alambre (el otro extremo está soldado a la placa y pasa por debajo de los pines del integrado) tiramos hacia arriba muy suavemente mientras calentamos las patas del integrado que están en contacto con él. Este procedimiento debe hacerlo con paciencia y de uno en uno, ya que corremos el riesgo de arrancar una pista de la placa.

El uso más común que se les da a estos soldadores en electrónica es el de soldar y desoldar pequeños circuitos integrados, resistencias, condensadores y bobinas SMD.

En la figura que sigue vemos el procedimiento para retirar la mayor cantidad de estaño mediante el uso de una malla.


Repetimos este procedimiento en los cuatro lados del integrado asegurándonos de que se calientan las patas cerca de las que va a pasar el alambre de cobre para separarlas de los pads (islas). Una vez quitado el circuito integrado por completo hay que limpiar los pads para quitarles el resto de estaño y para lograrlo

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colocamos la malla de desoldadura sobre dichos pads apoyándola y pasando el soldador sobre ésta (aquí conviene volver a utilizar el soldador de gas).

No debe moverse la malla sobre las pistas bruscamente, ya que se puede dañar las pistas. En el caso de que la malla se quede “pegada” a los pads, se debe calentar y separar cada zona, pero siempre con cuidado. Nunca debe tirarse de ella, sepárese con cuidado. Si se ha trabajado con herramientas apropiadas, los pads (lugares donde se conectan las patas del integrado) deberían estar limpios de estaño y listos para que se pueda soldar sobre ellos el nuevo componente. Pero, antes de hacerlo, es conveniente aplicar flux sobre los pads. No importa la cantidad de flux, ya que el excedente lo vamos a limpiar posteriormente. Cabe aclarar que hay diferentes productos químicos que realizan la limpieza de pistas de circuito impreso y lo hacen de forma excelente, para lograr después una buena soldadura. Estos compuestos pueden ser líquidos (a base a alcohol isopropílico) que se aplica por medio de un hisopo (bastoncito) común, o en pasta y hasta en emulsión contenida en un aplicador.

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Después colocaremos una pequeña cantidad de estaño sobre cada pad para que se suelde con el integrado en un paso posterior.

Una vez limpia la superficie, colocaremos el nuevo componente sobre los pads con mucho cuidado y prestando mucha atención de que cada pin esté sobre su pad correspondiente. Una vez situado el componente en su lugar, acercaremos el soldador a un pin de una esquina del integrado hasta que el estaño se derrita y se adhiera a la pata o pin. Posteriormente repetiremos la operación con una pata del lado opuesto. De esta manera el integrado queda inmóvil en el lugar donde deberá ser soldado definitivamente. Aplicaremos nuevamente flux sobre las patas del integrado, para que al aplicar calor en cada pata, el estaño se funda sin inconvenientes, adhiriéndose cada pata con la pista del circuito impreso correspondiente y con buena conducción eléctrica.

Debe calentarse cada pata del integrado con el soldador de punta fina, comprobando que el estaño se funda entre las partes a unir. Hagamos este proceso con cuidado ya que los pines son muy débiles y fáciles de doblar y romper.



Después de soldar todos los pines comprobaremos, con delicadeza, que todos los pines hacen buen contacto con la correspondiente pista de circuito impreso. Es posible que se haya colocado una cantidad importante de flux y el sobrante genere una apariencia desagradable. Para limpiarlo se utiliza un disolvente limpiador de flux que se aplica sobre la zona a limpiar.

Conclusión

Sugerimos trabajar en un área bien ventilada, limpia y despejada; y si es posible, que un extractor elimine los vapores emitidos. También recomendamos el uso de una pulsera antiestática, un banco de trabajo, gafas protectoras y, para resultados más precisos, una lámpara con lupa.

Historia del circuito impreso. El inventor del circuito impreso es probablemente el ingeniero austriaco Paul Eisler (1907-1995) quien, mientras trabajaba en Inglaterra, hizo uno, alrededor de 1936, como parte de una radio. Alrededor de 1943, los Estados Unidos comenzaron a usar esta tecnología en gran escala para fabricar radios que fuesen robustas, para la Segunda Guerra Mundial. Después de la guerra, en 1948, EE.UU. liberó la invención para el uso comercial. Los circuitos impresos no se hicieron populares en la electrónica de consumo hasta mediados de 1950, cuando el proceso de auto-ensamblaje fue desarrollado por la Armada de los Estados Unidos. Antes que los circuitos impresos (y aún después de su invención), la conexión punto a punto era la más usada. Para prototipos, o producción de pequeñas cantidades, el método 'wire wrap' puede ser más eficiente. Originalmente, cada componente electrónico tenía patas de alambre, y el circuito impreso tenía orificios taladrados para cada pata del componente. Estas patas de los componentes atravesaban los orificios y eran soldadas a las pistas del circuito impreso. Este método de ensamblaje es llamado through-hole (“a través del orificio", por su nombre en inglés). En 1949, Moe Abramson y Stanilus F. Danko, de la United States Army Signal Corps desarrollaron el proceso de auto-ensamblaje, mediante el cual las patas de los componentes eran insertadas en una lámina de cobre con el patrón de interconexión, y luego eran soldadas. Con el desarrollo de la laminación de tarjetas y técnicas de grabados, este concepto evolucionó en el proceso estándar de fabricación de circuitos impresos usado en la actualidad. La soldadura se puede hacer automáticamente pasando la tarjeta sobre un flujo de soldadura derretida, en una máquina de soldadura por ola. Sin embargo, las patas y orificios representan un desperdicio de tiempo. Es costoso perforar los orificios, y la eliminación del sobrante de las patas. En vez de usar el método through-hole , a menudo se utilizan componentes de montaje superficial por el ahorro de tiempo y la facilidad de colocación en sistemas robotizados.


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Pilas, acumuladores y baterías

PILAS, ACUMULADORES Y BATERÍAS Hemos comentado que todos los equipos electrónicos precisan de una alimentación. Como también pueden funcionar con pilas es necesario tocar el tema de las distintas fuentes que pueden alimentarlos, ya que cada vez resulta más habitual utilizar aparatos independientes de la red eléctrica. Vamos a conocer la mayor parte de los modelos existentes para que no nos abandonen en el momento más crítico. Existe cierto confusionismo al designar cada uno de los elementos que proporcionan el suministro eléctrico a los circuitos.

Existen varios tipos de acumuladores, que luego veremos. • Finalmente, el término batería hace referencia a la asociación o conexión de varias pilas, bien primarias o secunda rias , formando un conjunto capaz de crear una tensión superior, igual a la ten sión que suministra un elemento multiplicado por el número de ellos, conocido como asociación en serie o un conjunto capaz de proporciona una intensidad mayor, igual a la capacidad de un ele mento multiplicada por el total (asociación en paralelo) (luego veremos que se entiende como capacidad la intensidad que pueden proporcionar a lo largo del tiempo y se expresa en Ah). A esos elementos se les denomina tam bién celdas. A este conjunto, si de elementos acu mulador es estamos habl ando , se le conoce en inglés como Pack (paquete, en español).

Por ello, antes que nada, es necesario precisar la diferencia existente entre pila , acumulador y batería. • Pila es el nombre que se da a los ele mentos simples que proporcionan ener gía a una linterna o a un receptor de radio, por ejemplo, aunque se coloquen agrupados.

También se le denomina elemento pri mario o pila primaria. • Acumulador es un elemento secundario capaz de descargarse y volverse a recuperar mediante un cargador externo conectado a la red de corriente alterna.


Después volveremos a insistir en la dife renciación de éstos términos.

Pila eléctrica Dispositivo que convierte la energía química en eléctrica. Todas las pilas contienen un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor iónico. Uno de los electrodos produce electrones y el otro los recibe. Al conectar los electrodos al aparato que hay que alimentar, llamado carga, se genera una corriente eléctrica.

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Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original, una vez que la energía ha sido convertida (es decir, se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas.

Volvemos a insistir: Las pilas en las que el producto químico puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en dirección opuesta a la operación normal de la pila, se llaman pilas secundarias o acumuladores.

A Alejandro Volta se le atribuye el descubrimiento de la pila. Ya dimos esta noticia en EL MUNDO DE LA ILUMINACIÓN pero creemos conveniente repetirla, con más datos. Alejandro Volta muestra su pila eléctrica ante Napoleón Bonaparte en 1800.

Sin embargo, su descubrimiento no fue conocido hasta que Volta escribió sobre el mismo a Joseph Banks, secretario de la Royal Society de Londres, de la que el científico italiano era miembro desde 1791, al tiempo que viajaba a París, en compañía de un colega docente, el destacado químico Brugnatelli. En aquel tiempo, París era la capital de la República francesa que, después de diez intensos años revolucionarios, parecía apaciguarse, aburguesándose, tratando de convertirse en un centro difusor del Arte, las Letras y las Ciencias, siguiendo los ambiciosos pla nes culturales y educativos del Primer Cónsul de Francia, el invicto general Napoleón Bonaparte. Volta era portador de una misión oficial de las autoridades académicas, que que rían agradecer a Bonaparte que hubiera permitido abrir nuevamente las aulas de la Universidad de Pavía, situada política mente (a capricho del militar corso) en territorio de la nueva República Cisalpina, estado satélite de Francia. Pero la pila cambió completamente el interés del viaje. Así, Napoleón (a quien observamos en este fresco) junto a ciertos miembros de la Academia de Ciencias asistió a las demostraciones que Volta realizó de su pila, en una sesión pública. Una comisión académica aconsejó que se le otorgara, por sus descubri mientos, una medalla de oro.

Fresco de Nicola Cianfanelli (1793-1848) pintado en 1841. Florencia, Museo de Física y Ciencias Naturales.

En 1796, el profesor de Física Experimental de la ciudad italiana de Pavía, Alejandro Volta, poseía todos los conocimientos necesarios para construir la pila eléctrica a la que, con el tiempo, uniría su nombre, y que es el fundamento de todas las que son utili zadas actual mente.

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La electricidad galvánica y la electricidad producida por las máquinas electrostáticas fueron reconocidas como idénticas ante la comunidad científica francesa. El físico italiano demostró nuevamente sus conoci mientos en el domicilio del químico Fourcroy, que llegaría a ser consejero de Estado, y ante los destacados físicos Charles y Lamétherie, director del Journal de Physique . Fiel a su política de seducción de científicos e intelectuales, que había adoptado, a sugerencia de Lazaro Carnot, desde la campaña de conquista de Italia en 1796, Napoleón otorgó el título de conde a Volta y le procuró una pen sión que fue regularmente abonada.



En 1803, fue nombrado miembro extranjero del Instituto de Francia. La demostración de la pila eléctrica fue todo un símbolo para la época, de ahí que fuera inmortalizada por los artistas franceses en diversos cuadros, estam pas y frescos durante el sigl o XIX. Representaba la reconciliación de la ciencia italiana y la francesa, separadas desde hacía tiempo. La italiana más académica, expuesta a la manera escolástica y positivista. La francesa deslumbrada por el auge de las Matemáticas durante el siglo XVIII, sobre la que centraba sus mayores esfuerzos. De suerte que este encuentro, sin subordi nació n de uno s cie ntí ficos so bre otros , fue mag nificad o, definiéndose como principio de una nueva cie nci a con tinen tal. ... en la Nueva Europa dominada por Francia, que soñaba Napoleón.

Démonos cuenta que el descubrimiento de la pila marca el inicio de una nueva era. Y gracias al mismo… La pila facilitó que varios científicos ingleses lograran aislar nuevos cuerpos como el potasio y el sodio. Fue la base de los nuevos conocimientos electrodinámicos desarrollados por Oersted, Ohm y Ampére en los años veinte del siglo XIX y, en última instancia, de los cambios que el mundo observaría con la invención del motor eléctrico.

La imagen, que data de 1870, muestra una batería de pilas elementales compuestas de electrodos de cobre y zinc introducidos en una solución de agua acidulada. La pila primaria más común fue la pila Leclanché o pila seca, inventada por el químico francés Georges Leclanché en los años sesenta del siglo XIX. La pila seca que se utiliza hoy es muy similar al invento original. El electrolito es una pasta consistente en una mezcla de cloruro de amonio y cloruro de cinc. El electrodo negativo es de cinc, igual que la parte exterior de la pila, y el electrodo positivo es una varilla de carbono rodeada por una mezcla de carbono y dióxido de manganeso, como despolarizante. Esta pila produce una fuerza electromotriz de unos 1,5 V. Sin embargo en Internet hemos localizado pilas muy antiguas: Las primeras pilas de la historia:

Las primeras pilas utilizadas a título experimental, se derivaban directamente de la pila de Volta.


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En 1938 el doctor Wilhelm, un arqueólogo austriaco, al revisar material almacenado en el Museo de Bagdad halló un objeto que podría alterar drásticamente los conceptos aceptados sobre el conocimiento antiguo. Era un recipiente de unos quince centímetros de alto de cerámica amarilla, fechado en unos dos milenios atrás, que contenía, entre otras cosas, un cilindro hecho de una hoja de cobre, de doce por casi cuatro centímetros. ¿Podría tratarse de una pila eléctrica?

Y lo más importante... ¿como llegó a esta conclusión el doctor Wihelm? Ya hemos comentado que esta vasija estaba compuesta por un cilindro de cobre, pero además la costura del cilindro estaba soldada por una mezcla de estaño 60/40 similar a la que se usa hoy en día para soldar. En el fondo del cilindro había un disco de cobre con los bordes doblados en forma de tapa y sellado con un material bituminoso como el asfalto. Otra capa de asfalto sellaba la parte superior, sosteniendo una varilla de hierro suspendida en el centro del cilindro de cobre. La varilla mostraba evidencias de haber sido corroída por un agente ácido. El doctor Konig tenía conocimientos técnicos que le permitieron darse cuenta de inmediato de que se hallaba ante una antigua pila eléctrica. La pila hallada en el Museo de Bagdad, Irak, al igual que otras que fueron desenterradas en ese país, está fechada en la época de la ocupación partiana, entre 248 antes de Cristo y 226 después de Cristo. En el Museo de Bagdad el doctor Konig encontró, además, vasos de cobre cubiertos con una fina capa de plata que fueron extraídos de excavaciones en asentamientos sumerios en el sur de Irak, fechados en por lo menos 2500 antes de Cristo. Haciendo una leve incisión en estos vasos se descubrió una delgada pátina azul que es característica de los trabajos plateados por electrólisis sobre una superficie de cobre. Parecía ser que los partianos podían haber heredado sus pilas de una de las más antiguas civilizaciones que se conoce. Hace unos años se propuso que podrían haber utilizado uvas aplastadas como electrolito o quizá vinagre. Se probó una réplica de la pila de Bagdad con resultado positivo, obteniendo 0,87 V. Varias celdas en serie habrían dado suficiente potencial como para hacer el plateado electrolítico de pequeños objetos. Hace unos años, Motorola anunció un chip de microprocesador que tenía un consumo muy bajo mostrándolo en funcionamiento, alimentado por dos cables hundidos en un limón (en ciertos comercios de Argentina se exponían muestras de este sistema y realmente funcionaba). Dos metales diferentes y un electrolito ácido son suficientes. En Internet se pueden encontrar instrucciones para hacer pilas eléctricas con tiras de metal sumergidas en una solución de sal en agua. De otros estudios, aparece que el uso de pilas similares podría haber sido normal en el antiguo Egipto, donde se han encontrado en diversos sitios varios objetos con signos de haber sido plateados eléctricamente. Hay hallazgos, realizados en otras regiones, que sugieren que el uso de electricidad podría haber sido de gran provecho.

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Uno de ellos es un cinturón, hallado en la tumba del general chino Chu (265-316 después de Cristo), que está hecho con una aleación de ochenta y cinco por ciento de aluminio, diez por ciento de cobre y cinco por ciento de manganeso. El único método viable de producción de aluminio a partir de la bauxita es un proceso electrolítico realizado después de que la alúmina (mineral compuesto que se extrae del suelo) se ha disuelto en criolita fundida. Este método se patentó en el siglo XIX. Para este proceso las pilas del tipo de Bagdad no serían suficientes, ya que se necesita una corriente bastante importante. ¿Curioso, no?

Pilas primarias Fundamentalmente existen tres tipos: • Zinc–carbono o Leclanche: Son las pilas más baratas y comunes, pero de muy baja capacidad. Además se comportan mal a bajas temperaturas, no siendo capaces de suministrar corrientes elevadas. • Cloruro de Zinc-carbono: Su precio es intermedio, se comportan bien a baja temperatura y suministran intensidades elevadas, aunque siguen teniendo una capacidad baja. • Alcalinas: Son las pilas más caras de todas pero a cambio tienen mayor capacidad que las anteriores, con un buen comportamiento a bajas temperaturas e intensidades altas de descarga. electrolito ácido Litio plata mercurio Ni-Cd

LeClanche Cloruro de zinc

alcalina

Curvas de descarga de distintos tipos de pilas.


Cierre de asfalto

Barra de hierro Vaso

Electrolito Cilindro de cobre

Aislamiento de asfalto Disco de cobre

Pilas de alta densidad de energía. Como características principales tenemos su alta capacidad, curvas de descarga muy planas (poca variación de tensión a lo largo del tiempo de la descarga) y la disponibilidad de encapsulados muy variados (pilas botón).

Litio e j a t l o V

alcalina carbón zinc

Horas

Otras curvas de descarga.

Podemos encontrar tres tipos también en este caso: Litio: En general se venden de 3V/celda, su vida es muy larga (de 10 a 20 años) y se comportan muy bien en temperaturas extremas. Su corriente de descarga es baja y su precio muy elevado. Mercurio: En desuso por problemas ambientales. Sustituidas por: Óxido de Plata: Son las típicas pilas de botón actuales de 1,5 V.

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Guía de reconocimiento de los elementos primarios o pilas. A todas las llamamos genéricamente pilas, pero sus nombres son variados y derivan de la composición interna. Ya sabemos que pueden ser alcalinas, carbón-zinc, níquel-cadmio, botón, según tengan mercurio, litio y óxido de plata, zincaire. Para saber cómo hay que tratar y aprovechar una pila es necesario identificarla, ya que los fabricantes todavía no las marcan con un símbolo que nos permita distinguirlas inmediatamente.

A lo largo de este capítulo figuran tablas con todos, o casi todos, los modelos, tamaños y las normas que rigen su denominación.

El primer problema que se plantea es la diversidad de tipos y modelos existentes en el mercado, que básicamente son las siguientes: Pilas Salinas Son las primeras que aparecieron y ya las usaban nuestros abuelos. Tienen menos duración y potencia pero su contenido tóxico es muy bajo. Podemos echarlas a la basura sin remordimiento. El problema puede ser reconocerlas como salinas. Pilas Botón Otra pila primaria muy utilizada es la pila de cinc-óxido de mercurio, conocida normalmente como pila de mercurio. Puede tener forma de disco pequeño y se utiliza en audífonos, y relojes de pulsera eléctricos.

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Parte interna de estaño Parte superior plateado Electrolito de de acero hidróxido de potasio contenido en material absorbente

Cemento aislador Ánodo de amalgama de zinc

Caja de acero interior Material absorbente de seguridad

Barrera

Salida Cátodo Envoltura de gases despolarizado de óxido de mercurio exterior de acero

El electrodo negativo es de cinc, el electrodo positivo de óxido de mercurio y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. Produce unos 1,5 V. Son las que contienen más mercurio por unidad. Para que nos hagamos una idea, dicen que uno sólo de esos pequeños botones podría contaminar 600.000 litros de agua, una cantidad mayor que la que bebe una familia de 4 miembros ¡durante toda su vida! Las pilas botón de litio (luego hablamos del litio), en cambio, no contienen ni mercurio ni cadmio, o sea que son una alternativa interesante para evitar el consumo de los botones de mercurio. Las pilas botón pueden reciclarse y recuperar así productos (mercurio entre otros) que serán útiles otra vez. Pilas alcalinas Este tipo de pila ofrece duración y potencia, pero a costa de utilizar mercurio. Aunque el contenido tóxico por unidad es menor que en las pilas botón, es suficiente, dicen, para contaminar 175.000 litros de agua, más de la que bebe una persona durante toda su vida. Además, el volumen de ventas de las pilas alcalinas supera con mucho el de las pilas botón y sigue creciendo. Aunque no está muy extendida la técnica de reciclado de estas pilas, está claro que no pueden echarse a la basura y que



deben ir a vertederos especiales donde pueda realizarse su eliminación controlada. De todos modos, la solución es la incorporación de cantidades más pequeñas de mercurio y la sustitución de éste por productos no peligrosos, como ya se viene haciendo en varios países europeos. Mientras tanto, podemos utilizar otras menos problemáticas, como las salinas o las pilas verdes, alcalinas con cero mercurio.

Sin embargo, también son peligrosas, aunque no contienen mercurio. En este caso, es el cadmio el metal tóxico que emplean. Así que, ¡nada de echarlas a la basura! Además, ¡dicen que ya se reciclan! Pilas Verdes Los fabricantes están comenzando a sacar al mercado un nuevo tipo de pilas, conocidas como verdes, ecológicas o biopilas.

Una anécdota: averiguar en qué nivel energético nos movemos con una pila alcalina AA. Las pilas alcalinas tamaño AA proporcionan unos 2,4 amperios × hora.

La ventaja de esta novedad es que apenas contienen mercurio, así que no dan problemas de contaminación y podemos echarlas al cubo de la basura.

Tienen un voltaje de 1,5 voltios, lo que quiere decir que podrían llegar a proporcionar unos 3,6 vatios por hora (siendo optimistas).

Tipo de pila Características

Toxicidad

Secas

También llamadas "salinas" o de "zinc-carbón", contienen muy poco mercurio (0,01%)

Muy baja

Alcalinas

Tienen un contenido Tóxicas de mercurio del 0,5%

Recargables

Contienen cadmio. No tienen mercurio.

Tóxicas

Botón

Algunas contienen hasta un 30% de mercurio

Muy alta

"Verdes"

Carecen de cadmio Desconocida y mercurio, aunque se desconoce parte de sus componentes.

Una hora tiene 3.600 segundos, de modo que eso equivaldría a unos 12.960 julios. Un ser humano consume unas 2.000 calorías por día. Esas (kilocalorías) que miden las dietas equivalen a 1.000 calorías de las que se utilizan en química e ingeniería. Una caloría son 4,2 julios. Por tanto equivalen a 2.000 × 1.000 × 4,2 = 8,4 × 106 julios por día.

Dividiendo un valor por el otro se obtiene 648. Eso quiere decir que necesitaríamos unas 648 pilas alcalinas AA para hacer funcionar a un ser humano durante todo día.

Acumuladores Níquel-Cadmio Este tipo de pilas, de las que luego hablaremos en profundidad, tiene la característica de que pueden recargarse después de gastada, así que, bien utilizada, puede durar años.


Resumen

Tamaños y denominación de las pilas alcalinas más utilizadas.

Se corresponden con la imagen de sus siluetas y son las que más se utilizan.

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Se denominan de dos formas preferentemente, según el orden en el que están en el dibujo: D o LR 20; C o LR 14; AA o LR 06; AAA o LR03; PP6 ó 6F 22

Destacamos un valor que no suele darse actual mente en las pilas alcali-

nas y es la capacidad de la que ya hemos hablado y luego insistiremos.

USA

IEC

ANSI

Otros

Forma

Voltaje

AAA

LR03

24A

R03, MN2400, AM4, UM4, HP16, Micro

Cilindro L: 44,5 mm, D: 10,5 mm

1,5 V

AA

LR06

15A

R06, MN1500, AM3, UM3, HP7, Mignon

Cilindro L: 50 mm, D: 14,2 mm

1,5 V

C

LR14

14A

R14, UM2, MN1400, HP11, Baby

Cilindro L: 46 mm, D: 26 mm

1,5 V

D

LR20

13A

R20, MN1300, UM1, HP2, Mono


1,5 V

PP6

6F22

1602

6F50-2, Energizer 246

Prisma: 69,9mm × 34,5mm × 34,5mm

9V

Sin embargo, hemos conseguido estas imágenes representativas de los distintos tamaños con el valor de su capacidad.

AA

AAA

• Alcalinas 1,5 V • Capacidad: 2.870 mAh


6F22

C

D

• Alcalinas 9 V • Capacidad: 570 mAh



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La capacidad de una pila, que no tiene nada que ver con la de los condensadores, nos da una idea de cuanto puede durar. Por ejemplo: Una linterna de diodos leds:

Independientemente del número de pilas que lleve, pues sólo nos interesa su tamaño, si medimos el consumo estando encendida (cosa fácil, intercalando un polímetro), obtendremos un valor que, posiblemente, se sitúe entre 200 ó 300 mA. Finalmente dividiendo el valor de la capacidad por el valor de la medida (la lectura del polímetro) obtendremos un número bastante elevado de horas de autonomía que es una característica a tener en cuenta con este tipo de linternas. Cómo construir una pila casera Toda pila consta de dos electrodos (generalmente dos metales) y un electrolito (una sustancia que conduce la corriente eléctrica). En este caso vamos a utilizar como electrodos los metales cobre y magnesio. En concreto, vamos a utilizar una tubería de cobre y un sacapuntas, cuyo cuerpo metálico contiene magnesio. Como electrolito vamos a utilizar vinagre. Construir la pila es sencillo, sólo hay que introducir los electrodos en el interior del vinagre contenido en un vaso y unir un cable a cada uno de ellos (tal como muestra la figura). cables

tubería de cobre

sacapuntas

vinagre


Debe procurarse que la tubería de cobre se encuentre bien limpia. Para limpiarla lo mejor es frotarla con un papel de lija. Para hacerla funcionar sólo hay que unir los dos cables que salen de los electrodos a un aparato que funcione con pilas. El problema es que esta pila proporciona una intensidad de corriente muy baja, debido a que tiene una alta resistencia interna, por ello no siempre se va a conseguir que funcione. Hay que elegir el dispositivo adecuado: un aparato que requiera una potencia muy pequeña. Por ejemplo: Un dispositivo de los que tocan una canción en los juguetes para bebés o de los que llevan incorporado algunas tarjetas de felicitación (musicales), un reloj a pilas (sirve un despertador). Sólo se debe unir los cables de la pila a los dos polos del portapilas del aparato. Pero no olvidemos que hay que hacerlo con la polaridad correcta, en caso contrario el aparato no funcionará. Nota: Mientras no se utilice, hay que tener el sacapuntas fuera del vinagre para evitar que reaccione y se deshaga. Se observará que cuando entran en contacto, el magnesio del sacapuntas reacciona con el ácido del vinagre y se desprenden numerosas burbujas. Se trata de gas hidrógeno.

Pilas secundarias. Acumuladores. Tres son los parámetros más importantes que definen un acumulador: • La capacidad Es la cantidad de energía que es capaz de acumular y por consiguiente, de restituir. Se expresa en Amperios-horas y su símbolo es Ah. Para entenderlo mejor sirva el siguiente ejemplo:

225


Un acumulador de 2Ah es capaz de proporcionar 2A durante 1 hora o 1A durante 2 horas ó 0,5 durante 4 horas, etc. Un submúltiplo que se utiliza es el miliamperio-hora, símbolo mAh. Suele confundirse con la autonomía. La capacidad varía en función de la tecnología con que se fabrique el acumulador, desde algunas decenas de mAh para los acumuladores de botón de Ni-Cd a más de 4000 Ah para los de plomo. Es preciso saber que la capacidad restituida por un acumulador no es constante, para una misma carga, pues depende de las condiciones de la descarga, es decir, si la temperatura es baja la capacidad disminuye. Lo mismo si la demanda de corriente es elevada. Para una misma tecnología la capacidad de un elemento es proporcional a su volumen.

En contrapartida en dos tecnologías diferentes y para una misma capacidad, los volúmenes no son siempre los mismos. La relación capacidad/volumen peso es la densidad de energía y se expresa en Wh/Kg y se conoce como factor de mérito. Hablaremos en el texto de capacidad nominal de un elemento y la denominaros C que es la marcada en la envolvente por el fabricante, basándose en la norma correspondiente. • La tensión Varía en función de la tecnología, y se conoce como tensión nominal y es la tensión media del acumulador en fase de descarga y en funcionamiento. Éste valor varía, disminuyendo a lo largo del tiempo de utilización, dependiendo de cada tecnología. Tensiones nominales de un elemento para las tecnologías principales:

Plomo Níquel cadmio Litio Alcalinas

226

2V 1,2V 3V 1,5V

Las variaciones de esta tensión son debidas en parte a la resistencia interna. • La resistencia interna

Es una característica que penaliza al acumulador. Por ella se provoca la caída de tensión en el acumulador cuando aumenta la corriente consumida. Es debida, en parte, a las conexiones internas, a la inercia de la reacción química y a los elementos de protección que se sitúan en el interior del acumulador. Su valor puede variar de algunas decenas a varias centenas de m Ω, en función de las tecnologías de fabricación. El acumulador o pila secundaria, que puede recargarse revirtiendo la reacción química, fue inventado en 1859 por el físico francés Gaston Planté. La pila de Planté era una batería de plomo y ácido, y es la que más se utiliza en la actualidad. Esta batería que contiene de tres a seis pilas conectadas en serie, se usa en automóviles, camiones, aviones y otros vehículos.

Su ventaja principal es que puede producir una corriente eléctrica suficiente para arrancar un motor; sin embargo, se agota rápidamente. El electrolito es una disolución diluida de ácido sulfúrico, el electrodo negativo es de plomo y el electrodo positivo de dióxido de plomo o plomo esponjoso. En funcionamiento, el electrodo negativo de plomo se disocia en electrones libres e iones positivos de plomo. Los electrones se mueven por el circuito eléctrico externo y los iones positivos de plomo reaccionan con los iones sulfato del electrolito para formar sulfato de plomo.



Cuando los electrones vuelven a entrar en la pila por el electrodo positivo de dióxido de plomo, se produce otra reacción química. El dióxido de plomo reacciona con los iones hidrógeno del electrolito y con los electrones formando agua e iones plomo; estos últimos se liberarán en el electrolito produciendo nuevamente sulfato de plomo.

Un acumulador de plomo y ácido se agota porque el ácido sulfúrico se transforma gradualmente en agua y en sulfato de plomo. En la carga, las reacciones químicas descritas anteriormente se invierten hasta que los productos químicos vuelven a su condición original. Una batería de plomo y ácido, para automóviles, tiene una vida útil de unos cuatro años. Produce unos 2 V por elemento. Recientemente, se han desarrollado baterías de plomo para aplicaciones especiales con una vida útil de 50 a 70 años. Otra pila secundaria muy utilizada es la batería de níquel y hierro, ideada por el inventor estadounidense Thomas Edison en torno a 1900. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila secundaria de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo de óxido de níquel y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Se usa principalmente en la industria pesada. La batería de Edison tiene una vida útil de unos diez años y produce aproximadamente unos 1,2 V. Otro acumulador alcalino similar al de Edison es el de níquel y cadmio, en el que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,2 V y su vida útil es de unos 25 años.


Las pilas “secundarias” o recargables satisfacen necesidades muy distintas. Actualmente existen tres tipos de pilas recargables que dominan el mercado: las de plomo, las de níquel-cadmio y las de níquel-hidruro. Vamos a analizar primero las de plomo y níquel-cadmio. Pilas de plomo y níquel-cadmio

Volvemos a aclarar que se confunde el término pila con el de batería. Una pila primaria es un elemento del compuesto que sea. Proporciona 1,5 V, normalmente, y hasta 3 V si se trata de una de Litio. Un elemento de Níquel–Cadmio es una pila secundaria o recargable. Cuando varios elementos van asociados, en serie o paralelo conseguimos una batería.

Por eso hablamos de batería al referirnos a la de nuestro coche. Las baterías de plomo reinan en nuestros automóviles pero sólo destinadas a cubrir las necesidades de arranque, iluminación e ignición (no tienen suficiente energía para mover el coche). Borne positivo

Borne negativo

Tapas de salida Disolución electrolítica (ácido sulfúrico diluido)

Conector de las placas

Revestimiento protector

Electrodo positivo (dióxido de plomo)

Separador de placas

Electrodo negativo (plomo)

Acumulador de plomo.

227


Las pilas de níquel-cadmio, alojadas en grupos de 4 o de 5 elementos, a falta de mejores baterías, se emplean en artículos de electrónica de consumo como videocámaras y ordenadores o teléfonos móviles. Además de la necesidad de mejoras técnicas en las baterías actuales, los usuarios deben saber que los elementos que las componen son altamente contaminantes, especialmente el plomo y el cadmio, y que en el caso de este último, los procesos de reciclado no están bien establecidos. Sin embargo, la demanda del mercado de baterías recargables es previsible que siga creciendo tanto a corto como a medio plazo. ¿Que tecnología es la ideal para el desarrollo de nuevas baterías recargables? En general, cada tecnología tiene características que se ajustan mejor a ciertas aplicaciones, y existen asimismo numerosos y variados tipos de baterías que se pueden considerar hoy en día en estado de desarrollo. Una breve lista podría incluir baterías sodio/azufre, zinc/aire, hidruro metálico/óxido de níquel y baterías de litio. Las baterías de plomo no sólo se utilizan en el coche. Cuando queremos alimentar una alarma de tal forma que tenga autonomía cuando se va la luz, podemos utilizar una batería hermética de plomo gel de 12 V o de 6V, como la que se representan a continuación:

Son elementos individuales de 2 V unidos por soldadura para conseguir los 12V habituales. Entonces, ¿baterías de plomo o Ni-Cd?

Coste/Prestaciones Las baterías de plomo-gel son aproximadamente de 2 a 4 veces menos caras que las baterías de Ni-Cd. Sin embargo, las Ni-Cd, si se cuidan apropiadamente (¡ésta es la clave del asunto!) pueden recargarse de 3 a 5 veces más que las baterías de plomo-gel. El coste de un cargador para un tipo de baterías u otro es el mismo, más o menos, pero es importante resaltar que las baterías de plomo necesitan un tipo diferente de cargador que las baterías Ni-Cd. En resumen, las baterías Ni-Cd son, al menos, tanto o más baratas que las de plomo si se usan frecuentemente a lo largo de su vida útil. Sin embargo, si se emplean de forma ocasional, las de Ni-Cd son más caras, puesto que su vida útil acabará en el estante de un armario, antes de utilizar todas las cargas disponibles. Las baterías Ni-Cd son, en general, un 30% más ligeras que las de plomo para una cantidad de energía dada. Es una diferencia significativa. Características de almacenamiento

Se trata de una batería de plomo-gel 12V 7Ah, hermética, sin mantenimiento. No sólo se presentan en ese formato, existe otros menos conocidos a escala doméstica pero más utilizados en usos industriales:

228

Las baterías de plomo-gel mantienen su carga completa durante dos meses o más cuando están almacenadas, sin cargador alguno. Las baterías Ni-Cd pierden aproximadamente un 1% de su carga cada día que



pasa, debido a un fenómeno conocido como "auto-descarga".

Carga de acumuladores de níquel cadmio

Cargador Batería

Carga

Características de la descarga

Las baterías Ni-Cd tienen una curva de descarga voltaje - tiempo más plana que las baterías de plomo. Esto significa que un foco alimentado con una de ellas dará una cantidad de luz constante durante toda su utilización, mientras que con una batería de plomo, la luz irá bajando de intensidad a medida que la batería se descargue. No debe permitirse la descarga total de ninguna batería, por abandono. Ambos tipos de baterías, ya sean Ni-Cd o de plomo-gel pueden dañarse gravemente si se descargan, en uso, por debajo del 75% de su voltaje original. Para cargar rápidamente baterías de plomo o Ni-Cd (carga completa en 2 o 4 horas), se necesita un "cargador inteligente". Estos cargadores comprueban el estado de la batería durante el proceso de carga, suministran toda la corriente que sea necesaria y cuando la batería está cargada, reducen el flujo de corriente (o suministran pulsos de corriente a intervalos) para mantener la batería sin dañarla. Este tipo de cargador inteligente está muy bien para las baterías de plomo, pero no es realmente necesario, ya que un simple cargador de voltaje regulado funcionará perfectamente. El cargador deberá suministrar de 6,90 a 6,95 voltios para una batería de plomo de 6 voltios, y de 13,8 a 13,9 voltios para una batería, también de plomo, de 12 voltios. Las baterías de Ni-Cd realmente sí se benefician de un cargador inteligente.


Para recargar una batería, es necesario hacer pasar una cantidad de energía a través de ella (Flujo de corriente). Esta cantidad de flujo de energía es lo que llamamos intensidad de carga, que se mide en miliamperios (mA) y de la que depende el tiempo necesario para lograr la carga completa de la batería. La intensidad de carga es de vital importancia durante la carga de la batería, pues un exceso de ella pueda dañar, deteriorar o disminuir la vida útil de la batería. Básicamente existen cuatro métodos de carga para acumuladores de Ni-Cd. Carga larga o normal Carga rápida Carga acelerada Carga de goteo

• Carga larga o normal:

En ingles conocida como (Overnight) con este método una batería recargada alcanza su 100% de carga entre 14 a 16 horas. El valor de la carga está determinada por la formula C/10, donde C corresponde a la capacidad de la batería en miliamperios hora. Ejemplo: Para cargar una batería de 600 mAh, el valor de carga para carga normal será de 60 mA, Para una batería de 700 mAh, será de 70 etc.

229


Este método de carga es el más usado y además el más seguro, pues los acumuladores de Ni-Cd pueden permanecer bajo esta carga durante largos periodos, días e incluso semanas, sin sufrir daños. • Carga rápida: En ingles “QUICK”. Una batería de Ni-Cd descargada, puede alcanzar su carga máxima en 4 o 6 horas, el valor de carga esta determinada por C/3, es decir, la capacidad especificada de la batería dividida por 3. No es recomendable dejar los acumu ladores a esta carga más de 6 horas, pues esto puede generar una sobrecarga de la batería.

teniendo siempre el 100% de la carga. El uso de este valor de carga es sólo para mantenerla en esta situación, pero no para cargarla. Antes de usar este método, se debe cargar por completo la batería, preferiblemente con carga normal (16 horas). Nota: Las celdas de batería de níquel cadmio deben cargarse siempre en serie y nunca en paralelo.

Cargador

Batería

Medida de la intensidad de carga

Muchos acumuladores de Ni-Cd pueden aceptar este tipo de carga, pero este no es muy recomendable, porque disminuye el tiempo de vida útil de la batería. • Carga Acelerada: En ingles "FAST”. Con una carga acelerada se logra el 100 % de la carga de la batería en 15 minutos o menos. El valor de carga lo determina la formula 3C o tres veces la capacidad especificada de la batería. Muchos acumuladores de Ni-Cd hoy en día aceptan este tipo de carga, sin embargo, esta sólo debe realizarse utilizando cargadores especializados porque el tiempo de carga es muy crítico para prevenir la sobrecarga y deterioro de la batería. • Carga de goteo: En ingles “TRICKE” o “FLOAT” Este tipo de carga proporciona a la batería la energía perdida durante el tiempo en que este sin uso. El valor de la carga se define como C/50 (capacidad especificada dividida por 50). Los acumuladores de Ni-Cd pueden permanecer bajo esta carga durante un tiempo indefinido, sin que sufran daños y man-

230

La intensidad de carga de una batería, es en realidad la cantidad de corriente que circulará a través de ella mientras dure ese proceso. Para medir ese valor es necesario abrir el circuito entre el cargador y la batería e intercalar el aparato de medida, para hacer que esta corriente circule por el instrumento de medida (miliamperímetro) como se ilustra en el siguiente dibujo.

Miliamperímetro

Cargador

Batería

Si el instrumento a utilizar es análogo (de aguja), la polaridad de conexión es importante, por ello debemos asegurarnos de que se correcta. Atención: Si el instrumento (miliamperímetro), a pesar de estar bien conectado, marca corriente negativa (desvío de la aguja



en sentido contrario), la corriente está circulando de la batería hacia el cargador y por tanto no se está cargando sino que al contrario, se esta perdiendo carga. Debemos revisar el cargador. Un sencillo cargador

El circuito que se muestra a continuación consiste en un sencillo sistema para la carga de acumuladores de níquel cadmio que suministra una corriente constante al paquete y que es de fácil construcción.

230 V

Consideraciones para la realización:

• Resistencia Rs: De esta resistencia depende el valor de carga del sistema. Para calcularla se utiliza la formula 1,25 / corriente deseada en amperios, por ejemplo, para un valor de carga de 60 mA 1,25 / 0,060 = 20,83 ohmios (1 Amperio = 1000 mA). Con la corriente deseada y el valor de la resistencia Rs calculado podremos conocer la caída de voltaje en la resistencia Rs, así: • VRs = Corriente deseada x Rs En nuestro ejemplo: VRs = 0,060 x 20,83 = 1,25 Voltios Esto significa que para obtener la corriente deseada del sistema, debemos tener un mínimo voltaje de fuente de alimentación de: Vmin.fte = Voltaje de batería + V RS Para nuestro ejemplo suponiendo que la batería que queremos cargar es de 4,8 V Vmin.fte = 1,25 + 4,8 = 6,05 Voltios


Calculemos ahora la potencia de la resistencia que usaremos: PRs = VRs x I (Corriente deseada) PRs = 1,25 x 0,060 = 0,075 vatios Por tanto una resistencia de ¼ de vatio (0,25 vatios) será más que segura para nuestro sistema. Si la potencia disipada por la resistencia es superior a la potencia nominal de la resistencia, esta sufrirá calentamiento y probablemente se quemará. • Selección del transformador: EL transformador deberá tener un volta je secundario superior al voltaje mínimo de fuente (Vmin.fte ) que acabamos de calcular. Unos 3 voltios por encima de este valor estará bien. El voltaje primario dependerá de el que se disponga en la zona donde se use el cargador normalmente (230 voltios). • Rectificador o puente de diodos: Debe tenerse en cuenta que la corriente que éste soporte sea superior a la corriente de carga. Ejemplo para un cargador de unos 500 mA servirían diodos de 1 amperio como mínimo, por seguridad.

• Dibujo de ayuda para su montaje:

Transformador Resistencia

Diodos

Problemas de las baterías (paquetes) de acumuladores:

No siempre cuando un paquete de acumuladores deja de funcionar correctamente hay que reemplazarlo por completo, por lo general, el problema lo ocasiona una o algunas de sus celdas. Con la ayuda de un voltímetro hay que chequear el voltaje en cada una de las cel-

231


das, si alguna de ellas tiene un voltaje inferior al voltaje predeterminado (1,1 voltios), debemos reemplazarla teniendo en la cuenta usar el mismo tipo de celda y preferiblemente la misma marca. He aquí algunos consejos para conservar los acumuladores: • No exponer sus acumuladores a temperaturas extremas. El exceso de calor o de frío puede ser fatal. • Cuando no estén en uso, deben guardarse completamente cargados, lo que evitará la formación de corto circuitos en las celdas. • Tener cuidado de no sobrecargarlos, lo que puede ocurrir por un exceso de tiempo de carga o un valor elevado de ésta. Deben inspeccionarse periódicamente en busca de sulfatos, malas soldaduras o deterioro de cables. Las pilas recargables (o acumuladores) de Ni-Cd, que utilizaremos como elementos sueltos en sustitución de las alcalinas tienen el mismo formato que aquellas. Es decir, que la tabla que vimos para las alcalinas es válida, salvo alguna modificación, como podemos observar:

Los tamaños de las pilas están bastante normalizados, de modo que sabiendo de qué modelo se trata utilizaremos el cargador adecuado para conseguir el mejor rendimiento posible. El voltaje del acumulador (medido en Voltios) y su capacidad (medida en miliamperios por hora) es como el agua en un botijo. El voltaje indica la fuerza del chorro, mientras que la capacidad del botijo nos indica cuanta agua puede contener.

Un sólo acumulador de Ni-Cd proporciona 1,2 Voltios y cuando conectamos siete elementos en serie, obtenemos 8,4 Voltios (1,2 V x 7 pilas = 8,4 V). Cargadores lentos y cargadores rápidos.

Los cargadores de elementos recargables sirven para regenerar la corriente y el voltaje (el contenido y el chorrillo del botijo) de las pilas de Ni-Cd.

USA

IEC

ANSI

Capacidad en m/Ah

Forma

Voltaje

AAA

LR03

24A

De 750-800

Cilindro L: 44,5 mm, D: 10,5 mm

1,2 V

AA

LR06

15A

De 1.700-2.500

Cilindro L: 50 mm, D: 14,2 mm

1,2 V

C

LR14

14A

De 2.500-3.000


1,2V

D

LR20

13A

De 4.000-4.500


1,2 V

PP6

6F22

1602

De 180-250

Prisma: 69,9 mm × 34,5mm × 34,5mm

8,4 V

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Casi todos los cargadores que se comercializan son cargadores lentos, necesitando 14 o 16 horas o más para recargar un elemento completamente agotado. También tenemos cargadores rápidos diseñados para proporcionar más corriente y voltaje, completando la recarga de la pila en 15 minutos. El tipo de cargador marca el tiempo necesario para las recargas. Hay que explicar también que la recarga sólo debe hacerse cuando la batería esta completamente descargada (vamos, lo que se dice "vacía") para no dañarla. Esto lo conseguimos por medios artificiales, mediante un descargador de baterías (una simple resistencia disponible en las tiendas de componentes electrónicos). Pero existen cargadores que lo primero que hacen es descargar los elementos y después cargarlos. Los cargadores rápidos son interesantes cuando utilizamos muchas baterías, pero si tenemos alguna de repuesto, es mejor usar un cargador lento. Los cargadores diseñados para este tipo de carga, son los más complejos y costosos, pues posen, además de una fuente de corriente constante, circuitos especialmente diseñados para detectar el V (incremento de Voltaje) y el tiempo de carga recomendado por los fabricantes. Para realizar cargas en tiempos entre 1 ó 2 horas, se aplica a la batería una corriente entre 0,5C a 1C (C/2 a C) hasta que es detectado un descenso en el voltaje ( V negativo ver grafico del comportamiento del voltaje durante la carga). Comportamiento del voltaje durante la carga

) V ( a d l e C / e j a t l o V

Ni-Cd Ni-Mh

Entrada de carga (% de Capacidad)


Después de detectar el descenso en voltaje de las celdas, automáticamente se reduce la corriente a un valor mínimo necesario para el sostenimiento de la carga (0,05 a 0,033 C). Carga de acumuladores de Plomo-Ácido Los acumuladores de plomo-ácido requieren para su carga un tratamiento diferente a los acumuladores de Ni-Cd y Ni-Mh, ya que se utiliza una carga a tensión constante. - Voltaje Constante

La carga de acumuladores de Plomo Ácido se logra aplicando a la batería un voltaje constante de 2,45 voltios por celda (Ej. Para una batería de 12 voltios, que tiene 6 celdas serán 14,7 V), con una temperatura ambiente de 20 a 25 ºC. La carga estará completa cuando la corriente se mantiene estable durante 3 horas. - Voltaje constante y corriente constante

En este método se carga la batería controlando la corriente a 0,4C y el voltaje a 2,45 voltios por celda (Ej. Para una batería de 6 voltios, que tiene 3 celdas serán 7,35V), con una temperatura ambiente de 20 a 25 ºC durante 6 a 12 horas dependiendo de estado de descarga de la batería. - Carga Rápida

Se necesita una corriente elevada en un corto periodo de tiempo para restablecer la energía que ha sido descargada. Es necesario el control de la corriente de carga, para prevenir la sobrecarga cuando la carga se ha completado. Los requerimientos básicos de un cargador rápido para acumuladores de plomo son: • Suficiente capacidad de corriente • La corriente de carga debe ser automáticamente controlada para prevenir la sobrecarga incluso en cargas prolongadas.

• La temperatura ambiente no debe se superior a 40 ºC ni inferior a 0 ºC. • Debe garantizarse un ciclo de utilización (Carga/descarga) seguro, de acuerdo a las recomendaciones del fabricante.

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Comparación de parámetros de los acumuladores durante la carga

Sobrecarga Carga Voltaje (V)

V a

a d l e c a l e d e j a t l o V

l Corte d e

c a l e d a r u t a r e p m e T

Temperatura (T)

Corriente (I)

Tiempo de carga

Al conectar un acumulador descargado al equipo cargador, el voltaje por cada celda se incrementará progresivamente hasta alcanzar el 100% de la capacidad de carga. Cuando se alcanza el 100% de la capacidad, se nota un leve descenso en el volta je por celda, es decir, el V (Delta de V) se hace negativo. Nótese que en el acumulador de Ni-Mh (Níquel Metal Hidruro) el V es mucho menor, es decir, la pendiente del descenso es mas leve. La temperatura también presenta un ascenso durante la carga, sin embargo, la pendiente en la temperatura de los acumuladores de Ni-Mh (Níquel Metal Hidruro) es más alta. Comportamiento de la Temperatura durante la carga

) C o ( a r u t a r e p m e T

Ni-Cd Ni-Mh

Entrada de carga (% de Capacidad)

En casos extremos, aparece lo que se conoce como "efecto memoria" por haberse cargado y descargado muchas veces

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hasta los mismos niveles, no admitiendo más carga ni dando mas potencia de la que ha memorizado. Lo podemos observar en aquellos que no dan el rendimiento de los nuevos o que no parecen tan eficaces como las demás. El remedio es dolorosamente caro: hay que comprar un elemento nuevo. Existe un sistema para resucitar elementos con efecto memoria, bastante agresivo y peligroso si no se hace correctamente, pero el elemento "resucitado" no vuelve a ser el mismo, como los zombis, así que no merece la pena mencionarlo. Cuando tengamos un elemento nuevo, nos aseguraremos de descargarlo completamente después de usarlo y cargarlo correctamente para la próxima ocasión. Evitaremos guardarlos cargados durante mucho tiempo, pues la carga se disipa lentamente y podemos encontrarlo completamente descargado. Los cargadores lentos suministran una corriente y voltaje muy bajos durante mucho tiempo consiguiendo de esa manera una recarga correcta. El tiempo necesario varía según cada modelo, pero la mayoría necesitan 14 ó 16 horas para que una batería completamente descargada se recupere y empiece a estar caliente al tacto. Este ligero aumento de la temperatura indica que el ciclo de carga esta completo y se esta convirtiendo en calor el exceso de energía eléctrica que se aplica. No cargar un elemento acumulador o continuar cargándolo si esta caliente al tacto. Si el calor es intenso seguramente estaremos dañando el elemento lo que nos traerá problemas más adelante. Los cargadores rápidos completan la recarga de una batería de 2.200 mAh en 15 minutos aproximadamente. Con este tipo de cargador hay que tener mucho cuidado con el calentamiento de la batería y desconectarlo en cuanto la notemos caliente al tocarla.



Aunque son eficaces y rápidos, los resultados de la carga lenta son mejores a largo plazo, consiguiendo más voltaje y duración que con las cargas rápidas. Una buena solución es hacer una carga rápida de 15 minutos y luego dejarlas en carga lenta durante 2 ó 3 horas. Así obtendremos un buen rendimiento y las mantendremos en mejores condiciones para mantener el máximo de carga. Después de la carga, debemos notar la pila templada. Usando sólo cargadores lentos podemos garantizar la máxima capacidad y voltaje de las pilas, aunque podemos usar los rápidos, cuando necesitemos disponer con urgencia de ellas. Es una buena precaución hacer 2 ó 3 cargas lentas por cada carga rápida, para mantener el máximo de capacidad en el futuro. Realizar cargas rápidas por sistema termina por reducir las prestaciones y si sólo tenemos cargadores rápidos terminaremos comprando más pilas que si las acondicionamos con unas recargas adecuadas. Vamos a ver un cargador curioso que carga tamaños AAA, AA, C, D y 6F22. Observamos cómo se convierten los elementos más pequeños en mayores.

Si disponemos de una fuente de ali mentación y de un portapilas del tamaño

Las pilas recargables de Ni-Cd ó Ni-NH pueden alojarse en portapilas para formar una batería. Existen portapilas para distintos formatos capaces de alojar varias unidades.

En el MUNDO DE LA ILUMINACIÓN hablamos de los Kits de emergencia. En la imagen anterior podemos ver, de nuevo, cómo está constituido. La batería tipo bastón está formada por 5 elementos, atención no del tipo C, son más pequeños, con una longitud de 42,2 mm, y un diámetro de 22,2 mm y 1, 5 A/h y conocidos con Cs (C sub s).


de las pilas que deseamos cargar, podemos hacerlo de la siguiente forma: Leemos en las instrucciones de carga, que figuran en el blister, dos valores importantes, el valor de la intensidad de carga y el tiempo, ajustamos ese valor de intensidad en la escala de la fuente y respetando el tiempo tendremos las pilas perfectamente cargadas. Los elementos de níquel cadmio, en usos industriales llevan soldados unas lengüetas que permiten montar packs (paquetes), del estilo de la foto.

Así se presentan para ser alojadas en teléfonos inalámbricos, por ejemplo.

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Acumuladores recargables Ni-Mh (Níquel-Metal-Hidruro) Muchas de las características de funcionamiento de los acumuladores de Ni-Mh son similares a las de los acumuladores de Ni-Cd (Níquel Cadmio). Sin embargo, los acumuladores de NiMh (Níquel Metal Hidruro) tienen como ventaja la alta densidad de energía (o capacidad) que implica un mayor tiempo de vida. Además, el Ni-Mh (Níquel Metal Hidruro) es ambientalmente más ecológico que el Ni-Cd y otros sistemas por no contener adiciones de Cadmio ni plomo.

• Aptitud en altas temperaturas: Son capaces de operar en descarga con temperaturas desde 20 ºC hasta 50 ºC y en carga desde 0 ºC hasta 45 ºC. • Carga de acumuladores de Ni-Mh (Níquel-Metal-Hidruro) La recarga es el proceso por el cual se reestablece la energía que ha sido des cargada del elemento. La vida útil de un elemento depende de los ciclos de carga y descarga a la que sea sometido. Los principales criterios para una carga efectiva son: - Seleccionar el valor apropiada de la misma.

RESUMEN DE CARACTERÍSTICAS: • Mayor Capacidad: Entre un 30-50 por ciento más de capacidad y tiempo de servicio que un elemento estándar de Ni-Cd de tamaño equivalente. Comparación voltaje y capacidad de acumuladores de mismo tamaño en NiCd y NMh

) V ( e j a t l o V

NiMhC/5 NiCdC/d

Porcentaje Amperios Hora (Ah%)

• Altos niveles de descarga: Como la resistencia interna de los acumuladores de Ni-Mh (Níquel-MetalHidruro) es baja, se permiten valores más elevados de descarga de 2 y hasta 3 veces su capacidad. • Carga Rápida: Pueden cargarse con rapidez (aproximadamente 1 hora) usando para ello un sistema cargador especialmente diseñado.

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- Limitar la temperatura. - Seleccionar una técnica apropiada para la terminación de la carga. Las características de recarga de las acumuladores de Ni-Mh (Níquel-MetalHidruro) son generalmente similares a las de Ni-Cd (Níquel Cadmio). Sin embargo, existen algunas diferencias particularmente en los requerimientos para el control de carga, dado que los acumuladores de Ni-Mh (Níquel Metal Hidruro) son mas sensibles a las sobrecargas (Se deterioran significativamente con sobrecargas). No utilizar cargadores para acumuladores de Ni-Cd (Níquel Cadmio) para cargar acumuladores de Ni-Mh (Níquel Metal Hidruro). El método de carga más común para NiMh (Níquel Metal Hidruro) es el uso de una corriente constante, con una corriente limitada para impedir incrementos altos en la temperatura. Son mas sensibles a las sobrecargas, a su vez la carga genera en ellos aumentos más rápidos en la temperatura lo cual también la deteriora. Pueden cargarse rápidamente en periodos de 1 hora con valores de carga de 1C, sin embargo para evitar el deterioro de los acumuladores, debe utilizarse para ello equipos cargadores especialmente diseña-



dos que protejan la batería de las sobrecargas y los excesos de temperatura.

• Carga Lenta Para ello cargar los acumuladores con una corriente constante a un valor de C/10 con una terminación de carga delimitada por tiempo (12 Horas), es un método conveniente para cargar completamente las acumuladores de Ni-Mh (Níquel Metal Hidruro). La carga deberá detenerse después 12 horas para un elemento completamente descargado. Sí la batería no esta completamente descargada, la aplicación de 12 horas de carga, sobrecargará el elemento.

• Carga Rápida (4 Horas) Una batería Ni-Mh (Níquel-Metal-Hidruro) puede ser cargada con eficiencia y seguridad utilizando corrientes superiores a las descritas anteriormente. Es necesario sin embargo un control de carga para terminarla antes de que la batería alcance los límites de temperatura recomendados por el fabricante. Una batería completamente descargada puede cargarse a un valor de C/3 con un temporizador que corte la carga en 3,6 horas. La temperatura de las acumuladores no puede exceder los 55 ºC por celda. • Carga Súper Rápida (1 Hora) Para cargar completamente acumuladores Ni-Mh en 1 hora sin sobrecargarlos y sin que éstos sufran deterioro por la temperatura, es necesario que el cargador esté equipado con sistemas de terminación de carga combinados (Temperatura dT/dt, Voltaje V, Tiempo). Los fabricantes recomiendan hacer la carga en tres pasos: - Cargar a un valor de 1C hasta detectar un incremento en la temperatura por celda de 1 ºC por minuto. - Aplicar una carga de C/10 terminada por temporizador en ½ hora. - Después aplicar una corriente de sostenimiento de C/300.


La alternativa al plomo y al cadmio: el litio Todas las baterías descritas tienen ventajas, e inconvenientes que se intentan evitar con diseños adecuados, pero las baterías de litio, junto quizá a las de hidruro metálico son las que van encontrando un mayor consenso en cuanto a su potencial y un mayor esfuerzo en su investigación y desarrollo a nivel mundial. Son muchas las razones que han originado esta aprobación. En primer lugar el litio es el metal más ligero, ver la tabla periódica de los elementos, y esto da lugar a una alta capacidad específica, lo que permite obtener la misma energía con un peso muy inferior. Ver figuras.

Carga específica para distintos ánodos ) g K / h A ( a c i f í c e p s E a g r a C

Masa necesaria para producir 1 Amperio durante 1 hora

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Cuando un ánodo de litio metálico se combina con cátodos de ciertos óxidos de metales de transición, las celdas electroquímicas reversibles que resultan presentan valores de voltaje superiores al de otros sistemas lo que se traduce en una alta densidad de energía. Además de sus características técnicas, la tecnología de litio es de las más versátiles y puede llegar a encontrar aplicaciones múltiples, desde las que requieren pequeñas y delgadas microbaterías hasta bate rías de alta capacidad y reducido peso para automóviles. Finalmente, y a diferencia del plomo o el cadmio, los materiales que componen las baterías de litio más prometedoras no representan un problema de posible contaminación ambiental. En los primeros prototipos de baterías de litio el electrodo positivo (cátodo) era normalmente un óxido o sulfuro metálico con la facultad de incorporar y separar iones litio en los procesos de descarga y carga de la batería de un modo reversible. El electrodo negativo (ánodo), en estos primeros sistemas, estaba constituido por litio metálico que debía sufrir procesos igualmente reversibles de disolución durante la descarga y deposición durante la recarga. Historia de las baterías de litio El trabajo con baterías de litio empezó en 1912 pero fue a principios de la década del 70 cuando las primeras baterías no recargables de litio fueron comercializadas. Los intentos por desarrollar baterías de litio recargables continuaron durante los años ochenta, pero fallaron debido a problemas de seguridad. El litio es el más liviano de todos los metales, posee el mayor potencial electroquímico y es el mayor generador de energía. Usando litio metálico como electrodo negativo las baterías recargables son capaces de proveer alto voltaje y excelente

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capacidad, obteniendo así una gran densidad de energía. Tras largas investigaciones sobre las baterías de litio durante la década del ochenta, se descubrió que el ciclo de carga altera el electrodo de litio reduciendo de este modo su estabilidad, provocando una enorme fuga térmica. Si esto se produce, la temperatura de la celda rápidamente se aproxima al punto de fusión del litio, lo que desencadena una violenta reacción. A causa de la inestabilidad inherente al Metal - Litio, especialmente durante su carga, las investigaciones se orientaron hacia la búsqueda de una batería de Litio no metálico usando iones de litio como dióxido de litio-cobalto (LiCoO2). En las baterías de Ion-Litio el ánodo no está formado por litio metálico sino por otro material mucho más seguro, como por ejemplo el grafito, capaz de almacenar iones de litio en una forma menos reactiva que la del litio metálico, sin un notable detrimento de su densidad energética. La siguiente figura indica esquemáticamente el funcionamiento a nivel atómico de este tipo de baterías.

Durante la descarga de una batería de Ion-Litio Los iones litio (amarillos) cambian espontáneamente del electrodo negativo (negro) al electrolito (azul) y de éste al electrodo positivo (rojo). El electrolito permite el paso de iones pero no de electrones. Al mismo tiempo, los electrones fluyen espontáneamente del electrodo negativo al positivo a través del único camino que les



dejamos libre: a través de nuestro circuito eléctrico. A medida que avanza la descarga, el potencial (E) de cada electrodo cambia de forma que su diferencia disminuye y cae por tanto el voltaje de la celda (E) a medida que sacamos carga eléctrica (Q) de la batería. Durante la carga de una batería de Ion-Litio Bombeamos electrones en el electrodo negativo y los extraemos del positivo. Hacemos por tanto el electrodo negativo más negativo y el positivo más positivo y aumentamos así la diferencia de potencial entre ellos, o, lo que es lo mismo, el voltaje de la celda. Este proceso fuerza también a los iones litio a salir del electrodo positivo y a intercalarse en el negativo.

Siempre empleamos más energía en cargar la batería de la que ésta nos da durante la descarga.

La Naturaleza es así, pero uno de los objetivos es minimizar esta diferencia. Este gran avance no sólo representó la introducción de una tecnología mucho más segura, sino que introdujo ventajas adicionales como el excelente comportamiento de reversibilidad durante los procesos de carga y descarga que es característico actualmente de las baterías de Ion-Litio. Aunque con menos densidad de energía que el metal Litio, el Ion-Li es más seguro, si actuamos con ciertas precauciones en la carga y en la descarga. En 1991, se comercializó la primer batería de Ion-Litio. Otros fabricantes siguieron el ejemplo siendo hoy la investigación y el desarrollo


de baterías de Ion-Litio una de las actuaciones de más rápido crecimiento en el mundo. Han surgido varios tipos de baterías de Ion-Litio. La versión original usaba carbón como electrodo negativo. Desde 1997, la mayoría de los fabricantes de baterías de Ion-Litio se han volcado al uso del grafito. Este electrodo presenta una curva de descarga de voltaje más plana que el carbón y ofrece un ángulo agudo de curva, seguido por una rápida caída de voltaje. Como consecuencia la energía útil del sistema de grafito puede ser recuperada descargándolo sólo hasta 3V, mientras que la versión de carbón debe ser descargada hasta los 2,5V para obtener igual respuesta. Otros elementos químicos diferentes se están utilizando para el electrodo positivo. Son el cobalto y el manganeso. Aunque el cobalto ha sido muy usado, el manganeso es inherentemente más seguro. Los circuitos de protección pueden ser simplificados o aún eliminados. Como desventaja, el manganeso ofrece una densidad de energía levemente menor, sufre pérdida de capacidad a temperaturas superiores a los 40°C y envejece más rápido que el cobalto. A pesar de que las celdas de Ion-Litio tienen algún impacto ambiental, causan menos daño que las baterías basadas en cadmio o plomo. Entre la familia de baterías de Ion-Litio, la de manganeso es la más noble. Se pueden recargar hasta 2500 veces y gracias a su bajo precio constituyen la mejor alternativa en el mercado de la electrónica de consumo. Además de la alta densidad de energía y el bajo peso, la autodescarga es menor a la mitad de la que sufren las baterías de Ni-Cd y Ni-MH Como aspectos negativos, las baterías de Ion-Li requieren un circuito de protec-

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ción para mantenerse actuando de forma segura. La carga debe realizarse bajo estrictos estándares. Asimismo, están sujetas al deterioro provocado por el paso del tiempo, aún cuando no hayan sido usadas, porque… El envejecimiento comienza al salir de la línea de producción del fabricante.

Los fabricantes están constantemente mejorando las baterías de Litio, lo que abre un futuro prometedor ante este problema de la degradación química. Para mejorar la duración de estas baterías debería tenerse en cuenta una serie de recomendaciones en su almacenamiento y uso: • Almacenar a una temperatura de 15 grados. • Almacenar con una carga de aproximadamente el 40%. • No exceder las capacidades de descarga (Amperios). • No sobrepasar limites de voltaje máximo y mínimo por célula. • Evitar descargas completas de la batería. Es mejor realizar descargas parciales. • Evitar la compra de baterías fabricadas un año atrás. Huir de las “gangas”

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Ventajas: Alta densidad de energía. Poco peso. No necesitan de mantenimiento. No presentan efecto memoria. Baja descarga durante su almacenamiento.

Inconvenientes: • Requiere un circuito de seguridad para mantener los límites de voltaje máximo y mínimo.

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• Se degradan con el tiempo. Almacenar en lugar frío al 40% de su carga. • Capacidad de descarga moderada (puede solucionarse con Packs en Paralelo). • Limitaciones en su transporte (compañías aéreas). • Precio superior a otras baterías. • Tecnología en desarrollo. Baterías de Polímero de Litio (Li-Po) La batería de polímero de litio se diferencia del resto de las baterías por el electrolito usado. El diseño original data de los años 70 usando un polímero sólido como electrolito. Este electrolito se ensamblaba en un recipiente plástico como una bolsa que no conducía la electricidad, y que impedía el paso de electrones. El polímero sólido ofrece ventajas de fabricación, permitiendo alcanzar grosores de 1 milímetro, lo que permite crear baterías con el espesor de una tarjeta de crédito.

Desafortunadamente el polímero sólido sufre de baja conductividad debido a la alta resistencia interna, por lo que no puede ofrecer la suficiente capacidad de descarga, además de aumentar su temperatura hasta cerca de 60 grados, lo que la hace inviable para ciertas aplicaciones. Para solucionar este problema se añadió un gel al electrolito. ¿Cual es la diferencia entre una batería de Ion-Litio y una de Polímero de Litio? Aunque las características y prestaciones son similares, la batería de polímero es única en cuanto a que un electrolito sólido reemplaza a un separador poroso, el gel es añadido para mejorar únicamente la conductividad. Normalmente la capacidad de una batería Li-Po es menor que una de Ion-Litio. El nombre real de una batería Li-Po es batería de Polímero de Ion-Litio.



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Ventajas: El espesor puede reducirse hasta grosores de 1 milímetro. Pueden empaquetarse con cualquier forma. Alta densidad de energía. Poco peso. Más seguras que las de Ion-Litio. No necesitan mantenimiento. No presentan efecto memoria. Baja descarga durante su almacenamiento. En pequeñas cantidades son inocuas para el medio ambiente. Inconvenientes: Requiere un circuito de seguridad para mantener los límites de voltaje máximo y mínimo. Se degradan con el tiempo. Deben almacenarse en lugar frío al 40% de su carga Capacidad de descarga moderada comparada con Ni-Cd (puede solucionarse con Packs en Paralelo) Precio superior a las baterías de IonLitio. Tecnología en desarrollo. Pueden explotar si se perforan.

NUNCA debe perforarse una batería de Litio, ya que se produce una reacción quí mica que puede provocar una explosión.


Baterías de Ion-Litio: Mitos y Leyendas Transcribimos una serie de consultas leídas sobre baterías de Ion-Litio, de contenido muy interesante.

¿Es verdad que antes de usar por prime ra vez mi dispositivo debo cargarlo durante 10 a 12 horas?

NO. Las baterías de Ion-Litio son mucho más eficientes que las basadas en Níquel, por lo que no requieren una carga inicial prolongada.

De hecho, ninguna batería Ion-Litio actual requiere cargas superiores a 8 horas, independientemente de las circunstancias. ¿Es verdad que la batería debe pasar varios ciclos de carga/descarga antes de alcanzar su máximo rendimiento?

NO. Las baterías de Ion-Litio no requieren un periodo de “rodaje” debido a que su capacidad máxima está disponible desde el primer uso. A una batería de Ion-Litio le es indiferente que una carga sea la número 1, 5 ó 50. ¿Es verdad que debo agotar por completo la batería antes de volver a cargarla para mejorar su desempeño?

Rotundamente, NO. Esta es una de las confusiones más comunes legadas por el “efecto memoria” que sufrían las baterías de Níquel-Cadmio y, en menor medida, las Níquel-MetalHidruro. La composición de las baterías de IonLitio hace preferibles las descargas parciales a una completa. Peor aún, si son sometidas con frecuencia a pérdidas totales de energía, sus cir-

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cuitos pueden interpretarlo como un fallo que disparará un mecanismo de bloqueo. Un 80% a 90% de baterías consideradas ‘defectuosas’ llegan a servicios técnicos por este motivo. Pero hay una excepción: Las baterías de dispositivos grandes, como los ordenadores portátiles, dotadas de válvulas de medición, pueden descalibrarse con el uso y dar lecturas equivocadas. Por ello es recomendable agotarlas completamente una vez cada 30 ciclos, a fin de que sus niveles vuelvan a cero. ¿Es perjudicial mantener la batería conectada al cargador si ya ha completado la carga?

NO. Contrariamente a las baterías de Ni-Cd cuya permanencia prolongada en el cargador puede dañarlas e incluso provocar un incendio, las baterías de Ion-Litio poseen un circuito que corta el paso de energía una vez que la carga se ha completado. Usualmente, esto se indica por una luz en el dispositivo. Eso sí, siempre está la posibilidad de un fallo o sobrecarga en el transformador, por lo que tampoco se lo debe dejar conectado a la red eléctrica en forma permanente. En el caso de mi PDA o mi teléfono móvil, ¿da igual cargarlos usando el cargador que el cable USB?

Según se informa en las instrucciones, debe preferirse el uso del cargador pues provee siempre el amperaje correcto. El puerto USB de algunos ordenadores, en especial los portátiles, no siempre mantendrán los 500mA requeridos, por lo que se tardará hasta tres veces más en completar la carga. No voy a usar mi dispositivo durante algunos meses, ¿cómo debo almacenar la batería?

Según estudios conducidos por BatteryUniversity, toda batería de Ion-Litio

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resiste mejor el paso del tiempo con un 40% de su carga. Por ejemplo, una batería guardada a temperatura ambiente con un 40% de carga mantendrá un 96% de su capacidad total después de un año; mientras que una almacenada con el 100% de su carga sólo retendrá el 80%, en igual periodo. Es por este motivo, que la mayoría de los dispositivos traen de fábrica una pequeña carga inicial: justo un 40%. Lo que sí está claro es que una batería de Ion-Litio nunca debe almacenarse descargada. Esta circunstancia puede provocarle un daño irrecuperable. ¿Cuánto dura una batería de Ion-Litio?

Si hablamos de su vida útil, cada vez se introducen nuevas mejoras en la tecnología por lo que, bien cuidadas, pueden durar entre 500 a 1000 ciclos de carga-descarga, lo que se traduce en un promedio de dos a tres años (a partir de ese tiempo se produce desgaste químico). Si hablamos de la duración de una carga, entonces dependerá de las características de cada batería y dispositivo, pero aquí tenemos siete medidas que nos ayudarán a maximizarla: • Alejarlas del calor: Las baterías de IonLitio son sumamente susceptibles a las altas temperaturas, por lo que utilizarla en un ambiente fresco aumentará su funcionalidad. • Apagar las transmisiones inalámbricas: Los infrarrojos (IrDA), Bluetooth y Wi-Fi son verdaderos vampiros de electricidad, siendo equivalentes a mantener un teléfono móvil en uso todo el tiempo. Debemos prescindir de estas funciones cuando no sean necesarias. • Evitar usar la unidad de CD o DVD: El gasto no sólo corre por cuenta del láser, sino también del motor que hace girar el disco. Y mejor no hablar de los grabadores… • Reducir el brillo de la pantalla: Algunos equipos lo hacen en forma automática



pues cuanta menos luz generen menos energía demandarán. • Retirar las tarjetas de memoria o llaves USB: No permitir que sus dimensiones reducidas nos engañen, pues energizarlas requiere un flujo adicional de electricidad. Esto es especialmente válido para dispositivos pequeños, como teléfonos o PDAs. • Evitar usar aplicaciones de audio: Aún con audífonos, la generación de sonido requiere un gasto constante de energía. Peor aún si se alimentan altavoces externos. Transcribimos la serie de consultas sobre las otras baterías de contenido también muy interesante.

¿Qué es el efecto memoria?

El efecto memoria es una pérdida en la capacidad de la batería debido a repetidas cargas y descargas que se efectúen en la batería sin haberla descargado por completo previamente. Este efecto era un problema con las primeras baterías recargables de Níquel Cadmio (Ni-Cd) que hacía que perdieran su duración útil mientras más se usaban, sin embargo, ya no es un problema en las baterías de Níquel metal hidruro (NI-Mh). ¿Realmente cuál es la diferencia entre baterías Ni-Cd y Ni-Mh?

Los dos tipos de batería son recargables, sin embargo la tecnología Ni-Cd es una tecnología antigua, que no soporta cargas y descargas bruscas. Por otro lado, la tecnología Ni-Mh brinda una mayor capacidad de carga y duración, no posee el indeseado efecto memoria y afecta en menor grado el medio ambiente.


¿Cuántas veces se puede recargar una batería de Ni-Mh?

Las baterías recargables están diseñadas para cargarse hasta 1000 veces en condiciones adecuadas. Sin embargo, recordemos que el ciclo de vida completo de una batería se altera debido las temperaturas de almacenamiento, rapidez de carga y descarga, método de control de carga, exposición a sobrecarga, y condiciones varias. Con un uso normal, las baterías Ni-Mh deberían durar años, antes que el ciclo de vida comience a deteriorarse. ¿Qué es un cargador inteligente?

Un cargador inteligente es aquel que utiliza un microprocesador para monitorear el estado de la carga de la batería. Esta información es utilizada por el cargador para determinar el momento más oportuno para terminar de cargar. Con un buen control de carga, los cargadores inteligentes pueden cargar la batería más rápido sin consecuencias negativas. El problema de sobrecarga se minimiza y por ende se alarga la vida de la batería. Luego presentamos uno. ¿Puedo cargar pilas alcalinas en mi nuevo cargador?

No. Las baterías alcalinas no pueden ni deben ser cargadas en ningún cargador. El compuesto químico que las conforma no está diseñado para recibir ninguna carga de corriente, sus componentes se funden al inyectar corriente entre sus polos en sentido inverso, por lo que la batería podría explotar dentro del cargador causando daños severos al mismo y al entorno. ¿Puedo usar mis antiguas baterías NI-Cd en mi nuevo cargador?

Las baterías NI-Cd más antiguas no fueron diseñadas para las altas capacidades

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de hoy en día, por lo que es probable que el cargador no las cargue a su máxima capacidad o las recaliente en demasía. ¿Por qué las baterías se calientan cuando las cargo?

Es normal que las baterías se calienten durante el ciclo de carga. Esto es causado por la energía que el cargador inyecta en la batería. En general mientras más rápido se cargue la batería, más calor desprenderán. Los cargadores inteligentes miden y regulan este calentamiento mediante un sensor que controla la temperatura. Cargador universal inteligente MW5798/N para pilas Ni-Cd y Ni-Mh

Dispone de dos compartimentos separados para una optimización de la energía logrando una carga más eficiente

y ultrarrápida. Modo de descarga presionando el botón amarillo. Cambia a modo de carga en forma totalmente automática una vez completa la descarga. Corta automáticamente una vez que la pila se cargue al máximo de su capacidad. Para baterías 9V (8,4V Ni-Cd ó Ni-Mh) la carga es estándar sin corte. Modo de acondicionamiento profundo para rescatar baterías dañadas por el efecto de la memoria. Incluye transformador 230 V. • Display con indicador de funciones:

LED Indication Status

Charge / Ready

Discharge

Power On

Off

Off

Fast Charging

Red

Off

Trickle Charging

Green

Off

Discharge

Off

Yellow

• Descripción

Cargador descargador universal inteligente controlado por microprocesador. Para pilas Ni-Cd / Ni-Mh tamaños: AA, AAA, C, D y 9 V. • Especificaciones

Cargador, descargador universal inteligente controlado por microprocesador. El microprocesador controla el voltaje en los extremos de la pila a cargar, acelerando el proceso hasta la totalidad de la carga Detecta y analiza el nivel de voltaje durante todo el proceso de carga. Puede cargar pilas y Baterías Ni-Cd o Ni-Mh de todas las capacidades disponibles (dentro de los tamaños AA, AAA, C, D y baterías 9Volts).

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• Especificaciones Técnicas

Modelo

MW5798/N

Corriente de carga AA

800mA

Corriente de carga AAA

300mA

Corriente de carga 9V

20mA (carga estándar sin corte)

Corriente de carga por goteo AA

80mA

Corriente de carga por goteo AAA

30mA

Supervisión de carga Dimensiones

203x148x75.5mm



Un problema, la baja capacidad La cantidad de carga almacenada por una batería decrece gradualmente con el uso, el desgaste, con algunas reacciones químicas, y por falta de mantenimiento. Las baterías deben entregar el 100% de su capacidad cuando son nuevas, pero eventualmente necesitan ser reemplazadas cuando la capacidad cae a un nivel del 70% o 60%. Normalmente, el 80% se usa como umbral de garantía. El almacenamiento de energía de los acumuladores puede ser dividido en tres secciones imaginarias: la energía disponible, la zona vacía que puede ser rellenada, y la formación cristalina que no puede usarse. La figura muestra estas tres secciones en un elemento. En los acumuladores de Ni-Cd, la formación cristalina es también conocida como “efecto memoria". La pérdida de aceptación de carga de baterías de litio-Ion se debe a la oxidación de celdas y a la corrosión que ocurre naturalmente durante el uso y como parte del desgaste. La disminución del rendimiento en las baterías de plomo es causada comúnmente por la sulfatación, es decir una pequeña capa que se forma en las placas de las celdas y que inhibe el flujo de corriente. En las baterías de plomo reguladas por válvulas, el tema de la permeabilidad del agua y la pérdida de electrolito también entran en juego.

<- ZONA VACÍA Puede rellenarse

<- ENERGÍA DISPONIBLE

<- ZONA NO UTILIZABLE


Restaurando la capacidad de las baterías La capacidad de las baterías de níquel cadmio puede ser restaurada con una regeneración profunda. Después de una descarga normal a un voltio por celda (punto límite considerado fin de descarga), la batería se descarga lentamente a una corriente mucho más reducida, hasta prácticamente cero voltios. Conocido como "reacondicionamiento", este método disuelve la formación cristalina, restablece la estructura química de la celda y restaura efectivamente las baterías de níquel. Sin embargo, debe advertirse que alguna de estas baterías puede demostrar alta auto-descarga porque la formación cristalina ha dañado la estructura. Este problema es común en las baterías más viejas. Las baterías de litio-Ion no pueden regenerarse. La pérdida de capacidad es permanente porque los metales usados en las celdas están elegidos para operar solamente durante un período de tiempo específico, y se consumen durante la vida útil especificada. Esto es así, en parte, por razones ambientales, ya que algunos de los productos químicos utilizados para maximizar la capacidad son altamente tóxicos. En el momento de la deposición, el nivel de toxicidad disminuye a un nivel razonablemente bajo. No hay información suficiente sobre el ciclo de vida y proceso de desgaste de la nueva batería de polímero de litio. Las baterías de plomo se sulfatan si se almacenan en condiciones de descarga o si se dejan con baja tensión de flotación. La recarga es difícil o casi imposible, especialmente si la batería ha estado en esa situación durante mucho tiempo. A las baterías almacenadas se les debe aplicar una carga de nivelación cada seis meses o cuando la tensión de celda abierta cae a 2,10 voltios.

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¿Cómo funciona el comprobador de pilas? El comprobador de carga que incluyen algunos fabricantes en los envases de sus pilas se compone de una resistencia eléctrica y de un tubo capilar que contiene una tinta termocrómica de color negro. Para medir la carga de la pila, unimos sus polos positivo y negativo, conectándolos entre sí por medio de la resistencia. Ésta, como todo material conductor, tiene la propiedad de aumentar su temperatura en función de la cantidad de corriente que la atraviesa. Así, cuando por la resistencia circula corriente eléctrica, incrementa su temperatura de forma que calienta la tinta termocrómica, variando ésta su color del negro al amarillo. Dependiendo de la carga de la pila, la corriente que atraviesa la resistencia es de mayor o menor magnitud y por tanto es mayor o menor su capacidad para calentar la tinta, proporcionando sobre la columna de medición del comprobador una indicación bastante aproximada del nivel de carga.

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Comprobadores universales de la carga de las pilas

Sirven para verificar el grado de carga de pilas o de acumuladores. Tienen una utilidad evidente pues permiten aprovechar al máximo la energía disponible.


El osciloscopio

EL OSCILOSCOPIO

No podemos evitar admirarlo. ¿Qué se pretende al describir el funcionamiento de este equipo auxiliar de medida? Figura en todo taller y laboratorio de electrónica que se precie. No está de más hablar de cómo funciona, aunque no tengamos nunca un equipo de este porte en nuestras manos, pero lo que se describe a continuación nos ayudará a fijar ideas. Sólo con leerlo, despacio, será suficiente para entender cómo está hecho y cómo funciona, no hará falta más si no vamos a dedicarnos a manejarlo. Aún así nos planteará un mar de dudas que tal vez nos animen a seguir insistiendo en su conocimiento. Si persiste ese interés, aconse jamos leer detenidamente las instrucciones de cualquier aparato (alguien conocido que lo tenga nos las puede dejar para echar un vistazo). No existe mejor texto que las instrucciones del fabricante, si están bien traducidas, claro.

¿Qué es un osciloscopio? El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. Se trata del instrumento que ha producido mayor impacto, en la historia de las mediciones eléctricas y electrónicas, debido a que sirve no solamente para medir algunas variables de los fenómenos eléctricos (voltaje, corriente, frecuencia, período,


etc.), mediciones que son posible realizar con otro tipo de instrumentos, sino que también permite observar el desarrollo en el tiempo de dichos fenómenos eléctricos, con lo cual se pueden conocer y estudiar en forma más detallada. Debido a esto, el osciloscopio sigue siendo uno de los instrumentos de mayor aplicación en el trabajo diario. Fundamento teórico Las partes fundamentales de un osciloscopio son: • El tubo de rayos catódicos (TRC) • El amplificador vertical • La base de tiempo • El circuito de disparo (Trigger) • El amplificador horizontal • El amplificador de control de intensidad (Gate amplifier) • La línea de retardo La figura presenta el Diagrama de Bloques de un osciloscopio básico.

Diagrama en bloques del osciloscopio.

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El osciloscopio

El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. ¿Qué podemos hacer con un osciloscopio? Básicamente esto: • Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. • Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. • Determinar qué parte de la señal es DC y cual AC. • Localizar averías en un circuito. • Medir la fase entre dos señales. • Determinar qué parte de la señal es ruido y cómo varía éste en el tiempo. Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. ¿Qué tipos de osciloscopios existen? Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital. Los Osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, ésta una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor.

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Cañón Electrónico

Pantalla

Contactos

Placas de Deflexión

Contrariamente, los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). ¿Qué controles posee un osciloscopio típico? A primera vista un osciloscopio se parece a un pequeño televisor portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor número de controles que posee. En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones: Vertical. Horizontal. Disparo. Control de la visualización. Conectores.


El osciloscopio

¿Como funciona un osciloscopio? Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario analizar los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo. Osciloscopios analógicos Sección Vertical Cátodo Atenuador

Amplificador Vertical CRT

Sección Horizontal Sección Disparo

Generador Rampa

Amplificador Horizontal

Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal se dirige a la sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente están en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa. La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascen-


dente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra. De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales repetitivas (se asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal repetitiva). En la siguiente figura puede observarse la misma señal en tres ajustes de disparo diferentes: en el primero disparada en flanco ascendente, en el segundo sin disparo y en el tercero disparada en flanco descendente.

Para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajustes básicos:

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El osciloscopio

• La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL. para ajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites.

datos que permite almacenar y visualizar la señal. Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacia el osciloscopio analógico. El conversor analógico-digital del sistema de adquisición de datos muestrea la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.

• La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos. • Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas.

Señal reconstruida con puntos de muestreo

Por supuesto, también deben ajustarse los controles que afectan a la visualización: FOCUS (enfoque), INTENS. (Intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del haz) y X-POS (posición horizontal del haz).

Velocidad de muestreo

Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro.

Osciloscopios digitales Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de

Pantalla Sección Adquisición Datos Sección Vertical

Atenuador

Proceso

Amplificador Vertical

Conversor A/D

Memoria

Sección Visualización

Sección Horizontal Sistema muestreo

Sonda Sección Disparo

Base de Tiempos

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El osciloscopio

La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo. Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL., el mando TIMEBASE así como los mandos que intervienen en el disparo. Métodos de muestreo Se trata de explicar como se las arreglan los osciloscopios digitales para reunir los puntos de muestreo. Para señales de lenta variación, los osciloscopios digitales pueden perfectamente reunir más puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la señal en la pantalla. No obstante, para señales rápidas (la rapidez dependerá de la máxima velocidad de muestreo de nuestro aparato) el osciloscopio no puede recoger muestras suficientes y debe recurrir a una de estas dos técnicas: • Interpolación, es decir, estimar un punto intermedio de la señal basándose en el punto anterior y posterior. • Muestreo en tiempo equivalente. Si la señal es repetitiva es posible muestrear durante unos cuantos ciclos en diferentes partes de la señal para después reconstruir la señal completa. Muestreo en tiempo real con interpolación.

El método Standard de muestreo en los osciloscopios digitales es el muestreo en tiempo real: el osciloscopio reúne los suficientes puntos como para reconstruir la señal.


Para señales no repetitivas ó la parte transitoria de una señal es el único método válido de muestreo. Los osciloscopios utilizan la interpolación para poder visualizar señales que son más rápidas que su velocidad de muestreo. Existen básicamente dos tipos de interpolación: • Lineal: Simplemente conecta los puntos muestreados con líneas. • Senoidal: Conecta los puntos muestreados con curvas según un proceso matemático, de esta forma los puntos intermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos reales de muestreo.

Usando este proceso es posible visualizar señales con gran precisión disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo.

Señal reconstruida con interpolación senoidal

Señal reconstruida con interpolación lineal

Muestreo en tiempo equivalente

Algunos osciloscopios digitales utilizan este tipo de muestreo. Se trata de reconstruir una señal repetitiva capturando una pequeña parte de la señal en cada ciclo. Existen dos tipos básicos: • Muestreo secuencial: Los puntos aparecen de izquierda a derecha en secuencia para conformar la señal. Señal reconstruida con puntos de muestreo

1ª Adquisición 2ª Adquisición 3ª Adquisición .... Nº Adquisición

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El osciloscopio

• Muestreo aleatorio: Los puntos aparecen aleatoriamente para formar la señal. Términos utilizados al medir Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y). La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si observamos, por ejemplo, una línea horizontal podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las líneas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios repentinos de la señal (ángulos muy agudos) generalmente debidos a procesos transitorios. Tipos de ondas Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes: • Ondas senoidales • Ondas cuadradas y rectangulares • Ondas triangulares y en diente de sierra. • Pulsos y flancos ó escalones. Ondas senoidales

Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combi-

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naciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales. La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.

Onda senoidal amortiguada

Onda senoidal

Ondas cuadradas y rectangulares

Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en si mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores.

Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.

Onda cuadrada

Onda rectangular

Ondas triangulares y en diente de sierra

Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión.


El osciloscopio

Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan ram pas. La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.

La frecuencia se mide en hercios (Hz) y es igual al número de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una señal repetitiva también posee otro parámetro: El periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Periodo y frecuencia son recíprocos el uno del otro: Periodo: T= 1/3 sg

Onda triangular

Onda en dientes de sierra Frecuencia:

T

f= 1/T = 3 Hz 1

Pulsos y flancos ó escalones

Señales, como los flancos y los pulsos, que sólo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaría, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un BIT de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.

Flanco

Pulso

Segundo

• Voltaje Voltajee es la diferencia de potencial elécVoltaj trico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0V ), pero no siempre, siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp ) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa. • Fase La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un círculo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º. 0º

90º

90º

180º

270º

360º

1

Medidas en las formas de onda Ahora describimos las medidas más corrientes para describir una forma de onda. • Pe Peri riod odo o y Fr Frec ecue uenc ncia ia Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f).


0º 360º 0º

180º

270º

-1

Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no

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El osciloscopio

coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres: voltaje

intensidad T/4

0

Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div). Velocidad Veloc idad Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad máxima del barrido horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos por división horizontal. Exactitud en la ganancia

desfase = 90º

Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra. ¿Qué parámetros influyen en la calidad de un osciloscopio? Los términos que se definan a continuación nos permitirán comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles en el mercado. Ancho de Banda Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo senoidal se visualiza a un 70,7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB). Tiempo de subida Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior anterior,, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas).

Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el suyo propio.

Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenúa la señal. Se proporciona normalmente en porcentaje máximo de error. Exactitud de la base de tiempos Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo. Velocidad Veloc idad de muestreo En los osciloscopios digitales indica cuantas muestras por segundo es capaz de tomar el sistema de adquisición de datos (específicamente el conversor A/D). En los osciloscopios de calidad se llega a velocidades de muestreo de MegaMegamuestras/sg. Una velocidad de muestreo grande es importante para poder visualizar pequeños periodos de tiempo. En el otro extremo de la escala, también se necesita velocidades de muestreo bajas para poder observar señales de variación lenta.

Generalmente la velocidad de muestreo cambia al actuar sobre el mando TIMEBASE para mantener constante el número de puntos que se almacenaran para representar la forma de onda. Resolución vertical

Sensibilidad vertical Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles.

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Se mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversor A/D del osciloscopio digital.


El osciloscopio

Nos indica con que precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución efectiva del osciloscopio. Longitud del registro Indica cuantos puntos se memorizan en un registro para la reconstrucción de la forma de onda. Algunos osciloscopios permiten variar variar,, dentro de ciertos límites, este parámetro. La máxima longitud del registro depende del tamaño de la memoria de que disponga el osciloscopio. Una longitud del registro grande permite realizar zooms sobre detalles en la forma de onda de forma muy rápida (los datos ya han sido almacenados), sin embargo esta ventaja es a costa de consumir más tiempo en muestrear la señal completa. Puesta en funcionamiento Este capítulo describe los primeros pasos para el correcto manejo del osciloscopio. Poner a tierra Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio.

Esto se consigue empleando cables de alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno para la toma de tierra). El osciloscopio necesita, por otra parte, compartir la misma masa con todos los circuitos bajo prueba a los que se conecta. Algunos osciloscopios pueden funcionar funcionar a diferentes tensiones de red y es muy importante asegurarse que esta ajustado a la misma de la que disponemos en las tomas de tensión.

Ponerse a tierra uno mismo Si se trabaja en circuitos integrados (CI), especialmente del tipo CMOS, es necesario colocarse a tierra uno mismo. Esto es debido a que ciertas partes de estos circuitos integrados son susceptibles de estropearse con la tensión estática que almacena nuestro propio cuerpo. Para resolver este problema se puede emplear una correa conductora que se conectará debidamente a tierra, descargando la electricidad estática que posea su cuerpo.

Colocar a tierra el Osciloscopio Por seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. Si se produce un contacto entre un alto voltaje y la carcasa de un osciloscopio no puesto a tierra, cualquier parte de la carcasa, incluidos los mandos, puede producir un peligroso shock. Mientras que un osciloscopio bien colocado a tierra, la corriente, que en el anterior caso nos atravesaría, se desvía a la conexión de tierra. Para conectar a tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el punto de referencia neutro de tensión (comúnmente llamado tierra).


Conectar a tierra

Ajuste inicial de los controles Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor de encendido:

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El osciloscopio

Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. Todos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical , Horizontal , y Disparo. Dependiendo del tipo de osciloscopio empleado en particular, podemos disponer de otras secciones. Existen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida.

La mayoría de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados normalmente como I y II (ó A y B). El disponer de dos canales nos permite comparar señales de forma muy cómoda. Algunos osciloscopios avanzados poseen un interruptor etiquetado como AUTOSET ó PRESET que ajustan los controles en un solo paso para acomodar perfectamente la señal a la pantalla. Si un osciloscopio no posee esta característica, es importante ajustar los diferentes controles del aparato a su posición estándar antes de proceder a medir. Estos son los pasos más recomendables: • Aju Ajusta starr el oscilo oscilosco scopio pio para para visua visualiz lizar ar el canal I. (al mismo tiempo se colocará como canal de disparo el I).

• Ajustar Ajustar a una una posic posición ión inte interme rmedia dia la escala voltios/división del canal I (por ejemplo 1v/cm).

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• Coloca Colocarr en posic posición ión cali calibrad bradaa el mand mando o variable de voltios/división (potenciómetro central).

• Desact Desactiva ivarr cualqui cualquier er tipo tipo de multip multiplic licaadores verticales. • Col Coloca ocarr el con conmut mutado adorr de entra entrada da para para el canal I en acoplamiento DC.

• Coloca Colocarr el mod modo o de dis dispar paro o en aut automá omá-tico.

• Desact Desactiva ivarr el dispar disparo o retard retardado ado al al mínimínimo ó desactivado. • Situar Situar el el contr control ol de de intens intensida idad d al mín mínimo imo que permita apreciar el trazo en la pantalla, y el trazo de focus ajustado para una visualización lo más nítida posible (generalmente los mandos quedaran con la señalización cercana a la posición vertical).

Sondas de medida Con los pasos detallados anteriormente, ya se está en condiciones de conectar la sonda de medida al conector de entrada del canal I. Es muy importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar específicamente con el osciloscopio. Una sonda no es, ni mucho menos, un cable con una pinza, sino que es un conector específicamente diseñado para evitar ruidos que puedan perturbar la medida.


El osciloscopio

Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de x10. Osciloscopio Sonda 10X

Cuando se utilicen este tipo de sondas hay que asegurarse de la posición de este conmutador antes de realizar una medida. Destornillador de ajuste

Caperuzón con pinza retráctil

Punta intercambiable

conector de entrada

Conector BNC

Punta para ICs

Señal calibración Condensación variable de compensación

Pinza de cocodrilo desmontable para la masa

Compensación de la sonda Este tipo de sonda se proporciona generalmente con el osciloscopio y es una excelente sonda de utilización general. Para otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales, como pueden ser las sondas de corriente ó las activas. Sondas pasivas La mayoría de las sondas pasivas están marcadas con un factor de atenuación, normalmente 10X ó 100X. Por convenio los factores de atenuación aparecen con el signo X detrás del factor de división. En contraste los factores de amplificación aparecen con el signo X delante (X10 ó X100). La sonda más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un factor de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 kHz y con niveles de señal superiores a 10 mV. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Por comodidad de uso se han introducido sondas especiales con un conmutador que permite una utilización 1X ó 10X.


Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia para el osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos. • Con Conec ectar tar la la sonda sonda a la la entrad entradaa del cana canall I. • Cone Conecta ctarr la pun punta ta de de la son sonda da al al punto punto de señal de compensación (La mayoría de los osciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de onda cuadrada).

• Conecta Conectarr la pin pinza za de de cocod cocodril rilo o de la sonda a masa. • Obse Observa rvarr la señal señal cuad cuadrada rada de refer referenc encia ia en la pantalla. • Con el el desto destornil rnillad lador or de aju ajuste ste,, actua actuarr sobre el condensador de ajuste hasta observar una señal cuadrada perfecta.

Desajustada amplifica mal altas frecuencias

Ajustada

Desajustada amplifica mal bajas frecuencias

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El osciloscopio

Sondas activas Proporcionan una amplificación antes de aplicar la señal a la entrada del osciloscopio. Pueden ser necesarias en circuitos con una señal de salida muy baja. Este tipo de sondas necesitan para operar una fuente de alimentación. Sondas de corriente

Potenciómetro de enfoque

Se trata de un potenciómetro que ajusta la nitidez del haz sobre la pantalla. Este mando actúa sobre las rejillas intermedias del CRT (G2 y G4) controlando la finura del haz de electrones. Se retocará dicho mando para una visualización lo más precisa posible. Los osciloscopios digitales no necesitan este control.

Posibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. Las hay para medida de corriente alterna y continua. Poseen una pinza que abraza el cable a través del cual se desea medir la corriente. Al no situarse en serie con el circuito causan muy poca interferencia en él. Sistemas de visualización Potenciómetro de intensidad de brillo

Se trata de un potenciómetro que ajusta el brillo de la señal en la pantalla. Este mando actúa sobre la rejilla más cercana al cátodo del CRT (G1), controlando el número de electrones emitidos por éste. En un osciloscopio analógico si se aumenta la velocidad de barrido es necesario aumentar el nivel de intensidad. Por otra parte, si se desconecta el barrido horizontal es necesario reducir la intensidad del haz al mínimo (para evitar que el bombardeo concentrado de electrones sobre la parte interior de la pantalla deteriore la capa fluorescente que la recubre).

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Resistencia de rotación del haz

Resistencia ajustable actuando sobre una bobina y que nos permite alinear el haz con el eje horizontal de la pantalla. Campos magnéticos intensos cercanos al osciloscopio pueden afectar a la orientación del haz. La posición del osciloscopio con respecto al campo magnético terrestre también puede afectar. Los osciloscopios digitales no necesitan este control. Se ajustará dicha resistencia, con el mando de acoplamiento de la señal de entrada en posición GND, hasta conseguir que el haz esté perfectamente horizontal.


El osciloscopio

Potenciómetro de posición vertical de la forma de onda

Este control consta de un potenciómetro que permite mover verticalmente la forma de onda hasta el punto exacto que se desee. Cuando se está trabajando con una sola señal el punto normalmente elegido suele ser el centro de la pantalla.

Potenciómetro de mando variable

Se trata de un potenciómetro situado de forma concéntrica al conmutador del amplificador vertical y podemos considerarlo como una especie de lupa del sistema vertical.

Para realizar medidas es necesario colocarlo en su posición calibrada.

Conmutador de acoplamiento de la señal exterior a la entrada

Conmutador del factor de escala del sistema vertical

Se trata de un conmutador con un gran número de posiciones, cada una de las cuales, representa el factor de escala empleado por el sistema vertical. Por ejemplo si el mando esta en la posición 2 voltios/div significa que cada una de las divisiones verticales de la pantalla (aproximadamente de un 1 cm.) representan 2 voltios.

Las divisiones más pequeñas representaran una quinta parte de este valor, o sea, 0.4 voltios.

Se trata de un conmutador de tres posiciones que conecta eléctricamente a la entrada del osciloscopio la señal exterior. El acoplamiento DC deja pasar la señal tal como viene del circuito exterior (es la señal real). El acoplamiento AC bloquea mediante un condensador la componente continua que posea la señal exterior. El acoplamiento GND desconecta la señal de entrada del sistema vertical y lo conecta a masa, permitiéndonos situar el punto de referencia en cualquier parte de la pantalla (generalmente el centro de la pantalla cuando se trabaja con una sola señal).

La máxima tensión que se puede visualizar con el osciloscopio presentado y con una sonda de 10X será entonces: 10 (factor de división de la sonda) x 20 voltios/div (máxima escala) x 8 divisiones verticales = 1600 voltios.

En la pantalla se representa una señal de 1Vpp tal como la veríamos en diferentes posiciones del conmutador.

Conmutador de inversión de la señal de entrada

Es un conmutador de dos posiciones en forma de botón que permite en una de sus


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El osciloscopio

posiciones invertir la señal de entrada en el canal I (existen otros osciloscopios que invierten el canal II).

Conmutador de modo de trazado alternado / chopeado

Es un conmutador de dos posiciones, en forma de botón, que permite, cuando nos encontramos en modo DUAL, seleccionar el modo de trazado de las señales en pantalla. En el modo alternado se traza completamente la señal del canal I y después la del canal II y así sucesivamente. Se utiliza para señales de media y alta frecuencia (generalmente cuando el mando TIMEBASE está situado en una escala de 0.5 msg. ó inferior). En el modo chopeado el osciloscopio traza una pequeña parte del canal I después otra pequeña parte del canal II, hasta completar un trazado completo y empezar de nuevo. Se utiliza para señales de baja frecuencia (con el mando TIMEBASE en posición de 1 msg. ó superior).

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Modos de funcionamiento: simple / dual / suma

Es un control formado por tres conmutadores de dos posiciones, en forma de botón, que permite seleccionar entres tres modos de funcionamiento: simple, dual y suma. En el modo simple actuamos sólo sobre el conmutador etiquetado como CH I/II. Si no está pulsado visualizaremos la señal que entra por el canal I y si lo está la señal del canal II. El modo dual se selecciona con el conmutador etiquetado DUAL. Si no está pulsado visualizaremos un solo canal (esto dependerá del estado del conmutador CH I/II) y si lo está visualizaremos simultáneamente ambos canales. El modo suma se selecciona pulsando el conmutador etiquetado I +II (si también lo está el etiquetado como DUAL) y nos permite visualizar la suma de ambas señales en pantalla.

Potenciómetro de posición horizontal

Este control consta de un potenciómetro que permite mover horizontalmente la forma de onda hasta el punto exacto que se desee. Cuando se está trabajando con una sola señal el punto normalmente elegido suele ser el centro de la pantalla. (Para observar


El osciloscopio

mejor el punto de disparo se suele mover el trazo un poco hacia la derecha). Conmutador de factor de escala en barrido horizontal

Se trata de un conmutador con un gran número de posiciones, cada una de las cuales, representa el factor de escala empleado por el sistema de barrido horizontal. Por ejemplo si el mando esta en la posición 1 msg/div significa que cada una de las divisiones horizontales de la pantalla (aproximadamente de un 1 cm.) representan 1 milisegundo. Las divisiones más pequeñas representaran una quinta parte de este valor, o sea, 200 µsg. El osciloscopio presentado puede visualizar un máximo de 2 sg en pantalla (200 msg x 10 divisiones) y un mínimo de 100 nsg por división, si empleamos la Amplificación (0.5 µsg / 5).

Conmutador amplificador del sistema horizontal

Este control consta de un pequeño conmutador en forma de botón que permite amplificar la señal en horizontal por un factor constante (normalmente x5 ó x10). Se utiliza para visualizar señales de muy alta frecuencia (cuando el conmutador TIMEBASE no permite hacerlo). Hay que tenerlo en cuenta a la hora de realizar medidas cuantitativas (habrá que dividir la medida realizada en pantalla por el factor indicado).

Sistema horizontal: XY

Potenciómetro de mando variable del sistema horizontal (lupa)

Se trata de un potenciómetro situado de forma concéntrica al conmutador de la base de tiempos y podemos considerarlo como una especie de lupa del sistema horizontal. Para realizar medidas es necesario colocarlo en su posición calibrada.


Este control consta de un pequeño conmutador en forma de botón que permite desconectar el sistema de barrido interno del osciloscopio, haciendo estas funciones uno de los canales verticales (generalmente el canal II). Como veremos en el capítulo dedicado a las medidas esto nos permite visualizar curvas de respuesta ó las famosas figuras de Lissajous, útiles tanto para la medida de fase como de frecuencia.

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El osciloscopio

Conmutador para la inversión del sentido del disparo

Este control consta de un conmutador en forma de botón que permite invertir el sentido del disparo. Si está sin pulsar la señal se dispara subiendo (flanco positivo +) y si lo pulsamos se disparará bajando (flanco negativo -). Es conveniente disparar la señal en el flanco de transición más rápida.

Sistema de disparo: Acoplamiento Debido a las muy diferentes señales que se pueden presentar en electrónica, el osciloscopio presenta un conmutador con el que podemos conseguir el disparo estable de la señal en diferentes situaciones. La gama de frecuencias ó tipos de señales que abarca cada posición del conmutador depende del tipo de osciloscopio (es posible incluso que el osciloscopio tenga otras posiciones, especialmente para tratar las señales de televisión). En la siguiente figura se especifica los datos para un osciloscopio en particular. Si se trata de otro modelo se deberá consultar la información suministrada por el fabricante, para actualizar esta tabla. 30 Hz - 1 MHz TV - HOR 0 Hz 1 MHz >1 MHz < 1 kHz TV - VERT

Potenciómetro de ajuste del nivel de señal en modo manual

Se trata de un potenciómetro que permite en el modo de disparo manual, ajustar el nivel de señal a partir del cual, el sistema de barrido empieza a actuar. Este ajuste no es operativo en modo de disparo automático.

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50 Hz

Sistema de disparo exterior La situación normal es que sea el osciloscopio quien internamente dispare la señal de entrada. Esto permite sincronizar casi todas las señales periódicas siempre que la altura de la imagen supere un cierto valor (generalmente muy pequeño, del orden de media división). Para algunas señales complicadas, es necesario dispararlas con otra señal procedente del mismo circuito de prueba. Esto puede hacerse introduciendo esta última señal por el conector etiquetado TRIG. EXT. y pulsando también el botón que le acompaña.


El osciloscopio

Otros controles: Holdoff Podía traducirse como mantener ( hold ) desconectado ( off ). Este control no está incluido en los osciloscopios de nivel bajo ó medio. Se utiliza cuando deseamos sincronizar en la pantalla del osciloscopio señales formadas por trenes de impulsos espaciados en el tiempo. Se pretende que el osciloscopio se dispare cuando el primer impulso del que consta el tren alcance el nivel de tensión fijado para el disparo, pero que exista una zona de sombra para el disparo que cubra los impulsos siguientes, el osciloscopio no debe dispararse hasta que llegue el primer impulso del siguiente tren. Consta generalmente de un mando asociado con un interruptor, este último pone en funcionamiento el sistema holdoff y el mando variable ajusta el tiempo de sombra para el disparo. En la siguiente figura se observará mejor el funcionamiento.

Otros mandos: Línea de retardo Tampoco es habitual encontrar dicho mando en los osciloscopios de gama media, baja. Sin embargo cuando deseamos amplificar un detalle que no se encuentra cercano al momento del disparo, necesitamos de alguna manera retardar este último un determinado tiempo para con el mando de la base de tiempos poderlo amplificar. Esto es precisamente lo que realiza este mando. Consta de un conmutador de varias posiciones que nos proporciona el tiempo que el osciloscopio retarda la presentación desde el momento que la señal se dispara, este tiempo puede variar, dependiendo del osciloscopio, desde algunas fracciones de µsg a algunos centenares de msg; posee también, y generalmente concéntrico con el anterior, un mando variable para ajustar de forma más precisa el tiempo anterior. Y por último, un conmutador que en una posición etiquetada como search indica al osciloscopio que busque el punto a partir

sin holdoff se produciría el disparo

Puntos del disparo

Nivel del disparo

Holdoff (no se produce el disparo) con holdoff


sin holdoff

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El osciloscopio

del cual deseamos que se presente la señal y otra posición etiquetada como delay que fija la anterior posición y permite el uso de la base de tiempos para amplificar el detalle deseado.

tamaño (cercano al cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta. En las líneas centrales, tanto en horizontal como en vertical, cada división ó cuadro posee unas marcas que la dividen en 5 partes iguales (utilizadas como veremos más tarde para afinar las medidas)

TIMEBASE

Marcas (medida flancos)

En este ejemplo si deseáramos amplificar el pequeño impulso que aparece en el segundo semiciclo positivo deberíamos ajustar el tiempo de retardo a: 2 x 5 = 1 msg

subdivisión

Técnicas de medida Las dos medidas básicas que se pueden realizar con un osciloscopio son el voltaje y el tiempo, al ser medidas directas. Algunos osciloscopios digitales poseen un software interno que permite realizar las medidas de forma automática. Sin embargo, si aprendemos a realizar medidas de forma manual, estaremos también capacitados para chequear las medidas automáticas que realiza un osciloscopio digital. La pantalla Fijémonos en la siguiente figura que representa la pantalla de un osciloscopio. Deberemos notar que existen unas marcas en la pantalla que la dividen tanto en vertical como en horizontal, forman lo que se denomina retícula ó rejilla. La separación entre dos líneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una división. Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo

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división

Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide entre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico). Otros osciloscopios también visualizan en su pantalla cuantos voltios representa cada división vertical y cuantos segundos representa cada división horizontal. Medida de voltajes Generalmente cuando hablamos de voltaje queremos realmente expresar la diferencia de potencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito. Pero normalmente uno de los puntos esta conectado a masa (0 voltios) y entonces simplificamos hablando del voltaje en el punto A (cuando en realidad es la diferencia de potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden también medirse de pico a pico (entre el valor máximo y mínimo de la señal). Es muy importante que especifiquemos al realizar una medida que tipo de voltaje estamos midiendo.


El osciloscopio

El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otras medidas se pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó la potencia). Los cálculos para señales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes es empezar por el voltaje.

Medida de tiempo y frecuencia

voltaje pico voltaje pico a pico 0 voltios voltaje eficaz

En la figura anterior se ha señalado el valor de pico V p, el valor de pico a pico V pp, normalmente el doble de V p y el valor eficaz Vef ó VRMS (Root-Mean-Square, es decir la raíz cuadrada de la media de los valores instantáneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular la potencia de la señal CA. Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente se trata de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla. Ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontal podemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida más precisa. (recordar que una subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo que represente una división completa). Es importante que la señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical .

Utiliza la linea vertical central para obtener precisión


Algunos osciloscopios poseen en la pantalla un cursor que permite tomar las medidas de tensión sin contar el número de divisiones que ocupa la señal. Básicamente el cursor son dos líneas horizontales para la medida de voltajes y dos líneas verticales para la medida de tiempos que podemos desplazar individualmente por la pantalla. La medida se visualiza de forma automática en la pantalla del osciloscopio.

Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del periodo. Al igual que ocurría con los voltajes, la medida de tiempos será más precisa si el tiempo objeto de medida ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el conmutador de la base de tiempos .

Si centramos la señal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida más precisa.

Utiliza la linea horizontal central para obtener precisión

Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos En muchas aplicaciones es importante conocer los detalles de un pulso, en particular los tiempos de subida ó bajada de éstos.

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El osciloscopio

Las medidas estándar en un pulso son su anchura y los tiempos de subida y bajada. El tiempo de subida de un pulso es la transición del nivel bajo al nivel alto de voltaje. Por convenio, se mide el tiempo entre el momento que el pulso alcanza el 10% de la tensión total hasta que llega al 90%. Así se eliminan las irregularidades en las bordes del impulso. Esto explica las marcas que se observan en algunos osciloscopios (algunas veces simplemente unas líneas punteadas). La medida en los pulsos requiere un fino ajuste en los mandos de disparo. Para convertirse en un experto en la captura de pulsos es importante conocer el uso de los mandos de disparo que posea nuestro osciloscopio. Una vez capturado el pulso, el proceso de medida es el siguiente: se ajusta actuando sobre el conmutador del amplificador vertical y el mando variable asociado hasta que la amplitud pico a pico del pulso coincida con las líneas punteadas (ó las señaladas como 0% y 100%). Se mide el intervalo de tiempo que existe entre que el impulso corta a la línea señalada como 10% y el 90%, ajustando el con mutador de la base de tiempos para que dicho tiempo ocupe el máximo de la pantalla del osciloscopio.

Medida del desfase entre señales La sección horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y, que nos va a introducir en una de las técnicas de medida de desfase (la única que podemos utilizar cuando solo disponemos de un canal vertical en nuestro osciloscopio). El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfase indica el ángulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo periodo. Ya que el osciloscopio sólo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase será indirecta. Uno de los métodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II). (Este método solo funciona de forma correcta si ambas señales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denomina figura de Lissajous (debido al físico francés denominado Jules Antoine Lissajous). Se puede deducir la fase entre las dos señales, así como su relación de frecuencias observando la siguiente figura.

Desfase Relación f X:Y Marcas (medida flancos)

Tiempo de subida

266


Electrónica Digital

ELECTRÓNICA DIGITAL La Electrónica estudia el comportamiento de los electrones en diversos medios.

contrar respuestas a preguntas que antes no se podían responder.

Conocer las leyes que rigen esta forma de comportarse nos permitirá conseguir que éstos hagan lo que nosotros deseemos.

Ahora estamos viviendo un momento en el que esa capacidad de manipulación, almacenamiento, recuperación y transporte de la información está creciendo exponencialmente, lo que nos convierte en lo que los sociólogos llaman la “Sociedad de la información”, y que tendrá (de hecho ya tiene) grandes implicaciones sociales.

Así por ejemplo, si construimos un circuito electrónico formado por una pequeña bombilla, una pila y un interruptor y lo conectamos, lograremos que los electrones circulen por todo el circuito y que al atravesar la bombilla parte de ellos se conviertan en luz. ¡Hemos conseguido que los electrones nos obedezcan! Para dominar a los electrones, es necesario crear circuitos electrónicos, formados por materiales conductores (cables) que unen todos los componentes del circuito, de la misma manera que hay tuberías de agua que recorren nuestras casas, uniendo diferentes elementos: grifos, llaves de paso, el contador del agua... El objetivo de la electrónica aplicada es construir circuitos electrónicos para que los electrones se comporten de la manera que a nosotros nos interese.

TIPOS DE ELECTRÓNICA. Electrónica Analógica. Uno de los grandes retos del hombre es el de manip ular, almacenar, recuperar y transportar la información que tenemos del mundo en el que vivimos, lo que nos faculta para ir progresando poco a poco, cada vez con más avances tecnológicos, que facilitan nuestra vida y que nos permiten en-


Con la aparición de la electrónica las posibilidades para desarrollar esas capacidades aumentaron considerablemente. Para comprender los principios de la electrónica analógica, nos centraremos en un ejemplo concreto: LA MANIPULACIÓN, ALMACENAMIENTO, RECUPERACIÓN Y EL TRANSPORTE DE UNA VOZ HUMANA. Cuando hablamos, nuestras cuerdas vocales vibran de una determinada manera, lo que origina que las moléculas del aire también lo hagan, chocando unas con otras y propagando esta vibración. Si no existiesen esas moléculas, como ocurre en el espacio, el sonido no se podría propagar. Posición molécula

Fig. 1

Tiempo

267

Electrónica digital

Si medimos la vibración de una de estas moléculas, durante un espacio corto de tiempo, y la dibujamos, podría tener un aspecto como el que se muestra en la figura 1. A est a vibraci ón la llama remos señal acústica. Cuando ésta señal acústica incide sobre un micrófono, aparece una señal eléctrica que tiene una forma análoga a la de la señal acústica. Las vibraciones de las moléculas se han convertido en variaciones del voltaje, que al final se traducen en vibraciones de los electrones. Es decir, que con los micrófonos lo que conseguimos es que los electrones vibren de una manera análoga a cómo lo hacen las moléculas del aire (ver figura 1). Esta nueva señal eléctrica que aparece, se denomina señal analógica, puesto que es análoga a la señal acústica original. De esta manera, con señales eléctricas conseguimos imitar las señales del mundo real. Y lo que es más interesante, conseguimos que la información que se encuentra en la vibración de las moléculas del aire, pase a los electrones. Cuanto mejor sea el micrófono, más se parecerá la señal eléctrica a la acústica, y la información se habrá copiado con más fidelidad. La electrónica analógica trata con este tipo de señales, análogas a las que hay en el mundo real, modificando sus características (Ejemplo amplificándola, atenuándola, o filtrándola). Fijémonos en el siguiente esquema:

Persona hablando

Ambas señales son muy parecidas

Señal acústica Señal eléctrica analógica

La persona que habla emite una señal acústica que es convertida en una señal electrónica analógica por el micrófono. Estas dos señales son muy parecidas, pero la que sale del micrófono es más pequeña. Por ello se introduce en un circuito electrónico, llamado amplificador, que la agranda. A continuación esta señal se puede registrar en una cinta magnética de audio. Señal acústica Señal eléctrica

Micrófono

Señal eléctrica

Amplificador Cinta de audio Señal “magnética”

Señal eléctrica

Señal acústica

Sistema de transmisión recepción

Fig. 3

Lo que se graba es una copia de la señal, pero ahora convertida en señal magnética. En cualquier momento la señal se puede recuperar, convirtiéndose de señal magnética nuevamente a señal eléctrica. Una parte del sistema se ha llamado sistema de transmisión-recepción indicándose con esto que la señal eléctrica se puede transportar (por ejemplo, mediante una red telefónica) Fig. 3. Finalmente se introduce por un altavoz que realiza la conversión inversa: pasar de una señal eléctrica a una acústica que se puede escuchar. Los problemas de los sistemas analógicos son: 1. La información está ligada a la forma de la onda. Si se degrada, se pierde información. 2. Cada tipo de señal analógica necesita de unos circuitos electrónicos particulares. No es lo mismo un sistema electrónico para audio que para vídeo, puesto que las señales tienen unas características completamente diferentes. 1ª Conclusión:

Micrófono Fig. 2

268

Cable

En las señales analógicas, la información se encuentra en la forma de la onda.



Electrónica digital.

Un circuito electrónico que trabaja con números.

Existe otra manera de modificar, almacenar, recuperar y transportar las señales, solucionando los problemas anteriores.

¡Sólo con números! Si nos fijamos, con un ordenador, que es un sistema digital, podemos escuchar música o ver películas.

Es un enfoque completamente diferente, que se basa en convertir las señales en números.

La información que está almacenada en el disco duro son números. En la figura de abajo se muestra un sistema digital. La señal acústica se convierte en una señal eléctrica, y a través de un conversor analógico-digital se transforma en números, que son procesados por un circuito digital y finalmente convertidos de nuevo en una señal electrónica, a través de un conversor digital-analógico, que al atravesar el altavoz se convierte en una señal acústica.

Existe un teorema matemático (teorema de muestreo de Nyquist) que nos garantiza que cualquier señal se puede representar mediante números, y que con estos números se puede reconstruir la señal original. De esta manera, una señal digital, es una señal que está descrita por números. Es un conjunto de números.

El utilizar circuitos y sistemas que trabajen sólo con números tiene una ventaja muy importante:

Y la electrónica digital es la que trabaja con señales digitales, o sea, con números.

Se pueden realizar manipulaciones con independencia de la señal que se esté introduciendo, datos, voz, vídeo...

Son los números los que se manipulan, almacenan, recuperan y transportan. Reflexionemos un poco.

Un ejemplo muy claro es Internet.

Estamos acostumbrados a escuchar el término televisión digital, o radio digital.

Internet es una red digital, especializada en la transmisión de números.

¿Qué significa esto?

Y esos números pueden ser datos, canciones, vídeos, programas, etc.

¡Significa que lo que nos están enviando son números!

La red no sabe qué tipo de señal transporta, sólo ve números.

Que la información que nos envían está en los propios números y no en la forma que tenga la señal que recibidos.

2ª Conclusión: La electrónica digital trabaja con números. La información está en los números y no en la forma de señal. Cualquier señal siempre se puede convertir a números y recuperarse posteriormente.

¿Y qué es un sistema digital? Un sistema que trabaja con números. ¿Y un circuito digital?

Señal acústica Señal eléctrica

Señal digital (NÚMEROS)

Señal eléctrica

Transformar 5083... Almacenar 9287... A/D D/A Recuperar Transportar

Micrófono

Conversor analógico/digital

CIRCUITO DIGITAL

Señal acústica

Conversor digital/analógico

Fig. 4 El mundo del automatismo electrónico

269


INSISTIMOS EN DESTACAR DIFERENCIAS ENTRE SISTEMAS ANALÓGICOS Y DIGITALES. Enfoquemos lo expuesto anteriormente de otra forma, buscando una mayor comprensión.

Concepto de analógico y digital (diferencias)

En la tecnología analógica es muy difícil almacenar, manipular, comparar, calcular y recuperar información con exactitud cuando ésta ha sido guardada, en cambio en la tecnología digital (ordenadores, por ejemplo), se pueden hacer tareas muy rápidamente, muy exactas, muy precisas y sin detenerse. La electrónica moderna usa para realizar muchas funciones que antes desempeñaba la electrónica analógica. Un ejemplo muy evidente es el hecho de que la música actualmente se graba en discos compactos (CD’s), que previamente se ha convertido en formato digital de su formato original que es analógico. El equipo creado para reproducir la música grabada de esta manera está lleno de circuitos lógicos digitales.

Fig. 5

Algunas mediciones pueden representarse en forma "analógica" o en forma "digital". El término "Digital" se refiere a cantidades discretas como la cantidad de personas en un una sala, cantidad de libros en una biblioteca, cantidad de autos en una zona de estacionamiento, etc. Los Sistemas digitales tienen una alta importancia en la tecnología moderna, especialmente en la computación y sistemas de control automático. La tecnología digital se puede manifestar en los siguientes campos: - Mecánico - Electromecánico - Neumático - Hidráulico - Electrónico El término "Analógico" se refiere a las magnitudes o valores que varían con el tiempo en forma continua como la distancia y la temperatura, la velocidad, que podrían variar muy lenta o muy rápida como un sistema de audio. En la vida cotidiana el tiempo se representa en forma analógica por relojes (de agujas), y en forma discreta (digital) por displays digitales.

270

Sin embargo, los discos de acetato (los discos de 45 r.p.m. y L.P,s. de color negro) utilizaban una aguja que recorría los surcos en el disco para poder reproducir la música grabada en forma analógica. Nadie duda de la calidad de los discos compactos de hoy, pues tienen un sonido excelente. La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones. Aunque los circuitos electrónicos pueden resultar muy complejos, en realidad se construyen de un número muy grande de circuitos muy simples. En un circuito digital se transmite información binaria (ceros y unos) entre estos circuitos y se consigue un circuito complejo con la combinación de bloques de circuitos simples. X X X

Analógica

c m p

Digital

5V 0V tiempo

tiempo

Fig. 6

La información binaria se representa en la forma de "0" y "1", un interruptor "abierto" o "cerrado", "On" y "Off", "falso" o "verdadero", en donde "0" representa falso y "1" verdadero.



Los circuitos lógicos se pueden representar de muchas maneras. En el circuito siguiente la lámpara puede estar encendida o apagada ("On" o "Off"), dependiendo de la posición del interruptor (Apagado o encendido).

Un circuito con 3 interruptores de entrada (con estados binarios "0" o "1"), tendrá 8 posibles combinaciones. Siendo el resultado (la columna salida) determinado por el estado de los interruptores de entrada. La electrónica digital es uno de los campos de la electrónica aplicada, junto a la analógica, la de potencia, la microelectrónica y la instrumentación. Es frecuente usar ésta como reclamo publicitario y sinónimo de calidad, sin ser necesariamente cierto, existen sistemas analógicos de gran precisión y fiabilidad que básicamente se diferencian de los digitales, en la señal que procesan.

Fig. 7

Los posibles estados del interruptor o interruptores que afectan un circuito se pueden representar en una tabla de verdad. Las tablas de verdad pueden tener muchas columnas, pero todas las tablas funcionan de igual forma. Hay siempre una columna de salida que representa el resultado de todas las posibles combinaciones de las entradas. Tabla de verdad: Columna(s) de entrada; Columna de salida Entrada (interruptor)

Salida (lámpara)

Abierto

Apagado

Cerrado

Encendido

El número de columnas en una tabla de verdad depende de cuantas entradas hay + 1 (la columna de la salida), el número de filas representa la cantidad de combinaciones en las entradas. Número de combinaciones = 2 n, donde n es el número de columnas de la tabla de verdad (menos la columna de salida). Ejemplo: en una tabla hay 3 columnas de entrada lo que producirá: 23 = 8 combinaciones (8 filas).


Características de los sistemas electrónicos digitales: a) Circuitos más complejos que los analógicos. b) Facilidad para memorizar variables eléctricas. c) Se pueden programar, sin cambiar el circuito sólo cambiando la memoria. d) Permiten montajes más sencillos y rápidos debido a su alta integración. Aplicaciones: a) Control industrial (autómatas programables). b) Proceso o Tratamiento de datos (informática). c) Electrodomésticos (electrónica de consumo). Conclusión final. Una señal es analógica cuando su intensidad o voltaje se representan mediante variables continuas. En los circuitos y sistemas electrónicos analógicos, se procesan señales analógicas es decir, señales eléctricas que toman infinitos valores dentro de un intervalo de tiempo como se aprecia en la figura 6. En los circuitos y sistemas electrónicos digitales se procesan señales eléctricas que toman solo dos valores en el tiempo: 0 y 1,

271


por lo que la señal cambia por saltos como se muestra.

El esquema general de estos circuitos se puede ver en la figura anterior.

Los valores cero y uno representan estados lógicos.

Antes de entrar en la comprensión y diseño de estos circuitos, hay que estudiar cómo se pueden representar esos números, de manera que el circuito los entienda.

Electrónicamente se le asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje determinado: 0 = Nivel bajo de tensión, apagado, Falso, no conduce, no 1 = Nivel alto de tensión, encendido, Verdadero, conduce, sí Si deseamos introducirnos a fondo en el mundo de los sistemas digitales, bien estará conocer como se “cuenta” en ellos, y con qué unidades.

Circuitos y sistemas digitales. Ya podemos entender de lo que trata esta entrega. En ella hablaremos de circuitos digitales, que manipulan números. Existen unos números en la entrada y nuestro circuito generará otros números de salida. Números de entrada 5, 8, 10...

Números de salida Circuito digital

22, 4, 0, 5...

Fig. 8

Algunos números se considerarán como datos y otros se usarán para el control del propio circuito. No nos preocuparemos de dónde vienen estos números, pero ya sabemos que o bien vendrán de otro sistema digital, o bien de una señal analógica que se ha convertido a números (se ha digitalizado). Un circuito digital realiza manipulaciones sobre los números de entrada y genera unos números de salida. Acabamos de ver cómo un circuito digital trabaja con números y sólo con números.

272

Veremos que existen muchísimas formas de representar el mismo número, pero sólo unas pocas son las que nos interesarán para los circuitos digitales.

Conceptos. El concepto de número todos lo tenemos, pero un mismo número se puede representar de muchas maneras. Por ejemplo, el número 10, lo representamos mediante dos dígitos, el ’1’ y el ’0’. Si utilizásemos numeración romana, este mismo número lo representaríamos sólo con un único dígito ’X’. Pero está claro que ambas representaciones, “10” y “X” hacen referencia al mismo número diez. Estamos acostumbrados a representar los números utilizando diez dígitos: ’0’, ’1’, ’2’, ’3’, ’4’, ’5’, ’6’, ’7’, ’8’, ’9’. Por eso nuestro sistema de representación se denomina sistema decimal o sistema en base diez. Analicemos un poco más en detalle el sistema decimal, que es el que manejamos habitualmente. Vamos a representar el número tres mil doscientos ochenta y uno:

3281 Observamos lo siguiente: Está constituido por cuatro dígitos: ’3’,’2’,’8’ y ’1’. El orden en el que están colocados es muy importante y si se modifica, se está representando otro número. Cuanto más a la izquierda está un dígito, más importante es.



Este último aspecto es muy interesante. Imaginemos que el número 3281 representa el sueldo mensual de un profesional. Si le preguntamos qué dígito es el que le gustaría modificar para tener un sueldo mayor, no dudaría en señalar al ’3’.

Este sistema de representación también se llama sistema en base diez porque los pesos de los dígitos son potencias de 10: El dígito del extremo derecho tiene un peso de 100, los siguientes tienen pesos de 101, 102, 103, 104 ...

Sin embargo, se echaría a reír si su jefe le dijese: “te subimos el sueldo a 3285 euros”.

Normalmente representamos los números en el sistema decimal, que consta de diez dígitos diferentes, asignándoles un peso que es una potencia de diez, y que será mayor cuanto más a la izquierda se encuentre el dígito.

El dígito ’3’ es más importante que todos los que tiene a su derecha. Tiene un peso mayor que el resto de dígitos.

Sistema de numeración binario.

De hecho, este dígito ’3’ está representando al número tres mil.

El sistema de numeración binario utiliza sólo dos dígitos, el cero (0) y el uno (1).

El dígito ’2’ por estar en tercera posición comenzado desde la derecha, representa el número doscientos, el ’8’ al ochenta y el ’1’ al uno.

Es el que se utiliza en los ordenadores, pues trabajan internamente con dos niveles de voltaje, por lo que su sistema de numeración natural es el sistema binario (encendido 1, apagado 0).

“¡Ojalá me subieran en sueldo a 4281 euros!”, pensaría.

Podemos descomponer el número de la siguiente manera: 3281 = 3000 + 200 + 80 + 1 = = 3 x 1000 + 2 x 100 + 8 x 10 + 1 = 3 x 103+2 x 102 +8 x 101 +1 x 100 Observamos que cada dígito está multiplicando una potencia de 10. Cuanto más a la izquierda se sitúe el dígito, mayor será la potencia de diez por la que se multiplica. En la figura que sigue se muestra el número 3281 descompuesto en dígitos y pesos, y se indica cuál es el dígito de mayor peso y cuál es el de menor. Dígito de mayor peso

3281

Dígito de menor peso

3.103+2.102+8.101+1.100 DÍGITOS PESOS


En una cifra binaria, cada dígito tiene distinto valor dependiendo de la posición que ocupe. El valor de cada posición es el de una potencia de base 2, elevada a un exponente igual a la posición del dígito menos uno. Se puede observar que, tal y como ocurría con el sistema decimal, la base de la potencia coincide con la cantidad de dígitos utilizados (2) para representar los números. De acuerdo con estas reglas, el número binario 1011 tiene un valor que se calcula así: 1 x 23 + 0 x 22 + 1 x 21 + 1 x 20 , es decir: 8 + 0 + 2 + 1 = 11 y para expresar que ambas cifras describen la misma cantidad lo escribimos así: 10112 = 1110 Conversión entre números decimales y binarios Convertir un número decimal al sistema binario es muy sencillo: basta con realizar divisiones sucesivas por 2 y escribir los restos obtenidos en cada división en orden inverso al que han sido obtenidos.

273


Por ejemplo, para convertir al sistema binario el número 7710 haremos una serie de divisiones que arrojarán los restos siguientes: 77: 2 = 38 Resto: 1 38: 2 = 19 Resto: 0 19: 2 = 9 Resto: 1 9: 2 = 4

Resto: 1

4: 2 = 2

Resto: 0

2: 2 = 1

Resto: 0

1: 2 = 0

Resto: 1

de potencias de 10 como en el sistema decimal. Para evitar confusiones cuando se trabaja con sistemas de representación diferentes, se emplea la siguiente notación: 3528 = 23410 El subíndice 8 indica que el número está representado en un sistema octal y con el subíndice 10 se indica que lo está en un sistema decimal.

Y, tomando los restos en orden inverso obtenemos la cifra binaria: 7710 = 10011012 Volveremos a insistir en el sistema binario. ¿Qué nos impide que utilicemos unos sistemas de representación en los que los pesos de los dígitos, o incluso los dígitos sean diferentes de los del sistema decimal? Nada. Por ejemplo, podemos emplear un sistema de representación octal (Base 8), que utiliza sólo ocho dígitos (0, 1,2...7) para representar cualquier número y los pesos de los diferentes dígitos serán potencias de 8. En este sistema, si escribimos los dígitos 352 no se corresponden con el número “trescientos cincuenta y dos”. Para calcular cuál es el número que representa hay que multiplicar cada dígito por su correspondiente peso, obteniendo el número equivalente en el sistema decimal. 2 1 0 352 = 3 x 8 + 5 x 8 + 2 x 8 = 3 x 64 + 5 x 8 + 2 x 1 = 234 El número 352 en representación octal es equivalente al número 234 del sistema decimal. En el sistema octal, los dígitos tienen pesos que son potencias de 8, en lugar

274

Resumen de algunos sistemas de representación. Sistema octal (Base 8). Utiliza ocho dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7 y los pesos son potencias de 8. Sistema binario (Base 2) Este sistema de representación sólo utiliza los dígitos 0 y 1 para representar cualquier número. Fijémonos en lo interesante que resulta esto, ¡sólo con dos dígitos podemos representar cualquiera de los infinitos números! En el sistema binario los pesos de estos dígitos son potencias de 2. Veamos un ejemplo del número binario 101001 5 4 3 2 101001 = 1 x 2 + 0 x 2 + 1 x 2 + 0 x 2 +0 x 21+1 x 20 = 25 + 23 + 20= 41 El número binario 101001 se corresponde con el número 41 en decimal. El sistema binario tiene mucha importancia y se utiliza constantemente en electrónica digital.



Fijémonos en lo que significa esta forma de representación. Utilizando sólo dos dígitos, es posible representar cualquiera de los infinitos números. En la tecnología actual disponemos de un elemento, llamado transistor, que se puede encontrar en dos estados diferentes, abierto (corte) o cerrado (cerrado), a los que le asociamos los dígitos 0 y 1. Todos los circuitos integrados o chips se basan en estos transistores y trabajan internamente en binario. Todas las operaciones se realizan utilizando este sistema de representación, por eso es muy importante conocerlo, para entender cómo funcionan los microprocesadores y los chips por dentro. El peso de los dígitos es una potencia de 2. Sistema hexadecimal (Base 16) ¿Y sería posible utilizar más de 10 dígitos para representar los números?

Tabla de conversión para los sistemas decimal - binario - hexadecimal. La tabla que se muestra a continuación representa las equivalencias entre diferentes números expresados en los sistemas decimal, binario y hexadecimal, que son los que más usaremos. DECIMAL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

BINARIO 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

HEXADECIMAL 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

También es posible. Ese es el caso del sistema hexadecimal, en el que se emplean 16 dígitos: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E y F, donde las letras representan los números 10, 11, 12, 13, 14 y 15 respectivamente. Los pesos de los dígitos son potencias de 16. Por ejemplo, el número hexadecimal FE2A 16 se puede descomponer de la siguiente manera: 3

2

1

FE2A 16= F x 16 + E x 16 + 2 x 16 + A x 16 = 15 x 163 + 14 x 162 + 10 x 160 = 6500610

0

El sistema hexadecimal es muy curioso. Permite escribir números como los siguientes: CACA, DE, BACA. Este sistema, como veremos más adelante, se emplea para escribir números binarios de una manera más compacta, dado que el paso de hexadecimal a binario y viceversa es inmediato. En este trabajo sólo nos centraremos en el sistema binario.


Circuitos digitales y el Sistema binario. Ahora que ya tenemos un poco más claro el concepto de número y las diferentes formas que tenemos de representarlo, podemos retomar el esquema de un circuito digital (ver figura 9) para precisarlo un poco más.

Números de entrada, en binario

. . .

Números de salida, en binario

E0 E1 E2 E3

S0 S1 Circuito S2 digital S 3

Em

Sn

. . .

Circuito digital genérico, con entradas y salidas binarias Fig. 9

Con la tecnología que hay actualmente, los circuitos digitales manipulan números que están representados en binario. Así podemos decir que un circuito digital actual tiene como entradas y salidas números en binario.

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Es decir, números que vienen expresados con los dígitos ’0’ y ’1’. En la figura anterior se ha dibujado un circuito digital genérico, en el que sus entradas y salidas se expresan en binario. Cada una de las entradas y salida representa un dígito binario. ¿Pero cual es el peso de este dígito? Eso nos lo indican los subíndices de las letras E y S. Así, la entrada E 0 se corresponde con el dígito de menor peso, la entrada E 1 con los dígitos de peso 2 1 = 2, y así sucesivamente hasta la entrada n que es la de mayor peso. Lo mismo es aplicable a la salida. En los circuitos digitales, los números que se procesan, están expresados en binario, tanto en la entrada como en la salida. Un dígito binario, que puede ser ’0’ ó ’1’, recibe el nombre de BIT, del término ingles BInary digiT (dígito binario). Utilizaremos los bits para indicar el tamaño de las entradas y salidas de nuestros circuitos. Así por ejemplo podemos tener un circuito digital con 3 bits de entrada y 4 de salida.

Vamos a ver cómo en determinadas ocasiones resulta muy intuitivo el trabajar con números binarios. Imaginemos que en una habitación hay 5 bombillas situadas en la misma línea, y que cada una de ellas puede estar encendida o apagada. ¿Cómo podríamos representar el estado de estas 5 bombillas mediante números? Una manera muy entendible sería utilizar el sistema binario, en el que utilizaríamos el dígito 1 para indicar que la bombilla está encendida y el dígito 0 para indicar que está apagada. Así el número 01011 nos indica que la primera bombilla está apagada, la segunda encendida, la tercera apagada y las dos últimas encendidas, como se muestra en la figura 11. Ésta forma de representar el estado de las bombillas es bastante expresiva. Es un ejemplo en el que se puede apreciar que pensar en binario resulta más fácil que hacerlo directamente en decimal.

Este circuito se muestra en la siguiente figura 10. Bombilla encendida 3 bits de entrada

Bombilla apagada

4 bits de salida

E0 E1 E2

S0 Circuito S1 digital S2 S3

0

1

0

1

1

Fig. 11 Circuito digital con tres bits de entrada y 4 de salida Fig. 10

Los circuitos digitales sólo saben trabajar con números en binario, sin embargo a los humanos nos es más cómodo trabajar en decimal. Traba jar con número binarios puede parecer poco intuitivo.

276

Sistema binario y sistema hexadecimal. El sistema hexadecimal se utiliza para representar números binarios de una forma más compacta porque llega un momento en que se hace excesiva la sucesión de ceros y de unos. Como cada dígito hexadecimal codifica 4 bits, un número hexadecimal de 4 bits permite representar un número binario de 16 bits.



Veamos un ejemplo:

En la figura 12 se muestra un circuito digital que tiene un bit de entrada.

10110001111011012 = B1ED16 Podemos apreciar cómo es mucho más cómodo utilizar el número hexadecimal que el binario. Pero, ¿cómo se pasa de binario a hexadecimal o viceversa? Lo único que hay que conocer es la tabla de conversión para los sistemas decimalbinario-hexadecimal (presentada anteriormente). El número en binario hay que dividirlo en grupos de 4 bits empezando desde la derecha. La conversión del número binario anterior se haría de la siguiente manera:

1011 0001 1110 1101 1

E

Si queremos introducir un dígito ’0’ ponemos el interruptor en la posición B, por lo que llegan cero voltios. 5 voltios A

El proceso es muy sencillo.

B

Si queremos introducir un dígito ’1’ ponemos el interrupción en la posición A, de manera que por la entrada E llegan 5 voltios.

B

0 voltios

1 bit de entrada

E Circuito S Digital

1 bit de salida

Fig. 12

En los circuitos digitales, se usan dos tensiones diferentes, una para representar el dígito ’1’ y otra para representar el dígito ’0’. Se usan 5 voltios para el dígito ’1’ y 0 voltios para el dígito ’0’.

D Otros sistemas de representación.

Bits y electrónica. Todavía nos queda una cosa por resolver.

Para representar los números hemos visto que los circuitos digitales utilizan el sistema binario.

En la electrónica trabajamos con electrones, forzándolos a que hagan lo que nosotros queremos.

Y hemos estado utilizando el sistema binario natural, en el que los bits tienen de peso potencias de 2, que es lo más habitual.

En el caso de los circuitos digitales, lo que hacemos es operar con números. ¿Cómo conseguimos esto? ¿Cómo introducimos los números en los circuitos digitales?

Sin embargo existen otros sistemas de representación que son binarios en el sentido de que sólo usan los dos dígitos ’0’ y ’1’, sin embargo tienen pesos diferentes.

La solución es asignar un voltaje a cada uno de los dos estados de un bit. Lo normal, conocido como lógica TTL, es asignar el valor de 5 voltios al dígito ’1’ y 0 voltios al dígito ’0’. Esta asignación de valores depende de la tecnología empleada.


Algunos de estos sistemas, también conocidos como códigos son los siguientes: 1. Código BCD: Decimal Codificado en Binario. Es una manera de representar números decimales en binario. A cada dígito decimal se le asignan 4 bits, correspondientes a su número binario natural.

277


Así por ejemplo para representar número decimal 21 en BCD, utilizaremos en total 8 bits, 4 para uno de los dos dígitos: 21 = 0010 0001 Los primeros 4 bits representan al dígito ’2’ y los 4 siguientes al dígito ’1’.

PETABYTE 1.000 Terabytes. EXABYTE 1.000 Petabytes. ZETTABYTE 1.000 Exabytes.

2. Código AIKEN: Similar al BCD, pero con los pesos cambiados. Cada dígito decimal se representa mediante 4 bits, siendo los pesos de estos bits: 2, 4, 2 y 1.

YOTTABYTE 1.000 Zettabytes.

EJERCICIOS RESUELTOS 3. Código GRAY : Es una familia de códigos que se caracterizan porque el paso de un número al siguiente implica que sólo se modifica un bit.

1. Descomponer el número 63 en sus dígitos y pesos.

Terminología

Solución: 1 0 63 = 6 x 10 + 3 x 10 Dígitos: ’6’ y ’3’ con pesos 10 y 1.

BIT Dígito binario. Un bit puede tomar los valores 0 ó 1. Es la abreviatura de las palabras inglesas de Binary digiT. BYTE Conjunto de 8 bits. Equivalen en el alfabeto digital a una letra. El número más alto que se puede representar es el 11111111, que en decimal es 255. KILOBYTE 1.000 BYTES (2 kilobytes son una página completa de texto y 100 kilobytes una foto de teléfono móvil). MEGABYTE 1.000 KILOBYTES (1Megabyte poco menos que un disquete de 3,5”,10 Megabyte, casi un minuto de vídeo). GIGABYTE 1.000 Megabytes (1Gigabyte, una hora de vídeo con calidad de imagen y 5 Gigabytes 7.000 fotografías con buena resolución). TERABYTE 1.000 Gigabytes (7 Terabytes ocupan los archivos de texto que necesitarían 1.000 árboles convertidos en papel).

278

2. Hacer lo mismo que en ejercicio 1, pero con el número 10358. Solución: 10358 = 1 x 104 + 0 x 103 + 3 x 102 + 5 x 101 + 8 x 100 Dígitos ’1’,’0’,’3’,’5’ y ’8’ con pesos 10000, 1000, 100, 10 y 1 respectivamente.

3. Pasar los siguientes números al sistema decimal: a) 1010111

2

Solución: 1010111 = 1 x 26 + 0 x 25 + 1 x 24 + 0 x 23 + 1 x 2 2 + 1 x 21+ 1 x 20 = 64 + 16 + 4 + 2 +1 = 87 b) BABA 16 Solución: BABA = B x 163 + A x 162 + B x 161 + A x 160 = 11 x 4096 + 10 x 256 + 11 x 16 + 10 = 45056 + 2560 + 176 + 10 = 47802



c) 298

b) FA00

Solución: 298 = 2 x 81 + 9 x 80 = 2 x 8 + 9 = 25

Solución: FA00 = F-A-0-0 = 1111-1010-00000000 = 1111101000000000

4. Pasar de hexadecimal a binario: a) FFFF

c) 321C

Solución:

Solución:

FFFF = F - F - F - F = 1111-11111111-1111 = 1111111111111111

321C = 3-2-1-C = 0011-0010-00011100 = 11001000011100

LÓGICA BINARIA. OPERACIONES LÓGICAS CON VARIABLES BINARIAS Función IGUAL Función NO Función OR Función AND Función NOR Función NAND Función XOR Función XNOR Lógica binaria. Operaciones lógicas.

Anemómetro tal como se instala Fig. 13

Una operación lógica es una consideración que asigna un valor (cierto o falso) a la combinación de condiciones (cierto o falso) de uno o más factores. Los factores que intervienen en una operación lógica sólo pueden ser ciertos o falsos. Y por ello, el resultado de una operación lógica puede ser únicamente, cierto o falso. Por ejemplo, imaginemos el sistema de control del toldo de una cafetería, que se gobierna mediante una operación lógica. Sabemos que existe un enemigo acérrimo del toldo que es el viento y para controlarlo el sistema incorpora un pequeño anemómetro, tal como el de la figura.


Anemómetro con interruptor crepuscular Fig. 14

279


Los resultados de una operación lógica, para cada uno de los valores posibles de las variables, se fijan en una tabla denominada Tabla de Verdad, como la del ejemplo anterior. Para que un procesador pueda ejecutar las operaciones lógicas, es preciso asignar un valor binario a cada una de las condiciones posibles. Hemos leído que se suele asignar un (1) al valor cierto y un (0) al valor falso, con el criterio denominado lógica positiva. Toldo con anemómetro e interruptor crepuscular separado Fig. 15

Al anemómetro suele acompañarle un interruptor crepuscular. El anemómetro gira si hace aire y lleva solidario a su eje un generador de tensión o dinamo. La tensión que genera activa cualquier sistema ya estudiado, como un relé, contactor o un transistor en corte o paso, interrumpiendo la continuidad del circuito de activación del toldo. Para que el motor que extiende el toldo se accione deberá tener en cuenta tres factores: ¿Es de día? ¿Hace sol? ¿Hay viento? O sea, que las premisas para que el toldo se extienda son: -Que sea de día.

Las operaciones lógicas más importantes son: IGUAL (idéntico), NO (negación), OR (O), AND (Y), NOR (O negada), NAND (Y negada), XO R (O exclusiva) y XNOR (O exclusiva negada).

Veámoslas con detalle: Función IGUAL. El resultado S de aplicar la función lógica igual, sobre una variable a, es muy simple: si a es cierto (1), es cierto S y si a es falso (0), S también es falso (0). Estos dos resultados posibles se muestran en la tabla de verdad adjunta:

-Que luzca el sol. -Y que no haya viento. Si los tres factores son ciertos, el motor debe ponerse en marcha y extender el toldo.

De Día

Sol

Viento

Toldo

Falso

Falso

Cierto

Falso

Falso

Falso

Cierto

Falso

Cierto

Falso

Falso

Falso

Cierto

Cierto

Falso

Cierto

a

S

1

1

0

0

Un ejemplo sencillo, de aplicación práctica de esta función lógica, sería el encendido de las luces del alumbrado público. En algún lugar de la ciudad se instala un detector crepuscular, que denuncia cuándo es de noche y activa un interruptor que enciende las farolas de las calles. Si es de noche (1) se encienden las lámparas (1); si NO es de noche (0) NO se encienden las lámparas (0).

280



Un circuito eléctrico capaz de realizar esta función lógica es el siguiente:

+5 V A

Un ejemplo sencillo de aplicación práctica de esta función lógica sería el circuito que controla el acceso a una oficina bancaria, a través de una puerta automática equipada con un detector de metales que activa un interruptor. Si el detector de metales SI nota que el cliente lleva objetos metálicos (1), la puerta NO se abre (0).

S

En cambio, si el cliente NO lleva objetos metálicos (0), la puerta SI se abre (1).

+5 V

Fig. 16

A

S

Se puede representar así:

Fig. 18

A

Y

Podemos representarla así:

A

Fig. 17

Y

Función NO. El resultado S de aplicar la función lógica NO, sobre una variable a, es muy simple: si a es cierto (1), S es falso (0) y si a es falso (0), S cierto (1).

A

Estos dos resultados posibles se muestran en la tabla de verdad adjunta. Se conoce también como función negación: S equivale a una a negada.

a

S

1

0

0

1

Podemos expresarlo así: S = a También puede expresarse así: S = a


1

Y

Fig. 19

Función OR. La función OR equivale a la conjunción disyuntiva O. El resultado S de aplicar la función lógica OR, sobre dos variables a y b es el siguiente: S es cierto si a es cierto (1) o si b es cierto (1). Cuando se aplica una operación lógica sobre 2 variables caben 4 combinaciones posibles.

,

Los resultados de la operación lógica OR, en las cuatro combinaciones posibles de valores dos variables, se muestran en la tabla de verdad adjunta.

281


S es cierto si a es cierto (1) o si b es cierto (1)

a

b

S = a + b

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

Otra forma de representarla:

A B

Y=A+B

A B

1

Y=A+B

Fig. 20

Conviene indicar que, además de las puertas de dos entradas, también se fabrican puertas OR de tres y cuatro entradas, en las que la salida tomará el nivel lógico 0 (nivel bajo de tensión) únicamente cuando todas sus entradas estén también a nivel lógico 0.

Una aplicación práctica sencilla de la operación lógica OR, sería el circuito de señalización instalado en un comercio, en el que se puede entrar por dos puertas distintas, que avisaría al dependiente al entrar un cliente por cualquiera de las dos puertas del establecimiento. Si un cliente entra por la puerta a (1) o si un cliente entra por la puerta b (1), el timbre SI suena (1). Si no entra ningún cliente por ninguna de las puertas a (0) ni b (0), el timbre NO suena (0).

Función AND.

Un circuito eléctrico compuesto por dos interruptores en paralelo, cumple la lógica OR. La lámpara S se encenderá (1) si se acciona el interruptor a (1), o si se acciona el interruptor b (1), o si se accionan ambos interruptores.

La función AND equivale a la conjunción copulativa Y: El resultado, S de aplicar la función lógica AND, sobre dos variables a y b es el siguiente:

Si no se acciona ningún interruptor, la lámpara NO se encenderá (0).

Los resultados de la operación lógica AND, en las cuatro combinaciones posibles de valores dos variables, se muestran en la tabla de verdad adjunta.

S es cierto si a es cierto (1) y si b es cierto (1).

+5 V A S

B

282

Fig. 19

a

b

S = a . b

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1



Una aplicación de la operación lógica AND, sería el sistema de control de los pasajeros en un aeropuerto.

Al igual que ocurría con la puerta OR, conviene indicar que, además de las puertas de dos entradas, también se fabrican puertas AND de tres y cuatro entradas, en las que la salida tomará el nivel lógico 1 (nivel alto de tensión) únicamente cuando todas sus entradas estén también a nivel lógico 1.

Cada pasajero debe pasar por dos controles: ¿Tiene tarjeta de embarque? ¿No lleva objetos metálicos peligrosos? Una empleada del aeropuerto comprueba que tiene un billete válido y le da una tarjeta de embarque. A continuación un grupo de agentes comprueban su equipaje de mano con un escáner y un arco detector de metales. El pasajero sólo puede embarcar en el avión si tiene tarjeta de embarque (1) y no lleva consigo objetos peligrosos (1). En los demás casos no puede embarcar. Es fácil construir un circuito eléctrico que cumple la lógica AND: dos interruptores en serie, a y b, por ejemplo. La lámpara S sólo se encenderá si se actúa sobre el interruptor a (1) y sobre el interruptor b (1). En todos los demás casos, la lámpara NO se encenderá.

+5 V A

B

S

Función NOR. La función NOR equivale a la función OR negada. El resultado S de aplicar la función lógica NOR, sobre dos variables a y b es el siguiente: S es cierto si a es falso (0) y si b es falso (0). Los resultados de la operación lógica NOR, en las cuatro combinaciones posibles de valores dos variables, se muestran en la tabla de verdad adjunta:

a

b

S = a + b

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

Fig. 21

Podemos representarla así:

A B A B

1

Y=A+B

&

Y=A+B

Fig. 22


Una aplicación práctica sencilla de la operación lógica NOR, sería el sistema de seguridad de un puente levadizo. Un detector a se activa cuando circula un vehículo en el puente por el carril derecho. Otro detector b se activa cuando circula otro vehículo por el carril contrario. Los motores que accionan el sistema de elevación del puente sólo deben ponerse en marcha si se da la condición NOR: no hay ningún vehículo circulando por el carril derecho NI por el carril izquierdo.

283


Un circuito eléctrico compuesto por dos interruptores normalmente cerrados, en serie, cumple la lógica NOR: La lámpara SI se encenderá (1) si NO se acciona el interruptor a (0) NI se acciona el interruptor b (0). Si se acciona cualquiera de los dos interruptores, la lámpara NO se encenderá (0).

+5 V A

B

S

Fig. 23

A B

Y

1

Y

Fig. 24

Conviene indicar que cuando a una puerta NOR o NAND se le unen todas sus entradas, éstas se comportan como una puerta inversora, por lo que con estos dos tipos de puertas lógicas es posible realizar cualquier circuito lógico.

Función NAND. La función NAND equivale a la función AND negada. El resultado S de aplicar la función lógica NAND, sobre dos variables a y b es el siguiente:

284

Los resultados de la operación lógica NAND, en las cuatro combinaciones posibles de valores dos variables, se muestran en la tabla de verdad adjunta:

a

b

S = a x b

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Una aplicación práctica sencilla de la operación lógica NAND sería, por ejemplo, el control del aire acondicionado de un edificio inteligente.

Podemos ponerla así:

A B

S es cierto si a es falso (0) o si b es falso (0) o si son falsas ambas variables.

Supongamos que el sistema está equipado de un interruptor horario, mejor astronómico, que dispone de un contacto conmutador. Durante el día el contacto que utilizamos de este reloj está activado (1) y durante la noche está desactivado (0). Supongamos también que en cada planta del edificio hay un detector de presencia con una salida, también conmutada, que pone el contacto que utilizamos, a UNO (1), cuando todo el mundo ha salido y a CERO si hay alguien. Todos los contactos de los detectores de presencia están en serie. ¿Cómo controlar la puesta en marcha del aire acondicionado? Muy fácil, con un circuito que siga la lógica NAND: El aire acondicionado se parará cuando sea de noche y no quede nadie en el edificio. Y se activará cuando sea de día. Aunque no haya gente.



Un circuito eléctrico compuesto por dos interruptores normalmente cerrados, en paralelo, cumple la lógica NAND: la lámpara SI se encenderá (1) si NO se acciona el interruptor a (0) o si NO se acciona el interruptor b (0) o si NO se accionan ambos interruptores.

+5 V A

Función XOR. La función XOR se conoce también con el nombre de OR EXCLUSIVA . El resultado S de aplicar la función lógica XOR, sobre dos variables a y b es el siguiente: S es cierto solo si a es cierto (1) o si b es cierto (1), pero no si ambas variables son ciertas. Esto se representa así:

S B

Los resultados de la operación lógica XOR, en las cuatro combinaciones posibles de valores dos variables, se muestran en la tabla de verdad adjunta:

Fig. 25

Podemos representar esta puerta como:

A B

1

Y

A B

&

Y

Fig. 26

Conviene indicar que cuando a una puerta NOR o NAND se le unen todas sus entradas, éstas se comportan como una puerta inversora, por lo que con estos dos tipos de puertas lógicas es po sible realizar cualquier circuito lógico.

a

b

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Un circuito eléctrico como el del esquema siguiente, compuesto por dos pulsadores dobles NA + NC, cumple la lógica XOR: La lámpara S se encenderá (1) EXCLUSIVAMENTE si se acciona el pulsador a o si se acciona el pulsador b, pero NO se encenderá si se accionan simultáneamente ambos pulsadores. Tampoco se encenderá si no se acciona ninguno de los dos pulsadores.

+5 V A

B

S

Otra indicación: En la actualidad se fabrican puertas NAND hasta de ocho entradas.


Fig. 27

285


Este circuito se puede asimilar a este otro:

Un circuito eléctrico como el del esquema siguiente, compuesto por dos pulsadores dobles NA + NC, cumple la lógica XNOR: la lámpara S se encenderá si se accionan ambos pulsadores o si no se acciona ninguno de ellos.

+5 V

Fig. 28

Y un ejemplo lo tenemos en dos conmutadores de la luz de un pasillo:

A

B

S

Se enciende o se apaga la luz accionando uno u otro pulsador, pero nunca se encenderá si se accionan los dos a la vez. Se puede representar así:

A B

Fig. 30

A o B Fig. 29

Y

Función XNOR.

A

B

A

B

La función XNOR se conoce también con el nombre de OR EXCLUSIVA NEGADA . El resultado S de aplicar la función lógica XNOR, sobre dos variables a y b es el siguiente:

+5V

Fig. 31

S es CIERTO si a y b son ciertos o si a y b son falsos.

Es decir, si ambas variables tienen el mismo valor.

Se puede representar así:

Y se representa así: Los resultados de la operación lógica XNOR, en las cuatro combinaciones posibles de valores dos variables, se muestran en la tabla de verdad adjunta:

286

La puerta sólo da un uno lógico a la salida cuando las dos entradas son iguales.

a

b

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

1

A B

A o B Fig. 32

SIMBOLOS DE LAS PUERTAS Para tenerlos agrupados y a mano aparecen a continuación la mayor parte de las puertas lógicas.



Función

Símbolos

Ecuación lógica

Norma MIL A

OR

AND

NOT

S = A+B

S = A .B

S = A

S

B

A B

A

S

B S

>1

A B

A

Circuito físico con contactos

Norma IEC

A

&

1

S

A

S

B

S

S

A

B

S

Tabla de verdad A 0 0 1 1

B S 0 0 1 1 0 1 1 1

A 0 0 1 1

B S 0 0 1 0 0 0 1 1

S

A

A S 0 1 1 0

inversor

NOT (OR+NOT)

S = A+B S = A .B

NOT (AND+NOT)

S = A .B S = A+B

A

EXOR

S=A+B = AB + AB

A

S = A

A

EXCI TADOR

A

S

A B

B S

A B

B S

S

&

A B

B

>1

A

=1

1

S

S

A

B

S

S

A B

S

S

A

B

A

B

A

S

S

A 0 0 1 1

B S 0 1 1 0 0 0 1 0

A 0 0 1 1

B S 0 1 1 1 0 1 1 0

A 0 0 1 1

B S 0 0 1 1 0 1 1 0 A S 0 0 1 1

Cronograma A B S A B S

A S

A B S A B S A B S A S

Fig. 33

Observaciones: Los símbolos se representan de distinta forma según sea la NORMA que rija en el país donde se realice el trabajo. La NORMA MIL-STD es la que utiliza el ejército americano en sus equipos e instalaciones. La NORMA IEC pertenece a Commission Electrotechnique Internationale.

EJECUCIÓN DE FUNCIONES CON PUERTAS LÓGICAS Una de las características de la electrónica digital que más gusta al aficionado es lo fácil que resulta iniciarse en el diseño de circuitos. A continuación vamos a ver lo sencillo que puede llegar a ser diseñar un circuito digital con tal de que conozcamos la función lógica que debe de verificar.


La función lógica estará compuesta por diversas variables lógicas relacionadas entre sí. Dichas operaciones son la suma lógica (+), el producto lógico (*) y la negación (así, a negada la representaremos por a . Sin más preámbulos, veamos cómo se obtiene el circuito digital para que resuelva una función lógica, y qué mejor forma de verlo que con un ejemplo concreto: Idéese un circuito digital tal que realice la función lógica G = ( a x b ) + [c x ( a + b )] Empecemos por ver cuántas variables forman a la función G. En este caso se ve que son tres, a, b y c. Ya podemos empezar a dibujar el circuito. Hay que trazar tantas líneas verticales como variables tenga la función, poniéndole a cada una de ellas como título el nombre de una variable:

287


a

b

c

Podríamos seguir con la suma lógica de a con b (puerta OR):

a

b

c

Fig. 34

¿Hay alguna variable aislada que esté negada? Si la respuesta es sí (y en este caso lo es, fíjese en la función, en ella aparece b ) habrá que colocar una puerta inversora de tal forma que su entrada esté conectada a la línea de la variable que debe negarse. A la salida de esta puerta tendremos la variable negada:

a

b

Fig. 37

La puerta OR recién colocada entrega a su salida a + b . Si multiplicamos esto por c tendríamos [c x ( a + b )] (ver la expresión de la función G):

a

c

b

c

Fig. 35

Fig. 38

Como puede apreciarse, la salida de la puerta se ha ampliado con una línea vertical más.

Por último sólo queda sumar ( a + b) (que está en la salida de la puerta NAND) con [c x a ( + b )] (presente en la salida de la puerta AND) para obtener la función G de salida:

El siguiente y último paso es ir realizando con puertas lógicas las operaciones de la función lógica.

a

b

c

Así, podríamos hacer ahora el producto negado de la variable a con la variable b. Para ello emplearemos la puerta NAND:

a

b

G

c Fig. 39

Y ya tenemos nuestro circuito terminado.

Fig. 36

288

Este circuito calcula automáticamente el valor de la función G para cualquier combinación de valores de las variables que forman la función.



Hemos podido percatarnos de lo siguiente: Para poder llevar a cabo la ejecución de la función planteada es im prescindible conocer con detalle cada una de las puertas lógicas que existen.

LAURA

JUAN

PEDRO

LUIS

+

ALARMA

Fig. 40

Por este motivo, invitamos a nuestros lectores a repasar la parte que trata de las puertas lógicas.

ANECDOTARIO Un profesor enseñó a un alumno, para distraer el aburrimiento durante un viaje, cómo se traducía un problema a un circuito eléctrico de control sencillo, compuesto de interruptores.

MÁS CONCEPTOS DE INTERÉS Nos va a ayudar para hacer montajes, conocer la lógica combinatoria y la lógica secuencial.

Y le puso el siguiente ejemplo: Un padre tenía una hija guapísima (Laura, por ejemplo), a la que rondaban tres pretendientes. El hombre quería vivir tranquilo y diseñó un sistema, con alarma, que le advirtiese cuando la chica se quedaba a solas con uno sólo de sus pretendientes (pongamos que eran Juan, Pedro y Luis, por ejemplo). El sistema no debería sonar si la chica estaba con más de uno de ellos porque, creía que, en esas condiciones no podía existir el menor problema. Traducir esa complicación a una tabla de verdad fue sencillo. LAURA 1 1 1

JUAN 0 0 1

PEDRO 0 1 0

LUIS 1 0 0

ALARMA 1 1 1

Suponiendo que cada uno de los muchachos se sentaba siempre en la misma butaca, podríamos dotarlas de un grupo de interruptores.


Lógica combinatoria. Los circuitos combinacionales son aquellos que no tienen en cuenta la variable tiempo. Están formados por combinaciones de puertas lógicas. Lógica secuencial. Método de ordenamiento de acciones, razonamiento, y expresión de la automatización de maquinaria, equipos y procesos. Y su interrelación con el hombre. Esto nos da por consiguiente los binomios, hombre-máquina, hombre-proceso. En el proceso productivo se traduce en mecanización de movimiento, y como es lógico suponer existen sistemas híbridos, mecánica-electricidad-electrónica-hidráulica etc. para la obtención de un fin determinado. Así damos funcionamiento a un método de producción. En una operación de ensamble existe

289


también la lógica binaria y su aplicación de decisión, aun cuando se coloquen seis tornillos existe la lógica al colocarlos y en el apriete de los mismos, y el método no debe cambiar.

Es frecuente que también figure la misma salida, negada, lo que evita tener que añadir puertas inversoras cuando se añaden funciones combinatorias.

En una operación de desbaste en maquinado manual o CN la lógica secuencial esta presente, desde la colocación de la pieza, como del ataque de la herramienta y velocidad de corte.

Todos los circuitos que pueden tomar diversos estados a lo largo del tiempo, como es éste, llevan, además, al menos una línea cuya activación supone su reposición a un estado cierto (normalmente la salida pasa a valer cero) llamada Reset.

Un proceso de tratamiento térmico es un diseño con lógica secuencial, desde la colocación de las piezas dentro del horno, el encendido de los quemadores, la generación de atmósfera si se requiere, el precalentamiento, la zona o tiempo de tratamiento, el proceso de enfriamiento, etc. El trabajador implicado en el proceso productivo y una vez capacitado en Lógica Secuencial sobre las diferentes máquinas y o equipos productivos, podrá determinar con precisión las causas de una interrupción de su equipo, la detección de un defecto en una unidad en el proceso, o bien sugerir mejoras en el sistema de control visual del equipo. También es posible que el operador precise qué componente periférico esta comenzando a provocar un fallo y anticiparse a un paro.

En la modalidad más elemental, la salida del flip-flop (Q) conmuta (si estaba alta se hace baja y viceversa) cada vez que a su entrada (Clock) se le aplica un flanco activo. Ha de quedar clara la idea de flanco, y para ello puede ser de ayuda la figura. Nivel Alto

Flanco ascendente

Nivel Bajo Flanco descendente Fig. 42

A esta báscula también se le llama Maestro-Esclavo. La razón de su nombre es su constitución interna.

Báscula, flip-flop o biestable. Cualquiera de los adjetivos es válido. Se trata de un componente "de tiempo" que básicamente consta de dos conexiones: Clock o Reloj (C).- Se le suele llamar Reloj (Clock en Inglés), y es la entrada de control principal.

El contador. La aplicación más inmediata de la báscula es el contador. Podemos construir un contador empleando sólo básculas, sin añadir nada más. Qc

Qb

Qa

Flip-Flop Clock Clock

Báscula

(Reloj)

Q

Qc

Cc

Qb

Cb

Qa

Ca

(Salida) Fig. 43

Biestable

Fig. 41

Salida (Q).- Normalmente se rotula con la letra Q.

290

Abajo tenemos el diagrama de estados, y en él salta a la vista cómo la interpretación de los niveles que ofrecen las salidas, debidamente ordenados (bit MSB el de la báscula más alejada a la entrada) es un número binario



que lleva en todo momento la cuenta de la cantidad de pulsos que han ido apareciendo en la entrada principal del circuito (Clock).

2 3 4 5 6 7 8 Clock 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1

Qa 0 Qb

1

0

1

0

Qc

1

0

1

0 1

0 1

0 Fig. 44

Este primer detalle es la razón de que a este circuito se le llame contador.

En la figura 45 se muestra un esquema. Las posiciones son la 0 para el agua potable y 1 para el agua de regar. Moviendo la llave de paso, el granjero puede seleccionar si lo que quiere que salga por la manguera es agua potable, para dar de beber al ganado, o agua para regar los cultivos. Según cómo se posicione esta llave de paso, en la posición 0 ó en la 1, seleccionamos una tubería u otra. Pero ¿por qué sólo dos tuberías? Porque es un ejemplo. A la granja podrían llegar 4 tuberías. En este caso el granjero tendría una llave de paso con 4 posiciones, como se muestra en la figura 46.

Multiplexores Tubería de agua potable

Manguera de entrada a la granja 0

Tubería de agua para regar

1 Llave de paso

Tubería 0

0

Tubería 1

1

Tubería 2

2

Tubería 3

3

Tubería de acceso a la granja

Llave de paso de 4 posiciones Fig. 46

Fig. 45

Conceptos Un Multiplexor es un circuito combinacional al que entran varios canales de datos, y sólo uno de ellos, el que hayamos seleccionado, es el que aparece por la salida. Es decir, que es un circuito que nos permite SELECCIONAR qué datos pasan a través de dicho componente. Vamos a ver un ejemplo NO electrónico. Imaginemos que hay dos tuberías (canales de datos) por el que circulan distintos fluidos (datos). Una transporta agua para regar y la otra agua potable. Estas tuberías llegan a una granja, en la cual hay una única manguera por la que va a salir el agua (bien potable o bien para regar), según lo que seleccione el granjero posicionando la llave de paso en una u otra posición.


Esta llave se podría poner en 4 posiciones distintas para dar paso a la tubería 0, 1, 2 ó 3. Obsérvese que sólo pasa una de las tuberías en cada momento, ¡y sólo una! Hasta que el granjero no vuelva a cambiar la llave de paso no se seleccionará otra tubería. Con este ejemplo es muy fácil entender la idea de multiplexor. Es como una llave de paso, que sólo conecta uno de los canales de datos de entrada con el canal de datos de salida. Ahora en vez de en tuberías, podemos pensar en canales de datos, y tener un esquema como el que se muestra en la figura 47, en la que hay 4 canales de datos, y sólo uno de ellos es seleccionado por el multiplexor para llegar a la salida. En general, en un multiplexor tenemos dos tipos de entradas:

291


Canal 0

En la figura 48 se muestran dos multiplexores que tienen 4 entradas de datos.

0

4,57,98,92,202

Canal 1 1 Multiplexor

0,1,7,11,55,35...

Canal 2

2

11,23,44,234,156...

Canal de salida 11,23,44,234,156

(Canal 2 seleccionado)

Canal 3 3

0,0,0,2,3,45...

Sin embargo, en uno las entradas de datos son de 2 bits y en el otro de 1 bit.

2 Entrada de selección

Salidas de datos.

Fig. 47

Entradas de datos : (Las tuberías en el ejemplo).

Entrada de selección : Indica cuál de las entradas se ha seleccionado (posición de la llave de paso). Entradas de datos.

Multiplexores y bits Hemos visto cómo a un multiplexor le llegan números por distintas entradas y según el número que le llegue por la entrada de selección , lo manda por la salida o no.

¡Números! Recordemos que los circuitos digitales sólo trabajan con números. Pero estos números, vimos que siempre vendrán expresados en binario y por tanto se podrán expresar mediante bits. ¿Cuantos bits? Depende de lo grande que sean los números con los que se quiere trabajar. En el interior de los microprocesadores es muy normal encontrar multiplexores de 8 bits, que tienen varias entradas de datos de 8 bits. Pero se puede trabajar con multiplexores que tengan 4 bits por cada entrada, o incluso 2, o incluso 1bit. Multiplexor de 4 canales de entrada, de 2 bits

Multiplexor de 4 canales de entrada, de 1 bit

A 0 A 1

s o t a d e d a d a r t

B0 B1

Salidas

C0 C1

n E

D0 D1

s o t a d e d a d a r t

n E

S1S0

Fig. 48

292

A B

O

C D

Salida

S1S0

Entradas de selección

Entradas de selección

Por ello la entrada de selección tiene dos bits (para poder seleccionar entre los cuatro canales posibles).

Mirando el número de salidas , podemos conocer el tamaño de los canales de entrada .

Así en los dos multiplexores de la figura 48, vemos que el de la izquierda tiene 2 bits de salida, por tanto sus canales de entrada son de 2 bits. El de la derecha tiene 1 bit de salida, por tanto los canales de 1 bit. Los multiplexores en lo que principalmente nos centraremos son los que tienen canales de 1 bit. A partir de ellos podremos construir multiplexores mayores, bien con un mayor número de canales de entrada o bien con un mayor número de bits por cada canal. Representación de un multiplexor. En la figura 49 podemos verificar cómo se representa.

s a d a r t n E

Salida MX

Selección Representación de un multiplexor Fig. 49

Los registros de desplazamiento: Son circuitos secuenciales sencillos, compuestos por un conjunto de biestables que se conectan en serie, y una circuitería adicional que controla los modos de cargar y acceder a los datos que almacenan. Su principal función, en el seno de sistemas más complejos, es servir de almacenamiento temporal de un conjunto de bits sobre los que se esta realizando una tarea de procesamiento.



Las dos operaciones básicas que realiza un registro de desplazamiento es la carga/almacenamiento de los datos y el desplazamiento de estos a lo largo de los biestables que lo componen; la obtención de los datos correctos a la salida del dispositivo depende de una cuidadosa sincronización de las señales de control, de entrada y de salida.

La cola que usaremos como ejemplo tiene 8 lugares, que hemos numerado del 0 al 7, pero nada impide trabajar con colas más largas, por lo que todo lo que se vea aquí, puede ser generalizado para colas de la longitud que se desee (Fig. 50B). La cola utilizada como ejemplo tiene 8 posiciones. Otra particularidad de nuestra hipotética cola es que nunca puede estar vacía.

La mejor manera de entender conceptos nuevos es apoyándonos en analogías con temas que nos son familiares.

Todas sus posiciones tienen que estar ocupadas, ya sea por "los más gruesos" o " los más flacos".

En este caso no vamos a hacer una excepción, por lo que utilizaremos como ejemplo el funcionamiento de una cola, una fila, como la de un banco o supermercado.

En el estado inicial, la cola se encuentra completamente llena de "gruesos", como se a continuación en la fig.51

Supongamos que dos tipos de personas pueden formar parte de una cola.

Nuestra cola funciona como cualquier cola de la vida real: cuando alguien nuevo llega a la fila, se coloca en el último lugar, que en este caso corresponde a la "posición 0". Como la cola tiene una longitud máxima (en nuestro ejemplo) de 8 posiciones, para hacer lugar al recién llegado, es necesario que todos los que estaban en la fila "avancen" una posición.

Estos dos tipos de personas son las que se ven en la figura siguiente, y es imposible confundir una con otra. Es decir, siempre estaremos seguros que en una posición determinada de la fila está una u otra persona. Las llamaremos "0" (al más grueso) y "1" (al más flaco). (Fig. 50)

Fig. 50 "0" y "1", nuestros personajes.

Fig. 50 B

Fig. 51


293


El que estaba en la posición 0 pasa la 1, el que estaba en la 1 pasa a la 2, y así hasta llegar al que estaba en la posición 7, que "sale" por el extremo opuesto. Fig. 52.

sión del funcionamiento de los registros de desplazamiento. Supongamos que queremos que en la cola haya dos flacos en los primeros lugares, luego un gordo, otra vez dos flacos, luego otro gordo por ultimo dos flacos más (como siempre, 8 personas en total).

Llega un nuevo integrante a la cola, y… (Fig.53) ...ocupa el último lugar, desplazando a todos los demás una posición. El primero "sale" de la fila.

Sabiendo que cada personaje que ingresa en la cola "empuja" a todos una posición a la derecha, si queremos que el que termine ocupando el extremo derecho de la cola sea un flaco, ese será el que primero debe entrar.

(Fig.54) Este es el estado final de nuestra fila, con el nuevo integrante en el último lugar. Si continuaran incorporándose personas en la fila, el proceso se repetiría con cada nuevo integrante que llegue.

Siguiendo el razonamiento anterior, los personajes deberían entrar en la fila en el orden siguiente:

Como el que entra primero es el primero en salir, a este tipo de colas se las llama "FIFO", por First Input, First Output (Primero que entra, primero que sale).

(Fig.55) Los nuevos integrantes de la fila, esperando para ocupar su lugar. (Fig.56) Este es el estado final de nuestra fila, con los integrantes originales desplazados hacia la derecha.

Con todas estas cuestiones en mente podemos seguir avanzando en la compren-

Fig. 52

Fig. 53

Fig. 54

Fig. 55

Fig. 56

294



Poniendo fin a nuestra analogía, tendríamos que los integrantes de esta hipotética cola son los ceros (0) y los unos (1) (o estados altos y bajos) de nuestros circuitos, es decir, nuestros datos. La cola en si es el registro de desplazamiento. Cuando decíamos que el estado inicial de la cola eran 8 gordos, estábamos queriendo decir que al alimentar nuestro circuito, todas las salidas estarán en "0" o estado bajo. Hay una salvedad, y es la existencia del "reloj". Efectivamente, en un circuito real, los datos pasan al registro de desplazamiento con cada pulso de reloj. Podemos pensar en este reloj como si se tratase de un "maestro de ceremonias", que da una palmada cada vez que alguien debe ingresar en la cola.

sistema de RESET, que permite poner simultáneamente todas las salidas en "0" o estado bajo, sin necesidad de ingresar 8 ceros seguidos. Esto permite limpiar rápidamente el registro de desplazamiento. Cuando decimos " rápidamente" nos referimos a que como la velocidad de los pulsos del reloj (CLOCK) no puede ser infinita (típicamente el máximo ronda los 10 o 20 MHz) y cada dato demora el tiempo de un pulso de reloj en desplazarse por el registro, introducir 8 "0"s llevaría 800 ns (100 ns x 8 bits), contra los 100 ns que demora en aplicarse el RESET. No obstante, para obtener los tiempos exactos implicados se debe consultar la hoja de datos del integrado que estemos utilizando, ya que los límites varían incluso con la tensión de alimentación y la temperatura.

Muchos circuitos de registros de desplazamiento "reales" también incluyen un

CIRCUITOS INTEGRADOS BASADOS EN LOGICA DIGITAL

Un poco de historia para entrar en materia.

y requería más de 18.000 tubos de vacío para funcionar.

Hemos recorrido un largo camino desde los días de los tubos de vacío.

Los tubos de vacío fueron vitales, y a q u e é s t o s a c t u a ro n c o m o interruptores electrónicos para realizar los cálculos.

Desde que se construyó el primer microprocesad or, en 1971, ha sido posible construir computadores más y más pequeños, permitiendo una gran variedad de inventos. Pero, ¿Cómo pueden construirse los circuitos integrados en un espacio tan pequeño? Cuando se conectó el primer computador electrónico del mundo (ENIAC) en la Universidad de Pennsylvania, Filadelfia, en Febrero de 1946, el equipo ocupaba toda una sala


El grupo que construyó el ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator) se desanimó al comprobar que los tubos se quemaban ya que generaba n temperaturas de hasta 200ºC. Y debían ser reemplazados con mucha frecuencia. ¿Q ué po dí an ha ce r an te es ta situación?

295


Nada, sólo esperar. Porque, como hemos leído… Un par de años más tarde, en 1948, William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain en los mundialmente famosos Laboratorios Bell en New Je rs ey inve nt aron el tr an si st or. A diferencia de los tubos de vacío que eran frágiles y costosos, los transistores resultaron fáciles de fabricar, pequeños, robustos y sobre todo baratos. En unos pocos años los transistores revolucionaron la forma de construir equipos electrónicos. Los equipos de radio, de televisión, de navegación, audífonos y equipos méd ico s fueron más baratos, más fáciles de construir y más avanzados como consecuencia de este invento. Pero el mayor impacto del transistor estaba aún por llegar. Al principio, los invest igad ore s hacían transistores de uno en uno, soldándolos en tarjetas de circuito junto con los otros componentes requeridos. Pero mientras un transistor era altamen te resistente, los delga dos cables que los conectaban a la tarjeta del circuito eran frágiles y propensos a dañarse. Así, en 1950, Rob ert Noy ce en Fairchild Semiconductor, una compañía establecida en los alrededores de San José, California (área que sería llamada más tarde Silicón Valley), y Jack Kilby en Texas Instruments en Dallas diseñaron y construyeron el primer circuito en el cual todos los componentes fueron integrados en diferentes capas en un trozo de silicio. Estos circuitos integrados fueron baratos, fáciles de construir y más seguros que cualquier otro elemento existente hasta entonces. En el año 1960, muchas de las investigaciones y los desarrollos de circuitos integrados fueron dirigidos,

296

auspiciados y sufragados por el progra ma espacial Apolo. En 1970 estos circuitos contenían más de 30.000 componentes en una sola placa de silicio, el "chip". En 1971, la compañía americana de chips, Intel, dio otro gran paso. Los ingenieros de Intel pusieron todos los componentes de un computador -la unidad central de procesos, la memoria, los registros de almacena miento de datos, las unidades de control de entrada y salida- en un minúsculo chip para crear el primer computador en un chip o microprocesador. El microprocesador de Intel fue real ment e nota ble comp arad o con el ENIAC, su precio 30.000 veces más barato, consumía una milésima de potencia y podía ser colocado en la punta de un dedo. Era 200 veces más rápido y tenía alojados 2300 transistores. Desde entonces, el número de tran sistores que podía ser comprimido en un chip fue duplicándose cada 18 me ses, fenómeno que es conocido como la Ley de Moore, llamada después Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel. El nivel de conocimiento que hoy existe sobre los chips permite almace nar 30 millones o más transistores y es un indicador de que la ley de Moore puede desbaratarse próximamente.

La Ley de Moore expresa que, aproximadamente, cada 18 meses se duplica el número de transistores en un circuito integrado. Se trata de una ley empírica, formulada por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore el 19 de abril de 1965, cuyo cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy.



Los microprocesadores han tenido un profundo impacto en la sociedad humana. Con un microprocesador se puede utilizar el mismo circuito para diferentes aplicaciones. Lo único que se tiene que hacer es cambiar el programa que manejará este microprocesador. La construcción compacta de computadores ha hecho posible un amplio rango de dis positivos, tales como los computadores personales, calculadoras de bolsillo, relojes digitales y juegos de vídeo. Los microchips son tan baratos que muchas fábricas los usan para el control de todo equipo electrónico desde autos y aeronaves hasta máquinas lavadoras y tostadoras. La idea clave que prevalece en la fabricación de los circuitos integrados es que componentes electrónicos tales como transistores y condensadores se pueden fabricar conectando capas de materiales con diferentes propiedades electrónicas. Los ingenieros comprendieron que en vez de fabricar los componentes individualmente y unirlos para construir un circuito, el circuito entero podía ser pensado como un conjunto de capas colocadas una encima de otra, razón po r la cu al us ar on la te cn ol og ía "complementary metal oxide semiconductor" o "tecnología CMOS para construir los chips". La base del circuito integrado es silicio ultra puro, una dura sustancia cristalina con una estructura atómica similar al carbón del diamante. Debido a que no existen partes móviles o componentes delicados el transistor es extremadamente robusto y seguro. Esto es importante.


Los modernos chips contienen millones de transistores y si un pequeño porcentaje no trabaja, el chip puede quedar inutilizado. Los transistores no necesitan mucha pot enc ia y genera n poco calor, de manera que pueden ser empaquetados en un área muy pequeña. El tamaño del transistor está determinado por la distancia entre la fuente y el drenaje, que es conocida como tamaño típico. Hoy día es posible construir transistores con tamaño típico tan pequeño como 0,18 micrómetros, un ciento de veces más delgado que un cabello humano, y serán más pequeños en el futuro. Los circuitos integrados se bene ficiaron en ormemente con la re d u c c ió n d e l t a m a ñ o d e l o s componentes que contienen. La velocidad a la cual un transistor puede conmutar, o cambiar del estado de conducción al estado de corte, está determinada por la distancia en que fluye la corriente de un lado al otro. Mientras más pequeños son los transistores más rápidamente trabajan. El empaquetamiento de más transistores en un área más pequeña significa que los componentes alámbricos so n más cortos y ello aumenta la velocidad de operación del chip. El primer microprocesador realizó 60.000 instrucciones por segundo. Los más modernos pueden ejecutar un billón. ¿Cómo se construyen los circuitos integrados? El proceso de construcción comienza con un único gran cristal de sil icio, con forma de salchich a, de alrededor de 20 centímetros de espesor, cortada en rodajas.

297


Se hacen diferentes chips de cada rodaja y se separan al final del proceso de fabricación. Primero cada rodaja es pulida para dar un acabado casi perfecto y luego es cocida en una atmósfera rica en oxígeno de manera que crece una delgada capa de óxido de silicio, como un vidrio aislante, en la superficie. Cada capa se hace cubriendo la rodaja con una delgada película de material sensible a la luz, conocido como fotoresistor. Un fotoresistor tiene la especial pro piedad de que la luz cambia su estructura química, permitiéndole reaccionar con otro producto químico y puede ser depuesto lavándolo. La luz es irradiada sobre el fotore sistor a través de una plantilla o máscara según sea la forma requerida. Esto deja al material inferior en el patrón requerido, listo para el siguiente paso. Este proceso es conocido como litografía modelada (patterned lithogra phy). Reducir el tamaño de las figuras que se pueden definir por el método lito gráfico es uno de los mayores desafíos que enfrentan los fabricantes de chips, ya que mientras los transistores sean empaquetados más densamente resultan más rápidos y los chips son más complicados. El factor que limita el tamaño de la figura es la longitud de onda de la luz proyectada a través de la plantilla al fotoresistor. Mientras más pequeña es la longitud de onda más pequeña es la figura que se puede definir. Los fabricantes de chips han logrado usar luz ultravioleta para definir figuras de hasta 130 nanómetros de espesor. Pero para reducir aún más la longitud de onda es necesario desplazarse al

298

espectro de los rayos X, que son difíciles de producir y manejar. Además, estos rayos atraviesan los materiales sin afectarlos, haciendo la fabricación de plantillas más difícil. Alternativas a los rayos X incluyen la litografía de emisión de electrones y de iones, en la que la longitud de onda asociada con electrones y con iones se usa para definir las figuras. Después que el fotoresistor expuesto a la luz se ha arrancado, el material inferior revelado puede ser tratado de una de las tres formas siguientes: por dopaje, deposición o corrosión. Dopaje es el proceso en el cual los átomos de fósforo o boro se adhieren a la estructura del silicio creando ya sea un semiconductor tipo P o un se miconductor tipo N. A estos átomos se les quita electro nes para crear iones y luego acelerarlos hacia la superficie del chip a alta velocidad. Estos chips se calientan y se procede a enfriarlos lentamente para evitar daños causados por su bombardeo y permitir a los recién llegados difundirse en la estructura. Esta difusión puede ser un problema mayor para los fabricantes si ocurre posteriormente, cuando el chip está siendo usado en un computador, es decir, si los átomos se “secan” dema siado rápido se pueden conectar con otras regiones de chips, cambiando las propiedades del semiconductor y cau sando un mal funcionamiento. Con el fotoresistor ubicado en su lugar, los átomos dopantes se adhieren a la parte irradiada del chip. El fotoresistor puede ser entonces destituido completamente a través del lavado. Deposición es el proceso de crear una delgada película en el chip.



Una de las maneras más comunes de hacer esto es el denominado chis porroteo (sputtering), un proceso en el cual el material a ser depositado es bombardeado por un chorro de iones que causa que los átomos y moléculas floten en su superficie. A estos átomos y moléculas se les permite depositarse sobre el chip. Con el patrón fotoresistor en su lugar constituyen una delgada capa con la forma requerida. El chisporroteo es usado para poner capas de materiales aisladores tales como el dióxido de silicio, o capas de materiales conductores de metal como el aluminio o el cobre. Corrosión es una manera de eliminar selectivamente materiales de la superficie para descubrir lo que está debajo. La corrosión es usualmente tratada por exposición de la rodaja a un gas altamente ionizado conocido como plasma. El plasma reacciona con la superficie y físicamente saca los átomos como un arenador dejando la capa de abajo expuesta en la forma deseada. Cuando se completa uno de estos procesos, el resto del fotoresistor es removido y se prepara la próxima capa. Es común para los modernos chips requerir hasta 30 capas y hasta 600 pasos de fabricación. Aunque esto suena como exagerado, es poco comparado a los millones de componentes que se ha logrado montar en un chip. Finalmente, la rodaja es cubierta en un revestimiento protector de dióxido de silicio y nitruro de silicio, antes de que se pruebe cada chip para asegu rarse que trabaja bien. La rodaja es entonces cortada en chips separados. Los defectuosos son apartados y


los chips buenos son colocados en encapsulados plásticos. El encapsulado es una parte importante del proceso y debe proveer las uniones de conectores externos a alam bres extremadamente finos que conectan los contactos de entrada y de salida de varios chips. El encapsulado permite al chip ser conectado fácilmente en una tarjeta de circuitos conocida como tarjeta madre (motherboard), y es la que conecta al chip con el resto del computador y provee protección de los contaminantes exter nos y golpes del uso diario. La complejidad de los chips significa que diseñarlos es una tarea titánica. Desde que se inició el desarrollo de los chips, el proceso ha ido cambiando desde aquel que se realizaba entera mente en forma manual hasta el que se hace ahora sustancialmente automático. En efecto, los circuitos son ahora tan complejos que es muy difícil hacer los manualmente. Se ha desarrollado un poderoso software industrial que provee un sistema de diseño por computador para la fa bricación de chips. El proceso de diseño está por sí mismo dividido en un número de niveles que permite al diseñador ver a los chips de diferentes maneras. Por ejemplo, un diseñador puede especificar el propósito de las diferentes partes del circuito. Este nivel es conocido como diseño funcional. El diseño lógico determina los pasos matemáticos necesarios para ejecutar el diseño funcional y los componentes necesarios para realizarlos. ¿Cuál es la velocidad de un chip? Las diferentes partes de un chip deben ser coordinadas de tal forma que

299


las operaciones lógicas se realicen en el orden correcto. Cada chip posee un reloj interno que genera una señal regular alternando un voltaje alto y bajo. La velocidad del reloj actúa como un cronómetro, sincronizando las acciones del resto del chip como si fuera un director de orquesta. La velocidad es usualmente medida en MHz, que significa un millón de veces por segundo. Así un chip de 500 MHz tiene un reloj que genera una señal con quinientos millones de voltajes altos y bajos en un segundo.

Fig. 57

¿De qué sirve todo lo que hemos comentado sobre puertas lógicas?

En general, la mayor velocidad de un tipo particular de chip, produce una mayor cantidad de cálculos.

Sirve para construir circuitos.

Por ejemplo, un chip Pentium III de 750 MHz será más rápido que un chip Pentium III de 500.

¿Cómo los realizamos físicamente?

Hoy día los transistores operan con billones de electrones que pasan a través de ellos. La conducta de estos electrones es como la de las bolas de billar y se puede predecir y simular fácilmente. Cuando un gran número de electro nes pasa a través de un transistor puede pensarse como un estado "on" o estado "1", en lenguaje binario. Cuando unos pocos electrones pa san por un transistor puede pensarse como un estado "off" o estado "0". Los investigadores están intentando construir computadores cuánticos y predicen que serán útiles para cripto grafía, supercálculos y para simular el Universo con más detalle que antes.

Pero… Las puertas lógicas se encuentran encapsuladas dentro de circuitos integrados o también conocidos como chips. En la figura se muestra una foto de dos de ellos, junto a una moneda de 1 euro para apreciar su tamaño. Coloquialmente, entre alumnos, reciben el nombre de “cucarachas”, porque son negros y tienen patas. Hay una familia de circuitos integrados, 74XX , que está estandarizada de manera que se ha definido la información que entra o sale por cada una de las patas. Así pueden existir multitud de fabricantes, pero todos respectando el mismo estándar. En la figura siguiente (Fig. 58) se muestra un esquema del integrado 7402, que contiene en su interior 4 puertas NOR de dos entradas. Por las patas denominadas VCC y GND se introduce la alimentación del chip, que normalmente será de 5V, aunque esto depende de la tecnología empleada. Por el resto de patas entra o sale información binaria codificada según la tecnología empleada. Por ejemplo se puede asociar 5V al dígito ’1’ y 0V al dígito ’0’.

300



A la hora de realizar un diseño , estos chips se insertan en una placa y se interconectan las patas con el resto de chips o partes de nuestro circuito.

de circuito impreso , o por sus siglas en inglés PCB (printed circuito Board). Vcc A4 B4 F4 A3 B3 F3

La interconexión se realiza por medio de cables.

A

F

B

Cuando se realiza una placa profesional , las interconexiones entre los chips son pistas de cobre en la superficie de la placa. Estas placas reciben el nombre de placas

A1 B1 F1 A2 B2 F2 GND Fig. 58

CARACTERÍSTICAS Técnica Digital

Técnica Analógica

• Sólo son posibles tensiones “High” y “Low”

• Es posible cualquier valor de tensión • Problemas de ajuste y distorsión

• Gran escala de integración

• Influencia de señales por interferencia

• Alta seguridad • Ausencia de interferencias Las tecnologías utilizadas son: • TTL: Lógica – transistor – transistor • CMOS • ECL: Lógica Emisores acoplados

Etapas de desarrollo de los circuitos integrados

Nivel de integración

1965: S SI (Small Scale Integration)

1968: MSI (Medium Scale Integration) 1972: LSI (Large Scale Integration) 1976: VLSI (Very Large Scale Integration) 1980: VVLSI (Very Very Large Scale Integration)


Número de funciones por chip

Ejemplo de aplicaciones

>100

Circuitos básicos compuerta AND, compuerta OR, compuerta NAND, compuerta NOT, compuerta NOR, Otras

de 100 a 1000

Registros, contadores

de 1000 a 10000

Microprocesadores, memorias

de 10000 a 100000

Microprocesadores completos

> 100000

Microprocesadores múltiples incluyendo memoria, puertos de entrada y salida Fig. 59

301


En el diseño de los circuitos digitales fundamentalmente se emplean 3 “herramientas”, o puertas lógicas, aunque luego veremos que hay más:

Fig. 59

TECNOLOGIA TTL (Transistor-Transistor Logic) Compuertas Lógicas lógica son transitores, así como los elementos de salida del dispositivo.

Las compuertas lógicas son bloques de construcción básica de los sistemas digitales; operan con números binarios, por lo que se les denomina puertas lógicas binarias.

Características de los TTL

En los circuitos digitales todos los voltajes, a excepción de las fuentes de alimentación, se agrupan en dos posibles categorías: voltajes altos y voltajes bajos.

La familia de circuitos integrados TTL tiene las siguientes características: - La tensión o voltaje de alimentación es de + 5 Voltios, con V min = 4,75 Voltios y V max = 5,25 Voltios.

Todos los sistemas digitales se construyen utilizando básicamente tres compuertas lógicas básicas, estas son las AND, OR, y NOT ; o la combinación de estas.

- Su realización (fabricación) es con transistores bipolares multiemisores.

¿Qué es TTL?

- La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor ventaja, ya que esta característica le hacer aumentar su consumo.

Acrónimo inglés de TransistorTransistor Logic o “Lógica Transistor a Transistor”. Tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales, en los que los elementos de entrada de la red

- Su compuerta básica es la NAND

Familia de los Circuitos Lógicos Integrados

Tecnología

Serie TTL estándar TTL de baja potencia

Familia de circuitos lógicos integrados con transistores bipolares

TTL

TTL Shoottky TTL Shoottky de baja potencia TTL avanzada

ECL

302



Tecnología

Serie CMOS estándar

CMOS Familia de circuitos lógicos integrados con transistores MOSFET

CMOS HC CMOS HCT

NMOS PMOS

BiCMOS Combina transistores bipolares con transistores MOSFET Antecedentes. Primeras familias lógicas: CI con transistores bipolares. Las primeras puertas lógicas integradas eran mera copia directa de las puertas " ONEGADA " ( NOR ) con componentes discretos, mediante la conexión en paralelo de varios NPN en emisor común; tales puertas dieron lugar a la primera familia lógica: RTL (lógica de transistores y resistencias). +3v.

A partir de este esquema (puerta " Y " + inversor), aprovechando en mayor profundidad las posibilidades que ofrece la integración sobre un substrato único, se planteó una segunda mejora en velocidad y en consumo, añadiendo una etapa de salida amplificadora de intensidad (dos transistores en push-pull) y substituyendo los diodos por un transistor multiemisor. El resultado fue la gran familia lógica TTL (lógica de transistores con transistores).

a 450

4K

b

450

1KB

a b

130 T1

a.b

b

a

+ 5V

Vcc

640

a b

T

a.b T2

1K

Puerta Nor RTL Fig. 60

Pronto se mejoraron las características de estas puertas integradas, en cuanto a velocidad y a consumo, combinando una puerta " Y " de diodos con un transistor inversor en emisor común; así se configuró la puerta " Y-NEGADA " ( NAND ), base de la familia DTL (lógica de transistores y diodos) que fue la primera que llegó a alcanzar una difusión apreciable. +5V 1K6 a.b a b

2K

Fig. 62

La etapa de salida de dos transistores NPN (totem pole: «palo de tótem») aumenta la intensidad suministrable y disminuye la resistencia de salida; el transistor multiemisor mejora considerablemente la conmutación de la puerta (en una primera aproximación, su comportamiento puede ser analizado en términos de diodos:

a.b

2K2 a b

Puerta Nand TTL

5K

Puerta Nand DTL Fig. 61


Fig. 63

303


La serie 74LS (low power Schottky) mejora en gran medida a la serie estándar en cuanto a consumo (0,4 mA), manteniendo la velocidad de trabajo en valores análogos e incluso, algo superiores.

La clave del funcionamiento de la puerta TTL es el sentido en que circula la intensidad que la base del transistor multiemisor recibe desde la resistencia de 4K: - Si dicha corriente va «hacia fuera», es decir, si alguna de las entradas está conectada a 0, el transistor T se encontrará en corte y el transistor T1, en colector común, transmite un 1 a la salida.

La disminución del consumo se deriva del empleo de resistencias de mayor valor, lo cual acarrea un aumento de las constantes de tiempo asociadas; este efecto queda compensado por la inclusión de un diodo Schottky entre base y colector de los transistores que impide su saturación (desvía la corriente de base hacia el colector antes de entrar en una saturación profunda) y, con ello, aumenta su velocidad de conmutación.

- Cuando todas las entradas se encuentran a 1 dicha intensidad circula «hacia dentro», hacia la base del transistor T, que se satura y lleva también a saturación al transistor T2, que pone la salida a 0. Un 0 en una entrada supone una intensidad «hacia fuera», de forma que una entrada TTL «al aire» equivale a un 1, salvo efectos de ruido.

5V 24K

110

7KB

Transistor Schottky

Las puertas TTL se alimentan a 5 V. Su tensión de conmutación se sitúa en el entorno de 1,2 V, de manera que un 0 en la entrada ha de ser menor de 1 V (ViLmáx = 1 V) y, en , una tensión superior a 1,5 V es entendida como un 1 (ViHmín = 1,5 V).

a

5K

b

a.b

3KB 2KB Serie LS-TTL

La tensión de salida para el 0 es 0 V, pero la correspondiente al 1 es de solamente 4 V. Los tiempos de propagación de la serie TTL estándar son del orden de 10 ns, y el consumo promedio es de unos 2 mA (10 mW).

Fig. 64

Posteriores series «avanzadas» con el mismo esquema circuital han aprovechado la reducción de dimensiones de los transistores y la correspondiente disminución de sus capacidades parásitas para conseguir tiempos de propagación inferiores: la serie 74ALS (advanced LS) presenta tiempos por debajo de 4 ns, mientras que las series 74F ( fast-TTL ) y 74AS (advanced Schottky) ofrecen tiempos de propagación del orden de 2,5 ns y 1,5 ns, respectivamente, a costa de un mayor consumo (por utilizar resistencias de menor valor). Fig. 64B

La familia TTL proporcionó la base del gran desarrollo que tuvieron los sistemas digitales durante la década de los 70. Su amplia difusión y utilización favoreció la aparición de diversas series derivadas de la mejora de características concretas, una de las cuales, la serie LS ha sustituido por completo a la serie estándar inicial y es la que se ha seguido utilizando a lo largo de la década de los 80.

“Protohistoria” RTL

DTL

TTL 74

LS-TTL 74LS “supervivientes”

ALS-TTL

AS-TTL

74ALS “interbús”

74AS, 74F alta velocidad

Fig. 64 B

304



Esta línea de evolución de las puertas con transistores bipolares constituye la «edad antigua» de los circuitos integrados digitales; actualmente, apenas se utilizan las familias bipolares, salvo en determinadas aplicaciones específicas, en particular, para sistemas de muy alta velocidad. La serie 74LS sigue siendo útil para «recambio y » de los numerosos sistemas digitales que han sido construidos con ella (o con la serie estándar 74 ), la serie 74ALS se emplea en circuitos «interbús» y la serie 74F resulta adecuada para diseños de muy alta velocidad de trabajo (frecuencias superiores a los 100 MHz).

CÓMO REALIZAR PRACTICAS DE ELECTRÓNICA DIGITAL. Es sencillo si disponemos de un simulador que consiste en una matriz donde se pueden insertar e interconectar circuitos integrados.

ESPECULANDO CON CIRCUITOS INTEGRADOS. Estudiemos ahora lo que ocurre cuando conectamos una función OR a una función NOT de la manera siguiente:

A Salida B Fig. 67

¿A qué nos suena esa unión? Ap licand o to da s las comb in ac ione s posibles de unos y ceros en las entradas, obtenemos la salida para cada combinación posible tomando en cuenta las propiedades del OR y la acción inversora del NOT, con lo cual podemos construir la siguiente Tabla de Verdad:

Veamos qué aspecto tiene:

A

B

Salida

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

Tenemos un circuito que produce un 1 a la salida únicamente cuando ambas entradas son 0. Fig. 65

Esta configuración es mejor conocida como la función NOR (la palabra NOR es una contracción de las palabras NOT-OR, que son los elementos usados para construir esta configuración) y se representa de la siguiente manera como ya hemos visto:

A

Salida

B Fig. 68

Fig. 66


A continuación estudiemos lo que ocurre cuando conectamos una función AND a una función NOT:

305


A Salida B Fig. 69

La Tabla de Verdad para este circuito deberá ser como se muestra a continuación:

A

B

Salida

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Tenemos un circuito que produce un 0 a la salida únicamente cuando ambas entradas son 1. Esta configuración es mejor conocida como la función NAND (la palabra NAND es una contracción de las palabras NOT-AND, que son los elementos usados para construir esta configuración) y se representa de la siguiente manera, como ya vimos:

A Salida B Fig. 70

Las funciones NOR y NAND son ejemplos claros que muestran cómo se pueden utilizar las tres funciones lógicas básicas para construir funciones más complejas. Estudiemos ahora la siguiente situación:

01100

La pregunta que nos hacemos es la siguiente: ¿Cuál será la salida del OR al introducir las palabras 01100 y 11001 en sus entradas? Para responder a esta pregunta, notamos que los primeros bits en entrar al OR son el último bit de la palabra 01100 (esto es, un 0) y el último bit de la palabra 11001 (esto es, un 1). La salida producida por el OR será por lo tanto un 1. A continuación, los siguientes bits que entran son el penúltimo bit de la palabra 01100 (esto es, un 0) y el penúltimo bit de la palabra 11001 (esto es, un 0). La siguiente salida producida por el OR será por lo tanto 0, con lo cual a su salida ya se habrá formado la palabra 01. De esta manera, vemos que a su salida se formará la siguiente palabra: 11101 Puesto que la palabra en la salida del OR es diferente de las palabras a sus entradas, decimos que se ha llevado a cabo un procesamiento de información. Este es el propósito fundamental de todos los circuitos lógicos. Supongamos ahora que se nos presenta un componente electrónico en el cual los niveles de voltaje naturales al sistema son +5 voltios y 0 voltios. Dicho componente electrónico tiene dos terminales de entrada A y B y una terminal de salida. Al aplicar los siguientes niveles en sus entradas produce los siguientes niveles de voltaje en su salida:

A

B

Salida

0 volts

0 volts

0 volts

0 volts

+5 volts

+5 volts

+5 volts

0 volts

+5 volts

+5 volts

+5 volts

+5 volts

Salida

11001

Fig. 71

306

Designando al voltaje mayor (o más positivo) de +5 voltios como "1" y al voltaje menor (o más negativo) como "0", la Tabla de Verdad toma el siguiente aspecto:



A

B

Salida

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

Tenemos entonces que el comportamiento lógico de un circuito dependerá de las asignaciones que le demos a sus niveles de voltaje. La práctica de designar al voltaje mayor (o más positivo) como "1" y al voltaje menor (o más negativo) como "0" es conocida como lógica positiva. La práctica de designar al voltaje menor (o más negativo) como "1" y al voltaje mayor (o más positivo) como "0" es conocida como

lógica negativa. Con las tres funciones lógicas básicas podemos construir circuitos más elaborados, de creciente complejidad, cuyo análisis se puede llevar a cabo suponiendo todas las combinaciones posibles de "unos" y "ceros" a la entrada, y siguiendo el flujo de cada combinación de valores, para ver lo que tenemos a la salida, podemos comprobar la función desempeñada por el circuito.

El circuito se comporta como una función OR. En este último ejemplo, muy bien podríamos haber adoptado otra convención igualmente válida. Podríamos haber identificado al voltaje de +5 voltios con un "0" y al voltaje de cero voltios con un "1", lo que nos produce otra Tabla de Verdad diferente. Esto es lo que se conoce como lógica negativa. Con el propósito de evitar confusiones, nos hemos abstenido de utilizar este enfoque, aunque una vez que se hayan dominado los principios la lógica positiva y la lógica negativa son tan válidas la una como la otra. Hagamos al menos con este ejemplo tal cosa. Construyamos la Tabla de Verdad asignándole al nivel de +5 voltios un valor lógico de "0" y al voltaje de cero voltios un valor lógico de "1".

Por convención, los diagramas de circuitos lógicos se dibujan de modo tal que el flujo de señales es rastreado de izquierda a derecha. A continuación tenemos el diagrama de un circuito lógico simple en cuyos dos terminales de entrada A y B se han puesto dos "unos" ("1"):

A

1 1

1

0 1

La Tabla de Verdad ahora será la siguiente: B

A

B

Salida

1

1

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

El circuito se comporta como una función AND.


1

Fig. 72

En el AND del extremo izquierdo del diagrama, tenemos dos unos ("1") a la entrada, lo que genera un "1" a la salida del mismo. Este "1" a la salida del AND es invertido por el NOT, convirtiéndose en un "0". De este modo, tenemos a las entradas del OR en el extremo derecho del diagrama un "0" y un "1", lo que genera un "1" a la salida del mismo.

307


Nos falta por comprobar otras combinaciones de valores restantes, como son, A = 0 y B =0, A =1 y B = 0, A = 0 y B = 1. Este método de rastreo de valores de señales se puede aplicar a cualquier circuito lógico, por complejo que sea. Al ir construyendo circuitos lógicos cada vez más complejos, los cables que van conectados entre sí se mostrarán conectados explícitamente con un "punto" conector, mientras que los cables que simplemente se cruzan uno por encima del otro sin conectarse no tendrán el punto conector:

alambres conectados

alambres no conectados Fig. 73

Sin embargo, en las uniones tipo "T" en los diagramas esquemáticos:

conexiones “T” equivalentes Fig. 74

Se entenderá que siempre hay una conexión entre los dos alambres, ya sea con o sin la presencia del "punto" conector (en esto hay que tener cierta precaución, ya que en los simuladores de circuitos lógicos, en una gran variedad de programas de ordenador, es indispensable agregar siempre en los diagramas de simulación el "punto" conector, ya que muchos de estos programas no están preparados para reconocer esta convención). En el diseño de circuitos lógicos, una de las cosas que no está permitida es conectar directamente a un mismo punto la salida de dos funciones lógicas en una forma como la que se muestra a continuación:

308

0 ? 1

Fig. 75

Puesto que se ha definido el "1" como el polo positivo de la fuente de alimentación (por ejemplo, +5 voltios) y el "0" como el polo negativo de la misma fuente (conocida vulgarmente como "tierra eléctrica"), la situación mostrada equivale ni más ni menos que a un corto circuito. Y aunque la gran mayoría de los circuitos integrados discretos que se venden en la actualidad tienen integrada en su microelectrónica una estructura de resistencias y transistores que evitan que un corto circuito de esta naturaleza los pueda dañar, limitando el flujo de la corriente a través de los mismos, la salida de un circuito lógico de esta naturaleza es en el mejor de los casos indefinida.

Si por alguna razón insistimos en querer conectar juntas las salidas de dos (o más) funciones lógicas básicas, lo podemos hacer utilizando diodos rectificadores, que conducen corriente eléctrica en una sola dirección más no en la dirección contraria.

Físicamente, en un circuito real, estos componentes tienen un aspecto como el que se muestra a continuación, en donde la banda puesta en un extremo del componente indica la polaridad del cátodo (la parte del componente



que va conectada al polo negativo de la fuente de alimentación cuando se desea que este componente conduzca corriente eléctrica), correspondiendo con banda tocada por la flecha en el símbolo representativo del diodo que aparece a la derecha:

C

A Fig. 76

Usando diodos rectificadores, el circuito lógico anterior ya "corregido" presentaría el siguiente aspecto:

0

1

1

1

1

Fig. 77

En este circuito el AND superior está poniendo un "0" en su terminal de salida mientras que el NOT inferior está poniendo un "1" en la suya propia. El voltaje relacionado con el "1" lógico normalmente produce una corriente eléctrica que fluye hacia el "0" lógico. Pero en los diodos rectificadores, la corriente eléctrica solo puede fluir en la dirección que marca la flecha, de modo tal que si en la cola de la flecha hay un "0" y en la punta de la flecha hay un "1" como ocurre con el AND superior, el diodo no permitirá el paso de la corriente y actuará como si el alambre estuviera cortado, efectivamente desconectando al AND de la salida combinada. En otras palabras, el "1" del inversor NOT es el que gana. Pero si la salida del NOT fuese "0" y la salida del AND fuera "1", entonces el AND ganaría. Y si la salida de ambos fuera "1", entonces ambos ponen


un "1" lógico en la línea de salida y no hay contradicción lógica alguna (ni corto circuito). Pero si repasamos estas funciones, nos daremos cuenta de que la inserción de los diodos en el circuito hace que entre ambos proporcionen el equivalente de la función OR, con la desventaja de que los diodos no proporcionan ninguna amplificación de la señal. Las buenas prácticas de diseño nos indican remover los dos diodos y reemplazarlos por un bloque OR. Existe una excepción importante a la prohibición de conectar directamente a un mismo punto las salidas de dos o más bloques lógicos, y es cuando se están utilizando circuitos integrados capaces de realizar algo que se conoce como lógica cableada (wired logic), también conocida como la lógica de colector abierto (open collector logic), que tiene que ver con el hecho de que tales circuitos, construidos a base de transistores bipolares (ya sabemos que un transistor bipolar básico tiene tres terminales, la base, el emisor y el colector), utilizan el terminal denominado colector del transistor bipolar en modo abierto (sin conexión previa) para llevar a cabo esta función, estando por ello diseñados para conectarse a un mismo punto al que además hay que agregar una resistencia conectada al polo positivo de la fuente de alimentación, como se muestra en el siguiente esquema en el que se han conectado las salidas de dos bloques NOT:

V cc A

R Y = A.B

B Fig. 78

Por regla general, al utilizarse la lógica cableada ó "lógica de colector abierto", en el punto de unión se lleva a cabo la función AND. Esta es la razón por la cual en el dibujo

309


anterior se ha dibujado en trazos una AND alrededor del punto de unión de las salidas de los NOTs. Si tenemos un "0" a la entrada de ambos NOTs, la salida de los dos será "1", y por la acción de la AND, en el punto de unión, la salida Y del circuito tendrá un valor "1". Si cualquiera de las entradas A ó B a los NOTs es "1", será invertido a "0", y por la acción AND sobre la salida de ambos la salida común Y tendrá un valor "0". Si ambas entradas son "1", la salida Y será "0". Estamos ante un circuito en el cual la salida será "1" únicamente cuando ambas entradas son "0", lo que es en efecto la acción de un circuito NOR. No todas las familias de circuitos lógicos integrados pueden conectarse de esta manera. Obsérvese que dentro de los bloques NOTs se dibujó el símbolo de un pequeño diamante con una barra horizontal puesta debajo del mismo. Este es el símbolo utilizado para indicar en los diagramas esquemáticos que se están usando componentes trabajando bajo lógica cableada. Está así especificado por la convención técnica IEEE/ANSI-1984 que indica que cualquier componente, cuya salida pueda ser cableada a otro componente, deberá destacarse dibujando dentro del bloque lógico cerca de la salida del mismo el símbolo del diamante con la barra horizontal puesta debajo:

V cc AND

R

A

Y

Gracias a la potencia de los ordenadores existe una alternativa, mucho más económica y mucho más rápida para construir un prototipo utilizando varias combinaciones de circuitos lógicos, consistente en usar un simulador de "software", o sea un programa de ordenador que permite seleccionar los símbolos lógicos convencionales de un catálogo para irlos conectando en la pantalla. Conseguimos llevar a efecto la simulación de un experimento virtual en donde no hay un solo cable a la vista ya que todo se lleva a cabo esquemáticamente desde el teclado. Uno de dichos simuladores es el Digital Works, que tiene un costo aproximado de ochenta dólares:

Fig. 80

Existen también simuladores de alta potencia que pueden ser descargados gratuitamente de Internet. Uno de ellos es Logisim, desarrollado en 2002 por Carl Burch, que puede trabajar en cualquier ordenador que tenga instalada la plataforma Java (hoy la gran mayoría la tiene, y los que no la tienen la pueden obtener también gratuitamente de Internet):

B Fig. 79

Hemos visto que para poder aprender se utilizan los simuladores que permiten la posibilidad de realizar muchas maniobras en plan experimental antes de construir la definitiva.

310

Fig. 81



Hay otro programa que se puede descargar gratuitamente. Es el programa MultiMedia Logic, y que presenta el siguiente aspecto:

Aunque no desempeña ninguna función lógica, un componente que aparece con cierta frecuencia en el mundo de la lógica digital como indicador luminoso para proporcionar algún tipo de información visual al usuario es el diodo emisor de luz (light emitting diode ó LED), que ya estudiamos en su día pero que interesa de nuevo recordar por su útil adaptación a los circuitos lógicos.

Fig. 82

Otra opción extremadamente buena para construir circuitos lógicos (simulados) en la pantalla de un ordenador es la versión estudiantil del programa PSpice. Se trata de un programa tan completo y sofisticado que el archivo de descarga tiene un tamaño de 28 Megabytes, de modo que la descarga del mismo no es recomendable a través de una conexión Internet de baja velocidad. Además de los programas anteriormente mencionados que nos permiten diseñar y construir circuitos lógicos (simulados), existe otra alternativa inmediata para poder ver la acción de los circuitos lógicos "en vivo" de forma interactiva, como si se tuviese a mano un tablero con los componentes físicos reales. A modo de ejemplo, se recomienda visitar el siguiente sitio en el cual el usuario puede jugar a través del ratón del ordenador con varias compuertas lógicas, encendiendo con unos o apagando con ceros las terminales de entrada, viendo de inmediato los efectos a la salida (o salidas) de los circuitos lógicos en diodos emisores de luz (LED) simulados: http://www.dstcorp.com/James/LogicPrimer/Gates.html

Los circuitos lógicos interactivos que aparecen en este último enlace fueron creados precisamente con el programa MultiMedia Logic ya mencionado.


No sólo es un diodo en el sentido estricto de la palabra (un componente en el cual la corriente eléctrica puede fluir únicamente en un sentido pero no en el sentido contrario) sino que además es capaz de emitir luz de cierto color cuando se le aplica un voltaje con la polaridad correcta (con la polaridad del voltaje invertida, el LED no conducirá corriente alguna ni emitirá luz). El diodo LED generalmente se construye con un terminal más corto (denominado cátodo ó terminal ) que el otro (denominado ánod o ó terminal +). A continuación figura un LED junto con el símbolo con el que se le representa en los diagramas esquemáticos:

ANODO

CAPSULA LED

CATODO

PARA CORTA CATODO

PATA LARGA ANODO Fig. 83

311


El diodo emisor de luz LED está disponible en varios colores, ya sea rojo, verde, azul, ámbar o blanco. El esquema más sencillo para encender un diodo emisor de luz LED con una batería común y corriente E es el siguiente, en el que basta aplicarle el voltaje de la batería poniendo atención a la polaridad apropiada:

+5V

2

1 LED

LED

R

R GND

Circuito básico para encender un diodo LED

Fig. 85

R +

LED

E

IF

-

IF = E - V F R Fig. 84

La resistencia R, mostrada en el esquema, tiene como objetivo limitar la magnitud de la corriente eléctrica impidiendo que haya una sobreintensidad que dañaría al componente y al sistema, pero también tiene como finalidad fijar el valor de la corriente con la cual el LED podrá emitir su mayor brillo posible sin dañarse. Por no ser el diodo LED un diodo ideal sino un diodo real (el diodo ideal es aquél que al estar polarizado en un sentido actúa como un circuito abierto y al estar polarizado en el sentido inverso actúa como un circuito cerrado sin pérdidas de voltaje a través del mismo), cuando está conduciendo existe una pequeña caída de voltaje constante VF (forward voltage) a través del mismo, que tiene que ser restada del voltaje de la batería E para determinar la magnitud de la corriente eléctrica que fluirá a través del mismo según la fórmula. Una gran ventaja de los diodos emisores de luz LED es que, por la pequeña cantidad de corriente eléctrica que requieren para lucir, se pueden conectar directamente a la salida de un circuito lógico ya sea para indicar una salida de "0" ó una salida de "1". Hay dos formas en las cuales se puede llevar a cabo la conexión, indicadas en los siguientes dibujos:

312

En el diagrama (1) de la izquierda, cuando la salida de la NAND es "1" en realidad este componente estará poniendo un voltaje de algo así como unos +5 V directamente a la entrada del diodo LED, y como el otro extremo del LED está conectado a través de la resistencia R al nivel de "0" ó tierra eléctrica (GND), estará polarizado justo en la forma correcta para encenderse indicando la presencia del "1" lógico a la salida de la NAND. La resistencia R es utilizada para impedir un cortocircuito y limitar la magnitud de la corriente justo a lo que requiere el diodo LED para poder encenderse adecuadamente. Si la salida de la NAND es "0" en realidad este componente no estará poniendo ningún voltaje a su salida que será de cero voltios, por lo que ambos extremos del LED estarán conectados a tierra y el LED estará apagado, indicando la presencia de un "0" lógico. En lo que respecta al diagrama (2) de la derecha, cuando la salida de la NAND es "1" estará poniendo un voltaje de +5 V en un terminal del LED, y como el otro terminal del LED también está conectada al mismo voltaje de +5 V el LED no conducirá corriente eléctrica alguna, permaneciendo apagado, ya que para poder encenderse el diodo LED tiene que tener su ánodo conectado a un "1" lógico y su cátodo conectado a un "0" lógico para que la corriente eléctrica pueda fluir en la dirección indicada por la flecha de su símbolo, no luciendo con ambos terminales conectados a un "1" lógico. Cuando la salida de la NAND es un "0" lógico, se polariza al LED en la forma correcta y la corriente eléctrica puede fluir de "1" a "0" entrando por el terminal de salida de la NAND. (No hay ninguna contradicción en que el terminal de salida de la NAND actúe al mismo tiempo como una entrada de corriente



eléctrica, ya que una cosa es el voltaje de cero voltios puesto a la salida y otra cosa es la corriente eléctrica que le puede entrar a través de su terminal de salida; recuérdese siempre que los "ceros" y "unos" están definidos en función de la presencia o la ausencia de un voltaje.) La principal diferencia entre el circuito (1) de la izquierda y el circuito (2) de la derecha es que en el circuito de la izquierda el LED se enciende cuando la salida de la NAND es "1" y se apaga cuando la salida del LED es "0", mientras que en el circuito de la derecha el LED se apaga cuando la salida de la NAND es "1" y se enciende cuando la salida es "0".

Aunque en manos de un técnico experto la punta de prueba lógica arriba mostrada sirve admirablemente para el análisis, diagnóstico y reparación de la gran mayoría de los sistemas digitales en uso comercial hoy en día, para ciertas aplicaciones sumamente especializadas, donde el presupuesto no es ningún problema, existen otras puntas de prueba mucho más refinadas que en realidad son puntas de prueba lógicas sólo de nombre, ya que por su complejidad se trata en realidad de instrumentos de medición de alta precisión, como la "punta de prueba lógica" que aparece en la fotografía:

Posiblemente una de las aplicaciones más útiles que pueda tener un diodo emisor de luz LED para el técnico especializado en dar mantenimiento a sistemas digitales sea en la construcción de la herramienta fundamental utilizada por dichos técnicos: la punta de prueba lógica (logic probe), como la siguiente:

Fig. 86

Este tipo de puntas de prueba generalmente tienen dos diodos emisores de luz LED, uno para indicar una condición lógica de "0" (LOW ó LO) y el otro para indicar una condición lógica de "1" (HIGH ó HI). Generalmente no requieren de fuente de energía interna (pilas), ya que toman su energía directamente del mismo circuito que está siendo analizado a través de unos terminales de tipo caimán. En la punta de prueba mostrada arriba, la pinza caimán de color rojo se conecta al polo positivo (+) de la fuente de alimentación, mientras que la pinza de color negro se conecta al polo negativo (-) de la fuente. El interruptor selector en esta punta de prueba, identificado como "TTL/CMOS", sirve para escoger los niveles adecuados de voltaje y corriente según sea la familia lógica a la cual pertenezca el componente que está siendo analizado, ya sea TTL ó CMOS.


Fig. 87

313

El Mundo Del Automatismo Electronico (2)

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