Electronica aplicada. Antonio Hermosa Donate 2013.pdf

ELECTRÓNICA APLICADA CF INSTALACIONES DE TELECOMUNICACIONES Antonio Hermosa Donate

ELECTRÓNICA APLICADA CF INSTALACIONES DE TELECOMUNICACIONES Antonio Hermosa Donate

Datos catalográficos

Diseño y maquetación: PAENDE Diseño de la cubierta: NDENU DISSENY

Hermosa, Antonio Electrónica aplicada. CF Instalaciones de Telecomunicaciones Primera Edición Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V., México ISBN: 978-607-707-404-5 Formato: 21.5 x 27.5 cm Páginas: 496

Electrónica aplicada. CF Instalaciones de Telecomunicaciones Antonio Hermosa Donate ISBN: 978-84-267-1736-8, edición en español publicada por MARCOMBO, S.A., Barcelona, España Derechos reservados © MARCOMBO, S.A. Primera edición: Alfaomega Grupo Editor, México, marzo 2013 © 2013 Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. Pitágoras 1139, Col. Del Valle, 03100, México D.F. Miembro de la Cámara Nacional de la Industria Editorial Mexicana Registro No. 2317 Pág. Web: http://www.alfaomega.com.mx E-mail: [email protected] ISBN: 978-607-707-404-5 Derechos reservados: Esta obra es propiedad intelectual de su autor y los derechos de publicación en lengua española han sido legalmente transferidos al editor. Prohibida su reproducción parcial o total por cualquier medio sin permiso por escrito del propietario de los derechos del copyright. Nota importante: La información contenida en esta obra tiene un fin exclusivamente didáctico y, por lo tanto, no está previsto su aprovechamiento a nivel profesional o industrial. Las indicaciones técnicas y programas incluidos, han sido elaborados con gran cuidado por el autor y reproducidos bajo estrictas normas de control. ALFAOMEGA GRUPO EDITOR, S.A. de C.V. no será jurídicamente responsable por: errores u omisiones; daños y perjuicios que se pudieran atribuir al uso de la información comprendida en este libro, ni por la utilización indebida que pudiera dársele. Edición autorizada para venta en México y todo el continente americano. Impreso en México. Printed in Mexico. Empresas del grupo: México: Alfaomega Grupo Editor, S.A. de C.V. – Pitágoras 1139, Col. Del Valle, México, D.F. – C.P. 03100. Tel.: (52-55) 5575-5022 – Fax: (52-55) 5575-2420 / 2490. Sin costo: 01-800-020-4396 E-mail: [email protected] Colombia: Alfaomega Colombiana S.A. – Calle 62 No. 20-46 Barrio San Luis, Bogotá, Colombia, PBX: 7460102 Tel.: (57-1) 2100122 – Fax: (57-1) 6068648 – E-mail: [email protected] Chile: Alfaomega Grupo Editor, S.A. – General del Canto 370, Providencia, Santiago, Chile Tel.: (56-2) 947-9351 – Fax: (56-2) 235-5786 – E-mail: [email protected] Argentina: Alfaomega Grupo Editor Argentino, S.A. – Paraguay 1307 P.B. Of. 11, C.P. 1057, Buenos Aires, Argentina, – Tel./Fax: (54-11) 4811-0887 y 4811 7183 – E-mail: [email protected]

PRESENTACIÓN Este libro ha sido realizado con especial enfoque hacia el Ciclo Formativo Instalaciones de telecomunicaciones, por lo cual se ha procurado la adaptación al contenido y nivel básico de materias de dicho ciclo. El contenido de materias se basa en una importante parte sobre electricidad básica general, el resto de la materia es sobre electrónica básica general con una introducción a la electrónica digital (se puede descargar material de ampliación sobre esta materia en la Web del autor). El nivel técnico de exposición de las materias es medio, procurando simplicidad y claridad, pero con un enfoque profesional. Tanto este contenido de materias como su nivel de exposición hacen que el libro pueda ser válido también para otros Ciclos Formativos, así como para todo aquel interesado en la electricidad-electrónica (para iniciarse o para reciclaje profesional). En el BOE 49 (25-2-10) aparece: El Real Decreto 1632/2009, de 30 de octubre, establece el título de Técnico en Instalaciones de Telecomunicaciones y sus enseñanzas mínimas. El Módulo Profesional Electrónica aplicada (código 0359), es un módulo de soporte, de 195 horas (6 h/semana). La formación es de carácter generalista, por lo que el módulo puede ser común en distintos Títulos de la Familia Profesional e incluso servir para Títulos de otras Familias Profesionales que necesiten una formación electrónica de base. Se ha procurado que el contenido de materias y nivel de exposición del libro sea en base a esta información oficial; se ha adaptado al temario oficial, teniendo en cuenta el número de horas del módulo (195 h) y también el nivel inicial y características del alumnado. Contenido de materias Electricidad básica general: conceptos básicos y unidades eléctricas, resistencias, circuitos eléctricos básicos, condensadores, electromagnetismo aplicado, bobinas, producción de la corriente alterna, el transformador, reactancias inductiva y capacitiva, impedancia, circuitos eléctricos en alterna, etc. Electrónica básica general: Semiconductores. El diodo. Diodos emisores de luz (LED), termistores (NTC-PCT), VDR. Circuitos rectificadores. Transistores; introducción al BJT, FET, MOS, etc. El transistor bipolar (BJT); características y aplicaciones prácticas. Circuitos amplificadores. Circuitos integrados. El CI 555. Amplificadores operacionales; características y aplicaciones prácticas. Fuentes de alimentación reguladas; reguladores integrados lineales (78XX, 79XX, LM317/337), reguladores conmutados (78S40, LM2575). Optoelectrónica: Fotodiodo, fototransistor, displays, optoacopladores. Tiristores; regulación por ángulo de fase. Electrónica de potencia; Rectificadores trifásicos, rectificación controlada con SCR, control de potencia en continua y alterna, choppers, conceptos sobre: Inversores-onduladores, cicloconvertidores, tiristores GTO y MCT, transistores MOSFET y IGBT. Introducción a la electrónica digital: Conceptos y aplicaciones de la electrónica digital. Señales analógicas y digitales. Unidades de información digital. Procesos digitales. Conversión analógica-digital. El sistema binario. Operaciones en binario. Funciones lógicas básicas. Puertas lógicas. Circuitos integrados digitales de tecnología TTL y CMOS. Principios del álgebra de Boole. Así pues, este libro está enfocado hacia el Ciclo Formativo Instalaciones de Telecomunicaciones, pero al tratarse de una materia de tipo general, puede ser también de utilidad en otros cursos donde se imparta electricidad-electrónica, así como para el estudio autodidacta, tanto de inicio como de reciclaje. Las teorías se explican de forma clara y sencilla pero con rigor técnico y profesional, con ejemplos de aplicaciones prácticas, utilizando componentes reales de fácil adquisición. El libro se adapta a las tendencias actuales de la enseñanza y a las necesidades profesionales; por ello consideramos que puede ser de utilidad tanto a alumnos como a profesores. Se puede descargar material adicional de ampliación sobre electrónica digital en la Web del autor: http://www.etpc-hermosa.tk http://llibreriaha.com/blogs/antonio-hermosa/ http://www.hermosa-electronica.blogspot.com/

El autor

Índice general

Índice general Unidad 1

Introduccióna la electricidad .......................1 1.1 1.2

Introducción .......................................................2 Principios fundamentales de la electricidad ..............................................2 1.3 Estructura del átomo.........................................4 1.4 Cargas eléctricas. Ley de Coulomb ...............8 1.5 La corriente eléctrica......................................10 1.6 Fuerza electromotriz (f.e.m.) ..........................12 1.7 Intensidad eléctrica ........................................13 1.8 Tensión eléctrica..............................................14 1.9 El circuito eléctrico circulación de la corriente ................................................15 Actividades finales.....................................................18

Unidad 2

El Circuito eléctrico: Efectos y medidas ........................................19 2.1 2.2 2.3

Introducción a los circuitos eléctricos ..........20 Elementos fundamentales de un circuito...... 21 Efectos y aplicaciones de la corriente eléctrica .................................23 2.4 Medidas de la corriente y tensión eléctrica ...........................................25 2.5 El polímetro “Tester” ........................................28 Actividades finales.....................................................33

Unidad 3

Resistencia eléctrica ..................................34 3.1 3.2 3.3 3.4

Introducción .....................................................35 Resistividad de los conductores ....................35 Fusibles ................................................................ 35 Variación de la resistencia con la temperatura.........................................36 3.5 Resistencias .....................................................37 3.6 Medida de la resistencia (óhmetro) .............42 3.7 Potenciómetros ...............................................46 3.8 Montaje de resistencias en serie ...................47 3.9 Montaje de resistencias en paralelo .............49 3.10 Circuitos serie–paralelo (mixtos) ....................51 Actividades finales.....................................................51

Unidad 4

Potencia eléctrica ......................................53 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

Trabajo y potencia eléctrica .........................54 El vatio (W) .......................................................55 Ejemplos prácticos sobre potencia eléctrica ..........................................56 Fórmulas prácticas sobre potencia y ley de Ohm....................................................58 Efectos caloríficos de la electricidad. Ley de Joule .....................................................61 Trabajo eléctrico. Consumo de energía eléctrica .....................62

Actividades finales.....................................................63

Unidad 5

Generadores de electricidad....................65

5.1 Introducción .....................................................66 5.2 Generadores mecánicos ...............................66 5.3 Generadores químicos ...................................68 5.4 Fuerza electromotriz (f.e.m.) ............................ 70 5.5 Resistencia interna ..........................................71 5.6 Montaje serie de generadores ......................74 5.7 Montaje paralelo de generadores ...............76 5.8 Montaje serie-paralelo de generadores ......77 Actividades finales.....................................................79

Unidad 6

Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos ..........80 6.1 6.2

Ley de Ohm......................................................81 Caída de tensión–diferencia de potencial ....................................................84 6.3 El circuito serie .................................................88 6.4 El circuito paralelo ...........................................90 6.5 Circuitos serie–paralelo (mixtos) ....................91 6.6 Leyes Kirchhoff ................................................94 6.7 Teorema de Thévenin .....................................98 Actividades finales...................................................101

Unidad 7

Condensadores ..........................................103 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

Función que realiza el condensador ..........104 Carga del condensador ..............................105 Descarga del condensador.........................106 Constitución física del condensador ..........107 Constante de tiempo (en la descarga) .....109 Constante de tiempo en la carga ..............112 Características prácticas de los condensadores ..................................115 7.8 Tipos de condensadores ..............................116 7.9 Montaje de condensadores en paralelo .....................................................118 7.10 Montaje de condensadores en serie..........121 7.11 Aplicaciones prácticas del condensador .................................... 122 Actividades finales...................................................124

Unidad 8

Electromagnetismo. Aplicaciones prácticas .............................127 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

El electromagnetismo en la práctica .........128 Principios básicos. Bobinas ...........................128 El magnetismo ...............................................130 Electromagnetismo .......................................133 Electroimán ....................................................135 El relé y el contactor .....................................136

vii

Índice general 8.7 El transformador.............................................138 8.8 Grabación magnética de señales .............143 Actividades finales...................................................144

Unidad 9

La inducción electromagnética y sus efectos prácticos ..............................145 9.1

Principios del generador electromagnético .........................................146 9.2 Ejemplos prácticosde electromagnetismo.......................................147 9.3 Ley de Lenz ....................................................151 9.4 Ley de Faraday..............................................152 9.5 Efecto de autoinducción. Inductancia......153 9.6 Constante de tiempo ...................................155 Actividades finales...................................................159

Unidad 10

Corriente alterna: Principios y características........................160

10.1 Principios sobre corriente alterna ................161 10.2 La red de suministro de energía eléctrica .....................................164 10.3 Generación de corriente alterna. El alternador ...................................................165 10.4 Valores de tensión .........................................170 10.5 Desfase de ondas..........................................175 10.6 La bobina en alterna. Reactancia inductiva ...................................179 10.7 El condensador en alterna. Reactancia capacitiva ................................180 10.8 Impedancia ...................................................182 10.9 Potencia en alterna ......................................185 10.10 Corriente alterna trifásica.............................191 Actividades finales...................................................193

Unidad 11

Introducción a la electrónica ...................194

11.1 ¿Qué es la electrónica? ...............................195 11.2 Los semiconductores ...................................196 11.3 El diodo ...........................................................199 11.4 El diodo emisor de luz (LED) .........................201 11.5 Termistores (NTC-PTC) ...................................203 11.6 Células fotoconductoras (LDR) ...................204 11.7 Varistor (VDR) ................................................205 Actividades finales...................................................206

Unidad 12

Circuitos básicos de alimentación ..........207

12.1 Introducción ...................................................208 12.2 Partes básicas de una fuente de alimentación ...........................................208 12.3 Circuito rectificador de media onda .........209 12.4 Circuito rectificador de doble onda...........210 12.5 Filtrado ............................................................213 12.6 Diodo zener ....................................................215 12.7 Circuito estabilizador de tensión básico ....217 Actividades finales...................................................219

viii

Unidad 13

Introduccióna los transistores ...................220

13.1 Función que realiza el transistor...................221 13.2 Amplificador...................................................221 13.3 Aspectos prácticos sobre transistores .........223 13.4 El Transistor bipolar (BJT)................................225 13.5 Transistores de efecto de campo (FET) ......225 13.6 Transistores MOS.............................................227 13.7 Transistor UJT ...................................................227 Actividades finales...................................................230

Unidad 14

El transistor bipolar. Principios y aplicaciones...........................231

14.1 Introducción al transistor bipolar (BJT) ....................................................232 14.2 El transistor NPN ..............................................232 14.3 Funcionamiento resumido del transistor ...................................................233 14.4 El transistor PNP ..............................................234 14.5 Ejemplo de aplicaciones del transistor .......235 14.6 Comprobaciones del transistor con el polímetro ............................................237 14.7 Aplicación práctica del transistor ...............242 14.8 El circuito amplificador lineal básico ..........244 14.9 Intensidades y tensiones en el transistor .....245 14.10 El transistor operando en conmutación .......................................248 14.11 Circuitos prácticos con transistores .............249 14.12 Estudio del transistor en amplificación lineal .................................257 Actividades finales...................................................264

Unidad 15

Características del transistor. Circuitos prácticos.........................................266 15.1 Introducción ...................................................267 15.2 Datos característicos de los transistores (BJT) ..................................267 15.3 Curvas características y circuitos de experimentación .....................................270 15.4 El factor de amplificación α ............................282 15.5 Comprobaciones del transistor mediante la función transistómetro del tester. ............283 Actividades finales...................................................285

Unidad 16

Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores .........286

16.1 Introducción ...................................................287 16.2 Amplificadores. Conceptos generales ...................................287 16.3 Los decibelios (dB) ........................................289 16.4 Características de un amplificador ............293 16.5 Circuitos amplificadores básicos .................297 16.6 Amplificación multietapa ............................305 16.7 Polarización básica de una etapa amplificadora (EC).

Índice general Análisis práctico .............................................308 16.8 Experimentación de los estados lineal, corte y saturación....................................................311 Actividades finales...................................................313

Unidad 17

Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 ........315

17.1 Introducción a los circuitos integrados.......316 17.2 El circuito integrado 555: Generador de señales ..................................317 17.3 Montaje como generador de señales (clock) del 555 ............................................................320 17.4 Circuito práctico generador de ondas asimétricas ....................................321 17.5 Montaje del CI 555 como monoestable. Temporizador .................................................323 17.6 Circuito práctico temporizador ...................325 17.7 Sirena electrónica basada en el CI 555 .............................................. 326 Actividades finales...................................................329

Unidad 18

Circuitos integrados. Amplificadores operacionales...................330

18.1 Introducción ...................................................331 18.2 Características básicas de los CI amplificadores operacionales .....................332 18.3 El circuito integrado amplificador operacional uA 741.......................................338 18.4 Consideraciones prácticas de aplicación general........................................340 18.5 Circuitos prácticos con amplificadores operacionales ................................................343 18.6 Amplificador de potencia de sonido. CI TDA 2003 ....................................................358 Actividades finales...................................................360

Unidad 19

Fuentes de alimentación reguladas ........361

19.1 Introducción ...................................................362 19.2 Reguladores de tensión serie 78XX/79XX ...362 19.3 Montaje y análisis de un alimentador de 12 V con un CI 7812 ...............................................366 19.4 Alimentador con salida simétrica basado en un 7812 y 7912 ..........................................367 19.5 Reguladores de 3 A. Serie 78TXX .................368 19.6 Reguladores de 100 mA. Serie 78LXX ..........369 19.7 Reguladores de la serie LM317/337 ............370 19.8 Fuente de alimentación de salida variable con el LM317 .......................................................374 19.9 Fuentes de alimentación conmutadas ......376 Actividades finales...................................................387

Unidad 20

20.2 Montaje práctico: Simulador de alarma de coche ..................392 20.3 Displays de 7 segmentos ..............................393 20.4 El fotodiodo ....................................................396 20.5 El fototransistor ..............................................398 20.6 Optoacopladores .........................................400 Actividades finales...................................................402

Unidad 21

Tiristores .......................................................403 21.1 El tiristor (SCR) .................................................404 21.2 Curvas características del tiristor .................406 21.3 Regulación de potencia por ángulo de fase........................................408 21.4 Rectificación controlada ............................409 21.5 Circuito práctico regulador de potencia (en continua) .................................................411 21.6 El Triac y Diac .................................................414 21.7 Circuito prácticos reguladores en alterna con Triac - Diac..............................................417 Actividades finales...................................................419

Unidad 22

Electrónica de potencia ............................420 22.1 22.2 22.3 22.4 22.5 22.6 22.7 22.8 22.9

Introducción ...................................................421 Rectificadores trifásicos no controlados.....422 Rectificadores trifásicos controlados ..........429 Inversores - Onduladores ..............................432 Control de potencia en alterna ..................433 Cicloconvertidores ........................................434 Interruptores estáticos ...................................434 Convertidores cc/cc. Choppers .................435 Componentes electrónicos de potencia básicos .....................................438 Actividades finales...................................................442

Unidad 23

Introduccióna la electrónica digital ........444 23.1 23.2 23.3 23.4

Introducción a la electrónica digital ..........445 Señales analógicas y señales digitales .......448 Procesos Digitales .........................................452 Sistemas cableados y sistemas programables ..............................454 23.5 El sistema binario ...........................................455 23.6 Codificación-decodificación ......................461 23.7 Datos en formato paralelo...........................465 23.8 Datos en formato serie .................................467 23.9 Operaciones aritméticas básicas en binario .......................................................468 23.10 Introducción a los circuitos digitales ..........469 23.11 Puertas lógicas ...............................................471 23.12 Simbología lógica..........................................476 23.13 Circuitos integrados digitales .......................476 23.14 Principios del álgebra de Boole ..................480 Actividades finales...................................................484

Componentes optoelectrónicos básicos ........................................................389 20.1 Diodos LED ......................................................390

ix

Unidad 1

Introducción a la electricidad

Objetivos: • • • • •

Comprender los principios básicos de la electricidad, ya que es la base de la Electrónica y por tanto de los sistemas electrónicos de Telecomunicaciones. Conocer claramente los conceptos de corriente, intensidad y tensión. Operar con las unidades básicas eléctricas, Culombio, Amperio, Voltio. Comprender el concepto, funcionamiento y aplicación de los circuitos eléctricos. Distinguir entre corriente continua y corriente alterna.

En este capítulo: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

Introducción. Principios fundamentales de la electricidad. El átomo. Cargas eléctricas. Ley de Coulomb. La corriente eléctrica.

1.6 1.7 1.8 1.9

Fuerza electromotriz (f.e.m.). Intensidad eléctrica. Tensión eléctrica. El circuito eléctrico. Circulación de la corriente.

Unidad 1 · Introducción a la electricidad

Recuerda • • • La electricidad es un tipo de energía; y como tal, capaz de realizar trabajo. La electrónica es una extensión de la electricidad, aparecida como consecuencia de los avances en la evolución de la tecnología eléctrica, por ello se basa también en los principios de la electricidad.

1.1 Introducción La aplicación práctica de la electricidad y del magnetismo da lugar a lo que se denomina Electrotecnia; de hecho, la palabra electrotecnia viene de la combinación de electro y techne; o sea, es la tecnología eléctrica, donde se encuentran componentes tales como motores eléctricos, interruptores, condensadores, contactores, equipos de iluminación, etc. Los equipos de electrónica pueden ser tan sencillos como el circuito de una linterna de LEDs y también de un nivel tecnológico tal que combina diferentes ramas de electrónica; así es, por ejemplo, en las video cámaras, teléfonos móviles, ordenadores, etc. La electrónica es una extensión de la electricidad, aparecida como consecuencia de los avances en la evolución de la tecnología eléctrica, por ello se basa también en los principios de la electricidad. Todo sistema electrónico, por simple o complicado que sea, se alimenta con energía eléctrica, y por tanto ya existe un proceso eléctrico. La electrónica básica general se puede considerar por tanto una materia fundamental en todas las disciplinas de la tecnología, y obligatoria en el área de las Telecomunicaciones; ya que todos los circuitos, aparatos, equipos están realizados con componentes electrónicos; receptores de radio y TV, telefonía móvil o fija, routers, amplificadores de antena, etc. Por ello en el ciclo de grado medio Instalaciones de Telecomunicaciones se encuentra un módulo de electrónica, en el cual aparecen casi todas las partes básicas de la electrónica; desde los principios (electricidad) hasta los circuitos electrónicos digitales programables. El programa de materias, como suele ser en todos los ciclos formativos, es muy amplio y ambicioso; luego la realidad, por tiempo, características del alumnado, necesidades profesionales, etc. obligan a distinguir aquellas materias que constituyan la base fundamental necesaria. Este libro, se ha procurado que no sea un libro más de electrónica; que, además de cumplir con la formación del módulo de electrónica aplicada del ciclo formativo, resulte ameno y didáctico. También puede ser de utilidad en la formación autodidacta, cursos de reciclaje profesional, etc., así como para cubrir la parte de electrónica en otros ciclos formativos (por ejemplo, el de Instalaciones Eléctricas y Automáticas).

1.2 Principios fundamentales de la electricidad

En principio, se puede decir que la electricidad es un tipo de energía, y como tal, capaz de realizar trabajo. Ejemplo de sus aplicaciones prácticas son los motores, calefactores, lámparas, etc. Y de la misma manera que ocurre con la fuerza magnética, no nos resulta visible, pero su existencia queda claramente manifiesta por los efectos que produce. La fuerza de origen magnético (generada por cuerpos magnetizados) actúa sobre ciertos tipos de materiales (los denominados ferromagnéticos, lo cuales pueden ser influidos por dicha fuerza. Pues también existe fuerza de origen eléctrico, generada por cuerpos con carga eléctrica, invisible, pero también capaz de producir una fuerza sobre otros cuerpos. Se pueden encontrar experimentos de este tipo en, por ejemplo, museos de la ciencia, siendo uno característico el movimiento de atracción (o repulsión) entre dos esferas cargadas eléctricamente. De hecho, todos nos podemos encontrar en algún momento con estas manifestaciones físicas de la electricidad: al peinarnos (a veces el pelo se pone de punta, siguiendo al peine), al salir del coche y cerrar la puerta puede darnos una especie de calambre, al caminar sobre moqueta pueden aparecer chispas por los pies, etc.; todo se debe a la acción de la electricidad, originada, en estos casos, por la fricción entre dos cuerpos diferentes, los cuales pasan de ser neutros a tener una cierta carga de electricidad.

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Recuerda • • • Los electrones son partículas elementales de la electricidad. El electrón es la mínima expresión de carga eléctrica (negativa), y es lo que da lugar a la corriente eléctrica. Se encuentra en los átomos, y los átomos a su vez forman moléculas. Toda la materia se compone de átomos, por ello las personas también poseemos electrones, y somos susceptibles a la electricidad.

1.2.1 Moléculas, átomos y electrones Se puede decir que los principios eléctricos se encuentran en todos los tipos de materia, ya que ésta se forma por moléculas que a su vez están formadas por átomos, y en el átomo se encuentra la partícula fundamental de la electricidad: el Electrón. Los electrones son las partículas elementales de la electricidad, la mínima expresión de carga eléctrica (negativa), y lo que da lugar a la corriente eléctrica y de todas sus manifestaciones. Se puede decir que todos los sistemas eléctricos y electrónicos, desde el más elemental, como puede ser una bombilla, hasta el microprocesador más avanzado, se fundamentan en la circulación controlada de electrones. La molécula es la mínima parte que se puede obtener de una cierta materia sin que desaparezcan sus propiedades químicas, o sea, sigue conservando las mismas características del tipo de materia. Por ejemplo, si pudiéramos partir un grano de sal por la mitad, y cada trocito lo volviéramos a partir por la mitad, y así sucesivamente, se llegaría a obtener una minúscula parte de materia que ya no sería sal; obtendríamos átomos de cloro y sodio, que es la composición química de la sal común (cloruro de sodio) (Fig. 1.1).

1 átomo de cloro + 1 átomo de sodio = Figura 1.1. Molécula de sal (cloruro de sodio). Se compone de un átomo de sodio y un átomo de cloro.

Molécula de sal

Y en el caso del agua, la mínima cantidad que aun sigue siendo agua, molécula de agua, se compone de dos átomos de hidrogeno y uno de oxigeno; la partición de la molécula daría lugar a átomos. Existen materiales que se componen exclusivamente por átomos de un mismo tipo, son los denominados cuerpos simples, y constituyen los elementos químicos: oro, hierro, carbono, oxigeno, etc. Los materiales cuya composición se basa en diferentes tipos de átomos, se denominan cuerpos compuestos, un ejemplo sencillo y fundamental es el agua; se compone de dos tipos de átomos (hidrogeno y oxigeno). Toda la materia se compone de átomos, desde un trocito de hierro hasta el cuerpo humano, o sea, que las personas también poseemos electrones; y bajo este principio, se puede decir, que somos también susceptibles a las manifestaciones eléctricas. De hecho, algunos de los aparatos médicos se basan en la detección de ciertas manifestaciones eléctricas que se encuentran en el cuerpo. Por ejemplo, en el cerebro se encuentran unas señales eléctricas características (ondas alfa, beta, etc.) que detectadas y analizadas por medio del Electroencefalógrafo, permiten detectar ciertas enfermedades. Asimismo, por medio del instrumento Electrocardiograma se pueden detectar y analizar ciertos impulsos eléctricos que se dan en el corazón, pudiéndose así detectar posibles anormalidades.

Actividades de evaluación 1. Da una breve explicación sobre lo que significa electricidad. 2. Indica componentes, aparatos, enmarcados dentro de la electrónica. 3. ¿Qué es un electrón? 4. Diferenciar entre molécula y átomo.

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Recuerda • • • En los átomos se encuentra carga positiva (en el núcleo) y carga negativa (en la corteza). Las denominaciones de positivo (+) y negativo (−) se utilizan para indicar dos estados eléctricos (polaridades) de signo contrario. El protón es la partícula elemental de carga eléctrica positiva (+); y el electrón, la partícula elemental de carga eléctrica negativa (−).

1.3 Estructura del átomo Los átomos se componen, fundamentalmente, de dos partes: núcleo y corteza. En el núcleo se encuentra carga eléctrica denominada positiva (+), compuesta por unas partículas llamadas protones, junto con otras partículas que se conocen por neutrones. La carga positiva es debida a los protones; se puede decir que un protón es la mínima expresión de una carga eléctrica positiva. Los neutrones son partículas, que como su nombre indica, son neutras; no poseen carga eléctrica, pero su masa es del mismo orden que la del protón. La corteza se compone de cargas eléctricas denominadas negativas (−), compuesta por las partículas llamadas electrones; son las partículas más importantes desde el punto de vista eléctrico-electrónico. En la figura 1.2 se muestra una representación típica de la estructura de un átomo (el del oxigeno, a modo de ejemplo). Como se observa, los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes capas (órbitas), a semejanza del sistema planetario del universo. Núcleo: carga posiva (protones)

Corteza: Carga negava (electrones )

Figura 1.2. Estructura de un átomo (oxígeno). Básicamente se compone del núcleo (que es donde se encuentra la carga positiva) y de la corteza (carga negativa)

De hecho, esta estructura del átomo es a modo simplista, entre otras cosas, porque los desarrollos científicos han llegado a detectar otras partículas (por ejemplo, los quarks), pero esta estructura sigue siendo válida. Eléctricamente, sólo resultan interesantes las partículas protón (+) y electrón (−), especialmente esta última. Así, resumiendo: • Protón: Partícula elemental, mínima expresión de carga eléctrica positiva (+) • Electrón: Partícula elemental, mínima expresión de carga eléctrica negativa (−)

La cantidad de carga eléctrica de ambas partículas es la misma, y en todos los átomos en estado normal existe un número de protones igual al de electrones. Por ello, los átomos en su estado normal, eléctricamente, son neutros; pues tienen la misma cantidad de carga positiva como de negativa. Las denominaciones de positivo (+) y negativo (−) se emplean para indicar los dos tipos de estados eléctricos (o polaridades) diferentes que existen; son dos estados eléctricos de signo contrario entre si, de forma semejante a como ocurre con los polos sur y norte de los imanes. Cada uno de estos estados eléctricos posee cierta energía, y se sabe que entre dos cuerpos con carga eléctrica pueden manifestarse ciertas fuerzas.

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Unidad 1 · Introducción a la electricidad Un principio fundamental en electricidad es el siguiente: • Entre cargas eléctricas del mismo signo se produce una fuerza de repulsión. • Entre cargas eléctricas de diferente signo se produce una fuerza de atracción. Esto queda ilustrado en la figura 1.3. Y bajo este simple principio se basa el funcionamiento de, por ejemplo, los motores eléctricos y los altavoces. Cargas iguales Repulsión

Figura 1.3. Principio fundamental de fuerzas de atracción y repulsión entre cargas eléctricas. Si las cargas son iguales, se produce una fuerza de repulsión. Si las cargas son diferentes, se produce una fuerza de atracción.

Repulsión

Cargas diferentes Atracción Atracción

(Átomo de hidrógeno) Así, puesto que los protones y los electrones son cargas eléctricas de diferente signo, aunque sea en su mínima expresión, dichas fuerzas ya se ejercen entre dichas partículas. Por ello, en los electrones se ejerce una fuerza de atracción hacia el núcleo; pero no llegan a él, y siguen su trayectoria orbital, debido a otra fuerza que origina el movimiento a gran velocidad. Así, los átomos, y la materia en general en su estado normal, es de carácter eléctricamente neutro, pues tiene tantas cargas eléctricas negativas (electrones) como positivas (protones). Electrón libre

Figura 1.4. Electrón, que por alguna circunstancia, deja de formar parte del átomo; aparece así un electrón libre.

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Unidad 1 · Introducción a la electricidad Cuanto más separados del núcleo se encuentran los electrones, pues existen diferentes órbitas, menos fuerza de atracción reciben los electrones hacia el núcleo. Son precisamente los electrones de la última capa, los más alejados del núcleo, los causantes de todos los fenómenos eléctricos; al ser los electrones con menos atracción hacia el núcleo, son los que, por medio de algún tipo de energía externa, pueden dejar el átomo, dando lugar al concepto de: cargas eléctricas móviles, o electrones libres, y son los causantes de que se produzca la corriente eléctrica (Fig. 1.4). A ciertas temperaturas, en los electrones periféricos ya puede existir un cierto movimiento incontrolado, errático, de átomo en átomo; son los electrones libres. La corriente y la generación de cuerpos con carga eléctrica se debe a que, por algún tipo fuerza externa, los átomos pierden electrones libres (de la última capa, los mas externos); apareciendo así cuerpos con carga positiva y carga negativa (Fig. 1.5). Cuerpo cargado positivamente: sus átomos han perdido electrones, han dejado de ser neutros; tienen menos electrones que protones. Cuerpo cargado negativamente: sus átomos han recibido electrones, han dejado de ser neutros; tienen más electrones que protones.

Material neutro Figura 1.5. Representación de un cuerpo neutro y otros cargados eléctricamente.

Material cargado

Material cargado

negavamente posivamente El nº de cargas posivas Tiene más cargas negavas que Tiene más cargas posivas que . es igual al de negavas posivas; ha ganado electrones. negavas; ha perdido electrones

Son los electrones periféricos los que caracterizan a los materiales como buenos o malos conductores, según la facilidad con que éstos se mueven. Y esta más o menos facilidad de movimiento depende de las características de los átomos que forman la sustancia en cuestión. Aparece así el concepto de materiales buenos y malos conductores de la electricidad. Adelantamos, que cuando se produce un movimiento ordenado de electrones, por medio de aplicar una energía externa, aparece el concepto de corriente eléctrica.

1.3.1 Configuración electrónica del átomo En principio, sabemos que en cada átomo en estado normal, existe un número de protones (cargas positivas) igual al de electrones (cargas negativas), por lo cual su estado eléctrico es neutro. En el núcleo se encuentra concentrada la carga positiva, pero la carga negativa se encuentra distribuida alrededor del núcleo, en diferentes órbitas. El número atómico de cada átomo indica su cantidad total de electrones (y, por tanto, también el de protones), lo cual determina su clasificación en lo que se conoce por tabla periódica de los elementos. El número atómico es necesario para saber la configuración electrónica del átomo, lo cual nos puede dar una información práctica sobre su mayor o menor facilidad de conducción eléctrica del material. Cuanto menos electrones existen en la última capa y más alejados se encuentran del núcleo, mejor conductor de electricidad es el material; así, los mejores materiales conductores de electricidad son aquellos en los cuales sus átomos tienen un solo electrón en la última capa, es el caso de la plata y el cobre. La cantidad de electrones que se encuentra en cada capa se puede determinar por medio de la expresión: E = 2 n2 E = número de electrones de la capa y n = número de la capa

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Unidad 1 · Introducción a la electricidad Hay que partir de la condición de que en la última capa, como máximo, pueden existir 8 electrones y en la penúltima 18. Las primeras cuatro capas (órbitas) se denominan K, L, M y N, siendo K la más próxima al núcleo.

Ejemplo Configuración electrónica del átomo de cobre. Número atómico: 29 1ª capa (K): 2 n2 = 2 x 12 = 2 x 1 = 2 electrones 2ª capa (L): 2 n2 = 2 x 22 = 2 x 4 = 8 electrones 3ª capa (M): 2 n2 = 2 x 32 = 2 x 9 = 18 electrones Como que en estas tres capas ya suman 28 electrones, se deduce que en la 4ª capa (N), y última, sólo habrá un electrón; pues en total deben haber 29, que es su número atómico. En la figura 1.6 se representa dicha configuración electrónica. Así, los átomos del cobre disponen como carga móvil, un solo electrón, y situado en una 4ª capa; la poca fuerza de atracción ejercida por el núcleo sobre dicho electrón periférico, hace que fácilmente éste pueda salir del átomo y en consecuencia dar lugar a una corriente eléctrica. El cobre es el tipo de material normalmente utilizado para fabricar los conductores eléctricos (hilos, cables), debido a su buena conductividad eléctrica y relativo bajo precio.

Electrón periférico

Figura 1.6. Estructura atómica del átomo de cobre.

Actividades de evaluación 1. Da una breve explicación sobre las partículas Protón y Electrón. 2. De las dos partículas anteriores, ¿cuál de las dos es la que da lugar a la corriente eléctrica? 3. ¿Porqué pueden aparecer cuerpos con carga positiva o negativa? ¿Y qué efectos pueden dar lugar entre ellos? Piensa en alguna manifestación de esto efecto, que a veces se experimenta en la vida cotidiana. 4. ¿Qué dos átomos dan lugar a los mejores materiales (prácticos) conductores de la electricidad? 5. Calcula la estructura electrónica del átomo de aluminio (n° atómico = 13).

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1.4 Cargas eléctricas. Ley de Coulomb Como se sabe, la mínima expresión de carga eléctrica lo constituye el electrón y protón. Al ser de una magnitud tan pequeña, se establece como unidad de carga eléctrica el culombio (C), lo cual equivale a la carga de, aproximadamente, 6.230.000.000.000.000.000 electrones = 6,23 · 1023 Unidad de carga eléctrica: Culombio 1 Culombio ≈ 6,23 · 1018 electrones Por tanto, la cantidad de carga eléctrica del electrón (y del protón) es: Carga del electrón (-e) = 1,602 · 10-19 C Carga del protón (+e) = 1,602 · 10-19 C Aunque las cargas eléctricas del protón y electrón son las mismas, no ocurre lo mismo con sus masas. La masa del protón es mucho mayor que la del electrón: Masa del electrón: 9,11 · 10-31 Kg. Masa del protón: 1,67 · 10-27 Kg. Así, la masa del protón es unas 1830 veces mayor que la del electrón. Por otra parte, como se sabe, en el núcleo también se encuentran las partículas denominadas neutrones, eléctricamente neutras, pero su masa es similar a la del protón. Así pues, se deduce que en el núcleo del átomo es donde se concentra casi toda su masa. Aparecen cargas eléctricas, materiales cargados eléctricamente, cuando por algún tipo de circunstancia los átomos pierden algún electrón. Cuando esto ocurre, los electrones que dejan de formar parte de un átomo se mueven hacia otro átomo. Se dice entonces que los átomos que pierden electrones adquieren carga eléctrica positiva, y dejan de ser neutros, al tener más cantidad de protones que de electrones; lo cual les da la propiedad de poder atraer otros electrones de su entorno (Fig. 1.7).

Electrón atraído

Figura 1.7. Los átomos que han perdido algún electrón dejan de ser neutros y adquieren carga eléctrica positiva, con lo cual pueden atraer electrones libres.

Átomo cargado posivamente En su estado normal, átomo neutro, los electrones libres no son atraídos porque la fuerza de atracción del núcleo es compensada por la fuerza de repulsión por parte de la corteza (electrones). Si los átomos reciben electrones, también dejan de ser neutros, ya que adquieren carga negativa, puesto que pasan a tener más electrones que protones. En general, también se denominan iones a los átomos que dejan de ser neutros, bien porque pierden o ganan electrones. Así, se denomina ion positivo a los átomos con carga + (han perdido electrones), y ion negativo a los átomos con carga negativa (han ganado electrones).

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Campo eléctrico Las cargas eléctricas dan lugar también a lo que se conoce por campo eléctrico, lo cual se puede manifestar experimentalmente. Digamos, que es una fuerza similar a la magnética, invisible, de acción a distancia, y que puede ser de atracción o repulsión. Se puede decir que existe una fuerza de campo eléctrico en un cierto punto del espacio, si en dicho punto se ejerce fuerza sobre cualquier otro tipo de carga. Así, la situación de un cuerpo cargado eléctricamente puede ejercer cierta fuerza sobre otras cargas situadas a su alrededor, y en cierta región del espacio se dice que existe un campo eléctrico.

1.4.2 Ley de Coulomb La Ley de Coulomb viene a decir que la fuerza (F) ejercida entre dos cargas eléctricas, q1 y q2, es directamente proporcional a su producto e inversamente proporcional a su distancia de separación. Matemáticamente se expresa por:

siendo: K: constante de proporcionalidad q1 y q2: cargas eléctricas, culombios (C). d: distancia de separación, metros (m). Como se comprende, es similar a la fuerza de gravitación universal de Newton. A mayor distancia de separación, menos influencia existe entre las cargas y menor es la fuerza (de atracción o repulsión). Asimismo, a mayor cantidad de cargas, mayor será la fuerza que se ejercerá (Fig. 1.8).

Carga eléctrica

Q1 Figura 1.8. Representación de la ley de Coulomb.

Carga eléctrica

F =K

q1 q2 d2

Q2

Distancia de separación (d)

Ejemplo Cálculo de la fuerza de atracción entre un protón y un electrón, situados a una distancia de 6 · 10 -11 metros. Sabemos que las cargas de estas partículas elementales es: +e = -e = 1,6 · 10-19 C. Y la constante K, en el vacío, es de 9 · 109. Por tanto, la fuerza de atracción será:

Bajo este principio, también se puede definir la unidad de carga eléctrica, Culombio, como la carga eléctrica que situada frente a otra igual, en el vacío y a 1 metro de distancia, da lugar a una fuerza de repulsión de 9 · 109 N. 9


Actividades de evaluación 1. Da una explicación sobre el concepto de campo eléctrico. 2. ¿A qué se refiere la unidad Culombio? 3. Cuál es la carga eléctrica de un electrón ¿y de un protón? 4. ¿A qué se denominan iones? 5. ¿Qué viene a decir la ley de Coulomb? 6. Ejercicio sobre la ley de Coulomb: calcular la fuerza de atracción del ejemplo 1.4.1, si la distancia es 10 veces menor. Razonar el resultado.

1.5 La corriente eléctrica La corriente eléctrica aparece como consecuencia del movimiento de electrones, y se puede definir de la siguiente manera: Corriente eléctrica, es la circulación ordenada de electrones a través de un conductor (a causa de una fuerza de atracción).

Flujo de electrones circulando ordenadamente: corriente eléctrica

Cable conductor (cobre)

− Generador de fuerza

+

(tensión eléctrica) Figura 1.9. Representación del concepto de corriente eléctrica.

En base a un símil hidráulico, la corriente equivale al líquido, agua, que circula por una tubería; y el conductor de electricidad, un cable de cobre, equivale, por tanto, a la tubería por la cual circula el agua. En la figura 1.9 se muestra una representación de la circulación de la corriente eléctrica a través de un conductor. Obviamente, para que se produzca la corriente eléctrica tiene que haber algo, una fuerza, que presione para que esto suceda; esta presión eléctrica es lo que se conoce por tensión eléctrica (voltios), y es la fuerza que hace que los electrones circulen ordenadamente recorriendo un circuito. En la práctica, son los voltios generados por una pila (1,5 V), una batería (12 V), la red eléctrica (230 V), etc.

1.5.1 Conductores y aislantes Como ya debe saberse, el causante de que pueda existir una corriente eléctrica a través de un conductor se debe a la posibilidad de que los electrones periféricos de sus átomos puedan dejar el átomo debido a alguna influencia externa. Y la facilidad para que esto ocurra depende de lo alejado del núcleo que estén los electrones periféricos, ya que la fuerza de atracción que ejerce el núcleo (carga positiva) sobre ellos es así menor.

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1.5.1.1 Buenos conductores Se puede resumir, que los materiales son mejores conductores de la electricidad cuanto menos electrones periféricos tengan sus átomos y más alejados se encuentren del núcleo; en general, los que tienen muchos electrones libres. La facilidad de movimiento de dichas partículas, ya con un cierto movimiento desordenado en estado normal, puede controlarse y lograr que adquieran una circulación ordenada, en un determinada dirección (corriente eléctrica) aplicando una fuerza externa de carácter eléctrico. En general, todos los metales son más o buenos conductores de electricidad, siendo los mejores la plata seguida del cobre, cuya estructura atómica se representa en la figura 1.10.

Figura 1.10. Estructuras de los átomos de cobre y plata; los materiales mejores conductores de la electricidad.

Átomo de cobre

Átomo de plata

1.5.1.2 Aislantes Se entiende por materiales aislantes de la electricidad, aquellos que, debido a su estructura atómica, no dan lugar a una circulación ordenada de electrones, no permiten el paso prácticamente de corriente; de ahí el término aislantes. Son aislantes, por ejemplo, la porcelana, el aire (seco), papel, goma, etc. Los aislantes se utilizan precisamente para aislar, cortar, el paso de la corriente; por ejemplo, se utilizan como medio de aislamiento eléctrico en cables, herramientas, cajas de equipos, etc. También se puede decir que este tipo de materiales oponen una muy alta oposición al paso de la corriente (adelantando así el concepto de resistividad). Es conveniente saber, que todo aislante, en según que condiciones puede llegar ha hacerse más o menos conductor y dejar pasar una cierta corriente. Esto ocurre, por ejemplo, cuando el aire o la madera se humedece, o bien por una elevada fuerza de campo eléctrico (que rompe la estructura atómica). Por eso, puede pasar que un cierto material sea buen aislante para ciertas aplicaciones y para otras no lo sea. Precisamente, cuando se da lo que se conoce por arco eléctrico (rayos, chispas desde un cable de la bujía de un coche hacia la chapa, etc.), es porque el aire, que es un aislante, se hace conductor debido a la fuerte fuerza eléctrica. Hay que tener en cuenta que movimiento de electrones no siempre significa corriente eléctrica, pues, a ciertas temperaturas, los átomos periféricos, pueden tener ya un cierto movimiento entre átomos; pero esto no se considera corriente eléctrica porque no es un movimiento ordenado, sino desordenado o errático.

Actividades de evaluación 1. Define el concepto de corriente eléctrica. Dibuja una representación de esto. 2. Hidráulicamente, a que compararías la corriente y la tensión eléctrica? 3. Define el concepto de buenos materiales conductores y materiales aislantes. ¿Contribuye a ello la configuración electrónica de los átomos de la materia con que están formados? Razona la respuesta. 4. Indica dos materiales buenos conductores y dos materiales aislantes.

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1.6 Fuerza electromotriz (f.e.m.) Para que exista una corriente eléctrica se precisa de algo que fuerce a que los electrones circulen ordenadamente; una fuerza de origen eléctrica, denominada fuerza electromotriz (f.e.m.), cuya unidad es el voltio. Aunque esto será explicado más adelante de forma más detallada adelantamos que esta fuerza externa que da lugar a la aparición de la corriente eléctrica, es la que proporcionan los generadores de electricidad: Pila, batería, alternador, célula solar fotovoltaica, etc. En los generadores de electricidad, como consecuencia de algún tipo de proceso, se produce en su interior lo que se llama una f.e.m., lo cual se puede definir de la siguiente manera: Fuerza electromotriz (f.e.m.): es la fuerza que obliga a moverse a los electrones (dentro del generador), y que tiene por efecto producir una tensión eléctrica. Y la tensión eléctrica, que se expresa en voltios: es la fuerza que hace que los electrones se muevan ordenadamente en una cierta dirección a través de las líneas de conductoras (circuito), o sea, lo que hace que aparezca una corriente eléctrica. Este principio se ilustra en la figura 1.11. Aparecen así los términos tan conocidos como pila de 9 V, batería de 12 V, 220 V de la red eléctrica, etc. Corriente eléctrica

Figura 1.11. Representación genérica de un circuito eléctrico. Un generador de electricidad suministra una tensión eléctrica (voltios) que hace que circule una corriente eléctrica a través del receptor (carga). Las líneas conductoras son el medio de transporte de la energía eléctrica, del generador a la carga.

Generador de electricidad: - Pila - Batería - Alternador

f.e.m.

Tensión eléctrica (V)

Línea conductora (cobre) Sin entrar en detalles, porque será explicado en profundidad más adelante, hay que ir sabiendo que la corriente eléctrica puede ser de tipo continua (c.c.) o alterna (c.a.), según el tipo de generador de f.e.m. utilizado. Las pilas y baterías generan tensión continua, y esto significa que la polaridad de la tensión y el sentido de la corriente es constante, no varía. En el caso de la tensión de la red eléctrica (220 V), la corriente es alterna (debido a que es generada en la central por maquinas denominadas alternadores); en este caso, la polaridad de la tensión va cambiando periódicamente, y lo hace 50 veces por segundo.

Actividades de evaluación 1. Explica el concepto de fuerza electromotriz. 2. Indica tres componentes generadores de fuerza electromotriz. 3. Explicar conceptualmente lo que es c.c. y c.a.

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Disposivo Receptor (carga): - Bombilla - Motor - Estufa - Etc.


1.7 Intensidad eléctrica La intensidad de corriente es un concepto que relaciona la cantidad de carga eléctrica y el tiempo, y se puede definir de la siguiente manera:

Intensidad eléctrica Es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en la unidad de tiempo. O sea, es una medida de la cantidad de corriente. Matemáticamente se expresa por:

Unidad: Amperio (A) Circula la intensidad de un amperio cuando pasa un culombio por segundo:

Siguiendo con el símil hidráulico, la intensidad eléctrica es similar al caudal (cantidad de agua que pasa por la tubería en la unidad de tiempo).

Unidades derivadas Miliamperio:

mA



1 mA

= 0,001 A = 10-3 A

Microamperio:

μA



1 μA

= 0,000001 A = 10-6 A

Nanoamperio:

nA



1 nA

= 0,000000001 A = 10-9 A

Picoamperio:

pA



1 pA

= 0,000000000001 A = 10-12 A

Las unidades con que normalmente se trabaja en electrónica son el Amperio (A), el mA y el μA. Con nA y pA normalmente no se trabaja, pero es necesario conocerlas porque en la tecnología microelectrónica (circuitos integrados) se trata con magnitudes de corrientes muy pequeñas, hasta de pA. En cambio, en electricidad y electrónica industrial, se puede trabajar hasta con miles de amperios, lo cual se expresa por medio de la letra K, que en el mundo técnico equivale a mil: k = 1000  1 kA = 1000 A

Actividades desarrolladas 1. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 2 culombios por segundo es:

2. La intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 4 culombios cada 0,5 segundos es:

3. Cantidad de carga, culombios, que pasan por un conductor cada segundo por el cual la intensidad que circula es de 450 mA: Pasando la intensidad de 450 mA a Amperios, tenemos: 1 mA = 0,001 A  450 mA = 450 × 0,001 = 0,45 A. La cantidad de carga (q) es:

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Actividades propuestas 1. Explica qué es una intensidad eléctrica. ¿Cuál es su unidad? 2. Calcular la intensidad que circula por un conductor por el cual pasan 0,5 culombios cada 0,25 segundos. 3. Calcular la cantidad de carga que circularía en un conductor cada segundo si la intensidad medida es de 300 mA. 4. Indicar, en amperios, los valores 300 mA, 100 pA y 20 μA.

1.8 Tensión eléctrica Desde un punto de vista práctico, se puede definir de la siguiente manera: Tensión eléctrica: es la fuerza que da lugar a que los electrones se muevan ordenadamente a través de un conductor, produciéndose así una corriente eléctrica. Siguiendo con el símil hidráulico, se puede decir, que la tensión eléctrica es equivalente a la fuerza de presión que genera una bomba para hacer que el agua circule por las tuberías. Esta fuerza eléctrica, tensión, es lo que produce todo generador de electricidad (pila, alternador, célula solar, etc.). En los generadores de electricidad, aparece el término fuerza electromotriz (f.e.m.); que es el proceso energético que se da en el interior del generador, y que da lugar a que se produzca la tensión en los terminales de salida. Así, f.e.m. es equivalente a la energía que se da en el interior de una bomba hidráulica, y que da lugar a la presión. En el caso, por ejemplo, de una pila, la f.e.m. es el proceso químico interno que da lugar a la energía que pone en movimiento a los electrones, y su efecto produce la tensión de salida. La unidad de tensión eléctrica es el Voltio; por tanto, el voltaje es la medida de la tensión eléctrica. Así, se dice que la tensión de la batería del coche es de 12 V, la tensión de la red eléctrica doméstica es de 220 V, una pila de 1,5 V, etc. Visto de una forma más técnica, aparecen otros términos relacionados que se denominan potencial eléctrico y diferencia de potencial. Se define por potencial eléctrico en un punto, al trabajo necesario para trasladar la unidad de carga eléctrica positiva desde el infinito hasta dicho punto; es un trabajo por unidad de carga, que se mide en voltios (V). La unidad voltio resulta ser pues el trabajo de un julio (J) sobre la carga de un culombio (C); se tiene el potencial de un voltio si se realiza el trabajo de un julio para trasladar la carga de un culombio: 1 V = 1 J / 1 C. Se define por diferencia de potencial entre dos puntos, al trabajo necesario para que la unidad de carga se traslade de un punto a otro, y también se mide en voltios. Así, se tiene un voltio si se realiza el trabajo de un julio para que la carga de un culombio se mueva de un punto a otro:

El término diferencia de potencial es muy utilizado en la práctica, y bajo un principio de comprensión sencillo, como ya se verá. Así, en resumen, los términos tensión, potencial y diferencial de potencial, se expresan mediante la unidad voltio, y a menudo simplemente como voltaje. Por ejemplo, respecto a una pila de 9 V se puede decir: que la pila proporciona una tensión de 9 V, que entre sus terminales [positivo (+) y negativo (−)] aparece la diferencia de potencial de 9 V, o simplemente, que genera un voltaje de 9 V.

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Actividades propuestas 1. Explica, a tu manera, el concepto de tensión eléctrica. ¿Cuál es su unidad? 2. Hidráulicamente, ¿a qué asimilarías la tensión eléctrica? 3. Da un ejemplo práctico de un componente que produce una diferencia de potencial. 4. Con una tensión de 2 voltios, ¿qué cantidad de carga (culombios) se podrá mover si el trabajo realizado es de 4 julios?

1.9 El circuito eléctrico circulación de la corriente

Todos los circuitos eléctricos disponen de una serie de componentes básicos, de manera que se obtenga el paso de una corriente eléctrica a través del dispositivo de salida que se necesite. En principio, para que exista una circulación de corriente eléctrica se necesita que el circuito esté cerrado. O sea, desde un punto del generador, la corriente debe entrar por la línea de conducción, cables, salir por otro punto, y después de pasar por el tipo de dispositivo receptor que sea (bombilla, motor, etc.), debe retornar al otro punto del generador; cualquier tipo de interrupción, corte, en cualquier punto de la línea, hace que se interrumpa la circulación de corriente y que por tanto el dispositivo receptor deje de recibir energía eléctrica. El circuito eléctrico más elemental es el que se muestra en la figura 1.12; se basa en un generador, las líneas conductoras y el receptor de la energía eléctrica. Al cerrarse el circuito, se unen los terminales del generador a través de algún elemento conductor, y ello da lugar a que circule una corriente eléctrica a través de la línea conductora.

1.9.1 Sentido electrónico real Físicamente, se sabe que el sentido de la corriente eléctrica va de negativo (−) a positivo (+); o sea, el flujo de electrones parte del polo negativo del generador y se dirige, a través de las líneas de conducción, hacia el polo positivo del generador (por dentro del generador, el flujo electrónico circula desde el polo positivo al negativo). Este sentido, de negativo a positivo, es el sentido electrónico real (Fig. 1.12b).

1.9.2 Sentido convencional Existe también lo que se conoce por sentido convencional de la corriente, que va al revés del sentido real; o sea, de positivo (+) a negativo (−), según se representa en la figura 1.12a. Esto es así porque en los principios del descubrimiento de la electricidad, se creía que éste era el sentido real de la corriente, y así se consideró durante mucho tiempo. Pero posteriores descubrimientos demostraron que realmente el sentido era al revés; los electrones (cargas negativas) son realmente lo que se mueve y su tendencia es ir hacia cargas de distinto signo (positivas). En la práctica, por lo general, el sentido de la corriente que se considera es el convencional (de + a −), por cuestiones de convención, y dado que existe una gran diversidad de publicaciones que lo consideran así. Por otra parte, hay que tener en cuenta de que, energéticamente, no importa el sentido de la corriente, el trabajo realizado es el mismo. Por ejemplo, si en una linterna ponemos la pila al revés, la bombilla se enciende igual. En esta obra, éste será el sentido de la corriente utilizado, el convencional.

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Sendo convencional de la corriente:

+

−

Disposivo receptor

f.e.m. Intensidad

a)

Sendo electrónico real de la corriente:

−

+

Intensidad Disposivo receptor

f.e.m. Figura 1.12. Circuito elemental. Sentido de circulación de la corriente eléctrica: a) sentido convencional. b) sentido real. En la práctica, el que normalmente se considera es el sentido convencional.

b)

1.9.3 Corriente continua y corriente alterna Otras cuestiones relacionadas con el sentido de circulación de la corriente, son los conceptos de corriente continua (c.c.) y corriente alterna (c.a.). Existe corriente continua cuando el flujo de electrones circula siempre en el mismo sentido, y en este caso aparece el concepto de polaridad [polo positivo (+) y polo negativo (−)]. Es el tipo de corriente que se obtiene por medio de las pilas, batería, célula solar fotovoltaica, etc. En la figura 1.13 se representa la simbología de un generador de c.c. en general, el de una pila y la representación gráfica de la corriente continua. Existe también la denominada corriente alterna, cuyo concepto adelantamos: existe corriente alterna cuando el sentido se va invirtiendo constantemente en función del tiempo. Es como, por ejemplo, si fuéramos invirtiendo rápidamente la polaridad de la pila en una linterna; la bombilla recibiría corriente alterna, a veces un terminal de la bombilla se conectaría al polo + y otras veces al polo −, y también se encendería.

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G

Pila Generador de tensión connua

a)

+V Tensión connua 9V 9V Figura 1.13. a) Simbología de componentes típicos generadores de tensión continua. b) Gráfico que representa una tensión continua (b).

0 Tiempo (t) b) Es precisamente corriente alterna la que disponemos en la red eléctrica; todos los aparatos eléctricos y electrónicos que conectamos a la red, reciben corriente alterna. Esto es debido, en principio, a que los generadores eléctricos utilizados en las centrales eléctricas para suministrar la energía eléctrica son máquinas denominadas alternadores. En la figura 1.14 se representa el símbolo de un generador de c.a., alternador, y la forma como varía la tensión que genera.

+V

G Figura 1.14. Símbolo de un alternador (generador de c.a.) y la forma de variación de la tensión que genera (tensión alterna).

Tensión alterna

0

t

-V

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Actividades propuestas 1. ¿Qué significa sentido de circulación electrónico y sentido convencional de la corriente? ¿Cuál de los dos sentidos es el normalmente considerado en la práctica? 2. ¿Afecta la cantidad de energía eléctrica recibida por un receptor (bombilla, por ejemplo) según sea el sentido de circulación de la corriente? 3. Define los conceptos de c.c. y c.a. 4. Indica dos componentes generadores de c.c. 5. ¿Cómo es la energía eléctrica que recibimos de la red, c.c. o c.a?

Actividades finales Ejercicio 1.1. Describir la estructura del átomo. ¿Cuál es la partícula elemental con carga eléctrica que da origen a la corriente eléctrica? Ejercicio 1.2. Definir el concepto de corriente eléctrica. ¿Cómo se llama la fuerza necesaria para que se produzca? Ejercicio 1.3. Cómo se denomina la unidad de carga eléctrica. ¿Cuál es su valor? Ejercicio 1.4. Si un cuerpo, debido a frotamiento, pierde electrones, de que tipo es la carga que adquiere ¿positiva o negativa? ¿A qué se denomina iones? Ejercicio 1.5. Calcular la fuerza que se ejerce entre dos electrones, situados en el vacío, cuya distancia de separación es de 9,5 · 10-11 m. Cómo es la fuerza ¿de atracción o repulsión? Ejercicio 1.6. Explicar la diferencia entre los materiales buenos conductores y los denominados aislantes. Ejercicio 1.7. De qué material se fabrican normalmente los conductores eléctricos ¿por qué? Ejercicio 1.8. Respecto a la intensidad eléctrica: a) Definir el concepto. b) ¿Cual es su analogía hidráulica? c) ¿Cual es su unidad? Ejercicio 1.9. Respecto a la tensión eléctrica: a) Definir el concepto. b) ¿Cual es su analogía hidráulica? c) ¿Cual es su unidad? d) ¿Cómo se obtiene? Ejercicio 1.10. Indicar el sentido de circulación de la electricidad electrónico y el denominado convencional. Ejercicio 1.11. ¿Cuál es la diferencia entre la corriente continua y la alterna? Ejercicio 1.12. Calcular la cantidad de culombios que circulan por segundo en un conductor si el valor de intensidad es de 350 mA.

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Unidad 2

El Circuito eléctrico: Efectos y medidas

Objetivos: Explicar los conceptos relativos fundamentales sobre los circuitos eléctricos; componentes básicos y los efectos que tiene la circulación de la corriente eléctrica. Y las medidas de corriente y tensión eléctrica; los principios de los instrumentos básicos de medida (amperímetro, voltímetro y óhmetro) y sobre todo el instrumento imprescindible en electricidad y electrónica: polímetro (tester).

En este capítulo: 2.1 2.2 2.3

Introducción a los circuitos eléctricos. Elementos fundamentales de un circuito. Efectos y aplicaciones de la corriente eléctrica.

2.4

2.5

Medidas de la corriente y tensión eléctrica. El polímetro (tester).

Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas

Recuerda • • • Un circuito eléctrico es un conjunto de componentes por el cual puede circular la corriente eléctrica (por un punto entra y por otro sale); es un circuito cerrado.

2.1 Introducción a los circuitos eléctricos Definimos por circuito eléctrico, al conjunto de componentes cuya conexión forma un camino por el cual puede circular la corriente eléctrica. Para que exista una circulación, se dice que el circuito tiene que estar cerrado, es decir, la corriente debe poder entrar por un punto y salir por otro. Y como es obvio, para que exista dicha circulación electrónica debe existir una fuerza impulsora, que es la que produce el generador (figura 2.1). Esto constituye un circuito cerrado, y a esta estructura de circuito también se le denomina malla.

El circuito puede ser muy simple, como el de una linterna, o complejo.

Genera la fuerza impulsora de los electrones: Tensión eléctrica

Intensidad eléctrica (sendo real)

Flujo electrónico (corriente eléctrica)

Figura 2.1. El generador (pila) proporciona la fuerza impulsora (tensión eléctrica) que hace que los electrones del conductor se muevan en una cierta dirección; aparece así una corriente eléctrica.

Un ejemplo de circuito práctico se muestra en la figura 2.2. Se trata del accionamiento de un pequeño motor de c.c. El aprovechamiento de la energía eléctrica consiste en hacer pasar la corriente por el elemento receptor de que se trate, un motor en nuestro ejemplo (figura 2.2), el cual transforma dicha energía eléctrica en energía mecánica (y como tal, puede realizar un cierto trabajo mecánico). Obsérvese el concepto de circuito cerrado; la corriente sale por un polo del generador, y después de atravesar el motor (en el cual se aprovecha la energía eléctrica), retorna al otro polo del generador.

En el motor, el paso de la corriente se transforma en energía mecánica

Figura 2.2. Para que exista una circulación de corriente el circuito debe estar cerrado. Si en algún punto se corta el circuito, se interrumpe el paso de la corriente y el motor (carga) se pararía.

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Intensidad (sendo convencional)


Recuerda • • • En todo circuito eléctrico, básicamente existe: Generador de electricidad, líneas conductoras (cables), dispositivo de control (interruptores) y la carga (bombilla, radio, etc.). Y en según que circuitos deben existir también elementos de protección; fusibles.

2.2 Elementos fundamentales de un circuito Todo circuito práctico se compone, al menos, por los siguientes elementos: • Generador de electricidad • Líneas conductoras • Dispositivo de control • Receptor de la energía eléctrica Esta estructura mínima de circuito se representa en la figura 2.3.

2.2.1 Generador de electricidad Es el generador de la fuerza impulsora de los electrones. Es la fuente de energía eléctrica, proporciona tensión eléctrica (voltios) que es lo que da lugar a la circulación de una intensidad eléctrica (amperios) a través del circuito. Por lo general, los generadores de electricidad están basados en el efecto de una reacción química (pilas, acumuladores, batería) o en un efecto magnético (alternador, dinamo). El objetivo de todos los generadores es proporcionar una tensión eléctrica, para así obtener una intensidad eléctrica; y el efecto de estas dos magnitudes (voltios, amperios) da lugar al concepto de potencia eléctrica. Interruptor (elemento de control)

Generador (pila)

Tensión (Vg) f.e.m (Eg)

Aparato receptor (carga): - Bombilla - Motor - Radio

Línea conductora (cable) Figura 2.3. Elementos fundamentales de todo circuito eléctrico.

El generador proporciona, pues, una tensión eléctrica como consecuencia de un proceso que se da en su interior, que en las pilas y baterías es por medio de una reacción química. El efecto de dicho proceso químico interno da lugar al concepto de fuerza electromotriz (f.e.m.), que representamos por Eg y cuya unidad es el voltio. Como consecuencia de ello, entre los polos del generador aparece lo que se llama tensión eléctrica que, al igual que la f.e.m., se mide en voltios. Si el rendimiento del generador fuera del 100%, la tensión de salida (diferencia de potencial entre sus bornes), Vg, sería igual a su f.e.m. (Eg), pero debido a ciertas pérdidas la Vg resulta algo menor la Eg. No obstante, sin carga (Ig = 0), en vacío, la tensión de salida es igual a la f.e.m. (Eg = Vg). Esta “fuerza” eléctrica, voltaje, es lo que dará lugar al movimiento ordenado de electrones a través del circuito. El generador de electricidad es, pues, el equivalente a la bomba que proporciona la presión que hace circular el agua a través de las tuberías, o bien el corazón en las personas (es lo impulsa la circulación de la sangre). 21


Recuerda • • • Las líneas conductoras, los cables, son el medio de transporte de la corriente eléctrica. Normalmente el material utilizado es el cobre, que debe ser de una sección (grosor) adecuada a la magnitud de corriente eléctrica que debe circular. A mayor corriente, mayor sección.

2.2.2 Líneas conductoras Son el medio de transporte de la corriente eléctrica, el equivalente a las tuberías en un sistema hidráulico. Suelen ser, generalmente, de cobre, con un grosor adecuado a la cantidad de intensidad eléctrica que deba circular. A mayor intensidad, se precisa de un mayor grosor de las líneas conductoras, con el fin de reducir pérdidas de energía. Solamente aparece corriente eléctrica cuando se cierra el circuito, puesto que entonces se aplica la tensión eléctrica del generador. Por las líneas conductoras del circuito y por el receptor circula un flujo electrónico (electrones) que se dirige hacia el polo positivo del generador. Y por el interior del generador (como consecuencia de la f.e.m.) el flujo electrónico circula del polo positivo hacia el polo negativo; la cantidad de electrones libres que entran por un polo del generador es la misma que sale por el otro polo. No circula corriente (I = 0)

Interruptor abierto

Figura 2.4. El interruptor abierto impide la circulación de corriente (I = 0); es un circuito abierto. El aparato receptor no recibe corriente.

0V

Vg = 12 V

Aparato receptor

2.2.3 Dispositivo de control El dispositivo de control de un circuito, en su mínima expresión, consiste en lo que se denomina interruptor (figura 2.4), que permite, como su nombre indica, interrumpir el paso de la corriente y disponer así de una forma de control de la energía eléctrica que recibe el receptor. Cuando el interruptor se encuentra abierto, el circuito está interrumpido, cortado, y no puede circular la corriente; se dice entonces que el circuito está abierto (figura 2.4). La intensidad eléctrica es cero (I = 0), y el receptor no recibe voltaje (V = 0). La corriente sólo puede circular cuando se acciona el interruptor, se cierra; se dice entonces que el circuito está cerrado, y por el circuito circula un valor de intensidad que depende de las características del generador y del dispositivo receptor (figura 2.5). Así pues, el dispositivo de control, interruptor realiza la función de una válvula en un sistema hidráulico (deja pasar o impide el paso del líquido).

Circula corriente (I = 0)

Interruptor cerrado

12 V Vg = 12 V Figura 2.5. La corriente eléctrica se establece en el circuito al cerrar el interruptor.

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Aparato receptor

Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas En la figura 2.6 (mostrada en la página siguiente) se representan los símbolos de algunos elementos de interrupción normalmente utilizados.

Interruptor general Figura 2.6. Ejemplo de formas de representación utilizadas de elementos interruptores.

Conmutador (Interruptor de dos posiciones)

Pulsadores (se establece contacto sólo mientras se manene pulsado)

2.2.4 Receptor (carga) El receptor es el dispositivo, aparato eléctrico, que recibe la energía eléctrica para realizar algún tipo de trabajo o función. El elemento receptor, se suele denominar carga. Así, en un circuito la carga puede ser una bombilla, un motor, una radio, un ordenador, etc. En la figura 2.7 se representan los símbolos de algunos ejemplos de cargas.

Figura 2.7. Representación esquemática de algunos elementos receptores (cargas).

Lámpara

Relé

Motor

Actividades propuestas 1. Definir el concepto de circuito eléctrico. 2. Explicar tres elementos fundamentales en todo circuito eléctrico. 3. ¿Qué función realiza el generador de electricidad?, explicar. 4. Explicar 3 elementos receptores de electricidad.

2.3 Efectos y aplicaciones

de la corriente eléctrica

Las aplicaciones que tiene la energía eléctrica son múltiples y variadas. En cualquier caso, todo se basa en hacer pasar un flujo electrónico ordenado (corriente eléctrica) a través de una determinada carga (receptor). Un aspecto muy importante, que cabe destacar, es que la energía eléctrica se puede transportar de una forma muy rápida (300.000 km/s) y, además, de forma sencilla (cables). Básicamente, el paso de una corriente eléctrica a través de todo conductor produce dos efectos muy significativos, de elevado interés práctico.

2.3.1 Efecto térmico Como consecuencia del trabajo realizado en el transporte de las cargas eléctricas, la circulación de corriente a través de los conductores produce calor, lo cual se representa en la figura 2.8 (adelantando así el concepto de ley de Joule). Este fenómeno

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Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas tiene sus aplicaciones y defectos. El efecto térmico de la corriente eléctrica se aprovecha en, por ejemplo: estufas eléctricas, planchas, soldadores, etc.

Corriente eléctrica

Figura 2.8. La circulación de una corriente eléctrica produce un efecto térmico (calentamiento) en los conductores.

Calorías

Como defecto, tenemos el posible calentamiento de las líneas conductoras, y en, general, el calentamiento de todos los aparatos eléctricos cuya aplicación no sea la de producir calor (ordenadores, amplificadores, televisores, etc.). De forma extrema, debido a este fenómeno, se pueden hasta producir incendios si se llegan a quemar las instalaciones eléctricas. Como consecuencia del elevado calentamiento de un conductor, se puede llegar a la incandescencia y así desprender luz, es el caso de las bombillas clásicas. El paso de la corriente a través de un conductor fino, denominado filamento, da lugar a su incandescencia y como resultado la emisión de luz (figura 2.9).

Filamento Filamento incandescente (por el efecto térmico de la corriente). Figura 2.9. El efecto de dar luz de la bombilla se basa en el efecto térmico de la corriente eléctrica (el filamento se pone incandescente).

+ 12 V – Por medio de la corriente eléctrica también se puede producir un efecto luminoso no generado por la incandescencia de un filamento; es el caso de las lámparas de neón, tubos fluorescentes, etc.

2.3.2 Efecto magnético La circulación de la corriente eléctrica a través de un conductor genera fuerza magnética a su alrededor.

Basándonos en este efecto (fig. 2.10), aparecen los transformadores, motores eléctricos, relés, altavoces, etc. Precisamente, en base a este principio, se puede detectar y medir la intensidad eléctrica a través de los conductores sin necesidad de actuar sobre ellos; es una medida a distancia, por medio de un instrumento denominado pinza amperimétrica, con el cual se detecta y visualiza la magnitud de fuerza magnética y, en consecuencia, también la magnitud de la intensidad eléctrica que circula.

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Fuerza magnéca

Corriente Figura 2.10. La circulación de la corriente eléctrica produce también un efecto de fuerza magnética.

Imán

2.3.3 Efecto químico Se denomina electrólisis, a la descomposición química que se produce en una solución conductora, líquido, cuando se le hace pasar corriente eléctrica. Al líquido se le denomina electrólito, y a los elementos sumergidos a los cuales se les aplica la corriente electrodos (figura 2.11). Al electrodo conectado al polo positivo (+) se le llama ánodo y al electrodo conectado al polo negativo (−) cátodo.

Intensidad

Ánodo

Cátodo

Figura 2.11. La circulación de una corriente eléctrica a través de ciertas sustancias líquidas produce un efecto químico que se llama electrólisis.

Electrólito

La circulación de la corriente por el electrólito da lugar a una reacción que produce la disociación de partículas, que se cargan eléctricamente (iones), y así se produce un transporte de electricidad por el líquido. En la electrólisis, como defecto, también se produce calor. La electrólisis tiene aplicación, por ejemplo, en la galvanización (baños metálicos), recarga de baterías, obtención de productos químicos, etc.

Actividades propuestas 1. Indicar dos aplicaciones prácticas provechosas del efecto térmico a que da lugar la circulación de la corriente eléctrica. 2. Indicar algunos casos donde el efecto térmico de la corriente resulta no deseado. 3. Explicar el efecto magnético que tiene la circulación de corriente en un conductor, y algunas de sus aplicaciones. 4. Explicar 3 elementos receptores de electricidad.

2.4 Medidas de la corriente y tensión eléctrica

La intensidad de la corriente eléctrica se mide por medio de un instrumento denominado amperímetro (figura 2.12).

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Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas En su modelo clásico, la indicación se basa en una aguja cuyo desplazamiento depende de la magnitud de corriente que se le aplique. La aguja se mueve sobre una escala, que puede estar graduada en amperios (A), miliamperios (mA) o microamperios (μA) (figura 2.15b). Asimismo cabe decir que este medidor puede formar parte de otro instrumento más complejo denominado multímetro. Amperímetro

a) Figura 2.12. a) Símbolo general del amperímetro. b) En su forma clásica, es un instrumento de aguja (galvanómetro), que puede estar graduado en amperios (A) o miliamperios (mA).

Intensidad (A)

Intensidad (mA) b)

Dicho instrumento opera bajo el principio de un motor eléctrico (la energía eléctrica se convierte en energía mecánica). La aguja, que es el elemento móvil indicador de la magnitud de intensidad, se mueve como reacción entre la fuerza de campo magnético que origina el paso de la corriente a través de una bobina y el campo magnético fijo producido por los polos de un imán. Este mecanismo se denomina galvanómetro de bobina móvil. Veamos a continuación la forma de utilización del amperímetro. En principio hay que saber algo muy importante de cara a la práctica: Una incorrecta utilización del amperímetro puede hacer que éste se deteriore y además, dar lugar a otros fallos eléctricos (fundir fusibles, quemado de contactos, cables, etc.). En la figura 2.13 se muestra un ejemplo de su utilización; se trata de la medición de la intensidad que circula por una bombilla conectada a una batería de 12 V. Obsérvese la conexión en montaje serie; es preciso interrumpir el circuito en algún punto para conectar entre los dos puntos el amperímetro. De esta manera, la corriente que circula a través de la bombilla, que es la misma que saldrá por el generador, también pasará a través del amperímetro; dando lugar a una indicación en función de la magnitud de intensidad que circule.

El amperímetro se ene que conectar en serie con la carga Amperímetro

La intensidad a medir pasa a través del amperímetro Figura 2.13. El amperímetro se tiene que conectar siempre en serie con el componente (carga) del que se quiere saber la intensidad que circula. En este caso, se mide la intensidad de la bombilla.

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12 V

Carga (Bombilla)

Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas Otra cuestión a tener en cuenta, puesto que tratamos con corriente continua (c.c.), es que los terminales del amperímetro tienen polaridad; el terminal positivo (+) se debe conectar al punto positivo del circuito. Si se conecta al revés, se produce una indicación en sentido contrario (la aguja se desviaría hacia atrás). Al hacer la medida no interesa que se perturbe la magnitud de corriente que circula, por lo cual el amperímetro debe ofrecer la mínima oposición al paso de la corriente (su resistencia eléctrica interesa que sea lo más baja posible). En general, a los instrumentos de indicación por medio de galvanómetro, también se les denominan analógicos.

2.4.2 Medida de la tensión eléctrica Denominamos voltímetro al instrumento por medio del cual se puede medir la magnitud de la tensión eléctrica; voltaje (figura 2.14). En su versión clásica, indicación por aguja (analógico), se trata de la misma estructura que el amperímetro; un galvanómetro.

Figura 2.14. Símbolo general del voltímetro.

En este caso, se trata de que, para una cierta tensión máxima, la corriente a través de la bobina del galvanómetro dé lugar también a la indicación máxima. La tensión aplicada al voltímetro hace que circule una cierta corriente por su bobina, que tiene por efecto el desplazamiento de la aguja. Un voltímetro, se basa en un amperímetro adaptado. Además de que tiene la escala tiene otra graduación, es necesario que el voltímetro consuma el mínimo de corriente; es cuestión de que con la mínima corriente posible se obtenga la indicación deseada. Así pues, un voltímetro debe presentar una alta oposición al paso de la corriente (elevada resistencia eléctrica). Para lograr esto se puede actuar sobre las características de la bobina, en cuanto al número de espiras y resistencia del hilo, y también se puede poner una resistencia en serie con la bobina. A diferencia del amperímetro, con el voltímetro no se pueden producir deterioros ni averías si se conecta mal; lo único que pasa es que las medidas obtenidas no son correctas. El voltímetro se debe conectar en paralelo, o sea, entre los terminales del elemento del cual interese conocer su voltaje. En la figura 2.15 se muestra su forma correcta de conexión en un circuito simple; se mide la tensión en la carga (lámpara). Al igual que ocurre con el amperímetro, si la polaridad de conexión no es la adecuada, se produce una indicación en sentido contrario. El borne positivo del voltímetro se debe conectar al punto positivo del circuito. Estas cuestiones sobre polaridades son necesarias porque estamos tratando con corriente continua (c.c.), y en ésta existe polaridad. Cuando se trabaja con corriente alterna ya no se tienen en cuenta las polaridades, por lo cual los instrumentos (adaptados para c.a.) marcan siempre adecuadamente, independientemente de cómo se conecten los terminales. Al igual que el amperímetro, la escala del voltímetro puede estar graduada en voltios (V), milivoltios (mV) o hasta microvoltios (μV). Asimismo, también se disponen de voltímetros digitales, cuya representación es numérica, con los cuales se obtiene una mayor resolución y precisión que con los de aguja (analógicos).

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El volmetro se debe conectar en paralelo con el elemento cuya tensión se quiera medir

Tensión (V)

12 V

Figura 2.15. Ejemplo de medida con el voltímetro.

Carga (Lámpara)

12 V

2.5 El polímetro Tester El instrumento fundamental para hacer medidas (y comprobaciones) en electricidad y electrónica se denomina polímetro (y también multímetro); entre otras utilidades, fundamentalmente, sirve para la medición de las magnitudes tensión (V), intensidad (A) y resistencia (Ω). Este instrumento se dispone tanto en su forma clásica (indicación por aguja), tester analógico, o de forma digital; el tester digital es el que se utiliza habitualmente. En la figura 2.16 se representan los dos tipos de tester. Según las aplicaciones, puede resultar más eficaz uno que otro, por lo que es conveniente disponer de los dos tipos. Polímetro (Digital) Polímetro de aguja (Analógico)

Figura 2.16. Aspecto general básico de un polímetro, en su forma clásica (de aguja) y digital. Los digitales, además de tener más resolución, tienen más funciones que los clásicos de aguja (por ejemplo, comprobación de transistores).

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Negro Rojo (+)

Aquí se ene que conectar el cable rojo para la medida de intensidades.

Negro

Rojo (+)


2.5.1 Tester analógico En sus modelos sencillos, de aguja (analógicos), el tester básicamente permite la medida de amperaje, voltaje y resistencia, y resultan muy eficaces para la detección de averías tanto en elementos eléctricos como en componentes electrónicos. En la figura 2.17 se muestra un tester de este tipo.

Puntas de prueba

Figura 2.17. Polímetro típico analógico (de aguja).

Lo primero que se tiene que realizar es situar el selector de funciones (un conmutador rotativo de varias posiciones) en la función que nos interese. Por ejemplo, si se tiene que medir la tensión de una pila de 9 V, lo pondríamos en tensión continua (VDC) y en la escala adecuada (siempre mayor que la tensión máxima que se suponga vayamos a medir). Y si queremos medir el valor de una resistencia, entonces pondríamos el selector en medida de Ω; procurando que la escala sea adecuada, para que el valor sea legible de la forma más cómoda. Una precaución siempre a tener muy en cuenta, en todos los tipos de tester, es en la medida de intensidades. Lo primero será poner el selector en medida de intensidades (ADC), y en la escala adecuada (siempre mayor a la intensidad máxima que se suponga pueda circular); después es cuestión de poner las puntas de prueba en serie con el circuito donde se realice la medida. Cuando el tester está en medida de intensidades, si se pone en paralelo con alguna fuente de tensión (incluido una pila), la intensidad puede ser muy elevada y se puede producir algún deterioro en el circuito y en el mejor de los casos se puede fundir un fusible interno que llevan internamente los tester para estos casos (si la intensidad está por encima de un valor máximo, antes de que se produzca una avería, se fundiría el fusible).

2.5.2 Tester digital En su versión más moderna, los digitales, que son los normalmente utilizados, además de una mayor resolución y precisión en las medidas, permiten otras funciones como la medida de capacidades (condensadores), comprobación de transistores, y en algunos la medida de frecuencia (frecuencímetro). Utilizando los cables con punta para hacer las medidas, se pueden realizar la mayoría de medidas y comprobaciones de componentes (voltaje, amperaje, resistencia, conductividad, comprobación de diodos, etc.). En la figura 2.18 se muestra un tester digital típico.

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Resistencias, condensasdores, diodos, transistores, etc.

Comprobaciones de componentes diversos con el polímetro (Tester)

Figura 2.18. Polímetro digital típico (tester). Permite realizar diversos tipos de medidas y comprobaciones de componentes.

2.5.3 Medida de intensidad de corriente con el tester Un ejemplo de montaje, conexionado, para hacer la medida de la intensidad que circula por un circuito se representa en la figura 2.19. Se puede observar cómo el selector de funciones del tester está en medida de intensidad (continua), el cable de negativo (color negro), entrada COM, está conectado al punto negativo del circuito y el cable de positivo (color rojo) se encuentra conectado al punto positivo del circuito. Lo más importante es que el tester se conecte en serie, abriendo el circuito e intercalando entre dichos puntos las puntas del tester. Si las puntas no se conectan con la polaridad adecuada, lo único que pasa (en los tester digitales) es que en el display aparece el signo de negativo (−); pero el valor medido es correcto.

Intensidad

R1 100 Ω

I=

VB R1 + RP VB = 12 V

Figura 2.19. Conexión del tester para la medida de la corriente que circula por el circuito.

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RP 1 kΩ

Unidad 2 · El Circuito eléctrico: Efectos y medidas Otro ejemplo más práctico, en este caso para la medida de la corriente que circularía por una bombillita de 9 V, se representa en la figura 2.20. El tester se tiene que poner para la medida de corriente continua (DCA), y en la escala de mA. La punta de medida positiva (color rojo) se tiene que poner en la entrada que pone mA. La punta común, color negro, siempre va conectada en la misma entrada, sea la medida que sea (COM). Medida de la corriente en una bombilla de 9 V

Se ene que poner en medida de corriente (DCA), en la escala de mA.

+

Figura 2.20. Conexión del tester para la medida de la corriente que circula por una bombilla de 9 V.

2.5.4 Diversas comprobaciones y medidas con el tester

Recuerda • • • El voltímetro se debe conectar en paralelo con el elemento cuya tensión se quiera medir.

Por medio del óhmetro (Ω), además de la medida de valor de resistencia (Ω), se pueden detectar cortocircuitos [unión entre conductores (R ≈ 0)] así como la rotura de conductores (resistencia infinita); esto se conoce por pruebas de continuidad. Y también, sabiéndolo utilizar, es posible la comprobación de componentes de los más importantes en electrónica: diodos, transistores, tiristores, etc. No obstante muchos polímetros ya suelen disponer de funciones especiales para pruebas de continuidad y de comprobación de diodos y transistores. Pero además, suelen tener unas entradas (conector) especiales para medidas-comprobaciones de condensadores y transistores. Por ejemplo, se puede saber el valor de la capacidad de condensadores (aunque lo pone en el condensador, a veces cuesta de ver o interpretar); en la figura 2.21 se muestra la medida de valor de un condensador de esta manera.

El amperímetro se tiene que conectar siempre en serie con el componente (carga) del que se quiere saber la intensidad que circula.

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Indicador de pila baja

Condensador

Figura 2.21. Además de las entradas para los cables con punta para las medidas de tensión, intensidad, resistencia, también suelen disponer de otras entradas para la medida de componentes como los condensadores.

También suelen tener otro conector especial para las comprobaciones de transistores; se puede saber el valor de la ganancia de corriente (hFE) del transistor, deducir las patillas, saber si está averiado, etc. Para ello, el mando selector de funciones se tiene que poner en hFE. En la figura 2.22 se muestra una representación de esto. Los transistores, con un poco de práctica y trucos, se pueden analizar y verificar su estado también mediante las puntas de prueba y con el selector en prueba de diodos o resistencia. O sea, el tester es un instrumento imprescindible para todo aquel que se tenga que relacionar con la electricidad o electrónica. Hay diversos tipos de tester digital, desde muy sencillos y baratos hasta modelos de avanzadas características técnicas, para laboratorios. El más normal y utilizado es de la gama que aparece en las figuras anteriores. Ganancia de corriente del transistor (hFE)

Figura 2.22. Comprobación-medida de un transistor utilizando el conector que suelen tener para esta función; en este caso, en el display aparece el valor de la ganancia de corriente de un transistor BC 547.

Selector en hFE

De cara al trabajo, más bien de mantenimiento, y de especial interés a electricistas, se muestra un modelo muy práctico en la figura 2.23. Permite realizar todas las medidas básicas, incluido el test de cortocircuitos con pitido.

Figura 2.23. Modelo de tester muy portable, de mucha utilidad en mantenimiento, en especial a electricistas.

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Puntas de prueba


Actividades finales 1. Explicar cómo se produce el efecto luminoso en las bombillas clásicas de filamento. 2. ¿En qué efecto de la corriente se basa el funcionamiento de los transformadores y motores? 3. ¿Qué es un galvanómetro? ¿Bajo qué principio funciona? 4. ¿Qué dos aplicaciones fundamentales tiene el galvanómetro? 5. ¿De qué manera se debe conectar un amperímetro en los circuitos, en serie o en paralelo? Dibujar el esquema de conexión. ¿Cómo interesa que sea la resistividad de un amperímetro, alta o baja? ¿Por qué? 6. ¿De qué manera se debe conectar el voltímetro en los circuitos, en serie o en paralelo? Dibujar el esquema de conexión ¿Cómo interesa que sea la resistividad de un voltímetro, alta o baja? 7. ¿Qué ocurre si en una medición en c.c. con un amperímetro o voltímetro (digital y analógico) se intercambian las puntas de medida? 8. Dibujar el esquema para la medida de una intensidad a través de una bombilla de 12 V, mediante un tester digital. Indicar cómo debería ponerse el selector de funciones y las entradas utilizadas. 9. Dibujar el esquema para la medida, mediante un tester digital, de la tensión de dos pilas de 1,5 V en serie.

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Unidad 3

Resistencia eléctrica

Objetivos: Explicar los conceptos, definiciones, relativos a la resistencia eléctrica (unidad de medida Ω), así como el instrumento básico para su medida (óhmetro). Como componente relacionado, se explica también el fusible, que es un elemento básico de protección en los circuitos eléctricos. Asimismo se deben conocer con detalle los componentes imprescindibles en electricidad y electrónica denominados resistencias, el código de colores que representa su valor óhmico, y sus montajes básicos (conexión en serie y paralelo).

En este capítulo: 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

Introducción. Resistividad de los conductores. Fusibles. Variación de la resistencia con la temperatura. Resistencias.

3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Medida de la resistencia (óhmetro). Potenciómetros. Montaje de resistencias en serie. Montaje de resistencias en paralelo. Circuitos serie–paralelo (mixtos).

Unidad 3 · Resistencia eléctrica

Recuerda • • • Resistencia eléctrica, es la oposición que presentan los cuerpos al paso de la corriente eléctrica. Su unidad es el ohmio (Ω). En los conductores (cobre), la resistencia (Ω) aumenta al aumentar la temperatura.

3.1 Introducción En principio, se puede definir por resistencia eléctrica; la oposición que presentan los cuerpos al paso de la corriente eléctrica. Todo material por buen conductor que sea, presenta algo de resistencia al paso de la corriente. En los cuerpos no conductores de la corriente (los aislantes), la oposición es tan elevada que no permiten prácticamente ningún paso de corriente. El grado de resistividad de un cuerpo también depende de sus dimensiones físicas (longitud y grosor). Experimentalmente se comprueba fácilmente que con un mismo valor de tensión se miden diferentes valores de intensidad según el tipo de material utilizado (aunque las medidas del conductor sean las mismas); lo cual evidencia el efecto de la resistividad eléctrica.

3.2 Resistividad de los conductores La resistencia eléctrica de todo conductor viene dada por la expresión:

ρ: coeficiente de resistividad del material l: longitud del conductor S: sección del conductor Cada sustancia tiene un coeficiente característico de resistividad (ρ) que se expresa en Ω m/mm2. La sección del conductor (S) viene determinada por su radio o diámetro (el área de la punta circular del conductor):

La unidad de resistencia eléctrica (R) es el ohmio, que se simboliza con la letra griega Ω. En principio, 1 ohmio (1 Ω) se puede definir como la resistencia que ofrece un conductor que deja pasar la intensidad de 1 amperio al aplicarle la tensión de 1 voltio, lo cual se representa en la figura 3.1.

1Ω

1 I= 1A

A Figura 3.1. Un conductor tiene la resistencia de 1 Ω si al aplicarle una tensión de 1 V circula una intensidad de 1 A.

+

1V

3.3 Fusibles Los fusibles son elementos conductores que constituyen la parte más débil del circuito (o instalación), con el fin de que si se produce algún tipo de sobrecarga (exceso de corriente), se destruya el fusible y de esta manera se interrumpa el paso de corriente a través del circuito. Los fusibles son, pues, dispositivos de protección frente a sobrecargas (o cortocircuitos). Un ejemplo de su aspecto en electrónica y electricidad se muestra en la figura 3.2. Es un componente relacionado con la resistencia eléctrica, un conductor que se debe comportar correctamente hasta que la intensidad sobrepasa un cierto valor máximo.

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Figura 3.2. Aspecto de algunos fusibles.

Especialmente en los aparatos de electrónica, el tipo más usual es el más pequeño, cuyas medidas son 5 x 20 mm. Es el tipo utilizado en los tester para la protección en las medidas de corriente; si la corriente sobrepasa un cierto valor máximo (puede ser 2 A), el fusible se destruye (se funde) y se corta el paso de corriente; de esta manera se evitan muy posibles averías en el tester. En la figura 3.3 se representa un circuito compuesto por dos cargas (una lamparita y un motor), con los típicos fusibles de protección.

F1 Fusible general

F2

Fusible para la bombilla

Figura 3.3. Los fusibles son elementos de protección eléctrica. F1 es el fusible de protección general, y los fusibles F2 y F3 lo son únicamente para la bombilla y el motor respectivamente.

Recuerda • • • En los materiales semiconductores; la resistencia disminuye al aumentar la temperatura. El silicio es el material base semiconductor utilizado para la fabricación de todos los componentes electrónicos. En electrónica se tiene muy en cuenta el efecto perjudicial de la temperatura en los circuitos (por ejemplo, el ventilador de la CPU en los ordenadores es para evitar sobrecalentamientos).

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F3 Fusible del motor

220 V M

Para lograr este efecto destructivo controlado del fusible, el tipo de material conductor y sección del fusible se adecuan a los casos prácticos. Aparecen así fusibles expresados por: 0,25 A, 500 mA, 2 A, 5 A, etc. La destrucción del fusible se produce por fusión del material (de ahí la denominación de fusible), debido a la elevada temperatura que adquiere al circular la elevada intensidad de corriente provocada por la sobrecarga. Las líneas conductoras no deben calentarse por encima de una cierta temperatura, normalizada según la aplicación; por ello, se fijan unos determinados valores máximos de amperaje en función de la sección de los conductores.

3.4 Variación de la resistencia con la temperatura

En general, en los conductores (cobre, aluminio, hierro, etc.), la resistencia aumenta al aumentar la temperatura. Por ello, el valor resistivo de las líneas conductoras va aumentando conforme se van calentando debido a la circulación de la corriente. Es por ello que los aparatos eléctricos como planchas, estufas eléctricas, bombillas, etc., consumen más corriente en el momento de su conexión que cuando llevan un cierto tiempo funcionando; en frío, la resistencia es menor y en consecuencia puede circular mayor intensidad. En los conductores, la resistencia (Ω) aumenta al aumentar la temperatura.

Unidad 3 · Resistencia eléctrica Y un caso muy importante en electrónica es el de los materiales semiconductores (normalmente silicio); en los semiconductores la resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Adelantamos que los materiales semiconductores, como su nombre indica, tienen unas características de resistividad intermedias entre los conductores y los aislantes. En los materiales semiconductores, la resistencia (Ω) disminuye al aumentar la temperatura.

El silicio es el material base para la fabricación de todos los componentes electrónicos, desde los más sencillos (diodo) hasta los más complejos (microprocesadores). Es por ello que en electrónica se tienen muy en cuenta las cuestiones sobre refrigeración de los componentes, ya que tienden a conducir más corriente al calentarse, lo cual da lugar, a su vez, a un aumento de la temperatura; este proceso puede conllevar a un aumento progresivo de la corriente y la temperatura que puede estropear los componentes. Por ello, por ejemplo, en los ordenadores internamente se ponen ventiladores para refrigerar la fuente de alimentación y el microprocesador, principalmente; y de ahí procede el ruido típico que producen los ordenadores.

Actividades propuestas 1. Explica el concepto de resistencia eléctrica. ¿Cuál es su unidad? 2. Calcular el valor resistivo de 50 m de cable de cobre de 1 mm2 de sección, considerando que ρ = 0,0175. 3. Explicar la función de un fusible. Hacer el esquema de una bombilla conectada a la batería de un coche (12 V), con un interruptor de encendido-apagado y un fusible. 4. ¿Qué ocurre con el valor resistivo en los conductores cuando aumenta la temperatura? ¿Y en el caso de los semiconductores?

3.5 Resistencias El efecto de oposición al paso de la corriente, resistencia eléctrica, aunque en algunos casos constituye un defecto, también tiene sus utilidades. Existe un componente imprescindible en todos los aparatos electrónicos que se denomina resistencia (o resistor). Es un componente muy barato, y que es utilizado en todas las aplicaciones electrónicas (amplificadores de sonido, telefonía, radio-TV, ordenadores, etc.). Es por tanto un componente imprescindible en electricidad y electrónica. La simbología de las resistencias se muestra en la figura 3.4. Figura 3.4. Simbología de una resistencia. Normalmente se utiliza la de forma rectangular.

El aspecto práctico de este tipo de componente se muestra en la figura 3.5; aparecen los tipos más usuales utilizados en aparatos de electrónica.

Figura 3.5. Aspecto de resistencias.

37

Unidad 3 · Resistencia eléctrica Estos componentes se fabrican con el objetivo de obtener un cierto valor de resistencia. Así, por ejemplo, aparecen resistencias de valores: 1 Ω, 47 Ω, 150 Ω, 2700 Ω, 470.000 Ω, etc. Gracias a estos componentes se consigue un control de la corriente en los circuitos eléctrico-electrónicos, así como ciertos valores de tensión. La unidad fundamental es el ohmio (Ω), pero también se emplea el factor kΩ (K), que significa 1000. Así, aparece también el valor 1k = 1.000 Ω.

Ejemplo Ejemplos de expresiones de valores de resistencias: 2k2 = 2.200 Ω 1,5 k = 1k 5 = 1.500 Ω 4k7 = 4,7 k = 4.700 Ω 10 k = 10.000 Ω 120 k = 120.000 Ω Asimismo, también se utiliza el factor MΩ, que significa 1.000.000 Ω. Aparecen así expresiones como: 1 MΩ = 1.000.000 Ω 1,2 MΩ = 1M2 = 1.200.000 Ω 4M7 = 4,7M =4.700.000 Ω

3.5.1 Tipos de resistencias Existen diversos tipos de resistencias, según cómo estén fabricadas, su potencia, precisión, etc.

Bobinadas Un tipo de resistencia es la bobinada. Su valor resistivo se obtiene basándose en una cierta longitud y sección de hilo de determinado material. Para que sus dimensiones sean mínimas, dicho hilo se monta en forma arrollada, de ahí el término de resistencias bobinadas. Son resistencias para aplicaciones de una cierta potencia. En la figura 3.6 se muestra el aspecto de resistencias bobinadas.

Figura 3.6. Aspecto de resistencias bobinadas.

La potencia de una resistencia es independiente de su valor óhmico (Ω), y sólo tiene que ver en cuanto a la potencia eléctrica que puede soportar. Y como la potencia eléctrica se traduce en calor, el que una resistencia sea de más o menos potencia da cuenta únicamente de la temperatura que puede soportar, como consecuencia del paso de la corriente. La mayor o menor potencia de la resistencia repercute sobre las dimensiones de la resistencia; a mayor potencia, mayores dimensiones. La potencia nominal depende principalmente de las dimensiones físicas de la resistencia, ya que esto tiene que ver con la facilidad para evacuar el calor. Como la potencia se expresa en vatios (W), existen resistencias de: 10 Ω/0,5 W, 1 kΩ/0,5 W, 2 Ω/5 W, 100 kΩ/0,5 W, 22 Ω/10 W, etc. 38


Resistencias de carbón Las resistencias normalmente utilizadas en electrónica son las denominadas de carbón, debido a que su valor resistivo se obtiene por medio de polvo de carbón mezclado con un aglomerante. Son resistencias de pequeñas dimensiones y baja potencia, y de muy bajo precio. Se construyen normalmente con una tolerancia de un ± 5 % y de un ± 10 % (tolerancia es el margen de variación de su valor nominal). Son las normalmente utilizadas en electrónica, excepto en las aplicaciones que se requiera cierta precisión, que se utilizan otras de más calidad. En la figura 3.7 se muestra su aspecto más normal.

Figura 3.7. Aspecto de resistencias de carbón, las clásicas en electrónica.

Resistencia de película Son resistencias de mayor precisión que las de carbón, y se suelen utilizar en circuitos electrónicos como instrumentación, electromedicina, etc. y, en general, en aquellas aplicaciones en las que se requiera una cierta precisión. Hay que tener en cuenta que, como en todos los componentes, las resistencias también tienen un factor de tolerancia y son susceptibles de variar en función de la temperatura, tensión, etc. En las resistencias de película, su valor óhmico se obtiene actuando sobre las dimensiones y tipo de materia de una película de material resistivo aplicada sobre la superficie de una varilla cilíndrica. En estas resistencias se obtienen tolerancias de un 1 % (y menos), y con un bajo coeficiente de temperatura (variación del valor de resistencia con la temperatura). Son, al igual que las de carbón, de baja potencia. Se distinguen tres tipos de resistencias de película, según el material utilizado: las de película de carbón, las de película de óxidos metálicos y las de película metálica.

3.5.2 Escala de valores de las resistencias Los fabricantes producen las resistencias con unos valores prefijados, lo cual quiere decir que no se comercializan resistencias de cualquier valor resistivo. Según la tolerancia, se pueden obtener con algunas variaciones en la escala de valores. Las tolerancias de las resistencias normalmente utilizadas son del ± 5 % y del ± 10 %, y la escala de valores es:

Escala de valores según la tolerancia 5%

10 %

5%

10 %

10

10

33

33

11 12

36 12

13 15

20

39

43 15

16 18

39

47

47

51 18

56

56

62

39


Escala de valores según la tolerancia 22

22

24 27

68

68

75 27

30

82

82

91

Los valores comerciales que se encuentran son los indicados en la tabla, y también multiplicados (o divididos) por 10. Por ejemplo, el valor normalizado de 47, puede dar lugar a los valores: 4,7 Ω, 47 Ω, 470 Ω, 4,7 kΩ, 47 kΩ, 470 kΩ, 4,7 MΩ.

3.5.3 Codificación del valor El código de colores El valor óhmico de las resistencias normalmente utilizadas en electrónica se representa por medio de un código de colores. Excepto las resistencias de potencia, que son las bobinadas, usualmente, todas se expresan así. Consiste en pintar unas bandas de colores alrededor del cuerpo de la resistencia. Cada color representa un número; de esta manera se representa el valor nominal de la resistencia y de la tolerancia (margen de variación). En la figura 3.8 se representa este sistema de codificación.

Tolerancia Mulplicador Figura 3.8. Estructuración del código de colores en las resistencias.

2 cifra 1 cifra El valor normalizado asignado a los colores, que determinan el valor de la resistencia, es el indicado en la siguiente tabla:

Código de colores estándar

40

Color

Valor

Negro

0

Marrón

1

Rojo

2

Naranja

3

Amarillo

4

Verde

5

Azul

6

Violeta

7

Gris

8

Blanco

9


Recuerda • • • El valor óhmico (Ω) de la resistencia se suele representar por un código de colores. Su valor (Ω) no tiene que ver con su tamaño. El tamaño de la resistencia depende de la potencia eléctrica (W) que puede soportar; a mayor potencia, mayor tamaño.

El valor del primer dígito (1a cifra) del valor corresponde al de la banda de color más cercana a uno de los terminales. El siguiente color indica el valor del segundo dígito (2a cifra). Y el tercer color (multiplicador) indica el valor que hay que poner como exponente a 10, por cuya cantidad hay que multiplicar el número resultante de las primeras dos cifras; dicho de una forma más sencilla, el valor del color representa la cantidad de ceros que hay que añadir a las dos primeras cifras. El cuarto color indica la tolerancia de la resistencia.

Colores asignados al valor tolerancia Color

Valor

Plata

± 10 %

Oro

±5%

Rojo

±2%

Marrón

±1%

Cuando no existe banda de color específico para la tolerancia (color del cuerpo de la resistencia), la tolerancia es del 20 % (son resistencias normalmente no empleadas). Las tolerancias de las resistencias normalmente empleadas en electrónica, que son las de carbón, son del 5 % y 10 %, por lo cual las bandas que usualmente aparecen son de color plata y oro.

Ejemplo Supongamos una resistencia con los colores que se indican a continuación (figura 3.9): Banda

Color

Valor

Primera

Naranja

Primera cifra = 3

Segunda

Blanco

Segunda cifra = 9

Tercera

Marrón

Mulplicación por 10-1 = 10

Cuarta

Plata

Tolerancia = ± 10 %

Esto da lugar al valor nominal de 390 Ω, con una tolerancia de ± 10 %, lo cual significa que el valor nominal puede variar en 39 Ω por encima o por debajo. Así, el valor de la resistencia se podría encontrar entre el margen de 351 a 429 Ω: Valor máximo  390 + 10 % de 390 = 429 Ω Valor mínimo  390 - 10 % de 390 = 351 Ω

Plata (10%) Figura 3.9. Ejemplo práctico de la codificación del valor en una resistencia.

Marrón (1) Blanco (9) Naranja (3) 41

Unidad 3 · Resistencia eléctrica Si el valor de la tercera banda (multiplicador) es el negro (0), no se añade ningún cero, ya que equivale a multiplicar por 100 = 1. Pero, para los demás colores de la tabla, el color del multiplicador se puede ver simplemente como la cantidad de ceros que hay que añadir a las dos primeras cifras. No obstante, hay tener en cuenta que el color de la tercera banda (multiplicador) también puede ser oro o plata, y en este caso se produce una división del valor de las primeras dos cifras:

Colores del multiplicador que producen una división Oro

Se mulplica por 10-1 = 0,1 (es como dividir por 10)

Plata

Se mulplica por 10-2 = 0,01 (es como dividir por 100)

Ejemplo

Banda

Color

Valor

Primera

Amarillo

Primera cifra = 4

Segunda

Violeta

Segunda cifra = 7

Tercera

Oro

Mulplicación por 10-1 = 0,1

Cuarta

Plata

Tolerancia = ± 10 %

Esto da lugar al valor de 4,7 Ω. Al ser la tercera banda (multiplicador) de color oro, las primeras dos cifras (47) se multiplican por 10-1 = 0,1; que equivale a dividir por 10 (figura 3.10).

Plata (tolerancia de 10%) Figura 3.10. Ejemplo de la codificación de colores de una resistencia, donde el color del multiplicador produce una división.

Oro (divide por 10) Violeta Amarillo Aunque este es el sistema normalmente empleado, también existe la codificación por medio de cinco bandas de colores; las tres primeras corresponden a las tres primeras cifras, la cuarta es el multiplicador y la quinta la tolerancia.

3.6 Medida de la resistencia (óhmetro) De la misma manera que existen instrumentos basados en el galvanómetro para la medida de la tensión (voltímetro) y de la intensidad (amperímetro), existe al instrumento para la medida de la resistencia (Ω) que se denomina óhmetro (figura 3.11). Así es en los polímetros (tester) de tipo analógico.

42


Figura 3.11. a) Símbolo general del óhmetro. b) En su forma clásica, se basa en un galvanómetro (instrumento de aguja).

a)

b)

3.6.1 Medida basada en galvanómetro (tester analógico) El galvanómetro es el instrumento clásico de medida, por lo cual es interesante conocer sus principios de funcionamiento también como óhmetro. Por medio de dicho instrumento se puede tener una lectura del valor resistivo de resistencias y también permite detectar cortocircuitos (R  0 Ω) o circuitos abiertos (R  ∞). Consiste en un medidor de corriente (amperímetro) debidamente adaptado. El principio de funcionamiento se basa en que la magnitud de la corriente que circula por un circuito depende de la resistencia del mismo; a mayor resistencia, menor intensidad. La indicación del instrumento será por tanto inversamente proporcional al valor de la resistencia; cuanto más bajo sea el valor de la resistencia, mayor será la desviación de la aguja; en el fondo de escala (máxima desviación), se encuentra por tanto el valor 0 Ω. Así pues, mediante la estructura de circuito que se muestra en la figura 3.12 se puede obtener una lectura del valor resistivo de una resistencia.

Ajuste del 0 Ω. fondo de escala. (Se ajusta uniendo las puntas de prueba)

Pila

Figura 3.12. Circuito básico que permite la medición del valor de resistencias; óhmetro.

RX Se basa en una pila que proporcionará una corriente que hará que la aguja del galvanómetro se mueva; a mayor corriente, mayor indicación. Y como la corriente que recibirá el galvanómetro pasará a través de la resistencia a medir (RX), la magnitud de la indicación dependerá del valor resistivo de la resistencia. Es cuestión por tanto de adaptar adecuadamente la escala del galvanómetro en ohmios (Ω). Es obvio que la magnitud de la indicación dependerá de la tensión de la pila, de la sensibilidad del galvanómetro, del valor de la resistencia de ajuste y, claro está, también del valor resistivo de la resistencia a medir (RX). El potenciómetro (resistencia ajustable), se ajusta para que la aguja se vaya al fondo de escala (cero) cuando se unan las puntas de medida, esto se llama cortocircuitar las puntas y equivale a una resistencia de 0 Ω; la desviación de la aguja es entonces máxima (fondo de escala) y esto debe corresponder a la indicación de 0 Ω en la escala. Y como es obvio, con las puntas al aire, lo cual equivale a una resistencia prácticamente infinita (∞), la aguja no se moverá y esto debe corresponder a la indicación de ∞. La estructuración de la graduación de la escala del óhmetro se realiza por tanto como se representa en la figura 3.13.

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Resistencia infinita (puntas al aire)

Figura 3.13. Graduación básica de la escala de un óhmetro.

(Unión de las puntas) ⇒ cortocircuito = 0 Ω

RX Al conectar entre las puntas de medida una determinada resistencia, la aguja se desviará proporcionalmente a su valor óhmico, indicando un cierto valor en la escala. Los óhmetros, por lo general, disponen de varias escalas multiplicadoras, que selecciona el usuario por medio de un mando. Esto quiere decir, que según la escala seleccionada, el valor indicado por la aguja debe ser multiplicado por algún factor. Los factores multiplicadores que se suelen disponer son: ×1, ×100, ×1000 y ×10.000. La graduación numérica de la escala del galvanómetro corresponde al factor multiplicador ×1. Así, si el factor multiplicador seleccionado es ×1, el valor óhmico de la resistencia es simplemente el que marque la aguja. Pero si se selecciona el factor ×1000, el valor numérico que marque la aguja debe ser multiplicado por 1000. Por lo tanto, si la aguja indica el valor 20 (centro de galvanómetro esto puede corresponder a 20 Ω, 200 Ω, 2.000 Ω, etc., según la escala multiplicadora seleccionada.

3.6.2 Medida mediante tester digital Con los polímetros digitales, que es el tipo de tester normalmente utilizado actualmente, se consigue una lectura del valor de la resistencia con mucha precisión y de fácil lectura; su valor aparece indicado en la pantalla del tester. Todo se basa en poner el selector de funciones del tester en medida de resistencia (Ω) y en la escala adecuada. Esto se representa en la figura 3.14. El cable de color negro se conecta a la entrada COM y el de color rojo a la entrada de V/Ω. Medida de resistencia (Ω) con el tester

El selector se ene que poner en medida de resistencia (Ω)

Figura 3.14. Medida del valor de resistencia con el tester.

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Según el valor de la resistencia a medir, resulta más adecuada una escala u otra. Por ejemplo, si la resistencia, según su código de colores, es de 270 Ω, pues el selector lo pondríamos en 2k (valor máximo, 2000 Ω). Y si la resistencia fuera de 100k, pues entonces pondríamos una escala mayor, la de 200k (valor máximo, 200.000 Ω).

Unidad 3 · Resistencia eléctrica En la figura 3.15 se muestra el ejemplo de la medida del valor de una resistencia de 10 kΩ de tolerancia 10 %; en la escala de 200k y después con la escala de 20k. La diferencia está en la resolución de los decimales. Esta resistencia, al ser de tolerancia 10 %, su valor debería estas entre 9 k y 11 kΩ (±1k). Por lo tanto, si el tester indica un valor de unos 10,77 kΩ, la resistencia está en buen estado. Es importante saber que si el valor de la resistencia es mayor al de la escala seleccionada, el tester marcará un valor infinito (como si las puntas están sin conectar, al aire). Así, se debe seleccionar siempre una escala cuyo valor este por encima del valor de la resistencia; y según la escala, tendremos mayor o menor resolución en la indicación del valor. Cuando se conoce el valor de la resistencia por el código de colores, el objetivo de utilizar el tester es para comprobar si la resistencia está en buen estado, ya que podría estar cortada (que es la avería más normal, a veces porque se ha quemado). O bien nos interesa saber su error de tolerancia. Si se trata de una resistencia de valor nominal 1k Ω y de tolerancia 5 %, si está bien el tester debería indicar un valor entre 950 Ω y 1050 Ω; si no está en dicho margen de valores, la resistencia no cumple con el margen especificado de un 5 % de variación. Esto puede ser porque ha salido mal de fábrica o bien ha tenido recalentamientos.

Resistencia de 10 kΩ

Escala 200k

Escala 20k 10 kΩ

Puntas de prueba Figura 3.15. Medida de una resistencia de 10 k con el tester, utilizando dos escalas diferentes.

Y si, por la razón que sea, no sabemos el valor de la resistencia, pues vamos probando en las diferentes escalas; el objetivo, es ver el valor óhmico de una forma cómoda. Si la resistencia se encuentra cortada, el valor que aparecerá por la pantalla es el de infinito; el mismo que aparece con las puntas de prueba al aire.

Actividades propuestas 1. ¿Qué función realiza el componente resistencia? Representar su simbología. 2. ¿De qué material base están fabricadas las resistencias más simples, normalmente más utilizadas? 3. ¿Cuál es la diferencia entre una resistencia de 47 Ω / 0,5 W y otra de 47 Ω / 2 W? 4. Representar tres resistencias, con los colores que indiquen los valores nominales de 270 Ω, 1000 Ω y 47000 Ω, con una tolerancia de 5 %. 5. Si en una resistencia vemos que los colores son: rojo, violeta y naranja, y la banda de tolerancia es color plata. ¿De qué valor nominal es la resistencia, en qué margen de valores podría encontrarse? 6. Tenemos una resistencia de valor nominal 10 kΩ / 1 W, y el color de la banda de tolerancia es plata. Si con el tester se mide un valor de 9.200 Ω, ¿en qué estado se encuentra la resistencia, bien o mal? ¿Por qué? Razonar.

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3.7 Potenciómetros Los potenciómetros son resistencias cuyo valor se puede variar por medio de un eje. Son los elementos típicos utilizados para el ajuste de volumen en equipos de sonido, radio, controles de los ecualizadores, etc. En general, son utilizados cuando interesa poder hacer la graduación de ciertas magnitudes en los aparatos electrónicos. En la figura 3.16 se muestra su simbología general y el aspecto de los tipos más comunes. Un potenciómetro es una resistencia con tres terminales; dos de ellos corresponden a los terminales de resistencia, y el otro es un terminal internamente móvil (cursor) que puede hacer contacto entre el recorrido de los dos extremos de la resistencia.

Figura 3.16. Símbolo general de un potenciómetro y aspecto de los tipos más comunes.

Cuando movemos el cursor, hacemos que el terminal móvil haga contacto con cualquier punto de la resistencia. Así, entre el terminal móvil y cualquiera de los otros dos terminales se puede realizar el ajuste de un valor de resistencia entre 0 Ω y el valor máximo. En la figura 3.17 se ilustran unos ejemplos. Cursor en el punto medio

Figura 3.17. Según la posición del cursor, aparecen diferentes valores de resistencia entre el cursor y los extremos.

Los potenciómetros pueden ser de variación lineal o logarítmica. En los de tipo lineal, la magnitud de variación de resistencia es proporcional a la variación de giro del cursor. En los de tipo logarítmico, la resistencia varía según una escala logarítmica en función de la posición del cursor; estos son los utilizados en, por ejemplo, los equipos de sonido para variar el volumen; se consigue así una variación del nivel sonoro equiparable a la respuesta del sistema auditivo (ya que la respuesta del oído es de forma logarítmica). En la figura 3.18 se muestra el tipo de potenciómetro utilizado para controles del tipo volumen en un amplificador, control de graves y agudos, tensión de salida de una fuente de alimentación; son potenciómetros con un eje, donde se pone el botón de mando.

Figura 3.18. Tipo de potenciómetro para ajuste de volumen en equipos de música, graves y agudos, etc. El eje se corta a la medida, y se pone el botón de mando.

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Unidad 3 · Resistencia eléctrica Utilizando sólo dos de los terminales del potenciómetro, se obtiene lo que se llama una resistencia variable (figura 3.19); se puede ajustar un valor entre 0 Ω y un máximo (el nominal del potenciómetro).

Variación entre 0 y 100 kΩ Figura 3.19. Una resistencia ajustable se obtiene por medio de un potenciómetro.

Resistencia Ajustable Existen unos tipos de potenciómetros, de pequeñas dimensiones, que se utilizan para realizar ajustes en los aparatos electrónicos, pero de forma interna (no accesibles al usuario); el control se realiza mediante un pequeño destornillador. En la figura 3.20 se muestra el aspecto de los tipos más comunes. Se conocen también por resistencias ajustables.

Figura 3.20. Potenciómetros de ajuste interno.

Actividades propuestas 1. ¿Qué es un potenciómetro? Indicar tres ejemplos de aparatos donde se encuentra su aplicación. 2. Si un potenciómetro de 100 k se encuentra en la mitad de su recorrido, ¿qué valor debería medirse entre uno de los extremos y el punto medio? 3. ¿Qué dos tipos básicos de potenciómetros son usuales? 4. ¿Los mandos (botones) de control de tono y volumen de una guitarra eléctrica pueden ser potenciómetros? 5. ¿Si en un potenciómetro de 500 Ω unimos el punto medio con uno de sus extremos, qué margen de valores mediríamos entre el terminal cursor y el otro extremo? Dibujar el potenciómetro conectado así. 6. Definir las características de un circuito serie.

3.8 Montaje de resistencias en serie En general, la conexión de componentes en serie consiste en conectar un componente tras otro, formando de este modo una cadena, según se muestra en la figura 3.21. Conectar resistencias en serie equivale a aumentar la longitud de un conductor; se aumenta la resistencia. Por ello, en el montaje serie, se consigue un valor de resistencia que es la suma de los valores de todas las resistencias conectadas, lo cual se puede expresar:

47


Figura 3.21. Resistencias conectadas en serie; la resistencia total es la suma de todas.

Ejemplo La conexión de una resistencia de 12 Ω, una de 82 Ω y otra de 4,7 Ω da lugar al efecto resistivo de: RT = 12 + 82 + 4,7 = 98,7 Ω . Figura 3.22.

Figura 3.22. El efecto resistivo de las tres resistencias en serie es equivalente al de una resistencia de 98,7 Ω.

Esta forma de conexión, permite por lo tanto obtener un valor resistencia mayor al del valor más alto de las resistencias utilizadas, pudiéndose conseguir entonces casi cualquier valor de resistencia. Otra característica de los montajes serie en general, es que el valor de la corriente que circula es el mismo en cualquier punto del circuito; así, la intensidad es la misma en todas las resistencias (figura 3.23). Y si en vez de tratarse de resistencias fueran bombillas (u otro tipo de carga resistiva), el efecto es el mismo.

Características del circuito serie • La resistencia total es la suma de los valores de todos los componentes • El valor de intensidad que circula es el mismo en todos los componentes

Figura 3.23. En los circuitos serie, en general, circula el mismo valor de intensidad por todos sus componentes.

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3.9 Montaje de resistencias en paralelo En esta forma de montaje, los terminales de cada resistencia se conectan con los terminales de las demás resistencias utilizadas; o sea, de forma paralela (figura 3.24). La conexión de resistencias en paralelo equivale a un aumento de la sección de un conductor; se disminuye el valor resistivo, con lo cual se mejora la circulación de la corriente. En el montaje paralelo, el valor total de resistencia siempre es menor que el de la resistencia de más bajo valor del montaje.

Figura 3.24. Conexión de resistencia en paralelo.

Cada una de las resistencias proporcionará un paso de corriente; cada una de ellas contribuirá por tanto a facilitar la circulación (es como aumentar la sección de un conductor). Así, cuantas más resistencias se conecten en paralelo, mayor intensidad de corriente total podrá circular. Acudiendo nuevamente a la analogía hidráulica, es como si a la salida de una fuente de agua se le empalmaran varias tuberías; cuanto más tuberías se le empalmen, mayor cantidad de agua se podrá obtener; es como aumentar el grosor de una tubería. El valor de resistencia total de un circuito paralelo se obtiene según la fórmula:

Ejemplo En el caso del circuito paralelo de tres resistencias que se muestra en la figura 3.25, el valor total de resistencia es:

Figura 3.25. El efecto resistivo de las tres resistencias en paralelo es equivalente al de una resistencia de 12,87 Ω.

Obsérvese cómo el valor equivalente total es más bajo que la resistencia de menor valor. 49

Unidad 3 · Resistencia eléctrica En el caso particular de que el circuito en paralelo esté formado por sólo dos resistencias, la expresión de RT se simplifica a:

Por cuestiones de simplificación, el paralelo de dos resistencias a veces expresa por R1//R2.

Ejemplo El valor total equivalente del circuito paralelo de dos resistencias que se muestra en la figura 3.26 es:

Y si aplicamos la fórmula general obtenemos el mismo valor:

Figura 3.26. El efecto resistivo de las dos resistencias en paralelo es equivalente al de una resistencia de 51,75 Ω.

Otro caso particular se da cuando todas las resistencias del circuito paralelo son del mismo valor. En este caso, el valor de resistencia total viene dado por:

R es el valor de las resistencias y n el número de resistencias.

Ejemplo Supongamos un circuito con 10 resistencias de 1 kΩ en paralelo (figura 3.27). El valor resultante es:

Figura 3.27. El efecto resistivo de las diez resistencias en paralelo de 1 kΩ es equivalente al de una sola de 100 Ω.

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3.10 Circuitos serie-paralelo (mixtos) Son circuitos en los cuales aparecen los dos tipos de montajes fundamentales; serie y paralelo. Estas estructuras de circuitos se denominan circuitos mixtos, y aparecen a menudo en la técnica electrónica. Su análisis se basa en descomponerlos en sus circuitos básicos serie y paralelo.

Ejemplo En la figura 3.28 se muestra la estructura del circuito mixto más simple; una resistencia en serie con otras dos en paralelo.

Figura 3.28. Circuito mixto elemental (el más simple).

Fácilmente se deduce que el valor resultante total de resistencia a que da lugar el circuito es:

Actividades prácticas 1. Circuito serie Dibujar el circuito del montaje serie de 4 resistencias de los valores 47 Ω, 150 Ω, 220 Ω y 330 Ω conectado a una fuente de alimentación de 12 V, a través de un interruptor y un fusible. a) Anotar el código de colores de cada resistencia, y medir su valor con el tester. Razonar los resultados. b) Montar el circuito y realizar las medidas de corriente y tensión en cada resistencia, y también en el fusible. c) Realizar una tabla con los resultados teóricos y los prácticos, y explicar los resultados. 2. Circuito paralelo Dibujar el esquema de un circuito de tres resistencias en montaje paralelo, de los valores 22 Ω, 47 Ω y 91 Ω, conectado a una fuente de tensión de 12 V a través de un fusible general. Proceso operativo: a) Anotar el código de colores de cada resistencia, y después medir su valor con el tester. b) Montar el circuito y hacer las medidas con el tester de la corriente y tensión en cada resistencia y en el fusible. c) Realizar una tabla con todos los resultados y las observaciones que consideres.

Actividades finales Ejercicio 1. Dar una explicación sobre el concepto de resistencia ¿Cuál es su unidad? Ejercicio 2. Calcular el valor resistivo que tienen 8 metros de hilo de cobre de 2 mm de diámetro. (ρ = 0,0175).

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Actividades finales Ejercicio 3. ¿Qué ocurre en las líneas conductoras (normalmente cobre) cuando se calientan, aumenta o disminuye su resistencia? ¿Y en el caso de los materiales semiconductores (silicio)? Ejercicio 4. ¿Por qué en los aparatos eléctricos como estufas, planchas, bombillas, etc. su consumo de corriente es mayor en el momento de su conexión que cuando llevan un cierto tiempo funcionando? Ejercicio 5. ¿Qué valores indican las expresiones 4k7, 1,2k y 1M5? Indicar el código de colores para expresar un valor de 3,9 Ω con una tolerancia del 10 %. Ejercicio 6. ¿Cuál es el valor mínimo y máximo que se deduce de la codificación de colores de la resistencia siguiente?

Oro Oro Rojo jo Ro Negro arrón M Marrón Ejercicio 7. Calcular el valor total de resistencia correspondiente a los siguientes montajes:

b)

a)

Ejercicio 8. ¿Cuál es el valor total equivalente de 10 resistencias de 200 Ω conectadas en paralelo?

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Unidad 4

Potencia eléctrica

Objetivos: Saber con cierto detalle las cuestiones sobre la potencia eléctrica y su relación con los circuitos eléctricos, en especial sus efectos caloríficos (ley de Joule), ya que su importancia da lugar a que, por ejemplo, se instalen disipadores en los componentes electrónicos, así como los ventiladores típicos en el procesador (CPU) y fuente de alimentación de los ordenadores. De paso, saber cómo repercute la potencia eléctrica de los aparatos en el consumo de energía eléctrica.


Trabajo y potencia eléctrica. El vatio (W). Ejemplos prácticos sobre potencia eléctrica.

4.4 4.5

4.6

Fórmulas prácticas sobre potencia y ley de Ohm. Efectos caloríficos de la electricidad. Ley de Joule. Trabajo eléctrico. Consumo de energía eléctrica.

Unidad 4 · Potencia eléctrica

Recuerda • • • En el montaje serie: - La resistencia total es la suma de la resistencia de todos los componentes. - El valor de intensidad que circula es el mismo en todos los componentes. En el montaje paralelo: - El valor total de resistencia siempre es menor que el de la resistencia de valor más bajo del montaje.

4.1 Trabajo y potencia eléctrica El concepto potencia eléctrica indica la capacidad de realización de trabajo que tiene la electricidad; más exactamente, es la velocidad de realización del trabajo:

Y como el concepto de energía indica capacidad de realización de trabajo, se puede decir que el trabajo es energía, o bien, que para realizar trabajo se necesita energía. En general, la energía es lo que hace posible cualquier actividad física. En los aparatos eléctricos-electrónicos, la mayor o menor energía que consumen, que pueden proporcionar, etc., se expresa por el término potencia, cuya unidad es el vatio (W). Así, aparecen expresiones tal como una bombilla de 40 W, una resistencia de 150 Ω/1 W, una estufa de 1,2 kW, la potencia de salida del amplificador es de 50 W, etc. El trabajo en sí es independiente del tiempo que se tarda en hacerlo. Pero la potencia da cuenta del trabajo realizado teniendo en cuenta el tiempo que tarda en realizarse, ya que es la velocidad de realización del trabajo. Por ejemplo, es obvio que cuanto más potencia tenga el motor de un automóvil más aceleración tendrá y, en consecuencia, más rápidamente podrá recorrer una cierta distancia. El mismo automóvil con motor menos potente podrá realizar el mismo trabajo, pero tardará más tiempo en recorrer la misma distancia. En física, la unidad de magnitud del trabajo-energía se denomina julio, que se define por: Un julio (J) es el trabajo realizado por la fuerza de un newton (N) si da lugar al desplazamiento de la distancia de un metro (m). Así, se obtiene la unidad julio para F = 1 newton y e = 1 metro: Eléctricamente, es similar. Sabemos que para que se produzca una corriente eléctrica, que es un desplazamiento de electrones, se precisa de una fuerza que se denomina tensión. Se realiza el trabajo de un julio si se hace mover una carga eléctrica (q) entre dos puntos cuya d.d.p. es de un voltio. Matemáticamente, el trabajo eléctrico se puede expresar por tanto:

W = V·q Y de la definición de intensidad eléctrica se deduce que la unidad de carga eléctrica (culombio) se puede expresar por:

Así, el trabajo eléctrico se puede expresar por: W = V · q = V (I · t) Y se obtiene el trabajo de un julio para I = 1 amperio y t = 1 segundo: 1 J = 1 V (1 A × 1 s) Por otra parte, como que el concepto de potencia da cuenta de la velocidad, o sea, rapidez, a la cual se hace el trabajo:

dividiendo la expresión del trabajo (W) por el tiempo (t), obtenemos: 54


Se deduce así la expresión fundamental de la potencia eléctrica:

4.2 El vatio (W) La unidad de potencia (P) eléctrica es el vatio, que se expresa por W. Así, un vatio (1 W) es la potencia a que da lugar la tensión de un voltio si circula la corriente de un amperio (figura 4.1):

I 1A

Produce 1 W

1V

E

P=1Vx1A=1W

R

Figura 4.1. La tensión de 1 voltio con 1 amperio desarrolla 1 vatio de potencia.

O, bien, un vatio es la potencia a que da lugar la realización del trabajo de un julio por segundo:

Basándonos en el concepto de potencia, el trabajo eléctrico viene dado, pues por:

Industrialmente se utiliza también mucho, especialmente en motores, otra unidad que se denomina caballo de vapor (CV), o simplemente caballo, que equivale a 735,5 W; en la práctica, se suele tomar 1 CV = 736 W. Esta unidad fue introducida por James Watt en 1784, inventor de la máquina de vapor. Es frecuente encontrarse la potencia de los motores expresada de esta manera; por ejemplo, un motor de 2 CV indica una potencia de 2 × 736 = 1472 vatios.

4.2.1 Unidades derivadas Al igual que ocurre con otras unidades, en la práctica se hace conveniente también utilizar magnitudes que son submúltiplo o múltiplos del vatio. Así, aparecen como magnitudes normales: megavatio

1 MW = 1.000.000 W

kilovatio

1 kW = 1.000 W

milivatio

1 mW = 0,001 W = 10-3 W

microvatio

1 μW = 0,000001 W = 10-6 W

Y por otra parte, como 1 CV = 736 W, también se tiene:

55

Unidad 4 · Potencia eléctrica Así, como se deduce, para obtener potencia eléctrica se precisan dos magnitudes; voltios y amperios. Y cuanto mayores sean dichas magnitudes, como es evidente, mayor potencia se obtendrá (figura 4.2). Intensidad

Figura 4.2. Para obtener potencia se necesitan dos magnitudes, voltaje e intensidad. En el símil hidráulico, la tensión (V) equivale a la altura de caída del agua y la intensidad (I) al caudal.

M

Fuente de energía

P=VxI

Voltaje Receptor

4.3 Ejemplos prácticos

sobre potencia eléctrica

A continuación se exponen unos ejemplos numéricos para procurar clarificar más prácticamente estos conceptos (figura 4.3).

Ejemplo 1 Tensión muy alta y corriente baja En los automóviles de gasolina, la chispa de encendido que se produce en las bujías para lograr la explosión del combustible en los cilindros se obtiene mediante una tensión elevada (del orden de 15.000 V), que se genera por medio del efecto inductivo de una bobina. Suponiendo una corriente de 0,001 A (1 mA), la potencia eléctrica desarrollada sería (figura 4.3a). P = V · I = 15.000 × 0,001 = 15 W Así pues, aunque la tensión es muy elevada, la potencia que se produce no es elevada porque se dispone de baja corriente. Y debido a la baja intensidad, es por lo que, a veces, los mecánicos trabajando tocan los cables de alta tensión y todo queda en un susto. Es como si, por ejemplo, una caída de agua se produce de elevada altura, pero con poco caudal. O sea, alta tensión no es significativo siempre de mucha potencia. Otro ejemplo similar se da en los televisores. En la pantalla (TRC) se aplica una tensión de unos 20 kV; pero como es de baja intensidad, los reparadores una vez u otra sienten su efecto en el cuerpo, pero normalmente no pasa de un susto.

I = 0,001 A

P = 15.000 x 0,001 = 15 W

56

a)


Recuerda • • •

I = 10 A

A mayor potencia, mayor trabajo eléctrico. La unidad de potencia eléctrica es el vatio (W). Para que exista potencia eléctrica se necesitan dos valores: tensión (V) e intensidad (I), ya que:

P = 12 x 10 = 120 W

W=V I

b)

I = 10 A

Aunque la tensión sea alta, si la corriente es muy baja, la potencia puede ser baja.

P = 220 x 10 = 2200 W

c)

Figura 4.3. Ejemplos prácticos del valor de potencia que se obtienen según los valores de tensión y corriente.

Ejemplo 2 Tensión baja y corriente alta Si la intensidad de corriente es elevada pero con baja tensión, tampoco se consigue una elevada potencia. Es como si el caudal de agua es grande pero cae de poca altura. Supongamos que por medio de una batería de 12 V se alimenta un motor cuyo consumo es de 10 A (figura 4.3b). La potencia eléctrica que se obtiene de la batería, considerando que no hay pérdidas en los cables, es de:

P = V · I = 12 × 10 = 120 W En este caso, aunque la intensidad es relativamente elevada (10.000 veces mayor que en el ejemplo anterior), tampoco se obtiene una alta potencia, debido a que la tensión es baja.

Ejemplo 3 Tensión alta y corriente alta En el caso de una estufa eléctrica alimentada a 220 V con un consumo de 10 A se obtiene una potencia comparativamente mucho más alta (figura 4.3c):

P = V · I = 220 × 10 = 2200 W Esto es debido a que en este caso las dos magnitudes son más o menos elevadas; hidráulicamente, equivale a un gran caudal que cae a elevada altura.

Actividades de evaluación 1. Definir la unidad Julio, con su expresión matemática. 2. ¿Cuál es la diferencia entre trabajo y potencia? 3. Indicar la expresión de la potencia eléctrica y su unidad de medida.

57


Actividades de evaluación 4. Calcular la potencia eléctrica en una resistencia por la cual circula una intensidad de 250 mA y su tensión es de 5 V. 5. Calcular la potencia perdida en la instalación de una estufa eléctrica, si medimos una tensión de 218 V y una intensidad de 10 A en la estufa, y en la salida de contador 220 V. ¿Qué efectos y consecuencias tiene esto?

4.4 Fórmulas prácticas sobre potencia y ley de Ohm

En principio, partiendo de la expresión fundamental de la potencia se deduce otras dos fórmulas:

Aplicando la ley de Ohm, se deducen otras fórmulas de interés práctico. Puesto que V = I R, sustituyendo esta expresión en P = V I , se obtiene otra fórmula de la potencia:

De donde se deducen también:

Y sustituyendo I = V/R en la expresión de P = V I se obtiene otra forma de expresar la potencia:

De donde se deduce también

Así pues, se puede hallar el valor de cualquiera de las cuatro magnitudes fundamentales conociendo dos de ellas.

Actividades desarrolladas Ejercicio 1: En una resistencia de 100 Ω y de 0,5 W de potencia nominal, ¿cuál es el valor máximo de corriente que se le puede hacer circular sin que se supere dicha potencia? De la expresión de la potencia P = I2 R, se obtiene que:

Podemos comprobar este dato de la siguiente forma.

58


Actividades desarrolladas Hallamos la caída de tensión en la resistencia para esa corriente, que es: Y esto dará lugar a una potencia disipada de: Y obtenemos el mismo valor aplicando: Así, con una corriente de 0,07 A = 70 mA, se obtiene la disipación máxima; corrientes superiores darán lugar a una mayor potencia y en consecuencia mayor generación de calor, dando lugar a una temperatura excesiva para las dimensiones de la resistencia. Ejercicio 2: ¿Cuál es el valor de la potencia consumida de una bombilla conectada a 12 V si se mide una intensidad de 2 A? El resultado es inmediato, pues se aplica la fórmula fundamental de la potencia: Ejercicio 3: Calcular el consumo de corriente de una lámpara compuesta por 4 bombillas de 220V/60 w cada una. Las bombillas están conectadas en paralelo, y el consumo de cada bombilla será:

Por tanto, el consumo de la lámpara será de: 4 × 0,273 = 1,09 A Considerando la potencia total de la lámpara, 60 W × 4 = 240 W, se obtiene el mismo resultado:

Ejercicio 4: Calcular la pérdida de potencia que se produce en la instalación del motor de arranque de un coche si el valor resistivo total de los cables es de 0,02 Ω y la intensidad que circula es de 50 A. Figura 4.4. Resistencia total de la instalación: 0,02 Ω El generador produce una potencia de 600 W

Figura 4.4. Según el valor de la corriente y la resistencia de los conductores, se puede producir una pérdida de potencia eléctrica considerable (consumida en los cables de la instalación y transformada en calor).

El motor sólo recibe 550 W I = 50 A

M

VB = 12 V En los cables de la instalación se pierde una potencia de: P = 502 x 0,02 = 50 W

El resultado es inmediato aplicando la correspondiente fórmula:

59


Actividades desarrolladas Así, el efecto resistivo de los cables dará lugar a una pérdida de 50 W, potencia que no recibirá el motor y que, además, dará lugar a un calentamiento de la instalación (figura 6.4). Ejercicio 5: Dado el circuito representado en la figura 4.5, calcular la potencia desarrollada en cada una de las resistencias.

Figura 4.5.

En primer lugar calcularemos el valor de resistencia total, RT:

Se halla así la IT, la IR1 y la IR4, puesto que IT = IR1 = IR4:

Por tanto, las potencias disipadas en R1 y en R4, son:

Y como la tensión en R2 y R3 es la misma, y viene dada por: siendo: Tenemos que la tensión en R2 y R3 es: Las potencias disipadas en R2 y R3 serán, pues:

Puesto que la suma de potencias parciales en todo circuito debe ser igual a la potencia suministrada por el generador, se verifica que (figura 4.6): Potencia producida por el generador: Potencia disipada en las resistencias:

60


Actividades desarrolladas

Potencia total disipada en todas las resistencias: 1 + 0,0689 + 0,12 + 0,82 = 2 W

Produce 2 W IT = 0,1 A

Figura 4.6.

4.5 Efectos caloríficos de la electricidad Uno de los efectos que tiene la circulación de la corriente eléctrica es la generación de calor, lo cual puede ser provechoso (planchas, soldadores, estufas, etc.) o dar lugar a defectos (calentamiento de los conductores y de componentes electrónicos). Esto es como consecuencia del trabajo realizado por la corriente en su circulación ya que, al ser la corriente un desplazamiento de electrones, se producen roces y choques entre dichas partículas que dan lugar a un calentamiento.

4.5.1 Ley de Joule El trabajo eléctrico, energía eléctrica (julios), que se transformará en calor en un conductor de resistencia R cuando es recorrido por una corriente de intensidad I, viene dado por: A este efecto de desprendimiento de energía calorífica por el paso de la corriente se conoce por ley (o efecto) Joule, en honor al físico James Prescott Joule (1818-1889), que en 1841 enuncio dicho efecto: La circulación de una corriente eléctrica en un conductor de resistencia R produce un efecto de calentamiento, que es proporcional al valor de resistencia (R), al cuadrado del valor de la intensidad (I2) y al tiempo transcurrido (t). Teniendo en cuenta que 1 julio = 0,24 calorías, la energía calorífica desprendida en un conductor se puede expresar por:

61


Se entiende por caloría, la cantidad de calor que hace que 1 g de agua aumente su temperatura en 1 °C (concretamente de 14,5 a 15,5 °C). Y también se utiliza la kilocaloría (kcal), que son 1000 calorías. Como se deduce, cuanto más tiempo esté circulando la corriente más cantidad de calor se generará. Es por esto que los soldadores, estufas, etc., tardan un cierto tiempo en calentarse y adquirir una cierta temperatura; conforme pasa el tiempo se van generando más calorías y va aumentando así la temperatura, hasta un cierto valor dependiente de calor generado y el absorbido.

Actividades desarrolladas Ejercicio 1: Si la resistencia de un soldador es de 1500 Ω y está conectado a 220 V, calcular la cantidad de calorías que se generarán en un minuto. Como el valor de la intensidad de corriente es:

Como se deduce, la generación de calorías también se puede expresar por:

Y en general: Dividiendo por 1000 se obtiene el valor en kilocalorías:

Ejercicio 2: Calcular la energía calorífica que generará una estufa eléctrica de valores nominales 220 V/1500 W, conectada durante una hora (3.600 segundos). Basta aplicar la fórmula de Joule:

4.6 Trabajo eléctrico

Consumo de energía eléctrica

En base al concepto de potencia, el trabajo eléctrico viene dado en general por:

El trabajo que puede obtenerse depende pues de la magnitud de la potencia tomada y también de su tiempo de utilización. Así, por ejemplo, con una estufa de 500 W de potencia se puede obtener más trabajo durante 1 hora que si sólo se utiliza durante 1 minuto; está claro que al cabo de una hora de estar encendida la temperatura ambiental en su entorno será mayor que al cabo de un minuto, debido a que habrá generado más calorías. O bien, durante un mismo tiempo de utilización se consigue mayor trabajo cuanto mayor es la potencia utilizada; por esto, con una estufa de 1500 W se consigue elevar la temperatura más rápidamente que con estufa de 500 W. La unidad de consumo de energía eléctrica normalmente utilizada es el kilovatiohora (kWh), que es lo que miden los contadores de energía eléctrica. Y puesto que 1 julio = 1 vatio × segundo y una hora son 60 × 60 = 3600 segundos: Y como: 1 julio = 0,24 cal ⇒ 1 kWh = 864 kcal 62

Unidad 4 · Potencia eléctrica Por medio de los contadores de energía eléctrica conocen en las centrales eléctricas la cantidad de energía consumida por los usuarios, y el coste depende de la cantidad asignada a la unidad kWh.

4.6.1 Ejemplos prácticos 1. Una bombilla de 100 W encendida durante 8 horas cada día, cada dos meses (60 días) consumirá una energía de: Es cuestión de multiplicar el número de kW por el número de horas:

2. El coste anual (52 semanas) de tener en marcha un equipo informático cuya potencia es de 150 W durante 30 horas cada semana es:

Actividades finales Ejercicio 1. ¿Qué es un julio?. Dar una definición eléctrica. Ejercicio 2. Calcular la corriente máxima que debería circular por una resistencia de 10 Ω cuya potencia nominal es de 2 W. Ejercicio 3. En una bombilla se ha borrado el indicativo de la potencia, pero se sabe que es de 220 V. ¿De cuantos vatios se supone que es si mediante un amperímetro se mide un consumo de 0,273 A? Ejercicio 4. Calcular la potencia eléctrica que se perdería en los cables de la instalación de un coche, si al poner en marcha el motor eléctrico de arranque en éste se midiera un amperaje de 50 A y una tensión de 10 V. (En la batería, debido al consumo, se mide una tensión de 11 V). Ejercicio 5. Calcular la intensidad eléctrica que circulará por los cables de una instalación doméstica de 220 V, cuando se pongan en marcha simultáneamente: un soldador de 30 W, una lámpara de 4 bombillas de 60 W, una estufa de 1,5 kW y un horno eléctrico de 2 kW. Ejercicio 6. ¿Cuántas kcal generará una estufa de 220 V y 2 kW cada semana si se tiene en marcha 4 horas cada día? ¿Qué intensidad consumirá? Ejercicio 7. Calcular el coste anual de la energía eléctrica de una lámpara de 3 bombillas de 60 W cada una, si se usa 4 horas cada día. (1 kWh = 0,0813 €). Ejercicio 8. Calcular la potencia disipada en cada una de las resistencias del circuito de la figura 4.7.

63


Actividades finales

Figura 4.7. Ejercicio 9. ¿Qué potencia deberá entregar la fuente de tensión, VB, en el circuito de la figura 4.8?

Figura 4.8.

64

Unidad 5

Generadores de electricidad

Objetivos: Entender los principios fundamentales sobre los diferentes tipos de generadores de electricidad, así como sus características básicas; en especial, el concepto de resistencia interna. Asimismo, saber las características de los montajes básicos de generadores (serie, paralelo y serie-paralelo).

En este capítulo: 5.1 5.2 5.3 5.4

Introducción. Generadores mecánicos. Generadores químicos. Fuerza electromotriz (f.e.m.).

5.5 5.6 5.7 5.8

Resistencia interna. Montaje serie de generadores. Montaje paralelo de generadores. Montaje serie-paralelo de generadores.

Unidad 5 · Generadores de electricidad

5.1 Introducción Un generador de electricidad es la fuente de energía de los sistemas eléctricos; proporciona potencia eléctrica (tensión y corriente). En todos los generadores se hace un tipo de transformación de energía; en base a una energía que puede ser mecánica, térmica, química o de cualquier otro tipo, el generador produce energía eléctrica (fig. 5.1).

Figura 5.1. Un generador de electricidad convierte otros tipos de energía en energía eléctrica.

• • • • •

Energía mecánica Energía química Energía térmica Energía solar Etc.

Generador de electricidad

Energía eléctrica

5.2 Generadores mecánicos 5.2.1 Dinamo Una dinamo es un generador de corriente continua (c.c.); transforma energía mecánica (movimiento de giro) en energía eléctrica (fig. 5.2).

Recuerda • • • Las fórmulas básicas para hallar la potencia (vatios) son: W=I V W = I2 R

La generación de electricidad se basa en un principio físico del magnetismo; cuando existe movimiento relativo entre un conductor (en la práctica, un bobinado) y una fuerza de campo magnético, se genera en el conductor una f.e.m. Es por ello que sólo se obtiene electricidad cuando se les aplica movimiento de giro. Son un tipo de máquina eléctrica cuya estructura es similar a la de los motores eléctricos. Se utilizan como fuentes de energía para la luz en bicicletas, se han utilizado en los coches para la recarga de la batería, se utilizan para obtener una tensión de referencia proporcional a la velocidad en sistemas de regulación y control, etc.

W = V2 / R Cuanto más tiempo se aplica la potencia, mayor trabajo electrico se realiza: Trabajo=Potencia x tiempo

Dinamo

Tensión connua

Figura 5.2. Dinamo; transforma la energía mecánica en tensión continua.

5.2.2 Alternadores Un alternador es un generador de corriente alterna (C.A.), de ahí su denominación (fig. 5.3). Su estructura y funcionamiento es similar a la de las dinamos; ambos son máquinas eléctricas que transforman energía mecánica en energía eléctrica, cuyo funcionamiento se basa en el magnetismo. Se utilizan, por ejemplo, como generadores de electricidad en los automóviles, para la recarga de la batería. Como los alternadores generan corriente alterna y la batería requiere corriente continua, en el mismo alternador se encuentra un circuito que convierte la C.A. en C.C. (estos circuitos se llaman rectificadores). Los alternadores son asimismo las máquinas utilizadas para la generación de la energía eléctrica en las centrales eléctricas

66


Tensión alterna

Alternador

Figura 5.3. Alternador; convierte la energía mecánica en tensión alterna.

En este caso, los alternadores son de tipo trifásico; aparecen tres fases, de ahí la denominación de corriente trifásica (fig. 5.4). Internamente, el alternador trifásico se basa en tres bobinados; en cada uno se genera una tensión eléctrica (fase), y cada fase está desfasada 120° entre sí. Vf1 Vf2 Vf3 U X

N

Figura 5.4. Alternador trifásico; se basa en tres bobinados, genera tres tensiones desfasadas 120 grados entre sí.

W

Z

S Y

V

Al haber tres bobinados aparecen 6 cables, pero al conectar las bobinas entre sí debidamente aparecen sólo 3 cables (fig. 5.5), o bien cuatro cables (3 fases y neutro). Así es como nos llega la energía eléctrica normalmente, con 4 cables (3 fases y neutro); después, se distribuye en las plantas del edificio y a cada hogar nos llegan dos cables (una fase y neutro). Se utilizan alternadores trifásicos por cuestiones económicas y de rendimiento eléctrico, en cuanto a la producción, transporte y distribución de la energía eléctrica.

Figura 5.5. Alternador trifásico conectado para obtener tres cables de salida (3 fases). Esta forma de conexión de las bobinas del alternador se llama conexión en triángulo.

67


5.3 Generadores químicos 5.3.1 Pilas Las pilas son generadores de corriente continua. Al igual que las dinamos, tienen un terminal positivo (+) y otro negativo (−), entre los cuales aparece la tensión de salida. En la figura 5.6 se representa su simbología general.

+ Figura 5.6. Símbolo general de una fuente de tensión continua; una pila, por ejemplo.

En la figura 5.7 se muestran los formatos de pilas más típicos. En su interior, por medio de una sustancia pastosa (electrolito), se produce una reacción química que da lugar a la fuerza electromotriz (f.e.m.). El proceso de transformación química es limitado; el tiempo y su utilización hacen que se vaya agotando y van dejando de generar electricidad hasta quedar prácticamente descargada. Las pilas, excepto algunos tipos especiales, no son recargables. Pila po AAA

Pila po AA 1,5 V

9V Figura 5.7. La pila de 9 V es la normalmente utilizada en los polímetros (además de en otros aparatos electrónicos).

Actualmente se disponen de un tipo de pila normalizada (formato AA y otros), que si son recargables; se conocen por baterías recargables, y se utilizan normalmente en cámaras fotográficas digitales y otros aparatos electrónicos.

1.2.2.2 Acumulador En general, los acumuladores son generadores de C.C. de origen químico, que se caracterizan por su cualidad de poder ser recargados cuando se agotan. Una vez descargados, se regenera el proceso químico aplicándoles una corriente de carga, con lo cual vuelven a adquirir carga eléctrica. Así, en el proceso de carga se hace una transformación de energía eléctrica en energía química, y en el proceso de descarga la energía química se transforma en energía eléctrica. Los acumuladores suelen más voluminosos y de más potencia que las pilas, y con un electrolito líquido (agua destilada con ácido sulfúrico diluido).

1.2.2.3 Batería Es la asociación de varios generadores, pilas o acumuladores, con el fin de obtener mayor potencia eléctrica (figura 5.8).

68


Recuerda • • • Un generador de electricidad es la fuente de energía de los sistemas eléctricos; proporciona potencia eléctrica (tensión y corriente). Para que exista circulación de corriente (I), se necesita una fuerza impulsora; voltaje (V).

Aunque una batería puede formarse por medio de pilas no recargables, normalmente se construyen en base a acumuladores lo cual permite obtener baterías recargables. Por ejemplo, las típicas baterías de 12 V que se utilizan en los coches se basan en la asociación paralelo de grupos serie de 6 elementos acumuladores de 2 V, por ello se obtienen los 12 V típicos (6 × 2 = 12 V). El electrolito es una mezcla de agua destilada con ácido sulfúrico (por lo cual se debe evitar su contacto con la piel o ropa).

+ + BATERÍA

+

Figura 5.8. Simbología general de una batería (agrupación de elementos generadores).

1.2.3 Célula solar fotovoltaica Las células solares fotovoltaicas son componentes realizados mediante materiales semiconductores (silicio) que generan una tensión eléctrica continua, como si fuera una pila, cuando reciben energía solar. Su simbología general es como se representa en la figura 5.9.

+

Figura 5.9. Simbología general de una célula solar fotovoltaica.

Puesto que la tensión que genera tiene polaridad, en un terminal aparece el polo positivo y en el otro el negativo. La tensión que genera una célula es baja, de unos 0,5 V (en circuito abierto, sin carga). Pero mediante la asociación de células en serie y en paralelo se obtienen tensiones mayores, por ejemplo de 12 V. El rendimiento obtenido es de alrededor de un 15 %; o sea, de cada 100 W que recibimos del Sol podemos aprovechar tan sólo 15 W. Una forma sencilla de experimentar, obtener una célula fotovoltaica, es mediante un fotodiodo (fig. 5.10). Se ha experimentado la generación de voltaje al ser iluminado el fotodiodo, y la tensión medida ha sido de aproximadamente unos 0,3 V. A esta tensión se le llama potencial fotovoltaico; el fotodiodo se comporta como una célula solar. Este dato el fabricante lo expresa por Open circuit Voltage (voltaje en circuito abierto), e indica un valor de 0,35 V para una potencia luminosa de 1 mW/cm2 (para una longitud de onda λ = 950 nm). Actualmente la utilización de células solares se va extendiendo cada vez más; se encuentran en aplicaciones como relojes, calculadoras, cargadores de baterías, etc. Pero su aplicación principal es la generación de energía eléctrica para el consumo doméstico, para lo cual se disponen de paneles solares, que son conjuntos de diversas células fotovoltaicas que pueden dar lugar a una potencia eléctrica considerable.

69


+

Sol BPW34 Figura 5.10. Un fotodiodo se puede comportar como una célula solar fotovoltaica.

Actividades propuestas 1. Explicar tres tipos de generadores de electricidad, y en qué principio de conversión se basan para generar la electricidad. 2. En qué se diferencia una tensión trifásica de una monofásica, ¿qué ventajas tiene? ¿De qué tipo es la tensión que producen las centrales eléctricas? 3. En una batería de coche, ¿qué tensión se genera? ¿En qué sustancia se basa el líquido interno, como se llama dicho líquido? ¿Qué se entiende por elementos de la batería? 4. ¿En qué material se basa una célula solar fotovoltaica, y en qué principio se basa para generar la electricidad? ¿Qué valor de tensión típica genera? ¿De qué orden es su rendimiento? ¿Cuántas células serían necesarias para conseguir una tensión de 12 V?

5.4 Fuerza electromotriz (f.e.m.) Recuerda • • • En la tensión alterna la polaridad varía de forma periódica; se genera por medio de máquinas eléctricas denominadas alternadores. Las pilas, baterías y células solares generan tensión continua; la polaridad (+, –) no varía.

La cantidad de carga eléctrica, culombios, que el generador produce requiere un cierto consumo de unidades de energía (mecánica, química, etc.), julios, que se transformarán en energía eléctrica. De la expresión del trabajo eléctrico se deduce la tensión que se genera:

Para que una carga se mueva entre dos puntos cuya d.d.p. es de 1 V, se requiere el trabajo de 1 J. Así, por cada voltio y culombio que se generen se consume un julio de energía (del tipo que sea):

A esta cantidad de julios transformados por culombio es lo que se denomina fuerza electromotriz (f.e.m.); la tensión generada, que da lugar a la diferencia de potencial entre sus terminales. Está claro que para que el generador pueda suministrar corriente eléctrica es preciso que en su interior se vaya realizando un cierto proceso de trabajo, para que las cargas eléctricas vayan circulando (su función es pues análoga a la de una bomba hidráulica; la bomba, por medio de energía mecánica, hace que el agua vaya circulando). Y en este proceso energético de transformación, en uno de los puntos del generador se produce una acumulación de cargas negativas, electrones, que da lugar al terminal negativo; y en otro punto se produce una deficiencia de electrones, terminal positivo. Por ello en los circuitos eléctricos, considerando el sentido electrónico real (fig. 5.11), la corriente por el circuito externo circula saliendo del polo negativo del generador, y después de pasar a través de la carga (donde se aprovecha la energía eléctrica), retorna al generador por el polo positivo. O sea, la circulación es de negativo a positivo. Pero dentro del generador, la circulación de cargas va de positivo a negativo.

70


(Sendo real)

Receptor de energía

Intensidad Figura 5.11. En el circuito, el sentido de la corriente va del polo negativo (-) al polo positivo (+); pero dentro del generador, el sentido va de positivo a negativo.

RL (carga)

E I

5.5 Resistencia interna Como en toda transformación de energía, en los generadores, internamente, se producen unas ciertas pérdidas, que se transforman en calor, que hacen que todo el trabajo invertido (mecánico, químico) no se transforme íntegramente en energía eléctrica. Y por ello su rendimiento (η), como es obvio, resulta inferior al 100 %.

La tensión que se obtiene en los terminales del generador (Vg) , diferencia de potencial (d.d.p.), es originada por la fuerza electromotriz (f.e.m.) interna (Eg) (fig. 5.12). Si el rendimiento del generador fuera del 100 %, al no existir ninguna pérdida, entonces la tensión de salida obtenida (Vg) tendría el mismo valor que la Eg; pero debido a ciertas e inevitables pérdidas, la tensión obtenida siempre es algo menor que la Eg. Y esta pérdida, o bajada de tensión, es mayor conforme aumenta la corriente de salida. Es por ello que, en general, en todo generador (pila, batería, alternador, etc.) la tensión obtenida disminuye al aumentar la corriente de salida. Y este efecto de bajada de tensión se atribuye a lo que se denomina resistencia interna (Ri) del generador.

Figura 5.12. La fuerza electromotriz (f.e.m.), generada como resultado de la transformación de energía, es lo que da lugar a la tensión de salida (Vg).

Así, la resistencia interna se puede definir como el efecto de oposición al paso de la corriente que se presenta en el interior del generador debido a su propia naturaleza, dando lugar a una caída de tensión (fig. 5.13). En general, en todo generador de tensión conviene que la resistencia interna sea lo más baja posible, para que las pérdidas sean mínimas. En un generador de tensión ideal, la resistencia interna debe ser por tanto nula (Ri = 0). Como, por Kirchhoff, se tiene que cumplir que: la tensión que se obtendrá en los terminales del generador y por tanto en la carga, será:

71


I

Figura 5.13. En todo generador de tensión se produce en su interior un efecto de resistencia eléctrica que se denomina resistencia interna (Ri), y da lugar a una caída de tensión (VRi) que hace que la tensión de salida (Vg) sea menor a la f.e.m. (Eg).

Resistencia interna (Ri)

VRi = Ri RL

Vg

Eg

Y como que VRi = Ri I, aparece la expresión general de todo generador: Y la caída de tensión en la resistencia interna, como es obvio, da lugar también a una pérdida de potencia eléctrica que se transforma en calor: En la práctica, el efecto de la resistencia interna se traduce en una bajada de la tensión del generador proporcional al aumento de la corriente de salida. Y en base a este concepto, en todo generador sin carga (I = 0), en vacío, la tensión entre sus terminales (Vg) es igual a su fuerza electromotriz (Eg), puesto que al ser I = 0 no se produce caída de tensión: Y en caso de cortocircuito (unión) de los terminales del generador (RL = 0), la corriente máxima de salida quedará limitada por la resistencia interna:

Un ejemplo práctico donde se manifiesta y por tanto se puede experimentar este efecto es en la batería del coche; al encender las luces, debido al aumento de consumo, se puede comprobar cómo su tensión disminuye. Y se puede decir que el efecto de resistencia interna es mayor conforme la batería se encuentra más descargada, ya que se comprueba que el efecto de caída de tensión es mayor.

Actividades prácticas Deducción experimental de la resistencia interna Una forma general para deducir el valor de la resistencia interna de cualquier generador es: Se mide la tensión sin carga, o sea, para I = 0 (se supone nula la carga que representa el voltímetro). Se aplica una cierta carga y se mide la tensión y la corriente de salida. Se aplica la fórmula:

Supongamos que queremos deducir la resistencia interna (Ri) de, por ejemplo, una pila de 4,5 V (también podría ir bien una pila de 9 V, con portapilas de cables sueltos). Mediante el polímetro, sin carga (bombilla apagada), supongamos que se mide en los terminales de la pila 4,5 V (la tensión nominal), como se representa en la figura 5.14. Después activamos el interruptor y se enciende la bombilla, ahora medimos la tensión en la pila con carga. Supongamos que se mide una tensión de 4 V (fig. 5.15). Necesitamos saber el valor de la intensidad, que también podemos medir con el polímetro. Supongamos que se mide una intensidad de 1 A. Se deduce que en la resistencia interna se produce una caída de tensión de 0,5 V para una corriente de 1 A; de lo cual se deduce el valor de Ri:

72


Actividades prácticas

+

− I =0

4,5 V Ri

V 4,5 V 4,5 V

Figura 5.14. Medida de la tensión sin carga.

A 0,5 V

4V

Ri

1A

V 4,5 V

Figura 5.15. Medida de la tensión con carga.

O bien, se puede aplicar la expresión general:

Y además de esta caída de tensión de 0,5 V se producirá una pérdida de potencia de: que producirá un cierto calentamiento, ya que se transformará en calor: Así pues, la pila equivale a un generador de 4,5 V de tensión nominal con una resistencia interna de 0,5 Ω (es un ejemplo supuesto), como se muestra en la figura 5.16.

+

−

Ri = 0,5 Ω

4,5 V 4,5 V

Figura 5.16. Circuito equivalente de la pila, con el valor de Ri hallado.

73


Figura 5.17. En cualquier tipo de generador, aparece el concepto de resistencia interna.

Resumiendo, todo generador eléctrico se puede representar indicando su resistencia interna. Y cuanto más bajo sea su valor más perfecto será el generador, ya que se producirán menos pérdidas de energía en dicha resistencia. En un generador de tensión ideal su Ri debería ser cero, con lo cual su tensión sería constante independientemente de la corriente de salida; esto quiere decir que debería dar cualquier valor de corriente, lo cual prácticamente es imposible ya que todos los generadores de tensión tienen más o menos cierta resistencia interna. Por ejemplo, aproximadamente, en las pilas es menor a 1 Ω, en las baterías de coche es menor a 0,1 Ω y en las fuentes de tensión electrónicas se pueden conseguir valores del orden de 0,01 Ω; cuanto más se aproxima el generador a una fuente de tensión ideal, su resistencia interna es más baja. +

Energía solar Tensión eléctrica

Ondas electromagnécas

Ri Señal eléctrica G

Señal eléctrica

Micrófono

Sonido (Ondas acúscas)

Señal eléctrica

Diferentes elementos generadores de señal eléctrica Y no sólo deben considerarse como generadores a las pilas, baterías, dinamos, etc., sino que este concepto se extiende a cualquier dispositivo que pueda generar electricidad. Otros dispositivos que pueden generar señal eléctrica se representan en la figura 5.17. • Antena: Transforma las ondas electromagnéticas en una señal eléctrica. • Micrófono: Transforma las ondas acústicas (sonido) en una señal eléctrica). • Cápsula de guitarra eléctrica: Transforma las vibraciones de la cuerda en señales eléctricas. • Célula solar fotovoltaica: Transforma la energía solar en electricidad.

5.6 Montaje serie de generadores Al igual que con otros componentes, también se pueden asociar generadores en montaje serie, paralelo o mixto; obteniéndose así estructuras de generador con diferentes características en cuanto a la tensión y corriente que pueden proporcionar.

74

Unidad 5 · Generadores de electricidad En este tipo de montaje (fig. 5.18) se obtiene una tensión total que es la suma de las tensiones de todos los generadores:

Y la resistencia interna total resultante es la suma de todas las resistencias internas:

+ r3

+ E3

Rit = r1 + r2 + r3

Rit

r2

ET = E 1 + E 2 + E 3

E2 ET

r1 E1 Figura 5.18. Conexión de tres generadores en serie y su circuito equivalente.

El valor de la corriente disponible, al ser un montaje serie, es igual en todos los generadores: Así pues, con este tipo de montaje se consigue aumentar la tensión, pero, en contrapartida, con un aumento de la resistencia interna total. Y en cuanto a la corriente disponible, está limitada por la máxima que pueda proporcionar uno de los elementos.

Ejemplo Supongamos 4 pilas de 1,5 V y de resistencia interna Ri = 0,2 Ω montadas en serie, alimentando a una carga de 4 Ω, como se representa en la figura 5.19. La tensión y resistencia interna total del montaje es:

O sea, el montaje se comporta como una sola pila de 6 V y de resistencia interna Ri = 0,8 Ω.

0,2

I = 1,25 A

1,5 V 0,2 1,5 V 0,2

0,8 RL 4

5V 6V

1,5 V 0,2 1,5 V Figura 5.19. Montaje de 4 generadores (pilas) en serie; equivale a un solo generador de 6 V y de resistencia interna 0,8 Ω.

75


Ejemplo La corriente por la carga será:

Tensión en la carga: Así pues, de los 6 V totales, la carga sólo recibe 5 V; se produce una pérdida de 1 V, debido a la caída de tensión en el total de resistencia interna: O sea, que el generador total entrega una potencia de: que se distribuye entre la resistencia interna total y la carga:

5.7 Montaje paralelo de generadores Con este tipo de estructura se consigue obtener una mayor corriente de salida (fig. 5.20), ya que la corriente por la carga es la suma de las corrientes de cada generador. Así, por ejemplo, con tres pilas de 9 V que puedan proporcionar cada 1 A se puede alimentar una carga de 3 A.

I1 r1

I2 r2

I3 r3

RL

E1

Figura 5.20. En el montaje paralelo de generadores, la corriente total se divide entre todos los generadores; se consigue mayor corriente de salida y menor resistencia interna.

E2

E3

IL = I1 + I 2 + I 3

En este tipo de montaje se debe tener la precaución de conectar debidamente las polaridades de los generadores; todos los positivos (+) unidos en un punto, y todos los negativos (−) unidos en otro punto. En el caso del montaje serie, la conexión invertida de algún generador hace únicamente que su tensión, en vez de sumarse, se reste; pero en el montaje paralelo, un generador mal conectado da lugar a una descarga general con una corriente que puede ser muy elevada y producir deterioros. Asimismo, todos los generadores deben ser de igual valor de tensión, ya que de lo contrario se producirían corrientes de descarga entre ellos. En cuanto a la resistencia interna total, resulta inferir a la del generador que la tenga más baja. Así, el montaje paralelo de, por ejemplo, los tres generadores da lugar a las siguientes magnitudes: Corriente de salida:

76


Tensión de salida: Resistencia interna:

Y como, normalmente, los generadores son iguales:

Ejemplo Supongamos dos generadores de 6 V y Ri = 0,5 Ω alimentando una carga de 4 Ω (fig. 5.21). El montaje de los dos generadores se comporta como un solo generador de:

Así, por la carga circulará una corriente de:

Cada generador proporcionará la mitad de la corriente de la carga, o sea: 1,412/2 = 0,706 A. Y en la carga habrá una tensión de: En la resistencia interna se pierden, en forma de caída de tensión:

I = 1,412 A

0,706 A

0,5 Ω

0,706 A

0,5 Ω

5,65 V

6V

RL 4Ω

6V

Figura 5.21. Ejemplo práctico del montaje de dos generadores en paralelo.

5.8 Montaje serie-paralelo de generadores En este tipo de montaje, al ser la combinación de los montajes serie y paralelo, se combinan los dos tipos de características; se consigue aumentar la tensión y la corriente. Por ejemplo, en la estructura del generador de la figura 5.22, se deduce que:

77


+ r2 E2

r4 E4

r1 Figura 5.22. Montaje mixto de generadores.

E1

r3 E3

Es una estructura de generador utilizada cuando se requieren potencias elevadas, ya que conectando en serie elementos de baja tensión se pueden conseguir tensiones elevadas, y asociando en paralelo los montajes serie se pueden conseguir elevadas intensidades. Aparecen pues las siguientes características: • Todos los grupos serie de generadores deben dar la misma tensión total; la tensión del generador resultante, ET, es igual a la de un grupo serie. • La corriente total en la carga viene dada por la suma de las corrientes de cada grupo serie. • La resistencia interna total queda determinada por la de uno de los grupos serie dividida entre el número de grupos (se suponen todos los grupos serie iguales).

Ejemplo Supongamos una estructura de generador como se muestra en la figura 5.23; tres grupos serie compuestos cada uno por tres generadores de 2 V y 0,25 Ω de resistencia interna.

0,25 Ω 2V

0,75 Ω 6V

0,25 Ω 2V 0,25 Ω 2V

0,25 Ω 6V

Figura 5.23. Ejemplo de montaje mixto de generadores, con su resultante.

Así, cada grupo serie es de 6 V y 0,75 Ω. La resistencia interna total será por tanto de 0,75/3 = 0,25 Ω. Y si cada grupo serie puede dar 3 A, en total se pueden obtener 9 A. Esta estructura es equivalente, pues, a un solo generador de 6 V que puede dar 9 A, con 0,25 Ω de resistencia interna.

78


Actividades finales Ejercicio 1.1. ¿A qué efecto práctico da lugar la transformación de julios por culombios que se da en el interior de un generador? Ejercicio 1.2. ¿Qué se entiende por resistencia interna de un generador? Ejercicio 1.3. Calcular el valor de la f.e.m. (E) de un generador, sabiendo que su tensión de salida es de 12 V cuando proporciona la intensidad de 1 A y su resistencia interna (Ri) es de 0,5 Ω. Ejercicio 1.4. Calcular el valor de la resistencia interna de un generador sabiendo que su tensión de salida en vacío (sin carga) es de 9 V y que al conectarle una bombilla que consume 2 A la tensión de salida baja a 8,3 V. Ejercicio 1.5. Explicar las características básicas que se dan en el montaje serie de generadores. Ejercicio 1.6. Tres pilas de 4,5 V y 0,5 Ω de resistencia interna se conectan en serie para alimentar una bombilla cuya resistencia del filamento (en caliente) es de 24 Ω. Calcular: • La tensión y corriente que recibirá la bombilla • La potencia perdida en la resistencia interna • La potencia total que proporcionará el conjunto de las tres pilas • La potencia que recibirá la bombilla Ejercicio 1.7. Dos pilas de 9 V y 0,5 Ω de resistencia interna se conectan en paralelo, alimentando una carga (RL) de 10 Ω. Calcular: • La corriente y tensión que recibirá la carga • La intensidad que suministrará cada pila • La potencia que recibirá la carga • La potencia perdida en el total de resistencia interna Ejercicio 1.8. Supongamos que en el circuito mixto de la figura 1.24 las cuatro pilas son iguales (de 6 V y 0,1 Ω de resistencia interna), y que con él se alimenta a una bombilla cuya resistencia de filamento (en caliente) es de 5 Ω. Calcular: • La tensión y corriente que recibirá la bombilla • La intensidad que proporcionará cada pila + 0,1 Ω

0,1 Ω

6V

6V

0,1 Ω

0,1 Ω

6V

6V

Rf = 5 Ω

Figura 5.24. Circuito a calcular.

79

Unidad 6

Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos

Objetivos: Entender, deducir el funcionamiento y saber realizar el cálculo de circuitos resistivos básicos por medio de la ley de Ohm; esto es la base del cálculo de circuitos eléctricos y electrónicos. Se realizan diversos ejercicios teórico-prácticos, ya que este es un tema fundamental; se puede considerar imprescindible. También se explican las leyes de Kirchhoff y el teorema de Thévenin, ya que son la base para entender o calcular circuitos más complejos.

En este capítulo: 6.1 6.2 6.3 6.4

Ley de Ohm. Caída de tensión–diferencia de potencial. El circuito serie. El circuito paralelo.

6.5 6.6 6.7

Circuitos serie–paralelo (mixtos). Leyes Kirchhoff. Teorema de Thévenin.

Unidad 6 · Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos

Recuerda • • • En todo generador, existe resistencia interna; lo cual da lugar a una caída de la tensión de salida en función de la corriente de salida. En el montaje serie de generadores, la tensión total de salida es la suma de todas las tensiones. Se utiliza para aumentar la tensión de salida. En el montaje paralelo de generadores, la corriente total se divide entre todos los generadores (que tienen ser de la misma tensión). Se utiliza para conseguir mayor corriente de salida.

6.1 Ley de Ohm La ley de Ohm (en honor al físico alemán George Simon Ohm, 1789-1854) se puede decir que constituye el fundamento del cálculo de los circuitos eléctrico-electrónicos. Por medio de esta ley se calculan los valores de voltaje, intensidad y resistencia; conociendo dos de estos tres valores fundamentales, se halla el otro valor. Y sus utilidades se extienden desde el circuito más elemental hasta los más complejos (técnicas operacionales, microelectrónica, etc.). Básicamente, la ley de Ohm dice: La intensidad de corriente que circula por un conductor de resistencia R es directamente proporcional al valor de la tensión (V) e inversamente proporcional al valor de su resistencia. Esto se expresa por medio de la fórmula siguiente:

Así pues, el cálculo del valor de la intensidad (I) que circula en cualquier circuito se halla simplemente dividiendo el valor de la tensión (V) entre el valor de la resistencia (Ω). Un ejemplo se ilustra en la figura 6.1. Así, la aplicación de la tensión de un voltio (1 V) en la resistencia de un ohmio (1 Ω) hace que circule la intensidad de un amperio (1 A):

I = 1,2A R = 10 Ω

Figura 6.1. Ejemplo práctico de aplicación de la fórmula fundamental de la ley de Ohm.

I=

V 12 = = 1,2A R 10

12 V

Y de esta fórmula fundamental se deducen otras dos:

Basándonos en la ley de Ohm se pueden deducir por tanto ciertas definiciones: • Un amperio (1 A) es la intensidad de corriente que circula a través de una resistencia de 1 Ω cuando se le aplica la tensión de 1 V (figura 4.2a). • Un ohmio (1 Ω) es el valor de resistencia que tiene un conductor si cuando circula la intensidad de 1 A entre sus extremos aparece una tensión de 1 V (figura 4.2b). • Un voltio (1 V) es la diferencia de potencial (tensión) que aparece entre los terminales de una resistencia de 1Ω cuando por ella circula la intensidad de 1 A (figura 4.2c).

81


Recuerda • • • La intensidad de corriente que circula por un conductor de resistencia R es directamente proporcional al valor de la tensión (V) e inversamente proporcional al valor de su resistencia.

Actividades prácticas Ley de Ohm Una forma simple de experimentar la ley de Ohm es por medio del circuito que se muestra en la figura 6.2. Consiste en ir aumentando la tensión en una resistencia, por medio de una fuente de tensión variable, e ir tomando medida de la intensidad que circula. La representación de los resultados en forma gráfica debe dar lugar a una recta ya que la intensidad varía linealmente en función del valor de la tensión, según la expresión:

Ley de Ohm: I = V/R

Ejemplo de valores que se obtienen:

Y se sigue de esta manera hasta obtener la intensidad máxima, que será cuando la fuente de tensión (VB) se ponga a 10 V:

Los valores obtenidos representados gráficamente dan lugar a una recta con una cierta pendiente (figura 6.2), es una función lineal; la intensidad (IR) aumenta proporcionalmente al valor de la tensión que se le aplica (VR). I A

VB (0 a 10V)

IR =

VR

Figura 6.2. Ejemplo práctico para experimentar la ley de Ohm.

82

VR 100

V

R = 100 Ω (1W)

IR

I

VR


Actividades prácticas Otra forma de experimentar esta ley es mediante el circuito que se muestra en la figura 6.3. En este caso se trata de experimentar cómo la intensidad de corriente varía inversamente proporcional al valor de la resistencia, es decir; al aumentar el valor de resistencia (R) disminuye el valor de intensidad (I), y al disminuir la resistencia aumenta la intensidad.

Intensidad

R1 100 Ω I=

VB R1 + RP VB = 12 V

Figura 6.3. Ejemplo de circuito para experimentar cómo la intensidad (I) varía de manera inversamente proporcional a la resistencia.

RP 1kΩ

Para hacer esta experiencia se parte de una tensión constante. Y es cuestión de tomar medidas del valor total de resistencia (R1 + RP) y del valor de la corriente que circula y comprobar que se cumple:

Ejemplo: Puesto que R1 = 100 Ω, si el valor de la resistencia del potenciómetro se ajusta a 500 Ω, el valor de la intensidad será:

Así pues, variando el potenciómetro entre el valor mínimo (RP(mín.) = 0 Ω) y máximo de resistencia (RP(máx.) = 1 kΩ), se obtendrá:

Es evidente que la intensidad de corriente es menor al aumentar el valor de la resistencia, cumpliéndose siempre:

Actividades desarrolladas Ejercicio 1: Supongamos que la resistencia del filamento de una bombilla (encendida) es de 490 Ω y está conectada a 220 V. ¿Cuál será el valor de intensidad que circulará? Es cuestión de aplicar:

83


Actividades desarrolladas Ejercicio 2: Cuál será la tensión entre los terminales de una resistencia de 150 Ω si se mide una intensidad de 0,2 A? La circulación de 0,2 A a través de la resistencia dará lugar a una tensión (diferencia de potencia entre los terminales) de: Ejercicio 3: ¿Cuál será el valor de la resistencia de una estufa eléctrica conectada a 220 V si se mide una intensidad de 6,8 A? Es cuestión de aplicar:

6.2 Caída de tensión-diferencia de potencial

6.2.1 Caída de tensión Se entiende por caída de tensión en una resistencia, el voltaje que aparece entre sus terminales como consecuencia de la circulación de una corriente (figura 6.4). A esta tensión entre terminales también se denomina diferencia de potencial (d.d.p.). Caída de tensión V

VR = I × R Figura 6.4. Cuando circula intensidad por una resistencia, al voltaje que aparece entre sus terminales se le llama caída de tensión.

R Intensidad (I) Y en base al sentido convencional de la corriente (positivo a negativo), la caída de tensión tiene la polaridad que se indica en la figura 6.4; el terminal por el cual entra la corriente aparece como polo positivo (+), y en el otro terminal como negativo (−). Supongamos, por ejemplo, una bombilla del coche conectada a la batería (12 V). Los cables de conexión suponen siempre una cierta resistencia, aunque sea muy pequeña; pero la tensión que se produzca en dicha resistencia es una caída de tensión, y es perdida porque ya no se dispone de ella en la bombilla. Así, en general, cuanto mayor sea la caída de tensión en la resistencia, menor será la tensión que se dispondrá en la carga (dispositivo receptor).

6.2.2 Ejercicios de ejemplo Ejemplo Ejercicio 1: Supongamos una bombilla de 12 V cuyo filamento (en caliente) tiene 24 Ω, que se conecta a una batería de 12 V a través de una resistencia de 4 Ω (figura 6.5a). ¿Qué tensión recibirá la bombilla?

84


Ejemplo R1 = 4 Ω

a)

VB = 12 V

L

(Rfil. = 24 Ω ) Caída de tensión 1,71V Figura 6.5. Lamparita alimentada con una fuente de 12 V a través de una resistencia. Debido a la caída de tensión que se produce en la resistencia, la lamparita recibe 12 – 1,71 = 10,29 V.

4Ω

b)

I = 0,43A

VB = 12 V

10,29V

La tensión que recibirá la bombilla será igual a los 12 V de la batería menos la caída de tensión que se produzca en la resistencia: Siendo el valor de la caída de tensión en R1, por ley de Ohm: Y la Intensidad que circulará por el circuito, que entregará la batería, será:

Así, en la resistencia (R1) se producirá una caída de tensión de: Por tanto, como consecuencia de esta caída de tensión la bombilla recibirá una tensión de (figura 6.5b): O sea, los 12 V de la batería se han repartido entre la resistencia y la bombilla: Este principio de caída de tensión no sólo aparece en las resistencias como componentes, sino que aparece también en los cables de alimentación de cualquier instalación, ya que todo conductor tiene más o menos resistencia, como se expone en el siguiente ejemplo.

Ejemplo Ejercicio 2: Supongamos que mediante unos cables alimentamos el motor eléctrico de arranque de un coche desde la batería de otro coche (caso que se da cuando la batería está descargada; por medio de unos cables, “pinzas”, ponemos las dos baterías en paralelo). Si la longitud total de los cables da lugar a un efecto resistivo de 0,02 Ω y la corriente en el arranque es de 100 A, en los cables de conexión se producirá una caída de tensión de: con lo cual, al motor de arranque no le llegarán los 12 V de la batería, sino sólo 10 V (figura 4.7):

85


Ejemplo Los 12 V de la batería se reparten entre la caída de tensión de los cables y el motor: La caída de tensión que se produce en los cables es una pérdida de energía, que no recibe el motor, y puede hacer que el arranque sea dificultoso (aunque la batería esté cargada). Además, la energía eléctrica perdida en los cables y las pinzas de conexión se convierte en calor, que se puede notar al tocar las pinzas. (Esto ha sido una de tantas experiencias del autor). Resistencia total de los cables de la instalación: Rcables = 0,02 Ω

M

10V

VB = 12 V I = 100A

Se pierden 2 V en los cables de la instalación: V = 100 × 0,02 = 2 V Figura 6.6. La caída de tensión de los cables de la instalación hacen que el motor sólo reciba 10 V; se pierden 2 V.

En general, en toda instalación eléctrica se produce siempre una mayor o menor caída de tensión en los cables, que debe procurarse que sea mínima.

6.2.3 Diferencia de potencial (d.d.p.) Desde un punto de vista práctico, se entiende por diferencia de potencial a la tensión que se encuentra entre dos puntos de un circuito; se mide por tanto en voltios. Las tensiones, voltaje, siempre se tienen que medir con respecto a un punto de referencia. Cuando dicho punto de referencia se dice masa, esto indica que la tensión se mide con respecto a un potencial eléctrico de 0 V. Por tanto, masa significa potencial eléctrico cero, y es un nivel de referencia. Así, por ejemplo, el decir 20 V sin indicar con respecto a qué punto de potencial se mide no es correcto; es como hablar de una altura de 20 metros sin decir respecto a qué; se tiene que indicar el punto base, la referencia. Por ello, a veces se habla de alturas con respecto al nivel del mar. Pues con los niveles de tensión ocurre lo mismo: se mide siempre entre dos puntos; cuando se habla de un nivel de voltaje se tiene que hacer siempre en referencia o respecto a otro punto.

6.2.4 Ejemplos En una pila de 9 V existe una tensión (9 V), que es la diferencia de potencial entre los dos terminales. También se puede decir que en uno de los terminales existe una tensión de 9 V con respecto al otro terminal. Al circular corriente por una resistencia se produce una caída de tensión; aparece una diferencia de potencial entre sus terminales.

86

Unidad 6 · Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos Entre los terminales de dos pilas de 9 V conectadas como se muestra en la figura 6.7 aparece una diferencia de potencial de 0 V, y no se encenderá la lamparita (I = 0); pero en cada uno de los terminales de la lamparita existe una diferencia de potencial de 9 V con respecto al otro punto de la pila (nivel de referencia, masa). En cambio entre los dos polos positivos (+) de las pilas la diferencia de potencial es cero, ya que los dos tienen el mismo valor de potencial (no existe diferencia): d.d.p. = 0V

Figura 6.7. Ejemplo práctico de una diferencia de potencial (d.d.p.) de 0 V. Aunque la lamparita está conectada a dos pilas de 9 V, no se encenderá porque entre sus terminales la tensión es 0 V, debido a que dichos terminales tienen el mismo potencial respecto al nivel de referencia (masa).

No circula intensidad (I = 0)

V1 = 9V

V2 = 9V

Masa, nivel de referencia (0 V) En cambio, conectando una pila de 4,5 V y otra de 9 V con el mismo montaje (figura 6.8), sí que se obtiene diferencia de potencial y la lamparita se encenderá. Y dicha diferencia de potencial, en este caso, será: Y si la resistencia del filamento (Rfil.) es de 20 Ω, dará lugar a una corriente de:

d.d.p. = 4,5V

Figura 6.8. El mismo montaje anterior (figura 6.7), pero con una de las pilas de 4,5 V. En este caso, al estar a diferente potencial sus terminales, la lamparita se encenderá porque recibe una tensión de 4,5 V.

I = 0,225A

V1 = 9V

V2 = 4,5V

d.d.p. = 18V

Figura 6.9. Conectando las pilas de esta manera, entre los terminales de la lamparita aparece una tensión que es la suma de las tensiones de las pilas. Así es como tienen que quedar conectadas las pilas en los aparatos que se alimentan con varias pilas (radios, calculadoras, relojes, etc.).

(Rfil. = 20 Ω) I = 0,9A

V1 = 9V I=

18 = 0,9A 20

V2 = 9V

87

Unidad 6 · Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos También se obtiene diferencia de potencial si las dos pilas de 9 V del circuito de la figura 6.7 se conectan como se indica en la figura 6.9; en este caso la diferencia de potencia será de 18 V: Mediante la ley de Ohm y los conceptos sobre los principios fundamentales de la electricidad, se pueden analizar y calcular los circuitos eléctrico-electrónicos en su aspecto básico.

6.3 El circuito serie En principio, recordamos que en todo montaje serie: • Por todos los componentes circula el mismo valor de intensidad. • La suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión del generador. • La resistencia total es igual a la suma de todas las resistencias.

6.3.1 Ejercicios de ejemplo Ejercicio 1 Dado el circuito serie de la figura 6.10, primeramente calcularemos el valor de la intensidad de corriente que entregará el generador, y que será el que circulará por las tres resistencias. Seguidamente, comprobaremos cómo la tensión del generador se reparte entre las tres resistencias, y la suma de las caídas de tensión de las tres resistencias es igual a la tensión del generador.

R1 30Ω

R2 20Ω

VG = 10V IT

R3 50Ω

Figura 6.10. Circuito de tres resistencias en montaje serie.

Un principio fundamental que hay que tener siempre en cuenta es: La energía eléctrica que entrega un generador a un circuito se reparte siempre entre todos sus componentes; o sea, la suma de las energías eléctricas de todos los componentes no puede ser ni mayor ni menor que la que entrega la fuente de energía (generador). Precisamente uno de los principios fundamentales de la física, dice: La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma (aunque en toda transformación siempre se produce cierta pérdida…). Cálculo de la intensidad Al ser la resistencia total del circuito:

88

Unidad 6 · Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos el valor de la corriente que entregará el generador será:

Y este será el valor de corriente que circulará por el circuito, por cada una de las resistencias. El valor de la caída de tensión en cada una de las resistencias será, pues:

La suma de las caídas de tensión debe ser igual a la tensión que proporciona el generador; lo cual se verifica rápidamente, pues: Otra forma de expresar esto es: En la figura 6.11 se muestra el circuito con los resultados obtenidos.

IT = 0,1A

VG = 10V

Figura 6.11. Caídas de tensión que se producen en las resistencias, como consecuencia de la circulación de una intensidad de 0,1 A.

R1 30Ω

3V

R2 20Ω

2V

R3 50Ω

5V

Ejercicio 2 En un circuito compuesto por 10 bombillas iguales conectadas en serie a 220 V se mide una intensidad de 250 mA (figura 6.12). Hallar la tensión que reciben las bombillas y la resistencia del filamento.

250mA

L1

L2 220V

Figura 6.12. Circuito de 10 bombillas en montaje serie conectadas a 220 V. La intensidad que circula es 250 mA.

L3

L10

89


Recuerda • • • Caída de tensión en una resistencia, es el voltaje que aparece entre sus terminales como consecuencia de la circulación de una corriente. Diferencia de potencial, es la tensión que se encuentra entre dos puntos de un circuito (por ejemplo, de una resistencia o una pila).

Al tratarse de bombillas iguales, todas recibirán la misma tensión y su suma debe dar 220 V. Por tanto:

Y la resistencia del filamento será, pues: Puesto que 250 mA ⇒ 250 × 0,001 = 0,25 A:

Otro razonamiento para el cálculo es: Conociendo la corriente del circuito, se puede calcular la resistencia total:

Y al ser bombillas iguales, la resistencia de los filamentos es la misma, que se deduce es:

Y también se calcula que la tensión en cada bombilla es:

6.4 El circuito paralelo En primer lugar, recordamos que en los circuitos de tipo paralelo: • Todos los componentes tienen la misma tensión (que corresponde con la tensión del generador). • La corriente que circulará por cada uno de los componentes depende de su valor resistivo (y del valor de la tensión del generador). • La resistencia total es siempre menor que la del componente de más bajo valor (su valor se halla mediante una fórmula).

6.4.1 Ejercicio de ejemplo Partimos de los mismos componentes que los del ejemplo anterior, pero haciendo un circuito paralelo (figura 6.13). Calcularemos la intensidad que circulará por cada una de las resistencias y seguidamente comprobaremos cómo la suma de dichas intensidades es igual a la intensidad que entrega el generador.

IT

VG = 10V Figura 6.13. Circuito de tres resistencias en montaje paralelo.

Intensidades parciales

90

I1

I2

I3

R1 30Ω

R2 20Ω

R3 50Ω


Así, el generador entregará una corriente total de: Y si partimos de que la resistencia total del circuito paralelo viene dada por:

La intensidad total también puede hallarse por la ley de Ohm:

lo cual coincide con la suma de las corrientes parciales. En la figura 6.14 se muestra el circuito con los resultados obtenidos.

IT = 1,03A

R1 30Ω

R2 20Ω

R3 50Ω 10V

VG = 10V I1 = 0,33A Figura 6.14. Circuito con los valores de las intensidades calculadas.

I2 = 0,5A

I3 = 0,2A

6.5 Circuitos serie-paralelo (mixtos) Son circuitos en los cuales aparecen los dos tipos de montajes fundamentales: serie y paralelo. Estas estructuras de circuitos se denominan circuitos mixtos, y aparecen a menudo en la técnica electrónica. Su análisis se basa en descomponerlos en sus circuitos básicos serie y paralelo. En la figura 6.15 se muestra la estructura del circuito mixto más simple; una resistencia en serie con otras dos en paralelo.

Figura 6.15. Circuito mixto elemental (el más simple).

El valor resultante total de resistencia a que da lugar el circuito fácilmente se deduce que es:

Su desarrollo por partes se ilustra en la figura 6.16.

91


RA =

100 × 47 = 32 Ω 100 + 47

RT = 123 Ω

Figura 6.16. Desarrollo por partes para llegar al valor de resistencia total (RT).

Otro ejemplo de circuito mixto, más complicado, desarrollado por partes para hallar el valor de RT, se muestra en la figura 6.17.

RA = R3 + R4 + R5

RB =

Figura 6.17. Desarrollo por partes para llegar al valor de resistencia total.

R2 ⋅ RA R2 + RA

RT = R1 + RB + R6 Cuando se tiene algo de práctica, por simple observación se puede deducir la fórmula del valor de resistencia total que, en este caso, aparece:

92


Ejemplo Dado el circuito que se muestra en la figura 6.18, calcular la tensión y la intensidad en cada resistencia.

Figura 6.18. Circuito mixto que hay que calcular.

En primer lugar se calcula la resistencia total, que se deduce que es:

De aquí se halla la corriente total, que se obtiene por:

Este es el valor de corriente que entregará el generador (VB) y que, como se deduce, circulará también por R1, por el valor resultante de R2 y R3 en paralelo (IR2//R3) y por R4. Así pues: Y conociendo el valor de dichas corrientes se obtiene el valor de la caída de tensión en cada resistencia: Como que R2 y R3 están conectadas en paralelo, su tensión es la misma, cuyo valor se deduce que es:

Otra forma de deducir el valor de VR2//R3 implica que se cumpla: Se deduce, pues, que: Y los valores de las corrientes que circulan por R2 (IR2) y por R3 (IR3) serán las siguientes:

En la figura 6.19 se muestra el circuito con los valores de tensión y corrientes calculadas.

93


Ejemplo

IR 2 = 0,068A VR1 = 9,4 V

91Ω

47Ω

VR1/R 2 = 6,2V

VR 4 = 4,4 V 22Ω

IR 4 = 0,2A

IR1 = 0,2A 47Ω

IR 3 = 0,132A IT = 0,2A Figura 6.19. Circuito anterior (figura 6.18) con los valores de tensión y corrientes.

VB = 20V

6.6 Leyes Kirchhoff Existen varios métodos sobre análisis y cálculo de circuitos: Kirchhoff, Maxwell, Thévenin, Norton, Millman, etc., entre los cuales destacamos, por considerar fundamentales, los de Kirchhoff y Thévenin. Por medio de estos métodos se pueden calcular circuitos más o menos complejos, cuyo análisis no resulta posible aplicando únicamente los principios de la ley de Ohm.

6.6.1 Principios básicos En todos los circuitos eléctrico-electrónicos aparecen a menudo los términos: Nudo: Se entiende por nudo en un circuito a un punto de unión donde concurren varias corrientes; normalmente, es la unión de más de dos conductores. Por ejemplo en el circuito de la figura 6.20, son nudos los puntos 1 y 2, ya que en cada uno de ellos concurren tres corrientes (y es la unión de tres conductores).

Figura 6.20.

Rama: Se entiende por rama el conjunto de componentes que se encuentran entre dos nudos consecutivos. Siguiendo con el circuito de ejemplo anterior (fig. 6.21), los componentes que se encuentran entre los puntos a y b (R1 y el generador E1) constituyen una rama, los componentes entre los puntos a y c (E2 y R2) son otra rama y la resistencia R3 (puntos a y d) forman otra rama. Así, cada rama constituye una ramificación de la corriente (en el circuito aparecen tres ramas y tres corrientes diferentes).

94


Figura 6.21. Circuito donde aparecen dos mallas (adba y acda) y tres ramas

Malla: Es el conjunto de ramas que forman un circuito cerrado. En el circuito anterior (figura 6.21), aparecen 2 mallas. Malla 1: Se forma por dos ramas; la rama ab (E1 y R1) y por la rama ad (R3), y la malla se indica por los puntos con las letras abda (un circuito cerrado). Malla 2: Se indica por los puntos adca, formada por otras dos ramas (componentes E2, R3 y R2).

6.6.2 Ley de los nudos La suma de las corrientes que entran en un nudo es igual a la suma de las corrientes que salen. Esto se puede expresar matemáticamente de la siguiente manera:

El signo Σ (sumatorio) representa la suma de un grupo de valores. Y esto es equivalente a decir que la suma algebraica de las corrientes que concurren en un nudo es igual a cero. Matemáticamente: El término algebraico significa que se tienen que tener en cuenta unos signos (+, −) en las magnitudes; por lo general, se establece el signo + para las corrientes que entran y el signo − para las que salen. Por ejemplo, en el nudo que se representa a continuación (fig. 6.22):

I2 I1 Figura 6.22. Circuito anterior (figura 4.20) con los valores de tensión y corrientes.

I3

I4 Si se toman con signo positivo (+) las corrientes que entran al nudo y con signo negativo (−) las corrientes que salen del nudo, en base a las expresiones anteriores se puede poner:

Y en el circuito de ejemplo (figura 6.23), se tiene:

95


Figura 6.23. Concurrencia de intensidades en los puntos 1 y 2.

6.6.3 Ley de las mallas En toda malla, la suma algebraica de las tensiones de todos los generadores (f.e.m.) y de todas las caídas de tensión (I · R) en las resistencias es cero:

El término algebraico indica que se deben tener en cuenta signos (+, −), polaridades, en las magnitudes de las tensiones de los generadores (f.e.m.) y de las caídas de tensión (I · R). Y como la suma de todo debe dar cero, se deduce que uno de los sumandos debe aparecer con signo contrario con respecto al otro. En base a lo anterior, la ley de las mallas también se puede expresar de otra manera más práctica: En una malla, la suma de las tensiones de todos los generadores (teniendo en cuenta las polaridades) es igual a la suma de todas las caídas de tensión en las resistencias:

Para obtener las ecuaciones de malla es obvio que se deben tener en cuenta signos, polaridades, en los generadores y caídas de tensión de las resistencias. En las caídas de tensión de las resistencias (I · R), el punto por el cual entra la corriente en la resistencia se toma como polo positivo (figura 6.24a). Aunque es evidente, recordamos que en la conexión serie de elementos con voltaje se puede obtener una suma o una resta, según como se encuentren las polaridades (figura 6.24b).

VR = R × I R I

ET = E1 − E2 + E3 Figura 6.24. a) Polaridad de la caída de tensión en una resistencia. b) En el montaje serie de elementos con tensión, se pueden producir sumas y restas de tensión (según cómo se conecten).

96

Unidad 6 · Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos Por ejemplo, en el circuito de la figura 6.25 aparecen las polaridades y términos algebraicos representados. Teniendo en cuenta estas polaridades, la suma de todas las tensiones de la malla, como debe ser, da cero:

VR1 = R1I 10V

+ E2

R1 20Ω

E2 3V

- E3 I = 0,5A

E3 3V

E1 12V + E1

4Ω R2 2V

Figura 6.25. Circuito con valores prácticos y sus expresiones algebraicas.

VR 2 = R2 I O bien, se deduce que la suma de las tensiones de todos los generadores (E) es igual a la suma de todas las caídas de tensión (I · R):

6.6.4 Circuitos de ejemplo En el circuito de la figura 6.26, en base a que la suma algebraica de todas las tensiones de los generadores (f.e.m.) es igual a la suma de todas las caídas de tensión en el circuito, aparece: cuyo resultado es evidente, por lógica.

IT = 0,1A

E = 10V

Figura 6.26. Circuito práctico en el cual se puede comprobar de forma sencilla la ley de las mallas de Kirchhoff: la suma de todas las caídas de tensión es igual a la tensión del generador (E).

R1 30Ω

3V

R2 20Ω

2V

R3 50Ω

5V

97

Unidad 6 · Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos Y si nos basamos en que la suma algebraica de todas las f.e.m. y caídas de tensión es igual a cero, se llega al mismo resultado: Por simple observación de las polaridades de todos los elementos del circuito [generador (E) y VR], se deduce que la suma algebraica de todas las tensiones del circuito (f.e.m. y caídas de tensión) da cero, o bien, la suma de todas las caídas de tensión de las resistencias (VR) es igual a la tensión del generador de f.e.m. (E). Un ejemplo práctico con el cual queda claramente manifiesto la ley de los nudos, es mediante el circuito paralelo que se muestra en la figura 6.27. Como es fácil de comprender, en el nudo 1 se cumple que: Y en el nudo 2:

IT = 1,03A I3 = 0,2A

I1 = 0,33A 1

R1 30Ω

E = 10V

I2 = 0,5A

R2 20Ω

Figura 6.27. Circuito práctico en el cual se comprueba la ley de los nudos de Kirchhoff: la suma de las intensidades que entran en un nudo es igual a la suma de las intensidades que salen.

R3 50Ω

2

I1

I3 IT

6.7 Teorema de Thévenin La técnica de análisis de circuitos que se explica en este apartado (Thévenin) es de suma importancia tanto en electricidad como en electrónica. Tiene como especial característica que se puede aplicar tanto a nivel teórico como práctico; o sea, el teorema de Thévenin se puede aplicar también experimentalmente, mediante medidas de tensión (V) y resistencia (Ω) en el circuito. El teorema de Thévenin se puede expresar diciendo: Figura 6.28. Ilustración sobre el teorema de Thévenin. El conjunto de fuentes de tensión y de resistencias del circuito complejo dan lugar a una sola fuente de tensión y una sola resistencia.

El conjunto de componentes entre dos puntos de un circuito, en el cual pueden encontrarse diversos generadores y resistencias, tiene por equivalente a un circuito que se compone simplemente por un solo generador con una resistencia en serie (figura 6.28).

IL

IL Circuito complejo

RTH RL

98

G

VTH

RL

Unidad 6 · Circuitos resistivos básicos: Introducción al cálculo de circuitos Así, por medio de este principio fundamental es posible simplificar circuitos más o menos complejos y poder hacer así su análisis de una forma sencilla.

6.7.1 Ejemplo de aplicación Un ejemplo de aplicación de Thévenin se muestra en la figura 6.29. Se trata de un circuito muy utilizado en electrónica, denominado puente de Wheastone. El cálculo de la corriente que circula por la resistencia de carga (RL) se halla fácilmente partiendo del equivalente Thévenin, sin más que aplicar la ley de Ohm:

Para llegar al circuito equivalente de Thévenin, como es obvio, deben hallarse los valores de VTH y RTH, lo cual requiere realizar ciertas operaciones; es “thevenizar” el circuito. Circuito complejo

Equivalente Thévenin

IRL = 3mA R1 1KΩ E 12V

R3 330Ω

A

RTH 555Ω

IRL A

R2 470Ω

R4 820Ω

RL 1KΩ

VTH 4,72V

RL 1KΩ B

B Figura 6.29. Ejemplo de circuito práctico con su equivalente Thévenin.

Voltaje Thévenin (VTH): La tensión Thévenin (VTH) es la tensión que aparecería entre los terminales de salida del circuito complejo considerando la carga (RL) desconectada; esto se puede llamar tensión en vacío. Este valor se puede obtener teóricamente, por cálculo, o simplemente, si se trata de un montaje práctico, midiendo la tensión de salida con el voltímetro (habiendo antes desconectado la resistencia de carga, RL). En el circuito de la figura 6.29, el valor de VTH se obtendría calculando la tensión entre los terminales A y B de la salida (considerando desconectada la carga RL) o bien, simplemente, midiendo con un voltímetro la tensión entre dichos terminales (lo cual daría 4,72 V). Resistencia Thévenin (RTH): Es el valor de resistencia que aparece entre los terminales de salida del circuito complejo, considerando la resistencia de carga RL desconectada y la tensión del generador (o generadores) igual a cero (E = 0 V). El valor de RTH se puede hallar teóricamente, por cálculo del valor total de resistencia, o bien experimentalmente por medio de un óhmetro; se supone el generador con tensión igual a cero (E = 0 V), que es equivalente a considerar que está cortocircuitado, y se mide la resistencia entre los terminales de salida (en el caso del circuito de la figura 6.29, se obtendrían 555 Ω).

Actividades desarrolladas Dado el circuito representado en la figura 6.30 (divisor de tensión), calcular la intensidad que circulará por la resistencia de carga (IL), y la tensión de salida (VL) para RL = 820 y RL = 1K2. Se trata de un circuito que se conoce por divisor de tensión, muy utilizado en electrónica para obtener determinadas tensiones de salida que son una fracción de una tensión de entrada.

99



R1 100Ω VB 20V

IL

R2 100Ω

Figura 6.30. Circuito anterior (figura 6.29) con los valores de tensión y corrientes.

VL

RL

Para obtener el circuito de Thévenin equivalente, se tiene que hallar el valor de VTH y de RTH, lo cual se representa en la figura 6.31. Considerando la resistencia de carga (RL) desconectada (figura 6.31a), se deduce que VTH = 10 V:

En un circuito divisor de tensión como este, cuando las dos resistencias son del mismo valor, siempre aparece una tensión de salida que es la mitad de la tensión del generador; la tensión del generador se divide entre las dos resistencias a partes iguales. Y el valor de RTH, considerando la tensión del generador igual a cero (VB = 0 V) (figura 6.31b) se obtiene:

I = 0,1A

R1 100Ω VB 20V Figura 6.31. a) Tensión Thévenin. b) Resistencia Thévenin.

R1 100Ω

IL = 0

R2 100Ω

10V VTH

a)

R2 100Ω

50Ω RTH

b)

Como es obvio, dos resistencias en paralelo del mismo valor siempre dan un valor resultante que es la mitad del valor de una ellas. Así pues, el circuito equivalente de Thévenin que se obtiene es el que se muestra en la figura 6.32. Las corrientes y tensiones de salida son: Intensidad de salida para RL = 820 Ω:

Lo cual da una tensión de salida: VL = RL IL = 820 × 0,0115 = 9,425 V

100


Actividades desarrolladas Intensidad de salida para RL = 1K2:

Siendo la tensión de salida: VL = RL IL = 1200 × 0,008 = 9,6 V

R1 100Ω VB 20V

RTH 50Ω

IL

R2 100Ω

IL

VTH 10V

RL

RL

Figura 6.32. Circuito divisor de tensión con su equivalente Thévenin.

Actividades finales Ejercicio1. En base a la Ley de Ohm, dar una definición de la unidad de intensidad eléctrica amperio. Ejercicio 2. a) ¿Qué valor de intensidad circulará por una resistencia de 10 Ω conectada a una batería de 12 V? b) ¿Calcular la tensión que habrá entre los terminales de una resistencia de 5 Ω si la intensidad que circula es de 2 A? c) ¿Cuál será el valor de una resistencia por la cual circula una corriente de 100 mA y está conectada a una batería de 6 V? Ejercicio 3. Definir el concepto de caída de tensión en una resistencia. Ejercicio 4. Dar una explicación práctica sobre el concepto de diferencia de potencial (d.d.p.). Ejercicio 5. Calcular el valor de la tensión y corriente en las resistencias de los circuitos siguientes: R = 3Ω

VB1 6V

VB2 6V

a)

2Ω

3Ω

R1

R2

VB1 12V

VB2 6V

b)

Ejercicio 6. Calcular el valor de la resistencia que se debe poner en serie con una lamparita de 6 V para que se encienda normalmente mediante una batería de 12 V. Se sabe que el consumo de la lamparita es de 300 mA.

101


Actividades finales Ejercicio 7. Calcular el valor de la tensión y corriente en cada una de las resistencias del circuito siguiente:

R1 60Ω

R2 40Ω

VB = 20V

R3 100Ω

Ejercicio 8. Calcular la corriente total que entregará la fuente de tensión, VB, en el circuito siguiente:

R1 4Ω

VB = 10V

R2 2Ω

R3 5Ω

Ejercicio 9. Calcular la tensión y la corriente por cada una de las resistencias del circuito siguiente: 2Ω

4Ω

6Ω

R1

R2

R3

VB1 12V

VB2 12V

Ejercicio 10. Calcular el valor de la tensión en la resistencia R2 del circuito siguiente:

R2 R1

9,1Ω

R4

4,7Ω

R3

2,2Ω

R5

4,7Ω

12Ω

10Ω

VB = 10V

102

R6

Unidad 7

Condensadores

Objetivos: El condensador es un componente, al igual que las resistencias, imprescindible en prácticamente todos los circuitos electrónicos. Por ello, se debe saber la función básica que realiza dicho componente, así como sus aplicaciones que permite realizar. Por ello, se deben conocer los distintos tipos de condensadores y sus características prácticas básicas, así como sus aplicaciones características como elemento básico de temporizaciones (retardos) y sus montajes básicos.


Función que realiza el condensador. Carga del condensador. Descarga del condensador.

7.4

Constitución física del condensador.

7.5 7.6

Constante de tiempo (en la descarga). Constante de tiempo (en la carga).

7.7 7.8 7.9

Características prácticas de los condensadores. Tipos de condensadores. Montaje de condensadores en paralelo.

7.10 Montaje de condensadores en serie. 7.11 Aplicaciones prácticas del condensador.

Unidad 7 · Condensadores

Recuerda • • • Leyes de Kirchhoff: - La suma de las corrientes que entran en un nudo es igual a la suma de las corrientes que salen. - En una malla, la suma de las tensiones de todos los generadores es igual a la suma de todas las caídas de tensión en las resistencias. Teorema de Thévenin: El conjunto de componentes entre dos puntos de un circuito, tiene por equivalente a un circuito que se basa en un generador con una resistencia en serie.

Figura 7.1. Simbología típica de los condensadores. a) Condensador en general. b) Condensador del tipo electrolítico (tiene polaridad).

7.1 Función que realiza el condensador Los condensadores, al igual que las resistencias, son componentes básicos normalmente utilizados en electricidad y electrónica. En todos los aparatos de electrónica (y muchos eléctricos) se encuentran condensadores. Tanto las resistencias como los condensadores son componentes básicos imprescindibles, por lo cual se encuentran en todos los aparatos eléctrico-electrónicos. Básicamente, la función que realiza el condensador es almacenar carga eléctrica (culombios). Se comporta como una especie de “almacén de electricidad”, cuyo símil hidráulico puede ser un depósito de agua, o un simple vaso; el agua almacenada sería el equivalente a los culombios almacenados en el condensador. Se recuerda que un culombio es la unidad de carga eléctrica, y equivale a una gran cantidad de electrones:

Cuando al condensador se le aplica una tensión eléctrica, en base a un efecto de campo eléctrico que se produce en su interior, éste adquiere cierta magnitud de carga eléctrica (digamos, se llena de culombios); esto da lugar a que entre sus terminales aparezca una diferencia de potencial (V). Así, cuando el condensador se encuentra cargado se comporta en cierto modo como una pila; si se le conectará un LED podría dar lugar a un impulso de luz (si el condensador y su carga es la adecuada). Pero hay que tener muy en cuenta que la carga del condensador va disminuyendo conforme va cediendo corriente, y su descarga puede ser muy rápida. Los condensadores no son generadores de electricidad; sólo la almacenan. La simbología típica del condensador se representa en la figura 7.1.

a)

b)

Su aspecto práctico, según tipos, se muestra en la figura 7.2. En los condensadores nos podemos encontrar con diferentes tipos de aspecto según sean sus características. En general, son de mayor tamaño en función de la tensión que pueden soportar (y también de la capacidad que tengan).

Figura 7.2. Aspecto práctico de condensadores comerciales (típicos en electrónica).

7.1.1 Ejemplos de aplicación del condensador En circuitos de corriente continua, se puede aprovechar la cualidad de los tiempos que requiere para cargarse y descargarse el condensador, tiempos que pueden ser de milisegundos y hasta horas. Esto permite realizar temporizadores; circuitos de activación-desactivación de dispositivos (LED, bombillas, motores, etc.) con cierto tiempo de retardo. 104


Recuerda • • • La función que realiza el condensador es almacenar carga eléctrica (culombios). 1 Culombio = 6,23 x 1018 e Mientras está cargado, aparece una tensión entre sus terminales, que va disminuyendo en función de la corriente de salida (descarga).

Por ejemplo: Unas luces que se puedan encender al activar un pulsador y que permanezcan 5 minutos encendidas, y después se apaguen automáticamente. O también, una sirena de alarma que suene sólo durante 3 minutos después de activarse el sensor. En circuitos de corriente alterna, el condensador se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la frecuencia de la corriente alterna y de la capacidad del condensador; a este tipo de resistencia se denomina reactancia. Y también da lugar a un efecto de desfase entre la intensidad y el voltaje, lo cual permite aplicaciones de corrección de los desfases que producen aparatos o componentes basados en bobinas (especialmente motores). Esta aplicación se conoce por corrección de potencia reactiva, y es algo muy importante sobre todo en la industria. A nivel doméstico, esta aplicación se puede encontrar en los circuitos de encendido con fluorescentes. Otra aplicación muy importante en electricidad es para eliminar chispas que se producen en los contactos de interruptores que controlan ciertas cargas (en especial, si hay componentes bobinados). En electrónica, el condensador se puede encontrar tanto en circuitos de corriente continua como en circuitos alterna; sus aplicaciones son muy numerosas y diversas. Donde tiene una aplicación muy destacada es en los circuitos de alimentación, en la conversión de corriente alterna a corriente continua (rectificadores); en esta aplicación se comportan cargándose y descargándose con una cierta periodicidad, de manera que permiten obtener una tensión continua aproximadamente constante, partiendo de una tensión continua pulsatoria. Esta aplicación se llama filtrado, y es la más representativa de la función del condensador.

7.2 Carga del condensador Por medio del sencillo montaje siguiente (fig. 7.3) se puede comprobar el efecto de almacenaje de carga eléctrica del condensador.

Condensador cargado

4,5V

Figura 7.3. Al aplicarle una tensión al condensador, éste queda cargado; al desconectarlo, entre sus terminales se encuentra una tensión aproximadamente igual a la fuente de tensión.

VC = 4,5V

Al cerrar el interruptor, la fuente de tensión continua (la pila, en este caso), por medio de una transferencia de electrones, hace que cada una de las placas del condensador adquiera la polaridad del polo de la fuente de tensión a la que está conectado; circula una cierta corriente mientras se carga el condensador. Al abrir el interruptor, debido a su característica de retener (almacenar) cargas, el condensador presenta entre sus terminales un voltaje prácticamente igual al de la fuente de tensión. Cuando el condensador está totalmente cargado no hay circulación de corriente por el circuito, por que el condensador tiene la misma magnitud de tensión que la fuente; no existe diferencia de potencial entre ambos. En el circuito sólo existe circulación de corriente durante el tiempo de carga del condensador.

105


Actividades prácticas Carga del condensador Por medio del circuito siguiente (fig. 7.4), realizado con el programa simulador Multisim, se puede experimentar cómo el condensador se carga y mantiene su carga aunque se desconecte de la fuente de tensión. Aunque esto se puede simular mediante el programa Multisim, es aconsejable que estas primeras experiencias prácticas se realicen con componentes reales; en este montaje, con una fuente de alimentación, un condensador de 100 μF y el polímetro es suficiente. J1 Key = Space

100 μF

12 V Figura 7.4. Circuito práctico para experimentar la carga del condensador.

Al cerrar interruptor, la tensión de la fuente (pila, batería, fuente de alimentación, etc.) se aplica al condensador (fig. 7.5); y al abrir el interruptor se tiene que medir en los terminales del condensador una tensión aproximadamente igual a la aplicada en la carga (fig. 7.6). Key = Space

100 μF

12 V Figura 7.5. Al cerrar el interruptor se aplica la tensión de la fuente y el condensador se carga

Condensador cargado J1 Key = Space

Figura 7.6. El condensador mantiene una tensión aproximadamente igual a la aplicada.

100 μF

12 V

7.3 Descarga del condensador Cuando el condensador se encuentra cargado mantiene su carga durante un cierto tiempo. Cuando se le conecte algún componente receptor, como puede ser una bombillita, un diodo emisor de luz (LED) o una simple resistencia, iniciará su proceso

106

Unidad 7 · Condensadores de descarga; que durará en función de la capacidad del condensador y de la cantidad de corriente que absorba el elemento receptor. Por medio de un circuito como el de la figura 7.7 se puede comprobar el efecto de descarga del condensador. Condensador cargado Figura 7.7. Cuando el condensador está cargado, al conectarle algún elemento de consumo de corriente éste se descarga, dando lugar a una corriente y una tensión (durante el tiempo que dure la descarga).

Corriente de descarga

VC = 12V

RL

V

Partiendo del condensador cargado, al cerrar el interruptor, su carga eléctrica almacenada hace que circule una cierta corriente de salida a través de la resistencia RL, que dará lugar a su vez a una tensión: Conforme el condensador va cediendo corriente (descargándose), su carga almacenada se va haciendo menor hasta quedar prácticamente descargado. Por ello, sólo existe corriente de salida durante el tiempo que dura la descarga. Si en vez de utilizar una simple resistencia se pone un LED se puede llegar a observar un impulso de luz (cuya duración dependerá de la capacidad del condensador). Como es evidente, cuanto mayor sea la capacidad del condensador más cantidad de carga eléctrica puede almacenar y más tiempo tardará en descargarse. En resumen, cuanto mayor sea la capacidad del condensador y mayor sea la resistencia por la cual se descarga, mayor será el tiempo que tardará en descargarse. Y sólo puede existir circulación de corriente por el circuito durante los tiempos de carga y descarga del condensador.

7.4 Constitución física del condensador Básicamente, el condensador se constituye por dos electrodos internos denominados placas (o armaduras) separadas por un aislante que se denomina dieléctrico (fig. 7.8); de ahí aparece la simbología general del condensador (dos placas separadas). La característica que tiene de almacenar electricidad se basa en las propiedades que tienen los cuerpos de adquirir carga eléctrica por efecto de campo eléctrico. Como se sabe, cuando un cuerpo, por alguna razón, recibe electrones éste adquiere carga eléctrica negativa. Y si lo que hace es ceder electrones, entonces adquiere carga eléctrica positiva.

Figura 7.8. Constitución física del condensador (se basa en dos elementos metálicos separados por un aislante).

Placas

Dieléctrico (Aislante)

Pues al aplicar entre sus placas la diferencia de potencial (voltaje) de un generador, debido a efectos de campo eléctrico, cada placa se carga con la polaridad del terminal de la fuente a la cual queda conectada (fig. 7.9).

107


Condensador cargado Figura 7.9. Al aplicar una tensión eléctrica a las placas del condensador, por un efecto de campo eléctrico interno, las placas quedan cargadas con la polaridad de la fuente de tensión.

VC = 9 V

9V

El generador suministra un flujo de electrones que da lugar a una cierta corriente de carga; así, de lo que realmente se carga el condensador es de unidades de carga eléctrica, culombios. Y como consecuencia de dicha carga eléctrica aparece una diferencia de potencial entre sus terminales, voltaje. Dependiendo de las características constructivas del condensador éste puede tener más o menos capacidad de adquirir carga eléctrica.

7.4.1 Capacidad del condensador Se denomina capacidad del condensador, a la relación entre la carga almacenada (Q) y la diferencia de potencial a que da lugar (V):

Así, cuanto mayor sea la capacidad de un condensador mayor cantidad de carga eléctrica podrá almacenar. La unidad de capacidad se denomina faradio (F): La capacidad de un condensador es de 1 faradio si almacena 1 culombio y da lugar a una diferencia de potencial de 1 voltio:

La capacidad de los condensadores se expresa normalmente por medio de las siguientes unidades submúltiplos del faradio (F): Milifaradio (mF)

→ 1 mF = 10-3 F

Microfaradio (μF)

→ 1 μF = 10-6 F

Nanofaradio (nF)

→ 1 nF = 10-9 F

Picofaradio (pF)

→ 1 pF = 10-12 F

Y se deduce que: 1 mF = 1000 μF 1 μF = 1000 nF 1 nF = 1000 pF Así, por ejemplo, una capacidad de 0,1 μF se puede expresar por 100 nF ó 100.000 pF. Ejemplo de expresiones de valores normalizados: 2200 μF, 100 μF, 220 nF, 47 nF, 33 nF, 1000 pF, 470 pF, 22 pF, etc. El factor K = 1000 también es utilizado en la expresión de capacidad del condensador; 1 K = 1000 pF = 1nF. Un ejemplo de expresiones es: 1K = 1nF, 22 K = 22 nF, 100 K = 100 nF, etc.

108


Ejemplo ¿Cuál será la carga almacenada por un condensador de 2200 μF si lo conectamos a una fuente de tensión de 12 V? Pues la carga almacenada será:

Y dicha carga dará lugar a una tensión entre sus terminales de (casi) 12 V.

Medida de capacidad con el tester

Condensador

Mediante el tester se puede conocer la capacidad de condensadores (dentro de una cierta gama de capacidades). La mayoría de testers disponen de unas entradas específicas para ello. Aunque la capacidad del condensador viene especificada en el cuerpo, a veces cuesta de ver o interpretar; por ello, muchas veces se acude al tester o a un instrumento capacímetro para saber el valor de la capacidad; en la figura 7.10 se muestra la medida del valor de un condensador de esta manera.

Figura 7.10. Medida del valor de un condensador con el tester.

7.5 Constante de tiempo (en la descarga) En un condensador cargado, al conectarle un dispositivo receptor, una resistencia en el caso más simple, éste inicia su proceso de descarga (fig. 7.11). Condensador cargado

Figura 7.11. Al conectar una resistencia a un condensador cargado, éste inicia su descarga (cuyo tiempo dependerá de los valores de C y R).

VC = 10 V

C

RL

V

Al cabo del tiempo determinado por la expresión:

la tensión del condensador desciende un 63,2 % de la carga que tenga. A esto se le denomina constante de tiempo, que nos viene a decir el tiempo que tarda el condensador en descargarse un 63,2 %, con lo cual se queda con el 36,8 % del valor máximo que tenía cargado.

109

Unidad 7 · Condensadores Esto se puede expresar así:

El condensador se puede considerar prácticamente descargado al cabo de 5 constantes de tiempo, o sea:

Actividades desarrolladas Si en el circuito anterior (figura 7.11) el condensador se encuentra cargado con 10 V y los valores del condensador y la resistencia son: C = 100 μF R = 10 kΩ El valor de la constante de tiempo será: Esto nos dice que, si la tensión en el condensador es de 10 V, al cabo de 1 segundo de conectarle la resistencia la tensión habrá bajado a 3,68 V; se habrá descargado un 63,2 % (su tensión queda en un 36,8 % del máximo que tenia). O sea, se cumple lo que se puede representar por: Y al cabo de 5 segundos el condensador estará ya prácticamente descargado:

7.5.1 Curvas de descarga del condensador La descarga del condensador se produce según una curva exponencial muy típica. Según los valores del circuito del ejemplo anterior, la curva de descarga de la tensión que es como se representa en la figura 7.12.

VC

VC (máx .) Disminuye un 63,2 %

τ = RC ⇒ VC ≅ 0,368 VC (máx .)

0,368 VC

Figura 7.12. La descarga del condensador se produce según una curva típica (exponencial).

τ

t

En dicha curva se representa cómo al cabo de una constante de tiempo, la tensión del condensador ha descendido al 36,8 % del valor de la tensión inicial. Tanto la tensión como la corriente disminuyen de la misma manera, exponencialmente, según se representa en la figura 7.13. Descarga Condensador cargado

110

C

RL


VC Descarga de tensión

t

IC Descarga de corriente Figura 7.13. Curvas típicas de descarga de la tensión y la corriente del condensador.

t Esto es así porque, por análisis matemático, se sabe que la tensión en el condensador cuando se descarga se basa en la siguiente ecuación que da lugar a una curva del tipo exponencial:

Siendo: VC(0) = Tensión que tiene el condensador t = Tiempo de descarga RL = Resistencia por la cual se descarga C = Capacidad del condensador e = 2,718 (base de los logaritmos neperianos)

Ejemplo Con los valores de C = 100 μF y RL = 10 kΩ, si el condensador está cargado con 10 V, al cabo de 1 segundo de conectarle la resistencia su tensión sería:

Lo cual coincide con el concepto de constante de tiempo:

Y como la descarga de la corriente del condensador también se basa en el mismo tipo de ecuación, que da lugar a una curva exponencial, la curva de descarga de corriente es igual que la de descarga de tensión:

Siendo IC(máx.) el valor de corriente máxima que se produce en el instante inicial de conectarle la resistencia (RL), que es:

111


Ejemplo Si la tensión en el condensador es de 10 V y la resistencia es de 10 kΩ, la corriente máxima, que se producirá en el instante inicial de conectarle la resistencia, será:

Así, los condensadores una vez cargados de electricidad se pueden descargar sobre cierto elemento receptor. Y una vez consumida su carga, el condensador queda descargado y puede volver a cargarse; es un elemento que puede almacenar electricidad.

7.5.2 Curva de carga del condensador En cuanto al proceso de carga del condensador, también existe el concepto de constante de tiempo y existen unas ecuaciones típicas, dando lugar a unas curvas típicas de carga de tensión y de corriente. La curva de carga de la tensión en el condensador se produce también de forma exponencial; conforme va pasando el tiempo el condensador se carga más despacio. El tiempo de carga depende de la capacidad del condensador y del valor de la resistencia a través de la cual recibe la corriente de carga.

7.6 Constante de tiempo en la carga Es el tiempo que tarda el condensador en llegar al 63,2 % del máximo (la tensión máxima a que prácticamente puede llegar es la de la fuente de tensión VB que se le aplique). Viene dado por: Y se puede expresar también: El condensador se considera prácticamente cargado al cabo de 5 constantes de tiempo, lo cual se puede expresar por: En el gráfico de la figura 7.14 se representa este proceso. Constante de empo:

VC

τ = RC ⇒ VC ≅ 0,63V

VB

0,63VB

Figura 7.14. Curva típica (exponencial) de carga del condensador, con sus valores más representativos.

112

0

τ

t


Ejemplo En el circuito de la figura 7.15, al cerrar el interruptor el condensador comenzará a cargarse. La constante de tiempo es: Esto quiere decir que al cabo de 10 segundos de cerrar el interruptor la tensión del condensador será el 63,2 % de 10 V; o sea, VC ≅ 0,63 VB = 6,3 V. Y el condensador estará prácticamente totalmente cargado al cabo de:

R = 100kΩ

10 V

C = 100 μF

Figura 7.15. Circuito de carga de un condensador.

Actividades prácticas Carga-descarga del condensador Mediante el siguiente circuito (fig. 7.16), realizado mediante el programa Multisim, pero que puede realizarse con componentes reales (y es lo aconsejable en un principio) puede experimentarse la carga y descarga del condensador. Descarga

Carga Key = A

Key = B Condensador

100 μF

12 V

R1 33k Ω

Figura 7.16. Circuito para experimentar el retardo de la descarga del condensador.

Procedimiento: • Se parte del condensador descargado, los dos interruptores (A y B) están abiertos. • Se cierra el interruptor A, con lo cual el condensador se cargará. El voltímetro (tester en DCV) debe marcar aproximadamente la tensión de la fuente (12 V). • Al abrir el interruptor A, se debe observar que la tensión en el condensador es casi la misma (se supone que el interruptor B sigue abierto).

113


Actividades prácticas • Al cerrar el interruptor B el condensador se puede descargar a través de la resistencia R1. Se debe observar que la tensión va disminuyendo, conforme se va descargando el condensador. Como se sabe, el condensador, una vez cargado, tiende a descargarse; y lo hará más rápido cuanto más bajo sea el valor de la resistencia por la cual se descarga y menor sea la capacidad del condensador. Con los valores del circuito, la constante de tiempo es: El condensador se encontrará prácticamente totalmente descargado al cabo de:

También podríamos experimentar partiendo de un circuito como el representado en la figura 7.17.

Carga

-

+

Key = A R1 2,7k Ω Figura 7.17. Circuito para experimentar la descarga del condensador mediante el encendido de un LED. Al cerrar el interruptor, se encenderá el LED; y al abrir el interruptor, el LED seguirá encendido un pequeño tiempo, apagándose lentamente.

12 V

Condensador

1000 μF 16 V

+

A K LED

A

K

Partiendo del condensador descargado (LED apagado), al pulsar el interruptor se encenderá el LED y se cargará el condensador (VC = 12 V). Y al abrir el interruptor, como el condensador estará cargado, el LED permanecerá encendido durante un pequeño tiempo, hasta que el condensador se descargue. Como es obvio, cuanto mayor sea la capacidad del condensador, mas cantidad de carga podrá almacenar y más tiempo tardará en descargarse. Esto lo podemos experimentar fácilmente; basta sustituir el condensador (de 1000 μF) por otro de 470 μF, que es aproximadamente la mitad de la capacidad. Se podrá observar cómo el impulso de encendido del LED dura menos tiempo (fig. 7.18). Aunque un condensador cargado presenta entre sus terminales una cierta tensión, como si fuera una pila, existe una gran diferencia entre un condensador cargado y una pila (o acumulador); en el condensador no existe en su interior un proceso de generación de f.e.m. y su energía se extingue más o menos rápidamente en el momento de sacarle corriente. En cambio en un generador, al existir un proceso interno de generación de energía (f.e.m.) se le puede estar sacando continuamente una cierta magnitud de corriente sin que su voltaje apenas varíe (hasta que empiece a agotarse).

114


Actividades prácticas A nivel comparativo, la diferencia entre un condensador y un generador es análoga a la diferencia que hay entre un vaso y una fuente de agua, respectivamente. Carga Key = A R1 2,7k Ω

12 V

Condensador

470 μF 16 V

LED

Figura 7.18. Con un condensador de 470 μF el tiempo de descarga del condensador es menor que con el condensador de 1000 μF.

7.7 Características prácticas de los condensadores

En los condensadores, aparecen como características de mayor importancia práctica: • La capacidad • La tensión

7.7.1 Capacidad Esta característica es la más representativa, y da cuenta de la cantidad de carga eléctrica que puede almacenar; es su capacidad de almacenamiento.

7.7.2 Tensión Indica la tensión máxima nominal que puede soportar de una forma continua. Por tanto, en cualquier aplicación que se utilice se debe tener la precaución de que no se sobrepase dicha tensión. Este valor de tensión aparece indicado en el condensador. Hay que tener en cuenta que cuando se sobrepasa la tensión máxima indicada en el condensador, éste puede explotar; aunque no suele ser peligroso, sí puede ser espectacular. Aunque en condensadores utilizados en la industria electrotécnica, si puede revestir alguna peligrosidad la explosión de según qué condensadores. La capacidad y tensión son los características básicas de los condensadores. Ejemplo de expresiones del valor de condensadores: 2200 μF 35V, 100 nF 400V, 47 μF 63V, 470 nF 250V, 22pF 100 V… Otras características relacionadas son: Tolerancia Al igual que en todos los componentes, el valor de capacidad nominal especificado también puede variar en un cierto margen; o sea, está sujeto a unas tolerancias. En especial en los condensadores electrolíticos esta característica suele ser bastante alta: de un -20 a +50 % de variación, y hasta más. Así, un condensador electrolítico

115

Unidad 7 · Condensadores que indique una capacidad de, por ejemplo,100 μF podría tener un valor entre 80 y 150 μF. Corriente de fuga Se refiere a una muy pequeña corriente que podría pasar a través del dieléctrico al estar sometido a tensión eléctrica. Idealmente, como es obvio, dicha corriente debería ser cero, o sea, no debería haber ninguna fuga. Este es un dato particularmente interesante en los condensadores electrolíticos de aluminio. Temperatura La temperatura puede afectar negativamente a las características del condensador, en especial en los de tipo electrolítico, por lo cual también puede aparecer indicado este dato en el condensador. En general, debe procurarse que los condensadores queden alejados de fuentes de calor.

7.8 Tipos de condensadores Según las características constructivas aparecen los diferentes tipos de condensadores, que se clasifican según el dieléctrico utilizado. Básicamente, tenemos: • Papel • Mica • Cerámicos • Plásticos • Electrolíticos Excepto los denominados electrolíticos, el resto de tipos son condensadores de relativa baja capacidad; van desde unos pocos pF hasta alrededor de 1 μF. De una forma más resumida, los tipos de condensadores se podrían clasificar entre los que son electrolíticos (que son polarizados) y el resto de condensadores (que no son polarizados). En los condensadores con dieléctrico de papel las placas se constituyen por un enrollamiento de láminas de aluminio, separadas por un dieléctrico compuesto por finas capas de papel. En los condensadores de mica se interpaginan finas capas de material de mica con láminas metálicas. La constitución de los condensadores cerámicos se basa en una especie de lámina de material cerámico que es el dieléctrico. El aspecto de estos condensadores se caracteriza por una forma tubular o con forma de disco. Se suelen utilizar bastante en telecomunicaciones (aparatos de radio y TV). Los condensadores con dieléctrico de plástico son de los más utilizados en electrónica. Según el tipo de material en particular aparecen varios tipos, siendo los más populares los de poliéster, estiroflex y policarbonato. Con los del tipo poliéster y policarbonato se consiguen capacidades del orden de 1nF hasta unos microfaradios, y con una tensión de más de 1000V. Los de estiroflex son de menor capacidad, obteniéndose desde unos pocos pF hasta 1 μF. En los condensadores electrolíticos el dieléctrico está formado por una fina capa de óxido del orden de micras (1 micra = 1 μm), formada por electrólisis, en conjunción con una composición química pastosa. Esta técnica de fabricación permite obtener elevadas capacidades con una buena relación capacidad/tamaño. Es por ello que, en general, los condensadores de elevada capacidad son de tipo electrolítico. Dentro de los condensadores electrolíticos aparecen dos tipos: los de aluminio y los de tantalio. Los condensadores electrolíticos de aluminio son los más populares. Su estructura es de aluminio de aspecto tubular (fig. 7.19), y el terminal negativo corresponde a la estructura envolvente.

116

Unidad 7 · Condensadores En los condensadores de tipo electrolítico se consiguen capacidades desde alrededor de 1 μF hasta 10.000 μF, y más. Valores normalmente utilizados son, por ejemplo: 1 μF, 2 μF, 10 μF, 22 μF, 47 μF, 100 μF, 470 μF, 1000 μF , 2200 μF, 4700 μF.

Figura 7.19. Ejemplo de tipos de condensadores electrolíticos (típicos en electrónica).

Es muy importante saber que los condensadores de tipo electrolítico se caracterizan porque son de tipo polarizado, o sea, cada terminal se debe conectar a su correspondiente polaridad; por ello, en su encapsulado pueden aparecer los signos de positivo (+) o negativo (−), para indicar cuál es el terminal negativo o positivo. En la figura 7.20 se muestran dos condensadores de este tipo donde se indica la señalización de la polaridad. En unos de ellos, se indica el terminal positivo (+) y el otro el terminal negativo (−). Indica el terminal posivo (+)

Figura 7.20. a) Condensador electrolítico de 2200 μF; el terminal positivo (+) aparece indicado. b) Condensador de 1000 μF; en este tipo, viene indicado el terminal negativo (−)..

Terminal negavo (–) Terminal posivo (+) a)

Indicación de Terminal negavo

b)

Esto quiere decir que cuando el condensador se utilice, los terminales del condensador se deben de conectar a los puntos del circuito donde la polaridad coincida con los terminales del condensador (fig. 7.21); de no ser así, el condensador puede explotar.

Figura 7.21. Condensador electrolítico conectado. El terminal negativo del condensador va al negativo de la fuente de tensión.

117

Unidad 7 · Condensadores Los condensadores electrolíticos de tantalio son de más calidad y menor tamaño que los de aluminio, pero también algo más caros. El dieléctrico es de óxido de tantalio, cuyas propiedades dieléctricas son mejores que las del óxido de aluminio. En comparación con los de aluminio, son más pequeños, tienen menos corrientes de fuga, son menos influenciados por la temperatura, tienen menos tolerancia y son de mayor duración…y también más caros. Los demás tipos de condensadores (papel, mica, plásticos, etc.) no son de tipo polarizado; cualquiera de sus terminales se puede conectar al polo positivo (+) como al polo negativo (−). Un ejemplo de este tipo de condensadores (no polarizados) se muestra en la figura 7.22.

Figura 7.22. Ejemplo de condensadores no polarizados.

Actividades prácticas Hacer el siguiente montaje (fig. 7.23): 1. Verificar que al cerrar el interruptor se enciende el LED y que al abrir el interruptor éste se apaga lentamente. Explicar el porqué se produce este efecto. 2. Si se cambiara el condensador por otro de 2000 μF, ¿qué se espera que pasaría? Explicar. 3. ¿Qué podría pasar si se cambiara el condensador por otro de 1000 μF 12 V? ¿Y si se intercambiaran los terminales del condensador?

Carga

-

+

Key = A R1 2,7k Ω

12 V Condensador + 1000 μF 16 V

A K

LED K

A

Figura 7.23.

7.9 Montaje de condensadores en paralelo

De la misma manera que se hacen montajes de resistencias en paralelo, también resulta interesante, a veces, montar condensadores en paralelo. En este caso, el objetivo es conseguir mayor valor de capacidad; el resultado es una capacidad superior a la del condensador de mayor capacidad del montaje.

118

Unidad 7 · Condensadores Puesto que un condensador constituye una especie de almacén de carga eléctrica, de la misma manera que utilizando varias botellas se puede obtener mayor capacidad de almacenaje de líquido, con varios condensadores en paralelo también se aumenta la capacidad de almacenaje de carga eléctrica. La capacidad total resultante es la suma de las capacidades de los condensadores utilizados, como a continuación queda demostrado matemáticamente. Por ejemplo, en el caso de dos condensadores en paralelo (fig. 7.24), tenemos:

C1

V

C2

Figura 7.24. Condensadores en paralelo.

La carga total almacenada por los dos condensadores es: Y teniendo en cuenta que:

Y a esta carga total, QT, le corresponde una capacidad total:

Por tanto, se puede poner: Y simplificando, dividiendo por V, se obtiene (fig. 7.25):

C1

C2

CT = C1 + C 2

Figura 7.25. Los dos condensadores en paralelo equivalen a una capacidad que es la suma de las capacidades de los dos condensadores.

Así, en general, la conexión de condensadores en paralelo da lugar a una capacidad total que es la suma de las capacidades de todos los condensadores del montaje:

El resultado de poner condensadores en paralelo se puede ver pues como un efecto de aumentar la superficie de las placas de un condensador, lo cual da lugar a una mayor capacidad. En cuanto a la tensión de soporte de la capacidad equivalente total, puesto que todos los condensadores reciben el mismo voltaje, como es obvio, corresponde a la tensión del condensador que la tenga más baja.

119


Actividades desarrolladas Ejemplo 1: El montaje de un condensador de 10 μF en paralelo con otro de 2 μF tiene el valor resultante: CT = 10 μF + 2 μF = 12 μF Así, con dicho montaje, se obtiene la función de un solo condensador de 12 μF. Esta es una solución práctica empleada a veces para conseguir mayor valor de capacidad. Ejemplo 2: En el montaje de los tres condensadores que se muestra en la figura 7.26, el condensador equivalente resultante se obtiene de la siguiente manera:

330nF 250 V

100 K

0,47 μF 30 V

0,9 μF 30 V

Figura 7.26. Equivalencia de los tres condensadores en paralelo.

Expresando todos los valores en microfaradios (μF), tenemos: 330 nF → 0,33 μF 100 nF → 0,1 μF Así, el valor resultante es de:

Y la tensión de soporte del conjunto es de 30 V, puesto que esta es la tensión del condensador que soporta menos voltaje de los tres. Una forma de pasar la expresión de los valores a pF, nF ó μF, que son las unidades normalmente utilizadas, consiste en expresar el valor de capacidad con la potencia de 10 correspondiente a la unidad que interese. Como se sabe, tenemos: 10-12 ⇒ pF Ejemplo: 22 pF = 22·10-12 F 10-9 ⇒ nF Ejemplo: 47 nF = 47·10-9 F 10-6 ⇒ μF Ejemplo: 100 μF = 100·10-6 F

Ejemplo • El valor de 0,47 μF expresado en nF: 0,47 μF = 0,47·10-6 F → 470·10-9 F = 470 nF Para que se pueda poner la potencia 10-9 (que es la correspondiente a los nF), se ha tenido que multiplicar por 1.000 el valor 0,47.

120


Ejemplo El mismo valor expresado en pF es: 0,47 μF = 0,47·10-6 F → 470.000·10-12 F = 470.000 pF Para poder poner la potencia 10-12 (pF), se ha tenido que correr la coma 6 lugares hacia la derecha (equivale a multiplicar por 106). • El valor 22 nF expresado en μF: 22nF = 22·10-9

→

0,022·10-6 F = 0,022 μF

7.10 Montaje de condensadores en serie En el montaje serie de condensadores se consigue una capacidad total inferior a la del condensador de menor capacidad del montaje. En cambio, la tensión máxima del montaje es superior a la del condensador con mayor valor de tensión del montaje, ya que el valor resultante de la tensión de soporte es igual a la suma de las tensiones de cada uno de los condensadores. Por eso a veces resulta interesante ese tipo de montaje; para obtener una capacidad con una tensión de soporte adecuada a las necesidades, que con un solo condensador no se consigue. Supongamos un montaje serie de tres condensadores (fig. 7.27).

Figura 7.27. En el montaje de condensadores en serie, la tensión total de la capacidad resultante es igual a la suma de las tensiones de cada condensador.

C1

C2

C3

V1

V2

V3

VT Simplificando, se deduce que:

Como se observa, el valor de la capacidad total viene dado por el mismo tipo de formula que aparece para determinar el valor total en los montajes de resistencias en paralelo. Y la tensión máxima que puede soportar el circuito, es la suma de las tensiones máximas de cada unos de los condensadores.

Actividades desarrolladas En el circuito serie de tres condensadores que se muestra en la figura 7.28, la capacidad total resultante es:

121


Actividades desarrolladas Y la tensión de soporte del montaje es:

Figura 7.28. Condensador equivalente de los tres condensadores en serie.

0,1 μF

2 μF

470nF

79nF

63 V

25 V

120 V

208 V

O sea, el montaje de los tres condensadores equivale a un solo condensador de 79 nF que puede soportar 208 V. Y en el caso de poner sólo dos condensadores en serie, la capacidad resultante se puede obtener también por:

La fórmula de la capacidad total (CT) se simplifica, y aparece una expresión igual a la del montaje paralelo de dos resistencias.

Ejemplo En un montaje serie de un condensador de 47 μF con otro de 100 μF la capacidad resultante es de:

Y en un montaje serie donde todos condensadores tienen el mismo valor de capacidad, el valor de la capacidad resultante viene dado por:

siendo n el número de condensadores y C el valor de capacidad de uno de los condensadores.

Ejemplo La capacidad resultante de tres condensadores en serie de 47 μF es:

7.11 Aplicaciones prácticas del condensador

Como ejemplo de aplicaciones fundamentales del condensador, se describen a continuación las siguientes.

122


7.11.1 Acoplamiento de señal entre etapas amplificadoras Debido a las tensiones necesarias para la polarización en los circuitos electrónicos amplificadores, en la señal que se procesa se encuentra también cierto nivel de tensión continua fija. Pues por medio de los condensadores se puede acoplar la señal entre los diferentes circuitos sin dejar pasar el nivel de tensión continua (fig. 7.29); de esta manera, en la entrada de la etapa amplificadora sólo se encuentra la señal variable en el tiempo (sólo se transfiere la señal y se bloquea el nivel de tensión continua). Esto se puede explicar por lo que se conoce por reactancia capacitiva, que es la más o menos oposición (resistencia) que ofrece el condensador al paso de señales variables. El valor de dicha reactancia se obtiene mediante la fórmula:

Cuanto mayor es la frecuencia, menor es la reactancia; dicho de otra manera, cuanto más baja es la frecuencia mayor es la resistencia que opone al paso de las señales. Por ello, los niveles de tensión fijos, como son las tensiones de polarización de los circuitos, el condensador impide que circulen. Señal con una componente de connua de 8 V

0,5VPP

Señal sin componente de connua

8V

Etapa amplificadora

Etapa amplificadora Figura 7.29. El condensador permite el acoplamiento de señales entre etapas amplificadoras, aislando la componente de tensión continua.

0,5VPP

0V

Condensador de acoplo

7.11.2 Filtrado en circuitos de alimentadores Una de las aplicaciones más características del condensador en filtrado es en los sistemas rectificadores (convertidores de corriente alterna (C.A.) en corriente continua (C.C.)); en base a la cualidad de almacenamiento de carga eléctrica que tiene el condensador, se consigue obtener una C.C. adecuada partiendo de una C.C. pulsatoria; esto se llama filtrado (fig. 7.30). 230 V Filtrado

Figura 7.30. Filtrado de la tensión continua pulsatoria; esta es la aplicación fundamental del condensador.

Todos los equipos electrónicos que se alimentan con la red eléctrica tienen un sistema electrónico por medio del cual se obtiene la tensión continua adecuada para su alimentación, partiendo de la corriente alterna de normalmente 220 V de la red; esta parte del equipo se denomina fuente de alimentación, en la cual se encuentra el circuito rectificador y los condensadores de filtrado.

7.11.3 Filtrado de señales de ruido eléctrico Dentro del tema de filtrado, aparecen otras aplicaciones como son

123

Unidad 7 · Condensadores Supresión, atenuación, de señales no deseadas (señales parásitas, ruido eléctrico) en equipos electrónicos en general (radio, equipos informáticos, etc.); señales que aparecen en la conexión y desconexión de luces fluorescentes, motores eléctricos, chispas de las bujías en vehículos, etc. Estas señales, que se llaman de ruido eléctrico, indeseables, se pueden propagar por el aire (en forma de ondas electromagnéticas) o por la red eléctrica. Mediante condensadores debidamente conectados, y a veces acompañados de bobinas, se consigue reducir o eliminar este tipo de señales indeseables.

7.11.4 Circuitos de filtro en equipos de sonido Asimismo, una aplicación muy importante del filtrado se encuentra en los sistemas de control de tono de los amplificadores y en los circuitos ecualizadores de sonido; por medio de los condensadores se realizan circuitos de filtro con los cuales se logra atenuar o realzar ciertas componentes de las señales de sonido (armónicos), lo cual permite variar la tonalidad del sonido. Esto está relacionado con el concepto de agudos, medios y graves. También se encuentran los condensadores en los bafles, para el filtrado de las señales que llegan a los altavoces.

7.11.5 Eliminación de chispas en interruptores En especial si se activan elementos con bobinados (cargas inductivas); es el caso del condensador utilizado en los típicos platinos del sistema de encendido clásico del automóvil y cuya aplicación se da en general cuando se tiene que alimentar, conectar, alguna carga de este tipo. Debido al efecto de autoinducción de las bobinas, cuando se produce su desconexión, generan un impulso de tensión que puede ser muy elevado y puede dar lugar a chispas en el interruptor que pueden dañarlo. Un condensador en paralelo con el interruptor puede eliminar las chispas en los contactos del interruptor.

7.11.6 Temporizadores Los temporizadores son dispositivos mediante los cuales se puede hacer la puesta en marcha o desconexión de aparatos interviniendo retardos. Por ejemplo, la puesta en marcha de un aparato de radio con paro automático al cabo de un cierto tiempo, la activación de una sirena de alarma, el encendido de una luz de escalera, etc.; en todos estos casos aparece la función de temporización (tiempo). La característica de retardo de la carga-descarga del condensador permite obtener tiempos que sirven de base de cualquier tipo de temporización. Por ejemplo, si se logra que un condensador tarde 5 segundos en adquirir la tensión de 6 V, mediante un circuito que dé una señal cuando detecte un nivel de 6 V, se puede lograr la activación de algún aparato con un retardo de 5 segundos; esto ya sería un circuito temporizador.

Actividades finales Ejercicio 1: a) Explicar la función básica que realiza el condensador. b) Indicar dos ejemplos de aplicación del condensador. c) En qué tipo de condensadores se debe tener en cuenta la polaridad de conexión de sus terminales. Ejercicio 2: Calcular la capacidad de un condensador formado por dos placas conductoras de superficie S = 0,02 m2 cuya distancia de separación es 100 μm, siendo el dieléctrico de aire. Ejercicio 3: ¿Cuál será la cantidad de carga almacenada por un condensador de 2000 μF, si se mide una tensión de 50 V entre sus terminales?

124


Actividades finales Ejercicio 4: Dado el siguiente circuito (figura 7.31):

R = 100kΩ

10 V C = 100 μF Figura 7.31.

Calcular: a) La constante de tiempo. b) La tensión en el condensador al cabo de 5 segundos de cerrar el interruptor. c) El tiempo que debe transcurrir para que se pueda considerar el condensador totalmente cargado. Ejercicio 5: Supongamos que los valores del circuito de la figura 7.32 son: C = 470 μF y RL = 12 K.

Condensador cargado

VC = 10 V

C

RL

V

Figura 7.32.

Si el condensador se encuentra cargado con una tensión de 10 V, calcular: a) La tensión al cabo de 4 segundos de cerrar el interruptor. b) El tiempo que tardará el condensador en quedarse prácticamente totalmente descargado. Ejercicio 6: Representar una capacidad de 0,33 μF en nF y en pF. Ejercicio 7: ¿Cuál será la carga (Q) máxima almacenada por un condensador de 4700 μF 35 V si lo conectamos a una fuente de tensión de 12 V? ¿De qué valor debe ser la tensión máxima que le aplique? Ejercicio 8: Representar las curvas de carga y descarga de tensión en los circuitos anteriores (figuras 7.31 y 7.32), indicando los valores de tensión al cabo de una constante de tiempo.

125


Actividades finales Ejercicio 9: Calcular la capacidad total resultante y la tensión máxima que se puede aplicar al circuito siguiente (fig. 7.33).

C1 2 μF 35V

C2 470 nF 150 V

Figura 7.33.

Ejercicio 10: Dado el circuito siguiente (fig. 7.34), calcular: a) La capacidad total resultante. b) El valor de tensión máxima que se puede aplicar al conjunto de los tres condensadores.

Figura 7.34.

100 μF 20 V

200 μF 50 V

470nF 35V

Ejercicio 11: Se necesita un condensador de capacidad 60 μF, y se disponen de dos condensadores de 100 μF y otro de 10 μF. Realizar el circuito adecuado para obtener una capacidad resultante de 60 μF. Ejercicio 12: Si ponemos 10 condensadores en serie de 50 μF 25 V, ¿de qué valor será la capacidad total resultante y qué tensión máxima podrá aplicarse al circuito?

126

Unidad 8

Electromagnetismo Aplicaciones prácticas

Objetivos: Aprender que los principios básicos sobre electromagnetismo no son sólo teorías y ecuaciones; sino que tienen su aplicación práctica en muchos componentes y aparatos eléctricos y electrónicos utilizados normalmente; sin los principios del electromagnetismo no tendríamos, por ejemplo, los transformadores, motores, altavoces, pastillas de guitarra eléctrica. El electromagnetismo se aplica incluso en informática; la grabación de datos en disco se realiza en forma de campos magnéticos.

En este capítulo: 8.1 8.2

El electromagnetismo en la práctica. Principios básicos. Bobinas.

8.5 8.6

Electroimán. El relé y el contactor.

8.3 8.4

El magnetismo. Electromagnetismo.

8.7 8.8

El transformador. Grabación magnética de señales.

Unidad 8 · Electromagnetismo. Aplicaciones prácticas

Recuerda • • • ¡Los condensadores pueden explotar! Si se sobrepasa la tensión máxima expecificada. Los condensadores electrolíticos tienen polaridad; si se conectan al revés sus terminales, también pueden explotar.

8.1 El electromagnetismo en la práctica En la tecnología eléctrica y electrónica existe multitud de aplicaciones donde se aprovechan las propiedades magnéticas de ciertos materiales. Un ejemplo muy representativo lo tenemos en el motor eléctrico, cuyo funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción-repulsión entre polos magnéticos. Otro dispositivo, muy utilizado en electrónica, cuyo funcionamiento se basa en el mismo principio del motor, es el altavoz; las ondas acústicas que genera son debido a la vibración del cono, que se obtiene como consecuencia de las fuerzas de atracción-repulsión que se producen entre una pequeña bobina (móvil) y un imán fijo. Otra aplicación la tenemos en las cintas de audio (sonido) y discos de ordenador; tanto las señales de sonido como los datos digitales se almacenan de forma magnética, gracias a las propiedades magnéticas de los materiales depositados en la superficie de las cintas y discos. Existe un mineral de hierro en la naturaleza, denominado magnetita, que tiene propiedades magnéticas de forma natural; es el magnetismo natural. Pero se sabe que el magnetismo aparece como efecto de cargas eléctricas en movimiento. De hecho, ya en 1819 el físico Oersted puso de manifiesto este hecho; la circulación de corriente eléctrica (cargas eléctricas en movimiento) por los conductores produce a su alrededor fuerza magnética. Aparece así el término electromagnetismo, que indica la relación de fuerzas eléctricas y magnéticas al mismo tiempo. En general, se habla de electromagnetismo para referirse a las aplicaciones donde se genera el magnetismo por medio de la electricidad, es el caso, por ejemplo, de los motores y transformadores. También existe el caso inverso; por medio de fuerzas magnéticas (que varíen) se puede generar electricidad en una bobina; bajo este principio funcionan, por ejemplo, los alternadores y cápsulas (magnéticas) de tocadiscos. En la práctica, se emplea normalmente el término electromagnetismo porque, se puede decir, que todas las aplicaciones donde se aprovechan las propiedades magnéticas están relacionadas con la electricidad. Un ejemplo de aplicaciones muy representativas es: • • • • • •

Motores eléctricos Transformadores Micrófonos (dinámico) Pastillas de guitarra eléctrica Altavoces Disco duro de ordenador

Así pues, resulta evidente la elevada importancia que tiene el electromagnetismo en la tecnología eléctrica y electrónica; es, por tanto, un tema también a estudiar.

8.2 Principios básicos. Bobinas Como ya se ha explicado, en la mayoría de aplicaciones, las características magnéticas se relacionan con la electricidad; de ahí la denominación de electromagnetismo. Pues se basa en los dos principios fundamentales siguientes: • La circulación de corriente eléctrica genera campo magnético • El movimiento relativo entre un conductor (normalmente una bobina) y un campo magnético genera electricidad Y un componente básico relacionado con todo ello es la bobina. Básicamente, una bobina es el arrollamiento de hilo conductor sobre un cierto soporte (fig. 8.1).

128


Bobina

Figura 8.1. Representación de una bobina.

Cuando se hace circular corriente continua por una bobina, ésta genera flujo magnético a su alrededor; se comporta como un imán (fig. 8.2). Al circular corriente por la bobina, ésta genera flujo magnéco (Φ). S I

Flujo magnéco Figura 8.2. Al circular corriente continua a través de la bobina, ésta genera fuerza magnética (como un imán).

N Y si existe movimiento relativo entre una bobina y un imán, en la bobina se engendra electricidad (fig. 8.3).

El movimiento relavo entre la bobina y el imán hace que se genere f.e.m. en la bobina.

I N

f.e.m

V Figura 8.3. En una bobina se genera electricidad cuando una fuerza magnética variable actúa sobre ella.

S

Actividades propuestas 1. Explicar dos aplicaciones fundamentales del electromagnetismo en componentes eléctricos. 2. ¿En qué parte de un ordenador se utilizan los efectos del electromagnetismo? ¿Y en una guitarra eléctrica? 3. Explicar dos principios fundamentales sobre electromagnetismo en las bobinas.

129


Recuerda • • • Diversas componentes utilizados en las aplicaciones electrónicas se basan en el electromagnetismo: • Transformadores • Micrófonos • Pastillas de guitarra • Altavoces • Disco duro de ordenador

8.3 El magnetismo El magnetismo es un estado caracterizado por un campo de fuerzas que puede actuar sobre ciertos materiales. Al igual que el campo eléctrico, es invisible y de acción a distancia. El imán es el elemento más popular que da lugar a dicho estado; tiene la propiedad de atraer al hierro, y se dice que posee magnetismo. La fuerza magnética tiene su origen en la estructura atómica de la materia, y se basa en el movimiento de las cargas eléctricas. En los imanes siempre aparecen dos polos, que es donde se concentran lo que se denomina líneas de fuerza, las cuales salen del polo norte y entran por el polo sur (en el interior del imán, van de sur a norte) (fig. 8.4). Líneas de fuerza magnéca

Polo norte

N

S

Polo sur

Figura 8.4. Imán.

En los polos es donde mayor fuerza de atracción aparece (en el centro, la fuerza de atracción es nula; es una zona neutra). Esto se puede comprobar fácilmente; si echamos un puñado de clavitos alrededor de un imán, éstos se concentrarán en los extremos, polos.

8.3.1 Campo magnético En la región del espacio en donde se manifiestan las fuerzas magnéticas se dice que existe campo magnético; es la fuerza que se manifiesta alrededor del imán. Como es sabido, en nuestro planeta (tierra) existe campo magnético (campo magnético terrestre) y aparecen dos polos, el sur y el norte; de ahí la denominación de los polos de los imanes. Así, el polo norte de un imán es el que es atraído por el campo magnético terrestre en la dirección del norte geográfico de la tierra. Una brújula se basa en esto; es una especie de aguja imantada, con movimiento libre, que, debido al campo magnético terrestre, se orienta siempre en la dirección norte-sur.

8.3.2 Imanes elementales Se sabe que si se parte un imán, en cada trocito aparece un polo norte y un polo sur (fig. 8.5).

Al parr un imán, en cada trocito aparece un polo sur y un norte N

N

S

S

N

S

Figura 8.5.

Y tantas veces como se vaya partiendo cada trocito ocurre esto, lo cual es indicativo de que todo cuerpo magnético se compone por una infinidad de imanes elementales. Y en los cuerpos magnetizados todos estos imanes elementales (o moleculares) se encuentran orientados en la misma dirección (fig. 8.6).

130


Hierro no imantado Los imanes elementales están desorientados: sus efectos se anulan

Hierro imantado S

N

Los imanes elementales están orientados en el mismo sendo: sus efectos se suman

Figura 8.6.

En la naturaleza existe un mineral de hierro, que se llama magnetita, que tiene propiedades magnéticas; es el imán natural. Otros cuerpos no tienen propiedades magnéticas de forma natural pero son susceptibles de adquirirlas, son los materiales denominados ferromagnéticos, básicamente: hierro, níquel y cobalto, siendo el hierro el más representativo. Otros materiales, aunque sean metálicos no pueden adquirir propiedades magnéticas, por ejemplo, el cobre y el aluminio. En los materiales ferromagnéticos, cuando están desimantados, sus imanes elementales están desorientados. Un material ferromagnético como el hierro puede adquirir propiedades magnéticas si sobre él actúa un campo magnético; la fuerza magnética externa hace que sus imanes elementales queden alineados. Por ejemplo, una cosa que pasa a menudo es que la punta de un destornillador queda imantada; esto es porque el destornillador ha sido influenciado por algún imán, por ejemplo, el de un altavoz. Al magnetismo que aparece en un cuerpo que ha sido sometido a un campo magnético, se llama magnetismo remanente. Y cuanto mayor sea la cantidad de imanes elementales que queden alineados, mayor será el efecto magnético. Cuando en el material ya no es posible aumentar más su efecto magnético, se dice que está saturado.

8.3.3 Punto de curie La temperatura puede anular el magnetismo. A la temperatura a la cual desaparecen las propiedades ferromagnéticas, se llama punto de curie. El punto de curie en el hierro es a 769 °C. Así pues, los efectos magnéticos se pueden eliminar por calentamiento. Por ejemplo, el hierro puro pierde el magnetismo a partir de 769 °C. En la desimantación, los imanes elementales quedan desalineados, son puestos en desorden. Al igual que ocurre con las fuerzas de las cargas eléctricas, entre los polos magnéticos pueden aparecer fuerzas de atracción o repulsión (fig. 8.7): Hierro no imantado Los imanes elementales están desorientados: sus efectos se anulan

Hierro imantado S

N

Los imanes elementales están orientados en el mismo sendo: sus efectos se suman

Figura 8.7.

131


Recuerda • • • - La circulación de corriente eléctrica genera campo magnético. Cuando se hace circular corriente continua por una bobina, se genera flujo magnético a su alrededor (como un imán). - En una bobina se genera electricidad cuando una fuerza magnética variable actúa sobre ella. - Los datos en un disco duro de ordenador se graban de forma magnética.

Polos iguales ⇒ fuerza de repulsión Polos diferentes ⇒ fuerza de atracción La representación de las líneas de fuerza del campo magnético, cuyo sentido es de norte a sur, se basa en que es la forma que tomarían un conjunto de pequeñas partículas de hierro (por ejemplo, limaduras) si se espolvorearan alrededor de un imán. Las partículas de hierro quedarían imantadas y se comportarían como pequeños imanes, que se irían todos alineando, formándose así las típicas líneas de fuerza.

8.3.4 Unidades magnéticas Se entiende por campo magnético, a la región del espacio en la cual se manifiestan fuerzas magnéticas. Al conjunto total de líneas de campo magnético, flujo magnético, se representa por φ. Y a la densidad de campo magnético, líneas de fuerza por unidad de superficie, se denomina inducción magnética y se representa por B (fig. 8.8). Las unidades (derivadas del sistema internacional) son el Weber (Wb) para el flujo magnético y la Tesla (T) para la densidad (o inducción) magnética. Densidad magnética:

Flujo magnético:

Norte Superficie (S)

Flujo magnéco (Φ)

Densidad de flujo (B):

B=

Φ S

Sur

Figura 8.8.

Otras unidades populares del flujo magnético (φ) y de la inducción (B) son el Maxwell (Mx) y el Gauss (G), respectivamente:

Se obtienen las siguientes equivalencias: 1 Weber = 108 Maxwell,

1 Tesla = 104 Gauss.

Permeabilidad En general, a la mayor o menor facilidad que tienen los materiales para dejarse atravesar (o influir) por la fuerza magnética se llama permeabilidad, y se representa por μ. Así, se entiende, que cuanto mejor se deja influir un material por el campo magnético mayor permeabilidad tiene. Como referencia, se toma la permeabilidad del aire, que es 1. 132


Recuerda • • • Los cabezales de disco duro del ordenador se basan en bobinas; en el proceso de lectura se generan impulsos eléctricos, que se amplifican y después se procesan electrónicamente; asi se obtienen los bits, los datos. En el proceso de escritura (grabación de datos), se aplican impulsos eléctricos que el cabezal transforma en impulsos magnéticos, que magnetizan ciertas partes del la superficie del disco; son los bits.

Los materiales ferromagnéticos son los que mejor se dejan influir por el campo magnético, siendo capaces de adquirir propiedades magnéticas y poder convertirse por tanto en imanes; son los que tienen mayor permeabilidad. Otros materiales, aun siendo metálicos, no pueden adquirir propiedades magnéticas; se puede decir que se oponen a la circulación de las líneas de fuerza magnética, son malos conductores del magnetismo; su permeabilidad es baja, menor que la del aire (< 1). A los materiales de este tipo se les llama diamagnéticos, por ejemplo, el cobre y el aluminio. En estos materiales, cuando se sitúan frente a un campo magnético lo suficiente intenso, se produce una cierta fuerza de repulsión. Otros materiales presentan unas características intermedias entre los ferromagnéticos y los diamagnéticos; son los denominados paramagnéticos, por ejemplo, el platino. Su permeabilidad es mayor que la del aire pero menor que la de los materiales ferromagnéticos. Estos materiales son débilmente atraídos por un imán.

8.4 Electromagnetismo Aunque en un principio se consideraba que las fuerzas magnéticas eran de una naturaleza nueva, desconocida, investigaciones sobre el tema han determinado que las fuerzas magnéticas surgen debido al movimiento de las cargas eléctricas. Se puede decir que las acciones magnéticas son el efecto de la circulación de cargas eléctricas dentro del material imantado; por ello, el magnetismo forma parte pues del estudio de la electricidad. De hecho, existe una gran analogía entre los efectos magnéticos y eléctricos.

8.4.1 La corriente eléctrica produce fuerza magnética La primera experiencia que puso de manifiesto que el movimiento de cargas eléctricas da origen a fuerzas magnéticas, fue realizada en 1819 por Hans Christian Oersted (físico danés, 1777-1851); mediante una brújula, situando un conductor de forma paralela a la aguja, comprobó que al hacer circular corriente a través del conductor la aguja se movía, poniéndose perpendicular al conductor. Y al invertir el sentido de la corriente, cambiaba el polo de la aguja que apuntaba hacia el conductor. Esta experiencia, que es realizable fácilmente, es indicativa de que la circulación de corriente eléctrica origina fuerza magnética.

8.4.2 La fuerza magnética puede generar corriente eléctrica Poco tiempo después del descubrimiento de Oersted (1831), el británico Michael Faraday (1791-1867) descubrió un efecto contrario al de Oersted; un campo magnético puede crear una corriente eléctrica (fig. 8.9).

El movimiento relavo entre la bobina y el imán hace que se genere f.e.m. en la bobina.

I N f.e.m

V S Figura 8.9.

133

Unidad 8 · Electromagnetismo. Aplicaciones prácticas Michael Faraday experimentó que moviendo una imán cerca de un conductor se generaban en éste corrientes, cuyo sentido y magnitud dependían del movimiento del imán; o sea, lo contrario a lo descubierto por Oersted. Este es el principio de funcionamiento de los generadores de corriente, dinamo y alternador. Otro experimento significativo que realizó Faraday, fue que comprobó el efecto de inducción que se da entre dos bobinas, lo cual constituye el principio del transformador. Situando muy próximos dos arrollamientos de hilo, bobinas, al aplicar tensión a una bobina (para hacer que circule corriente), se induce tensión eléctrica en la otra bobina; pero esto sólo sucede de forma instantánea, en los momentos de aplicarle o desconectarle la tensión a la bobina. Faraday descubrió así que las corrientes inducidas se producen sólo cuando haya variaciones en el campo magnético, que se producen en la bobina en los momentos de conexión-desconexión. Así, a Faraday se le pueden atribuir el descubrimiento de las máquinas eléctricas generadoras de electricidad (dinamo y alternador) y del transformador.

8.4.3 La bobina Básicamente, una bobina es el arrollamiento de hilo conductor, normalmente cobre, sobre algún tipo de soporte (fig. 8.10).

Figura 8.10.

Para que no se produzcan cortocircuitos entre las espiras, el hilo se somete a un baño de barniz que le confiere aislamiento eléctrico. En su forma más elemental, se denomina solenoide; un alambre de cobre arrollado en forma de hélice. La bobina es un componente fundamental en los aparatos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo, la construcción de los transformadores y motores eléctricos se basa en bobinados. Y en electrónica, en especial de comunicaciones (radio, TV, etc.), son un componente imprescindible; forman parte, por ejemplo, de los circuitos para la sintonización de las emisoras. Partiendo del principio de que cuando circula corriente por un conductor alrededor de éste se genera campo magnético, si se dobla un trozo de hilo en forma de espira las líneas de fuerza que rodean al conductor saldrán por una lado y entraran por el otro; aparecen dos polos magnéticos. Así pues, al hacer circular corriente por una espira ésta se comporta como un pequeño imán. Pues como una bobina es un conjunto de espiras, se produce una suma de los efectos magnéticos de cada espira y se logra así la concentración del campo magnético de todo el hilo en un pequeño espacio, apareciendo un polo magnético en cada extremo de la bobina (fig. 8.11).

S I

Flujo magnéco

Figura 8.11.

Así, en definitiva, cuando se hace circular una corriente continua por una bobina aparece un campo magnético a su alrededor; se convierte en un imán.

134


Actividades propuestas 1. ¿Qué se entiende por fuerza de campo magnético? 2. Representar un cuerpo magnetizado y el mismo desmagnetizado. 3. ¿Cuáles son las fórmulas y unidades para el flujo magnético y densidad magnética? 4. Definir el concepto de permeabilidad, poner algún ejemplo. 5. ¿Qué significa: Ferromagnético, diamagnético y paramagnético? 6. Representar cómo podríamos realizar el experimento para generar corriente eléctrica mediante un imán y una bobina.

8.5 Electroimán Puesto que una bobina se comporta como un imán cuando por ella circula corriente eléctrica, a esta forma de generar campo magnético se le denomina electroimán. Y la intensidad de campo magnético que genera varia de forma proporcional al número de espiras que tenga la bobina y del valor de la corriente que circule. O sea, cuanto mayor es la intensidad de corriente mayor es la fuerza magnética en cada espira, y cuantas más espiras tenga mayor será el campo magnético que generará.

8.5.1 Núcleo Otra forma de poder obtener mayor fuerza de campo magnético (sin aumentar la corriente ni el número de espiras) es utilizando lo que se denomina núcleo; material ferromagnético que se introduce en la bobina. Como se sabe, a la más o menos facilidad que tiene un material para dejar pasar las líneas de fuerza magnética se denomina permeabilidad (μ). Pues el hierro tiene mayor permeabilidad que el aire, y por ello las líneas de fuerza pueden circular con más facilidad por el hierro que por el aire. Así, como el material ferromagnético proporciona un camino más fácil que el aire para la circulación de las líneas de fuerza, las líneas del campo magnético que genera la bobina se concentran en el núcleo y ello hace que se produzca un aumento muy notable de la densidad de flujo en el interior de la bobina (fig. 8.12).

Bobina con núcleo ferromagnéco; el flujo se concentra en el núcleo.

I

Bobina sin núcleo . ferromagnéco

I

Figura 8.12.

Con el campo magnético así concentrado se consigue un aumento muy considerable de la intensidad del campo magnético del electroimán; especialmente se logra una mayor densidad de flujo en los extremos de la bobina. El material de los núcleos debe ser del tipo que se magnetiza y desmagnetiza fácilmente, es lo que se conoce por hierro dulce. De esta manera, cuando la bobina no recibe corriente el núcleo está prácticamente desimantado, y el electroimán no

135

Unidad 8 · Electromagnetismo. Aplicaciones prácticas produce fuerza magnética; el electroimán sólo debe producir fuerza magnética al excitar la bobina. En este principio de funcionamiento se basan muchos dispositivos eléctricos, por ejemplo, los relés. Así pues, en general, cuando un flujo magnético se encuentra con un núcleo de hierro, las líneas de fuerza se concentran hacia el núcleo.

8.6 El relé y el contactor El electroimán tiene diversas aplicaciones prácticas, entre las cuales destaca el relé y el contactor; dispositivos muy utilizados en electricidad y electrónica. El relé y contactor se basan en la activación de contactos por medio de la fuerza magnética de un electroimán; cuando se aplica corriente a la bobina, se activan unos contactos. En la figura 8.13 se representa la estructura básica funcional general y símbolo esquemático de estos componentes. Armadura

A1

Contacto

A1

A2 A2

Figura 8.13.

Al aplicar corriente a la bobina (terminales A1 y A2), el núcleo se magnetiza, se convierte en imán, y atrae a una parte móvil del núcleo (armadura) que puede accionar un contacto (o varios).

8.6.1 El relé En el caso de pequeñas potencias, estos dispositivos se denominan relés, y son muy utilizados para la activación de dispositivos de salida de baja (o mediana) potencia como lámparas, pequeños motores, sirenas, etc., en sistemas electrónicos de control. Un ejemplo de modelos de relés comerciales se representa en la figura 8.14.

Figura 8.14.

En general, se utilizan para el control de pequeñas potencias. La bobina se suele activar con tensiones continuas bajas (5 V, 12 V, etc.), aunque existen relés de muy diversos tipos.

136


8.6.1.1 Ejemplo de aplicación del relé Simulador de alarma de coche En la figura 8.15 se muestra un ejemplo de aplicación práctica de un relé. Se trata de un simulador de alarma de coche, basado en un relé como elemento de control de los LED (emisores de luz). Con el coche a motor parado, aparcado, la bobina del relé no recibe corriente, el relé está desactivado; los contactos del conmutador que acciona, hacen que reciba corriente el LED rojo (intermitente). Y cuando se active la llave de contacto para arrancar el coche, la bobina del relé recibirá corriente y entonces el conmutador cambiará de posición los contactos; esto hará que se apague el LED rojo y se encienda el LED verde. +12 salida llave contacto Llave de contacto

Relé de 12 V Bateria 12 V

1,0 kΩ

LED rojo intermitente

LED verde

Figura 8.15.

Las salidas de un circuito electrónico digital, típicamente, entregan una señal de 5 V que, mediante transistores (para amplificar en corriente) pueden excitar pequeños relés que permiten directamente el control de ciertas cargas en corriente alterna. Y si es necesario, para poder activar cargas de cierta potencia, por medio de los relés se pueden activar a contactores y mediante éstos controlar las cargas de potencia (por ejemplo, el motor de un ascensor).

8.6.2 El contactor El contactor es un tipo de relé diseñado para aplicaciones de potencia, por ejemplo, la conexión de motores trifásicos (como los de un ascensor, por ejemplo). Es más robusto, está diseñado para trabajar con tensiones y corrientes elevadas, y además se caracteriza por disponer de 3 contactos principales de potencia (los que controlarían la conexión de la carga de potencia, típicamente un motor trifásico). En la figura 8.16 se representa su simbología típica. Al activarse la bobina, se cierran tres contactos principales (de potencia, que caracterizan al contactor) y otros contactos auxiliares (de baja potencia). Normalmente la bobina se activa con tensión alterna (24 V, 48 V, 230 V...).

Figura 8.16.

137


8.6.2.1 Aplicación del contactor Control de un motor trifásico En la figura 8.17 se muestra, de forma simplificada, su aplicación más representativa; el control de un motor trifásico (los que se utilizan, por ejemplo, en los ascensores). Como resultado del conjunto de operaciones que se llevan a cabo en el sistema de control, se acciona un motor de cierta potencia; así, gracias al contactor, por medio de una tensión baja (por ejemplo, de 24 V) se puede controlar una elevada potencia eléctrica. Existen diversos tipos de contactores, siendo muy típicos los de excitación a 24 V. En cualquier caso, el contactor permite controlar elevadas potencias eléctricas por medio de un mando de baja potencia.

L1 L2 L3

Red eléctrica trifásica 400 V

Baja potencia Sistema de control

(24 V)

- Automasmo eléctrico. - Electrónica digital discreta. - Microcontrolador (PIC). - Autómata programable.

A1 Alta potencia

A2

M

Motor Señales de entrada: Pulsadores. Finales de carrera. Detectores de proximidad. etc. Figura 8.17.

Actividades propuestas 1. ¿Qué es un electroimán, cómo está formado, qué función realiza el núcleo? 2. Explicar el relé, como está formado y cómo funciona. Representar el esquema de aplicación para encender una bombilla con la red eléctrica de 230 V mediante una tensión continua de control de 12 V. 3. Explicar diferencias entre un relé y un contactor. 4. Explicar el funcionamiento del esquema de control del motor trifásico de la figura 8.17.

8.7 El transformador Los transformadores son un tipo de máquina eléctrica, basada en el electromagnetismo, que permiten obtener de una forma sencilla diferentes valores de tensión partiendo de una tensión de entrada. Así, se pueden obtener partiendo de los 230 V de la red eléctrica tensiones como 6 V, 12 V, 18 V, etc.; esto es un transformador reductor (la tensión de salida es menor a la tensión de entrada). O bien, también se pueden obtener tensiones mayores a la de entrada; esto sería un transformador elevador. Incluso, se utilizan transformadores en los cuales el valor de la tensión

138

Unidad 8 · Electromagnetismo. Aplicaciones prácticas de salida es igual al valor de tensión de entrada; estos son transformadores de aislamiento, ya que entre el bobinado secundario y el bobinado primario no existen conexión eléctrica. Los transformadores son reversibles, la tensión de salida se podría obtener también por el primario. Por ejemplo, si a un transformador de primario 230 V y secundario 12 V se le aplica al primario 230 V, en el secundario se obtendrían 12 V; pero si al secundario se le aplicaran 12 V, en el primario se obtendrían 230 V.

8.7.1 Principios fundamentales En la figura 8.18 se representa la simbología utilizada del transformador. Se basa en dos bobinados (acoplados magnéticamente por medio de un núcleo ferromagnético); bobinado primario y bobinado secundario. NS

NP

Bobinado secundario - Se obene la tensión de salida(VS)

Bobinado primario - Se aplica la tensión de entrada (VP) a) Figura 8.18. Transformador. a) Simbología más usual en electrónica. b y c) Simbologías típicas en electrotecnia.

b)

c)

Puesto que la transferencia de energía entre el primario y el secundario es por inducción magnética, entre el sistema de salida y el de entrada no hay conexión eléctrica; existe lo que se llama un aislamiento galvánico entre la entrada y la salida. En teoría, si midiéramos la resistencia entre el bobinado secundario y el bobinado primario, nos daría un valor infinito. Precisamente, esta prueba se hace para comprobar el aislamiento entre los bobinados, porque a veces se producen fallos, averías, que dan lugar a que exista cierta conductividad entre los bobinados o entre los bobinados y el núcleo; de ser así, el transformador sería defectuoso. Es muy importante saber que los transformadores sólo funcionan con corriente alterna. Un ejemplo de transformadores comerciales, de los normalmente utilizados en aparatos de electrónica (de baja potencia) se muestra en la figura 8.19. El más pequeño se encuentra encapsulado (en plástico); y en el otro, que es la forma más típica, se puede observar las chapas del núcleo y los terminales de los bobinados.

Figura 8.19. Transformadores comerciales típicos en electrónica.

La base del transformador son dos bobinados (acoplados magnéticamente por medio de un núcleo ferromagnético); bobinado primario y bobinado secundario. La tensión de entrada, aplicada al bobinado primario (VP), al ser alterna, produce un flujo magnético variable que, a través del núcleo de hierro es acoplado al bobinado secundario; se obtiene así una f.e.m. inducida en el secundario (VS), que es la tensión de salida. La tensión de salida puede ser mayor, igual o menor que la tensión de entrada; depende de la relación de espiras entre el bobinado primario y secundario. Esto se basa en la fórmula (relación de transformación) siguiente:

NS = n° de espiras del bobinado secundario NP = n° de espiras del bobinado primario 139


Ejemplo Si el número de espiras del primario fuera 100 veces mayor que las del secundario, al aplicar al primario la tensión de la red eléctrica de 230 V, se obtendría en el secundario una tensión 100 veces menor; o sea, 23 V.

A la relación entre el número de espiras del primario y las del secundario se le llama relación de transformación. Si NP > NS ⇒ el transformador es elevador (por ejemplo, 200 V ⇒ 400 V) Si NP < NS ⇒ el transformador es reductor (por ejemplo, 230 V ⇒ 12 V) Si NP = NS ⇒ sale lo que entra (ejemplo, 230 V ⇒ 230 V); es un transformador de aislamiento Y también se cumple que:

8.7.2 Estructura interna básica En la figura 8.20 se representa la estructura esquemática del transformador, donde aparecen los bobinados, el núcleo y los valores más importantes del transformador. Núcleo ferromagnéco Bobinado primario

Bobinado secundario IP

I

Tensión de entrada

Tensión de salida

V

V

Flujo magnéco

Figura 8.20. Estructura esquemática básica del transformador.

Asimismo, considerando que no existen pérdidas (rendimiento del 100 %), se cumple que la potencia de entrada (PP) es igual a la de salida (PS):

Esta fórmula nos permite deducir, por ejemplo, la intensidad de entrada, conociendo la potencia de salida.

140


Ejemplo Supongamos un transformador con entrada de 230 V, y que proporciona una tensión eficaz de salida de 12 V con una corriente eficaz de 1 A; la potencia de salida es: Y como la potencia de entrada se considera igual a la potencia de salida:

Y se cumple que PE = PS:

En la práctica, el rendimiento de los transformadores no es del 100 %, pero es muy elevado; del orden del 95 %. Se puede decir que casi no se producen pérdidas en la transformación; es la máquina eléctrica (estática) de mayor rendimiento. La potencia de los transformadores se suele expresar en VA (voltio-amperios), es lo que se conoce por potencia aparente; por ejemplo, puede ser un transformador de potencia 12 VA, con entrada 230 V y salida 6 V. Esto significa que el producto tensión de salida (V) × intensidad de salida (A) = 12. De este dato se deduciría que la intensidad de salida nominal sería de: 12 VA = VSAL × ISAL ⇒ 12 = 6 × ISAL ⇒ ISAL = 12/6 = 2 A También en algunos transformadores aparece indicado la tensión y corriente de salida nominal.

8.7.3 Transformador con toma media Partiendo de una tensión de entrada, se obtienen dos tensiones de salida (fig. 8.21). Entre el punto medio (0) y V1 aparece una tensión, y entre el punto medio y V2 otra tensión. Si la toma media (0) es justo en la mitad de espiras del bobinado secundario, las dos tensiones son del mismo voltaje; pero en cualquier caso, desfasadas 180° entre sí. V1

Bobinado primario

Figura 8.21. Transformador con toma media. Produce dos tensiones en contrafase.

0

V2 En el transformador con toma media en el secundario, se obtienen dos tensiones (V1 y V2) en contrafase, o sea, desfasadas 180° entre sí (fig. 8.22);

141


VP = Vmáx . 2 ≈ 12 × 1,41 ≈ 17 V V1 VP = 24 × 1,41 ≈ 34 V 12 V 12

0V

220 V

24

12 V

12

V2 Figura 8.22.

Con respecto al punto medio del secundario (0), cuando en un terminal aparece el semiciclo positivo en el otro se encuentra el negativo, y viceversa, como se representa en el gráfico de ondas de la figura 8.23.

17 V Tensión V1

0V −17 V

17 V Tensión V2

0V −17 V

V1 – V2 = -17 – 17 = -34 V Figura 8.23.

V1 – V2 = 17 – (-17) = 34 V Se muestra también la diferencia de potencial que se obtiene entre las dos fases (V1 y V2) en dos instantes de la onda. La función es similar a la obtenida mediante dos pilas según el montaje de la figura 8.24.

12 V

12 V 0V

12 V Figura 8.24.

142

12 V

24 V


8.7.4 Autotransformador Este transformador se caracteriza porque sólo tiene un bobinado, que sirve como primario y secundario (fig. 8.25). Según se conecte, puede servir como elevador o reductor de tensión. Resulta más barato que los transformadores con dos secundarios, pero no aísla la tensión de salida de la tensión de entrada (existe una línea que es común a la entrada y la salida). En cambio, en los otros transformadores, la tensión de salida no tiene conexión eléctrica alguna con la tensión de entrada (la transferencia de energía es sólo magnética), lo cual da lugar a un aislamiento entre la entrada y la salida. Las relaciones del transformador ideal son las mismas para el autotransformador: Relación de transformación:

NS = espiras entre B y C NP = espiras entre A y C Relación entre intensidades primario y secundario:

Relación entre potencias primario y secundario:

IP A

VP

B

IS

VS

C Figura 8.25. Autotransformador.

Línea común de entrada y salida Gracias a los transformadores se puede trasformar el voltaje de una forma sencilla y con un elevado rendimiento. Su utilización es lo que permite generar elevados voltajes en las centrales (miles de voltios) y que el usuario reciba la tensión normalizada de 230 V. Este es de especial utilidad en la red de transporte de energía eléctrica, ya que al efectuar el transporte de energía eléctrica con alta tensión y baja intensidad se minimizan las caídas de tensión (pérdidas), y además ello permite que la sección de los conductores pueda ser menor (lo cual reduce costes también). Y partiendo de la red de 230 V, también resulta sencillo obtener otras tensiones más bajas (9 V, 12 V, etc.), necesarias para la alimentación de ciertos aparatos eléctricos u electrónicos.

8.8 Grabación magnética de señales Como se sabe, las propiedades magnéticas de los materiales ferromagnéticos se aprovechan para el almacenamiento de señales, que podrían ser de sonido, vídeo o datos digitales. En la superficie de los discos informáticos existe una fina capa de material ferromagnético, en la cual quedan almacenadas (se graban), en forma de campos magnéticos, las señales eléctricas correspondientes a los bits (datos digitales). 143

Unidad 8 · Electromagnetismo. Aplicaciones prácticas En estas aplicaciones las bobinas, debidamente adaptadas, reciben el nombre de cabezales. Así, los cabezales se basan en una bobina con un núcleo en circuito abierto, de manera que aparecen dos polos; el entrehierro. Al aplicar las señales eléctricas a grabar, el flujo magnético que aparece en el entrehierro se cierra (circula) a través de la materia ferromagnética que tiene la cinta magnética o superficie de disco duro (ordenador). De esta manera, conforme va pasando por delante el disco o la cinta, se van creando ciertas zonas magnetizadas; de esta manera, las señales eléctricas correspondientes a sonidos o bits quedan grabadas en la cinta en forma de pequeños campos magnéticos. En la reproducción, lectura, el proceso se basa en el principio de que en una bobina se genera f.e.m. cuando es afectada por variaciones de campo magnético. Como en la superficie del disco duro existen zonas magnetizadas correspondiente a datos grabados, conforme va pasando la superficie frente al cabezal se van produciendo unas variaciones de flujo magnético que hacen que en la bobina se induzca una señal eléctrica variable en el tiempo, en función de las características de las zonas magnéticas grabadas en la cinta. En los discos duro de ordenador el principio, aunque se presenta de una forma muy simple, en la práctica el sistema es muy sofisticado y complejo; se trata de un disco en cuya superficie se encuentra depositada una fina capa de material ferromagnético. El disco va girando (una velocidad normal es 5400 o 7200 rpm) y sobre su superficie existe un cabezal, que puede moverse radialmente (mediante un motor paso a paso), mediante el cual se aplican las señales eléctricas a grabar, que son las correspondientes a la información (datos); o sea, los datos digitales (debidamente codificados) quedan grabados, al igual que en las cintas de casete, en forma de diminutas zonas magnetizadas. En el proceso de lectura, al estar el disco en movimiento (girando) el cabezal recibe unas variaciones de flujo magnético que hacen que se induzcan en él unas señales eléctricas; son las correspondientes a los datos grabados.

Actividades finales 1. Representar la estructura esquemática de un transformador, y explicar su funcionamiento básico. ¿Cómo se realiza la transferencia de energía entre el primario y el secundario? 2. Poner ejemplos de transformador elevador, reductor y de aislamiento. 3. Si a un transformador con primario para 12 V y secundario de 230 V se le aplica al primario una tensión continua de 12 V, ¿Qué se obtendría en la salida? Si a este mismo transformador se le aplica al secundario la tensión de 230 V de la red eléctrica, ¿qué tensión se obtendría en el primario? 4. Representar las fórmulas, relaciones fundamentales del transformador; relación de transformación, relación entre potencia de entrada-salida. 5. Si a un transformador con 500 espiras en el primario y 125 espiras en el secundario se le aplica una tensión de 100 V en el primario, ¿De qué valor será la tensión en el secundario? 6. Si en un transformador conectado a 230 V se mide una tensión de salida de 12 V, que alimenta una bombilla, y una intensidad de 2 A, ¿de qué valor será la corriente en el primario? 7. Representar y explicar el autotransformador. 8. Indicar algunos ejemplos de aplicación del electromagnetismo en los equipos informáticos. 9. Representar las ondas de entrada y de salida de un transformador con toma media en el secundario. • Tensión de entrada (primario); 230 V • Tensión de salida (secundario): 12 V, 0, 12 V 10. Si en un transformador sabemos que:

y la tensión aplicada al primario es de 230 V, ¿de qué valor se puede deducir que será la tensión de salida?

144

Unidad 9

La inducción electromagnética y sus efectos prácticos

Objetivos: Explicar, saber, que los principios del electromagnetismo tienen una imprescindible utilidad en muchas aplicaciones eléctricas-electrónicas, y que por tanto se deben conocer. Dispositivos que realizan su función gracias al electromagnetismo son, por ejemplo; los altavoces, motores eléctricos, transformadores, cápsulas de tocadiscos (vinilos) y el disco duro del ordenador.


Principios del generador electromagnético. Ejemplos prácticos de electromagnetismo.

9.3

Ley de Lenz.

9.4 9.5

Ley de Faraday. Efecto de autoinducción. Inductancia.

9.6

Constante de tiempo.

Unidad 9 · La inducción electromagnética y sus efectos prácticos

Recuerda • • • El relé y transformador son dos componentes básicos que se basan en el electromagnetismo. En el relé, se consigue la activación de contactos por medio de la fuerza magnética de un electroimán. En el transformador, se pueden obtener diversos valores de tensión alterna, por medio de un acoplamiento magnético entre dos bobinas.

9.1 Principios del generador electromagnético

Lo que se explica a continuación, constituye los principios de funcionamiento de las máquinas eléctricas generadoras de electricidad, dinamos y alternadores. Pero otros dispositivos empleados en electrónica también basan su funcionamiento en el mismo principio; son elementos que generan señales eléctricas débiles (que necesitan amplificación) en función de otras variables físicas. Por ejemplo: • Cabezales de aparatos de audio-vídeo • Cápsula de tocadiscos (vinilo) • Micrófonos (dinámicos) • Pastillas de guitarra eléctrica • Cabezales del disco duro de los ordenadores Básicamente, todo se fundamenta en que: Cuando existe movimiento relativo entre un conductor (en la práctica, bobina) y un campo magnético, se engendra en el conductor una fuerza electromotriz (f.e.m.). Y cuanto más rápido sea el movimiento mayor será la f.e.m. inducida. O sea, si movemos un imán en torno a una bobina, entre los terminales de la bobina aparecerá una cierta magnitud de tensión eléctrica (fig. 9.1). Al acercar y separar el imán se genera electricidad en la bobina

N f.e.m. Figura 9.1. Generación de electricidad por medio de un imán y una bobina.

S

Y lo mismo ocurre si el imán permanece fijo y lo que se mueve es la bobina. En definitiva, cuando un flujo magnético variable intercepta las espiras de una bobina, se induce en ésta fuerza electromotriz. Pero si el flujo magnético es constante (no existen variaciones) no se induce f.e.m. en la bobina, aunque actúe un fuerte campo magnético sobre ella.

9.1.1 Micrófono En el caso de un micrófono (de tipo dinámico), existe una pequeña bobina unida a una membranita con un núcleo que es un imán; de manera que las vibraciones sonoras, a través de la membranita, pueden hacer que se mueva la bobina; de esta manera la bobina genera una señal eléctrica en función de las vibraciones del aire (sonido). Hay que saber que el sonido, las ondas sonoras, son vibraciones de las moléculas del aire, cuya vibración se propaga (de molécula en molécula). Cuando la vibración nos llega al tímpano del oído, el cerebro interpreta dichas vibraciones como la sensación que conocemos por “sonido”. También pueden llegar las vibraciones a una membrana sensible como la de un micrófono; en este caso, el sistema electromagnético del micrófono convierte las vibraciones del aire en señal eléctrica. Otros tipos de micrófonos no se basan en el electromagnetismo, como es el micrófono electret.

146


Recuerda • • • Cuando existe movimiento relativo entre una bobina y un campo magnético, se engendra en la bobina una fuerza electromotriz (f.e.m.); tensión eléctrica. En este principio se basan los generadores de electricidad.

9.1.2 Pastillas de guitarra eléctrica Las pastillas de guitarra eléctrica también generan una señal eléctrica, en este caso, en función de las vibraciones de las cuerdas de la guitarra (que son de tipo metálico, material ferromagnético). Las pastillas se basan en unas bobinas con unos núcleos que son imanes (un imán por cada cuerda). En este caso no existe movimiento entre la bobina y el imán; tanto la bobina como el núcleo (imán) son fijos. La generación de f.e.m. por la bobina se basa en que las vibraciones de las cuerdas (al ser de material ferromagnético) modifican la cantidad de líneas de fuerza magnética que actúan en la bobina, ya que la vibración de la cuerda es muy cercana al imán; al vibrar la cuerda, desvía parte de la fuerza magnética, y hace que la bobina reciba variaciones de flujo magnético. Si las cuerdas no vibran, no se tocan, el flujo magnético que recibe la bobina es constante, no hay variaciones de flujo magnético y por lo tanto la bobina no genera f.e.m. Como se sabe, para que se genere f.e.m. la bobina debe recibir variaciones de flujo magnético (si el flujo es constante, no se induce f.e.m.). Pues en los efectos electromagnéticos se basa la generación de electricidad en muchos dispositivos sencillos habituales en la práctica, así como la energía eléctrica en las centrales eléctricas (se basan en máquinas eléctricas, alternadores). En los coches la recarga de la batería se consigue mediante un alternador, cuyo movimiento de giro se lo trasmite el motor por medio de una correa; está claro que en reposo (motor parado), el alternador no genera electricidad. Pues todo esto es así porque las máquinas eléctricas generadoras de electricidad (dinamo y alternador) basan su funcionamiento en el principio fundamental de que cuando hay movimiento relativo entre un campo magnético y una bobina, se genera f.e.m. en la bobina.

9.2 Ejemplos prácticos

de electromagnetismo

Con una bobina, un imán y un polímetro (mejor analógico) se pueden experimentar, de una forma sencilla, los principios fundamentales del electromagnetismo. Y de forma muy sencilla, la bobina y el imán lo podemos obtener con un simple altavoz; ya que la base del altavoz se basa en un imán y una (muy pequeña) bobina móvil. Así, con sólo un pequeño altavoz y un tester, y mejor si disponemos de osciloscopio, podemos experimentar de una forma sencilla los principios sobre: • Generador de electricidad (alternador) • Micrófono • Motor eléctrico

9.2.1 Experimentación de corrientes inducidas A la bobina le conectamos un polímetro analógico (de aguja) como medidor de corriente (fig. 9.2). Según sea la bobina y la potencia del imán, para detectar las pequeñas corrientes que se inducen puede ser necesario seleccionar la escala más sensible del polímetro (por ejemplo, de 50 μA). Si movemos el imán en las proximidades de la bobina, mejor si se puede introducir en ella, se pueden observar movimientos de la aguja del galvanómetro; esto es porque en la bobina se engendra fuerza electromotriz (f.e.m.), o sea, una corriente inducida. En el movimiento de acercamiento (o introducción) del imán, uno de los terminales de la bobina se hace positivo con respecto al otro. Y en el movimiento de alejamiento, al invertir el sentido del movimiento, se invierte también la polaridad de la f.e.m. inducida. Y si se invierte la polaridad del imán también se invierte la polaridad de la f.e.m. inducida.

147


Movimiento de entrada-salida

N

Seleccionar la escala más sensible (unos 50μA)

V

I +

S

Figura 9.2. Generación de electricidad por medio de un imán y una bobina; se puede comprobar de forma simple con el tester.

Así pues, si un imán se introduce y saca rápidamente de una bobina se puede generar una f.e.m. cuya polaridad irá cambiando al ritmo del movimiento (fig. 9.3); pues esto es corriente alterna, y es el principio de funcionamiento de los alternadores. Al cesar el movimiento deja de inducirse f.e.m., aunque el imán este junto a la bobina y por muy fuerte que sea su campo magnético; si está todo en reposo, no se genera f.e.m. Movimiento de entrada-salida Imán

S

N

f.e.m.

+ 0V Figura 9.3. Con un imán y una bobina se puede generar tensión alterna.

_

Para que la forma de onda de la corriente alterna generada sea de tipo senoidal, el movimiento tiene que hacerse adecuadamente; normalmente de giro, según la estructura que se representa en la figura 9.4. La bobina (inducido) gira a una cierta velocidad cortando las líneas del campo magnético generadas por los polos magnéticos (inductor). En este principio se basan las máquinas generadoras de electricidad, alternadores.

148


Movimiento circular

S

N

Escobilla Anillo rozante +V +

Tensión alterna (Onda senoinal)

0 Figura 9.4. Generador elemental de tensión alterna senoidal; principio del alternador.

_ -V

Actividades propuestas 1. ¿Qué se entiende por corrientes inducidas? 2. ¿En qué principio del electromagnetismo se basa la generación de corriente alterna? Representar y explicar cómo se puede experimentar este principio de una forma sencilla. 3. Indicar tres ejemplos de dispositivos que generan señal eléctrica basados en el electromagnetismo. 4. Si en el circuito de la figura 9.3 el imán se deja quieto en medio de la bobina, ¿Se generará f.e.m. en la bobina? ¿Por qué?

Actividades prácticas Electromagnetismo práctico Una forma sencilla de experimentar estos efectos físicos (en ocasiones utilizada por el autor en clases prácticas) es utilizando un altavoz y un polímetro de aguja. Como el altavoz tiene una pequeña bobina móvil (cuyo movimiento se trasmite al cono) con un imán en su interior, se obtiene una estructura similar a la representada anteriormente (figura 9.3); en este caso, una bobina móvil y un imán fijo, lo cual permite generar corriente, o bien producir movimiento (efecto motor) aplicando corriente a la bobina. Los efectos son reversibles. Generador de f.e.m. Moviendo el cono rápidamente (pero suavemente) con los dedos se puede hacer mover la bobina y poder generar así una débil f.e.m. Si conectamos los terminales del altavoz (que son los que van a la bobina) a un polímetro de aguja y seleccionamos la escala de corriente más sensible (unos 50 μA), al mover el cono se pueden observar unos movimientos de la aguja del polímetro (fig. 9.5); son las corrientes inducidas en la bobina, que se producen debido a que, en su movimiento, corta líneas del flujo magnético del imán. De esta manera se puede experimentar el principio del generador de electricidad (alternador). Esto también se puede experimentar aun mejor utilizando un osciloscopio.

149


Al mover el cono se pueden detectar pequeñas corrientes en el tester. Seleccionar la escala más sensible (50μA)

Altavoz

f.e.m. Movimiento

Figura 9.5. El sistema electromagnético del altavoz permite que se genere electricidad al mover el cono, ya que así se mueve también la bobina.

Actividades prácticas Micrófono También se puede experimentar el principio del micrófono; si hablamos frente al cono del altavoz, el aire de la voz puede mover algo el cono; se obtiene así una señal eléctrica en la bobina móvil que es función de las variaciones de la presión sonora de la voz. En este caso, debido a lo débil de la señal eléctrica, es mejor utilizar un osciloscopio que un polímetro, y de paso se puede observar la forma de onda de la voz (fig. 9.6). Señal eléctrica correspondiente a las vibraciones (sonido) que recibe el altavoz. OSCILOSCOPIO

TIME/DIV

V/DIV

V/DIV

CH1

CH2

Ondas acúscas (sonido) Figura 9.6. El sistema electromagnético del altavoz hace que actúe como generador de señal eléctrica; en este caso, se comporta como micrófono.

Altavoz (que actúa como Micrófono). Ajustando adecuadamente los mandos de sensibilidad (V/Div) y base de tiempos del osciloscopio (Time/Div), se pueden observar los niveles de señal eléctrica y la forma de onda de los sonidos. Las formas de onda de los

150


Actividades prácticas sonidos (música, voz, ruidos) aparecen como formas de onda complejas no definidas; sólo se observan señales definidas, tipo senoidal, con sonidos fijos como el de una flauta. Y si silbamos, también se observa una forma aproximadamente senoidal. Motor eléctrico. Altavoz También se puede experimentar el principio de funcionamiento del motor eléctrico. Como el polímetro lleva una pila para la función como óhmetro, seleccionando la escala Ω × 1 podemos aplicar una pequeña corriente a la bobina móvil del altavoz. Se puede comprobar así como, al tocar con las puntas de prueba del polímetro en los terminales del altavoz, el cono se mueve a la vez que se emiten unos pequeños ruidos (fig. 9.7). En este caso, se utiliza el altavoz como motor; al aplicar corriente a la bobina del altavoz, el campo magnético que genera interactúa con el del imán fijo y se producen movimientos de atracción-repulsión que hacen que el cono se mueva y, como consecuencia, se emiten una vibraciones de presión al aire que son el sonido. De hecho, así es como se usa el altavoz en los equipos de sonido; como convertidor de señales eléctricas en mecánicas (las vibraciones del cono se trasmiten al aire y se produce una vibración de las moléculas del aire; el sonido son ondas mecánicas). Las señales eléctricas de voz e instrumentos musicales, obtenidas por medio de micrófonos, después de ser debidamente amplificadas y procesadas, finalmente son aplicadas al altavoz para que éste las convierta en señales acústicas (sonido).

Figura 9.7. El sistema electromagnético del altavoz también puede actuar como motor; la corriente aplicada en la bobina hace que se mueva el cono. En este principio funciona el altavoz como tal; convierte las señales eléctricas que le proporciona el amplificador en ondas acústicas (sonido).

Al tocar los terminales del altavoz con las puntas del polímetro, se mueve el cono y se emiten unos sonidos.

V

I +

9.3 Ley de Lenz Los efectos sobre inducción electromagnética obedecen a la denominada ley de Lenz, que resumidamente dice: “La fuerza electromotriz inducida se opone siempre a la causa que la origina” Esto se puede llegar a experimentar, por ejemplo, mediante una bobina y un imán (fig. 9.8). Como se sabe, el movimiento de acercamiento de un imán hacia una bobina hace que se induzca una f.e.m. en la bobina, que pueda dar lugar a una corriente (si se cierra el circuito). Por otra parte, también se sabe que cuando por una bobina circula corriente ésta genera campo magnético. Pues si acercamos un imán a una

151

Unidad 9 · La inducción electromagnética y sus efectos prácticos bobina (con una carga en sus terminales para que pueda circular corriente) en ésta se inducen unas corrientes cuyo sentido de circulación hará que aparezca un campo magnético cuya polaridad se opondrá al acercamiento del imán; o sea, aparece una fuerza de repulsión (oposición a la causa). En cambio, en el movimiento de separación, la corriente inducida en la bobina es de sentido contrario al anterior y se produce una fuerza de atracción; se opone a que se separe el imán (oposición a la causa). Movimiento del imán

S

N

I Figura 9.8. Conectando una carga en la bobina (para que circule corriente), se puede experimentar la ley de Lenz.

Tensión inducida R

9.4 Ley de Faraday Experimentalmente también se sabe que la magnitud de f.e.m. generada en una espira (o bobina) es proporcional a la rapidez de variación del flujo magnético en la unidad de tiempo. O sea, cuanto mayor sea la cantidad de líneas de fuerza cortadas por la espira y más rápido sea el movimiento mayor es la magnitud de f.e.m. inducida. Esto se conoce por ley de Faraday, lo cual se expresa matemáticamente por:

Esta fórmula es la expresión matemática de una velocidad; en este caso, la de variación del flujo magnético. Da cuenta del valor de la f.e.m. generada en una espira en función de la rapidez de variación del flujo. El signo negativo (−) es para indicar que la f.e.m. inducida será siempre de signo tal que se opondrá a la causa que la origina. La f.e.m. inducida, al ser una tensión eléctrica, se mide en voltios; así, se tiene que 1 V = 1 Weber/1 segundo. En el caso de n espiras (una bobina), como las espiras están en serie, la f.e.m. inducida es la suma de las inducciones en cada espira. Se tiene entonces:

La f.e.m. también se suele representar por la letra E.

Actividades desarrolladas Ejercicio 1: Supongamos una bobina de n = 100 espiras por la cual circula una corriente que da lugar a un flujo de 0,01 Wb por espira. Si debido a un aumento de corriente el flujo aumenta a 0,05 Wb en un tiempo de 0,05 segundos, en la bobina se inducirá una f.e.m. (tensión) de:

152


Actividades desarrolladas Y la polaridad de los 80 V será tal que se opondrá al aumento de flujo (ley de Lenz). Debido al efecto de oposición que presenta la tensión inducida, ésta también se suele denominar fuerza contra electromotriz (f.c.e.m.). Ejercicio 2: Supongamos una bobina de 400 espiras por la cual circula una corriente continua tal que el flujo es de 0,03 Wb por espira. Si debido a una disminución de la corriente, el flujo se reduce a 0,02 Wb en 0,001 segundos, en la bobina se inducirá una tensión de:

9.5 Efecto de autoinducción. Inductancia Dos conceptos fundamentales a tener en cuenta sobre este importante concepto son: • Siempre que, por cualquier causa, se produce una variación en las líneas de flujo que cortan a una espira se induce en ella una f.e.m. • La circulación de corriente a través de un circuito siempre da lugar a una campo magnético en el espacio circundante. Así, la circulación de un valor constante de corriente a través de una bobina da lugar también a un valor constante de campo magnético. Pero si se produce una variación de la intensidad de la corriente (ΔI) también se produce una variación del campo magnético (Δφ), y esta variación de líneas de flujo, como se sabe, hace que se induzca f.e.m. en las espiras que corten, que pueden ser las de otra bobina o las de ella misma. Cuando en una bobina se genera una f.e.m. inducida por ella misma, a esto se denomina efecto de autoinducción, puesto que es ella misma la que se induce la f.e.m. Pues este fenómeno físico ocurre siempre en las bobinas cuando se producen variaciones de corriente, por ejemplo, en los momentos de conexión y desconexión a la fuente de tensión. Así, a causa del fenómeno de la autoinducción, en las bobinas se produce un efecto de oposición a las variaciones de corriente. Las variaciones de corriente (ΔI) dan lugar a variaciones de flujo magnético, y las variaciones de flujo hacen que se induzca una f.e.m. (E) con una polaridad que se puede restar o sumar con la fuente de tensión, según la variación sea de aumento o decremento; la f.e.m. tiende así a que se compense la variación de corriente.

9.5.1 Impulsos de elevada f.c.e.m. en la desconexión de la bobina Un aspecto muy importante en la práctica, es que se pueden dar valores de f.c.e.m. instantáneos (impulsos de corta duración) de elevado voltaje si existe una circulación intensa de corriente y se corta bruscamente su paso. Esto es típico cuando se controla directamente la bobina mediante un interruptor. Por ello, en circuitos del tipo como el de la figura 9.9, en el instante de abrir el interruptor puede aparecer, entre los contactos, un arco eléctrico (chispas) que hasta pueden dañar los contactos. En la práctica, el efecto de la autoinducción tiene sus utilidades pero también sus defectos. Por ejemplo, es aprovechado en el sistema de encendido del automóvil para obtener los impulsos de elevado voltaje que se aplican a las bujías; se consigue mediante la bobina de encendido, un circuito basado en el de la figura 9.9.

153


Impulsos de alta tensión (para las bujías)

Bobina alta tensión

Batería 12 V Figura 9.9. Al desconectar la bobina primaria, se genera un impulso de alta tensión, como efecto de la autoinducción. En este sistema se basa la generación de la chispa en las bujías en los motores de los coches.

Condensador para eliminar las chispas en los contactos. C

Por otra parte, también es la causa de las chispas típicas que se producen entre los contactos de los interruptores que controlan aparatos basados en bobinados (relés, transformadores, motores, etc.), que da lugar a que con el tiempo se deterioren.

9.5.2 Coeficiente de autoinducción Como se sabe, el flujo magnético generado por una bobina tiene su origen en la corriente que circula por ella; o sea, es proporcional a la intensidad. A la constante de proporcionalidad entre el flujo magnético que genera (Φ) y la corriente que por ella circula (I) es lo que se denomina coeficiente de autoinducción o inductancia, y se simboliza por L. O sea:

El coeficiente de inductancia (L) de una bobina se puede ver pues como la capacidad que tiene una bobina para generar flujo magnético cuando por ella circula corriente (fig. 9.10).

I

VB

L=

Φ I

Flujo magnéco (Φ)

Figura 9.10. Inductancia.

Cuanto más cantidad de flujo magnético genere una bobina para una cierta intensidad de corriente más inductancia tiene. Así, una bobina tendrá más inductancia que otra si para un mismo valor de corriente genera más campo magnético El valor de inductancia se mide en henrios, que se simboliza por H. Una bobina tiene la inductancia de 1 H si genera un flujo magnético de 1 Wb cuando por ella circula la intensidad de un amperio:

154

Unidad 9 · La inducción electromagnética y sus efectos prácticos Se utilizan mucho también, especialmente, en electrónica los submúltiplos del henrio: Milihenrio (mH) ⇒ 1 mH = 0,001 H Microhenrio (μH) ⇒ 1 μH = 0,000001 H Así, la f.e.m. (E), combinando formulas anteriores, también se puede expresar por:

Y de esta fórmula se obtiene que la inductancia también se puede expresar por:

De donde se puede deducir también la unidad de inductancia: Una bobina tiene una inductancia de 1 henrio (1 H) si se induce en ella una f.e.m. de 1 voltio (E = 1 V) cuando la variación de corriente que la recorre es de 1 amperio (ΔI = 1 A) en 1 segundo (Δt = 1 s).

Actividades desarrolladas Ejercicio 1: Si en una bobina de L = 2 H la corriente aumenta de 0,1 a 3 A en un tiempo de 0,05 s, la fuerza electromotriz autoinducida es:

Ejercicio 2: Si en una bobina se detecta un pico de f.e.m. de 1.500 V haciendo que se produzca una variación de corriente de 18 A en un tiempo de 0,003 segundos, el valor de inductancia de la bobina es:

9.6 Constante de tiempo Tanto en la conexión como en la desconexión de la bobina a la fuente de tensión, la corriente tarda un cierto tiempo en adquirir los valores nominales de reposo. Al igual que ocurre con los condensadores, en las bobinas también aparece el concepto de constante de tiempo.

9.6.1 Constante de tiempo en la conexión Se denomina constante de tiempo, al tiempo que tarda en llegar la corriente al 63,2 % de su valor máximo. Y dicho tiempo viene dado por la relación entre la inductancia de la bobina y la resistencia del circuito (fig. 9.11):

O sea, que:

155


IL

VB R 0,63

VB R

Figura 9.11. Forma de aumentar la corriente en la bobina en la conexión.

τ=

L R

τ

0

t

Así pues, el tiempo en alcanzar el valor máximo de corriente será mayor cuanto mayor sea la inductancia de la bobina y menor sea la resistencia. Si la inductancia es muy baja, entonces el tiempo de subida es muy rápido; está claro que si no hay efecto inductivo (L = 0), entonces t = L/R = 0 y no existe ningún retardo (es un circuito puramente resistivo). En la práctica, la corriente se considera que ha alcanzado su valor máximo al cabo de cinco constantes de tiempo (5 τ) (fig. 9.12):

IL

VB R 0,632

Figura 9.12. Constante de tiempo.

IL( máx .)

VB R

0

τ

2τ

3τ

4τ

5τ

t

Ejemplo En el circuito siguiente (figura 9.13), la constante de tiempo en la conexión (conmutador en la posición A) vale:

Y el valor máximo de corriente que se puede dar es:

O sea, que al cabo de t = 0,2 s de la conexión el valor de la corriente será (fig. 4.29b): Y el valor máximo de corriente se alcanzará al cabo de:

156


Ejemplo

A B

R1 10Ω VB 100 V

R2 20Ω

L 2H

Figura 9.13.

9.6.2 Constante de tiempo en la desconexión Cuando la bobina se desconecta de la fuente de tensión, la energía electromagnética de la bobina se transforma en una corriente eléctrica que circula a través de la resistencia que se encuentra en paralelo con la bobina. Y la corriente tiende a cero de una forma exponencial. Al cabo de una constante de tiempo el valor de la corriente es:

O sea, la corriente queda a un 36,8 % del máximo (se reduce un 63,2 %). Y al cabo de cinco constantes de tiempo, 5 L/R, la corriente es ya prácticamente cero (fig. 9.14):

IL

Desconexión

E R

IL(máx .)

τ= 0,368

Figura 9.14. Forma de disminuir la corriente en la bobina, en la desconexión.

E R

0

L R

τ

5τ

t

9.6.2.1 Impulso de f.c.e.m. En el instante de la desconexión de una bobina, o sea, al desconectarle la tensión, la bobina genera un impulso de tensión (f.c.e.m.) que puede resultar muy elevado. Su valor viene dado por la fórmula:

Cuanto mayor sea el valor de la corriente en el momento de la desconexión y más rápido sea el corte, de mayor magnitud será el impulso de f.c.e.m. generado. 157


Actividades desarrolladas En el circuito siguiente (figura 9.15):

Figura 9.15.

Constante de tiempo en la desconexión En el instante de la desconexión (el conmutador cambia a la posición B) la corriente disminuye con una constante de tiempo de:

En este caso, se debe tener en cuenta la suma de las dos resistencias ya que la corriente de descarga de la bobina circula por las dos. Así, al cabo de 0,066 segundos el valor de la corriente será:

Y la corriente se habrá reducido prácticamente a cero al cabo de 5 τ:

Cálculo del impulso de f.c.e.m. En el instante de la desconexión (el conmutador pasa de la posición A a la B), como la constante de tiempo vale:

Y el valor máximo de corriente es:

Aplicando la fórmula:

Este valor se comprueba también basándonos en el razonamiento de que en el instante de la desconexión se mantiene el valor de la corriente que esté circulando en ese momento. Así, como que IL(máx.) = 10 A:

158

Unidad 9 · La inducción electromagnética y sus efectos prácticos Así pues, queda claro que cuanto mayor sea el valor resistivo que queda en paralelo con la bobina en el momento de la desconexión, menor es la constante de tiempo y de mayor voltaje resulta el impulso de f.c.e.m., dando esto lugar asimismo a una mayor velocidad inicial de disminución de la corriente. Debido a este efecto, se deben tener ciertas precauciones cuando se trabaja con bobinas, transformadores, motores; ya que estos impulsos pueden ser de elevada magnitud y, entre otros sustos, pueden dañar componentes como contactos y dispositivos electrónicos.

Actividades finales 1. ¿Qué se entiende por corrientes inducidas? 2. En el caso de un micrófono (dinámico), explicar cómo es el proceso de generación de señal eléctrica en función de las ondas sonoras. 3. Explicar en qué estructura se basa una pastilla de guitarra eléctrica para convertir las vibraciones de la cuerda (metálica) en señales eléctricas. 4. Explicar cómo se genera la corriente alterna en la estructura representada en la figura 9.2. ¿Cómo se denomina este tipo de máquina? 5. ¿Qué indica la ley de Lenz? Explicar una aplicación que permita su experimentación. 6. Explicar el concepto de inductancia. ¿En qué unidad se mide? 7. ¿Por qué razón se suele o debe poner un condensador en paralelo con el interruptor que alimenta una bobina? 8. En qué se basa la generación de la alta tensión para producir la chispa en las bujías de un coche, si la batería del coche es de 12 V. 9. Explicar y representar el gráfico del concepto constante de tiempo en la bobina. ¿Por qué se produce? 10. Dado el circuito siguiente (fig. 9.16). En la desconexión (el conmutador cambia de la posición A a la B), hallar: a) El valor de la constante de tiempo b) El valor del impulso de f.c.e.m.

Figura 9.16.

159

Unidad 10

Corriente alterna: Principios y características

Objetivos: Saber los principios fundamentales relacionados con la corriente alterna, ya que es como se obtiene de la red eléctrica. Y esta tensión es la base para la alimentación de los equipos electrónicos conectados a la red eléctrica. Aparecen conceptos fundamentales como ciclo, frecuencia, valor de pico, valor eficaz, etc. que se deben conocer y saber utilizar, ya que además de en temas de alimentación se utilizan en las señales que procesan aparatos electrónicos tales como equipos de sonido, radio, TV, etc.


Principios sobre corriente alterna. La red de suministro de energía eléctrica.

10.6 10.7

10.3

Generación de corriente alterna. El alternador. Valores de tensión. Desfase de ondas.

10.8 Impedancia. 10.9 Potencia en alterna. 10.10 Corriente alterna trifásica.

10.4 10.5

La bobina en alterna. El condensador en alterna.

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características

10.1 Principios sobre corriente alterna La corriente alterna se caracteriza porque su sentido de circulación va cambiando periódicamente, debido a que su polaridad se va alternando continuamente; de ahí su denominación. Es una corriente bidireccional. En cambio, la corriente continua se caracteriza porque su sentido de circulación no varía; es una corriente unidireccional. En la figura 10.1 se muestra un circuito para ilustrar cómo una carga (RL) podría recibir una tensión cuya polaridad puede ir cambiando, o sea; una tensión alterna. Accionando rápidamente el conmutador, la carga recibiría una tensión de polaridad cambiante a la frecuencia de accionamiento del conmutador. Conmutador accionado rápidamente Corriente bidireccional

A

B

B

I=

RL

12V

12V

12V = 6A 2Ω

A

Figura 10.1. Circuito que permite que la carga (RL) pueda recibir corriente alterna.

Y esta tensión alterna dará lugar a su vez a la circulación de una corriente que va cambiando de sentido, o sea; una corriente alterna. Obviamente, para ello el conmutador debe ir cambiando de posición, y la velocidad de cambio determinará lo que se conoce por frecuencia. En este caso, se obtiene una corriente alterna de forma rectangular (fig. 10.2).

+12V

0

-12V

Tensión alterna en R1

Conmutador en la posición A

t Conmutador en la posición B

Corriente alterna en R1 6A Figura 10.2. Corriente alterna que recibiría la carga en un circuito como el de la figura 10.1.

0

t

6A

161

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características En la práctica existen sistemas electrónicos que funcionan bajo este mismo principio; son los convertidores de corriente continua a corriente alterna, y el elemento conmutador, obviamente, es de tipo electrónico (transistores y tiristores). Hay que tener en cuenta que el sentido de circulación de la corriente no afecta al desarrollo de energía. Por ejemplo, es muy fácil comprender (y comprobar) que la bombillita de una linterna se encenderá con la misma potencia independientemente de la posición con que se ponga la pila. En la figura 10.3 se representa un ejemplo con una resistencia; la potencia desarrollada en la resistencia es la misma (24 W) independientemente del sentido de circulación de la corriente. La potencia eléctrica desarrollada es independiente del sendo de circulación de la corriente.

P = 12 × 2 = 24W

P = 12 × 2 = 24W

2A 12V

6Ω

12V

6Ω

2A

10.1.2 Forma de onda

Figura 10.3.

A la representación gráfica de la variación de una tensión (o corriente) en función del tiempo se denomina forma de onda. En una tensión continua ideal este gráfico es pues una línea recta horizontal; la tensión es constante, no varía. Por ello, esto resulta en una corriente cuyo valor y sentido también es constante. En cambio, una tensión alterna de forma de onda senoidal da lugar a una corriente cuyo sentido de circulación y magnitud van cambiando de forma periódica; este es el tipo de onda que se obtiene de la red eléctrica. Esto se representa en la figura 10.4. Tensión alterna (forma senoidal)

Tensión connua (ideal) +V V

+ Valor constante

0

Figura 10.4. Representación de la tensión continua y tensión alterna típica.

162

empo

0

+ _

_

empo

-V

10.1.3 Señales pulsatorias Una corriente puede ser continua, o sea, su sentido no variar, pero su magnitud puede no ser constante; es el caso de lo que se denomina corriente continua pulsatoria. En la figura 10.5 se muestra un ejemplo de tensión pulsatoria y el circuito que permite obtenerla. El accionamiento continuado del elemento interruptor que (puede ser mecánico o electrónico) da lugar a la tensión pulsatoria.


Elemento Tensión connua pulsatoria Interruptor cerrado

I

5V

5V

RL

Interruptor abierto

0 empo Figura 10.5. Tensión continua pulsatoria.

Una forma de tensión pulsatoria típica, que aparece mucho en electrónica, es la mostrada en la figura 10.6; la variación de tensión es de tipo senoidal, ya que se obtiene al rectificar la tensión de la red. +V

Figura 10.6. Tensión continua pulsatoria; es la que se obtiene al rectificar la corriente alterna senoidal.

Tensión connua pulsatoria

0V Aunque su tensión es variable en función del tiempo, al no cambiar de polaridad es una tensión continua. Asimismo, también puede existir una tensión alterna pero de magnitud constante en las dos polaridades; es el caso de la forma de onda cuadrada (figura 10.2); sólo varía el sentido de circulación.

10.1.4 Corriente alterna de forma senoidal La energía eléctrica que se obtiene de la red es alterna y de forma senoidal (fig. 10.7).

Alternador

Figura 10.7. El alternador genera la tensión de forma senoidal.

G

+

Esto es así porque es el tipo de energía que generan las máquinas generadoras de las centrales eléctricas; alternadores. En la onda senoidal, inicialmente (t = 0) la tensión es cero y empieza a aumentar hasta llegar a un valor máximo positivo, a partir del cual empieza a disminuir hasta volver a cero; esta parte de la onda se conoce por semiciclo positivo. Después vuelve a aumentar la tensión pero con polaridad contraria, hasta llegar a un valor máximo negativo a partir del cual vuelve a disminuir hasta volver otra vez a cero; esto es el semiciclo negativo.

Actividades propuestas 1. Definir el concepto de corriente alterna. ¿Es lo mismo que tensión alterna? 2. Qué recibe el circuito de la figura 10.3 ¿corriente continua o alterna? 3. Definir una corriente pulsatoria, representar algún ejemplo. 163


10.2 La red de suministro

de energía eléctrica

La razón fundamental de que en la red se suministre corriente alterna en vez de continua se basa en que ésta puede transformarse de valor fácilmente (mediante transformadores). Esto da lugar a un abaratamiento de los costes de los cables de transporte de la energía eléctrica y, además, permite disponer fácilmente de diferentes valores de tensión según las aplicaciones.

10.2.1 Transporte de la energía eléctrica Los transformadores permiten obtener de una forma sencilla diferentes valores de tensión. Se puede trasformar el voltaje de una forma sencilla y con un elevado rendimiento. Su utilización es lo que permite generar elevados voltajes en las centrales (miles de voltios) y que el usuario reciba la tensión normalizada de 230 V. Al poder transportar la energía de las centrales eléctricas con alta tensión, como para un mismo valor de potencia cuanto mayor es la tensión menor resulta la intensidad, los cables pueden ser más delgados y esto permite reducir su peso y en consecuencia su costo. Hay que tener en cuenta que la potencia transportada viene dada por: Y como se deduce, para un mismo valor de potencia la intensidad de la corriente resulta más baja cuanto más elevado sea el voltaje. Y, como se sabe, la sección de los cables (el grosor) debe ser mayor cuanto mayor es la intensidad que debe circular. Es por ello que transportando tensiones altas los cables pueden ser más delgados. Por otra parte, esto da lugar también a una reducción de las pérdidas de potencia en los cables por calentamiento (efecto Joule) ya que la energía disipada es proporcional al cuadrado de la intensidad que circula:

Actividades desarrolladas Supongamos que una central generadora de electricidad debe suministrar una potencia eléctrica de 55.000 W (55 kW) a una cierta población. Si el suministro de dicha potencia se hace con una tensión de 220 V, por las líneas de transporte (cables) deberá circular una intensidad de corriente de (fig. 10.8):

Central generadora G

250 A Usuarios 220 V

M

Potencia suministrada:

Potencia (teórica) recibida:

P = 250 × 220 = 55.000W

P = 250 × 220 = 55.000W

Figura 10.8.

Pero si esta misma potencia eléctrica se suministra con un voltaje de 220.000 V, la intensidad resulta mucho menor (fig. 10.9):

164



0,25 A

Central generadora

250 A Usuarios

220 kV

G

220 V

M

Potencia suministrada:

Potencia (teórica) recibida:

P = 0,25 × 220.000 = 55.000W

P = 250 × 220 = 55.000W

Figura 10.9.

Esto, como es evidente, supone un abaratamiento del coste de las líneas de transporte que van desde la central hasta el transformador (que son las que tienen que cubrir más largas distancias), al poder utilizar cables de mucha menos sección. Asimismo, las pérdidas por efecto Joule (que, al ser una energía consumida, también se paga) serán mucho menores. Eso si, para lograr esto se precisa de un equipo de transformación que reduzca los 220.000 V a 220 V. En la práctica esto es así con unas tensiones determinadas y por medio de varias etapas transformadoras. En el caso de que las centrales suministraran corriente continua, entre otros problemas, resultaría muy costoso y complicado la transformación del voltaje; en cambio, como ventaja, no serían necesarios los circuitos de conversión de corriente alterna a corriente continua (rectificadores) que deben utilizarse en todos los aparatos de electrónica que se alimentan por medio de la red.

10.3 Generación de corriente alterna El alternador

La generación de la corriente alterna se basa en el principio del electromagnetismo que dice: “cuando un conductor (una bobina, en la práctica) se mueve cortando líneas de flujo magnético se genera en él f.e.m.” La estructura elemental del alternador se basa en unos polos magnéticos (inductor) que originan el flujo magnético, y una bobina (inducido) en la cual se genera la f.e.m. cuando ésta se mueve (fig. 10.10). La magnitud de la f.e.m. generada depende de la fuerza magnética del inductor, del número de espiras y de la velocidad de giro de la bobina del inducido. Una onda completa de corriente alterna se genera con cada vuelta completa que da el inducido. Y, como se sabe, la circunferencia se divide en 360º. Pero también se emplea, y muy especialmente en electricidad, la unidad angular que se llama radián. Como que un radián es un ángulo cuyo arco es igual al radio y la longitud de la circunferencia viene dada por L = 2π r, el número de radianes que tiene la circunferencia es:

Por tanto, el ángulo completo de la circunferencia se puede expresar como 360° ó también como 2π rad.

165


Movimiento circular de la espira (inducido)

Flujo magnéco generado por los polos magnécos (inductor)

Escobilla Anillo rozante

Tensión alterna (forma senoidal)

RL

Vsalida

Un ciclo: se genera en una vuelta del inducido Figura 10.10. Estructura elemental de un generador de tensión alterna; alternador.

10.3.1 Ciclo Un ciclo se puede definir como el recorrido completo que hace la onda que se repite periódicamente (fig. 10.11). Semiciclo posivo +V

0

90°

180°

270°

360°

Semiciclo negavo -V

Figura 10.11. Ciclo de una onda senoidal.

Un ciclo Normalmente, se toma el recorrido que hace desde el valor cero de inicio de la onda, a partir del cual empieza a hacerse positivo, hasta que vuelve al mismo punto desde el semiciclo negativo. Así, un ciclo se compone de dos semiciclos; el negativo (−) y el positivo (+). Como en una vuelta completa de la espira (fig. 10.10) se recorre un ángulo de α = 360° = 2π rad, en este recorrido se genera un ciclo de la onda; una onda completa. Es por ello que los ciclos de las ondas a veces se representan divididos en grados o radianes, como se muestra en la figura 10.11.

10.3.2 Periodo El tiempo en dar una vuelta completa el inducido del generador, o sea, en generarse un ciclo, se llama periodo, y se expresa por T. Su unidad es el segundo.

10.3.3 Frecuencia La frecuencia se define como el número de ciclos que se efectúan por segundo. Su unidad es el Hercio, que se representa por Hz. 166

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características Por ejemplo, si la bobina del inducido del generador elemental (fig. 10.10) da una vuelta por segundo, se generará una onda con una frecuencia de 1 ciclo por segundo (f = 1 Hz). Y el tiempo del periodo será pues de un segundo (T = 1s). Y si diera 5 vueltas por segundo la frecuencia sería de f = 5 Hz; se efectuaría un ciclo cada 0,2 segundos (T = 0,2 s). Estos conceptos se representan en la figura 10.12.

f = 1 Hz f = 5 Hz T = 0,2 s

Ciclo 1 Ciclo 2 Ciclo 3

Ciclo 4

Ciclo 5

1 segundo T=1s Figura 10.12. Frecuencia; ciclos por segundo.

Como se deduce, la frecuencia es el inverso del periodo; cuanto menos tiempo dura el periodo, mayor es la frecuencia; de ahí la típica expresión:

Ejemplo Cuanto menor es el tiempo del periodo mayor es la frecuencia: T = 1 s ⇒ f = 1/1 = 1 Hz T = 0,2 s ⇒ f = 1/0,2 = 5 Hz T = 0,02 s ⇒ f = 1/0,02 = 50 Hz En una señal cuyo periodo es T = 0,001, el valor de su frecuencia es:

Y, como se deduce, el tiempo de periodo es el inverso de la frecuencia:

Así, cuanto mayor es la frecuencia menor es la duración del periodo.

Ejemplo f = 1 Hz ⇒ T = 1/1 = 1s f = 5 Hz ⇒ T = 1/5 = 0,2 s f = 50 Hz ⇒ T = 1/50 = 0,02 s Así, en una señal de f = 20.000 Hz se hacen 20.000 ciclos por segundo; cada ciclo durará:

167

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características La frecuencia de la red eléctrica en Europa está normalizada a 50 Hz, y en Estados unidos a 60 Hz.

Múltiplos del Hz que se utilizan normalmente Kilohercio ⇒ 1 kHz = 1.000 Hz Megahercio ⇒ 1 MHz = 1.000.000 Hz Gigahercio ⇒ 1 GHz = 1.000.000.000 Hz

10.3.4 Ondas de sonido y de radio El sonido son vibraciones de la presión del aire; la fuente de sonido (voz, guitarra, etc.) hace que las moléculas del aire se pongan en vibración, y esta vibración se propaga, de molécula en molécula, hasta llegar al oído. La vibración del tímpano del oído es trasmitida, por medio de fibras nerviosas, al cerebro y la percibimos como sensación de sonido. Así pues, en el tema del sonido también aparece el concepto de frecuencia. Las personas sólo podemos sentir sensación sonora si las vibraciones que nos llegan se encuentran en la gama de 20 Hz a 20 kHz; esto es la gama estándar de frecuencias audibles. Aunque, en la práctica, a partir de unos 16 kHz se suele empezar a perder audibilidad. En general, el sistema auditivo tiene menos sensibilidad en las frecuencias bajas (graves) y en las altas (agudos). En el tema de las telecomunicaciones también se habla de frecuencias, ya que las emisoras de radio y TV envían al aire, a través de las antenas, ondas de naturaleza electromagnética de unas determinadas frecuencias. Por ejemplo, la banda de frecuencias de la radio FM va de 88 a 108 MHz. O sea, cuando sintonizamos una emisora de FM, por medio de la antena de la radio, se está recibiendo una débil señal eléctrica (del orden de μV) cuya frecuencia puede ser de 93,9 MHz (radio Barcelona). En el receptor, esta débil señal eléctrica es amplificada y procesada adecuadamente de manera que, finalmente, se obtiene una señal eléctrica que, mediante el altavoz, se convierte en sonido (vibraciones del aire).

Actividades propuestas 1. ¿Qué función realizan los transformadores en el transporte de la energía eléctrica? 2. Supongamos que en la actividad desarrollada anterior (fig. 10.8 y 10.9), la potencia a suministrar es de 95 kW y la tensión de usuario es la teórica de 230 V. Calcular los mismos datos. ¿Cómo podrían ser ahora los cables de la sección, más gruesos o más finos? 3. Definir lo conceptos de ciclo, periodo y frecuencia. 4. Calcular el periodo de una señal de f = 100 Hz y otra de 20 MHz.

10.3.5 Velocidad angular Este es un dato muy importante y utilizado en los circuitos de corriente alterna. Como el movimiento del inducido del generador es giratorio (fig. 10.10), aparece el concepto de velocidad angular; ángulo recorrido en función del tiempo, que se expresa por ϖ. Del concepto básico de velocidad se obtiene:

α = ángulo recorrido t = tiempo Su unidad es el radián/segundo. Esta expresión es similar a la conocida formula de la velocidad lineal, v = e / t (espacio recorrido en función del tiempo). Para que se genere una onda completa, un ciclo, la bobina de inducido del generador tiene que dar una vuelta completa, recorrer un ángulo de 2π rad. Y para ello

168

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características requiere un cierto tiempo, que es lo que se conoce por periodo (T). Por tanto, si para t = T ⇒ α = 2π, se deduce:

Y como que el periodo es el inverso de la frecuencia, T = 1 / f, se puede poner:

Así pues, en resumen, se obtiene que la velocidad angular viene dada por:

Por ejemplo, la velocidad angular de una señal de f = 50 Hz es:

Este es un dato muy importante en la técnica de la corriente alterna; pues aparece frecuentemente en el cálculo de circuitos. Por otra parte, el ángulo, α, recorrido en función del tiempo es:

Y para un tiempo igual al del periodo (t = T) el ángulo es:

10.3.6 Generación de la onda de corriente alterna En el generador elemental (fig. 10.10), la espira en movimiento circular uniforme genera una onda de corriente alterna de forma senoidal porque el flujo (Φ) interceptado por la espira es función senoidal del ángulo (α) que forma la espira respecto al plano: Y el valor de la f.e.m. inducida (E), como se sabe, es proporcional a la magnitud de flujo magnético interceptado en la unidad de tiempo (velocidad de variación del flujo):

En la figura 10.13 se hace una representación de cómo se va generando la onda de corriente alterna senoidal en función de la posición que va tomando un vector giratorio; la magnitud de tensión de la onda la define la proyección vertical del vector, lo cual corresponde con el seno del ángulo barrido por el vector:

A cada posición del vector corresponde un valor de tensión de la onda. Así, por ejemplo, cuando el vector se encuentra en la posición de α = 45°, suponiendo que el radio de la circunferencia (longitud del vector) vale 1: Y, como se deduce, la amplitud de la onda es máxima cuando el vector se encuentra verticalmente (para α 90° ó 270°). Cuando su punta está hacia arriba, ángulo de 90°, la amplitud de la onda toma su valor máximo positivo ya que sen 90° = 1. Y cuando la punta está hacia abajo, ángulo de 270°, como que sen 270° = −1, entonces alcanza el máximo valor negativo. 169


ω (rad/s) 135

45

225

315

360

Figura 10.13.

Un recorrido de onda completa (un ciclo) se obtiene cuando el vector da una vuelta completa (ángulo de 360°). Así, por ejemplo, dos vueltas completas darán lugar por tanto a la generación de ondas completas (dos ciclos) como se muestra en la figura 10.14. 2 vueltas ⇒ 2 ciclos

1 ciclo

1 ciclo 2 ciclos

Figura 10.14.

10.4 Valores de tensión La magnitud de las ondas eléctricas se expresa por unos valores determinados que es muy importante conocer; y no es lo mismo hacer la medida con un multímetro o un osciloscopio, ya que las medidas las representan de diferente forma.

10.4.1 Tensión instantánea Es la tensión de la onda en un instante determinado, cuyo valor va variando en función del tiempo. Este valor se puede expresar por:

170

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características Siendo VP la tensión máxima que toma la onda (tensión de pico) que se alcanza en los ángulos 90° y 270°. Y puesto que α = ω t = 2π f t, también se puede expresar por: Los valores de tensión o corrientes instantáneas se suelen representar en minúsculas (o bien, se podría especificar como Vi o Ii).

Ejemplo Supongamos una corriente alterna de f = 1.250 Hz cuya tensión máxima (VP) es de 100 V. La tensión de la onda en el instante t = 0,1 ms, será de: Como el ángulo, en radianes, correspondiente al tiempo t = 0,1 ms = 0,0001 segundos es: la tensión en ese instante será: O bien, de una forma más directa:

En la figura 10.15 se muestra la onda completa, indicando la tensión en el instante t = 0,1 ms del ciclo, que equivale a un ángulo de 45° (π/4 rad). Y claro, por simple observación del gráfico de la onda, también se deducen otros valores instantáneos de la tensión: t = 0,2 ms (90°) t = 0,4 ms (180°) t = 0,5 ms (225°) t = 0,6 ms (270°) t = 0,8 ms (360°)

⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒

Vi = VP = 100 V Vi = 0 V Vi = 70,7 V Vi = VP = 100 V Vi = 0 V

V = 70,7 V ω (rad/s)

VP

100 V 45˚ 45˚ 0,1ms

180˚

360˚

T = 0,8ms (f = 1.250 Hz)

Figura 10.15. Tensión instantánea.

10.4.2 Tensión de pico A la tensión máxima instantánea que se alcanza en el ciclo se llama tensión de pico (VP). Dentro de un ciclo aparecen dos valores de pico; el del semiciclo positivo (+VP) y el del semiciclo negativo (−VP). Y, como se deduce, estas tensiones de pico se alcanzan al cabo de ¼ T y de ¾ T, lo cual equivale a los ángulos de 90° (π/2) y 270° (3/2 π). También aparece el término tensión de pico a pico (VPP), que es la tensión entre los dos valores de pico, o sea: VPP = 2 VP. En la figura 10.16 se representan estos conceptos, en la onda senoidal y cuadrada.

171


+VP +VP 0V

VPP -VP

-VP

+VP

+

+ VPP

0V Figura 10.16. Tensión de pico (VP) y pico a pico (VPP).

-VP

10.4.3 Tensión media El concepto de tensión media, como su nombre indica, se refiere al valor medio de la tensión de la onda. Se basa en la media aritmética de todos los valores instantáneos de tensión que se dan en el intervalo considerado de la onda:

Si la onda es simétrica respecto al eje de tiempos, o sea, la magnitud del semiciclo positivo es igual a la del negativo, entonces el valor medio resultante del ciclo completo es cero. Pero si consideramos el valor medio sólo en un semiciclo de la onda, sería el caso de una tensión continua pulsatoria, entonces el valor medio no es cero; viene dado por la fórmula:

Y, puesto que π = 3,1416, también se puede expresar por:

Ejemplo Si el valor de pico de una tensión pulsatoria es de 10 V, su valor de tensión media es (fig. 10.17):

VP

10 V V m = 6,36 V (Tensión media)

0 Figura 10.17. Tensión media.

172

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características Una cosa muy importante en la práctica es que los voltímetros en continua (en los polímetros se indica por DCV) miden el valor medio; o sea, un voltímetro que recibiera la tensión continua pulsatoria representada en la figura 10.17 marcaría unos 6,3 V.

10.4.4 Tensión eficaz Este concepto está relacionado con la capacidad energética que puede desarrollar una corriente alterna en comparación con una corriente continua. Por cuestiones de tipo de eficiencia energética, se hace necesario conocer el valor de tensión (o corriente) alterna que puede desarrollar la misma potencia eléctrica que una tensión continua del mismo valor; a este valor se denomina valor eficaz. En principio, hay que tener en cuenta que una corriente alterna de un cierto valor de pico desarrolla menos potencia eléctrica que una corriente continua pura de igual valor al de pico de la alterna. La alterna pasa por diversos valores instantáneos (entre cero y el máximo) y el valor de pico sólo se alcanza durante instantes; en cambio, en la tensión continua, el valor es constante. Por ejemplo, la aplicación durante 30 segundos de una tensión alterna de VP = 10 V no hará que una resistencia de 5 Ω se caliente igual que si recibiera durante el mismo tiempo una tensión continua de 10 V. El valor eficaz es un valor que resulta más bajo que el máximo (de pico) de la onda, es una fracción de la tensión (o corriente) de pico; pero este valor sí que tiene la misma equivalencia energética que el de una corriente continua del mismo valor. Por ejemplo, una tensión alterna de 10 V de valor eficaz (cuyo valor de pico es 14,1 V) puede desarrollar el mismo valor energético que una tensión continua de 10 V (fig. 10.18); durante un mismo tiempo de aplicación, ambas tensiones pueden desarrollar la misma capacidad calorífica en una resistencia.

14,1V

Misma equivalencia energéca

VP

10 V

Valor eficaz = Figura 10.18. Valor eficaz.

VP 2

≅

14,1 = 10 V 1,41

El cálculo del valor eficaz de una corriente alterna (o tensión) se basa en la raíz cuadrada de la media de todos los valores instantáneos elevados al cuadrado. De ahí la nomenclatura r.m.s, que viene del inglés root mean square (raíz de la media cuadrática) y que suele ponerse para expresar valores eficaces. Una tensión eficaz se suele expresar por Vrms (aunque a veces también se pone Vef). Y como consecuencia de una tensión eficaz aparecen también los conceptos de intensidad eficaz (Irms) y potencia eficaz (Prms):

Por medio del cálculo integral, se obtiene que el valor eficaz de una tensión o corriente viene dado por:

173


Y como

≈ 1,414, también se pueden expresar por:

Como se observa, el valor eficaz resulta en una fracción del valor de pico.

10.4.4.1 Tensión de la red eléctrica Normalmente, las tensiones y corrientes alternas se dan en valor eficaz; es la lectura que indican los voltímetros (o amperímetros). El valor normalizado es de 230 V, aunque en la práctica siguen encontrándose los 220 V típicos; este es por tanto el valor eficaz, que indicaría un voltímetro. Se deduce entonces que en la red eléctrica aparecen unos valores de tensión instantáneos mayores de 220 V; son los valores de pico, cuyo valor es:

Esto indica que en la red eléctrica (220 V) aparece una tensión de pico de unos 311 V, lo cual da lugar a una tensión de pico a pico de unos 622 V. En la figura 10.19 se representa la onda que se obtiene de la red eléctrica con sus valores característicos. Tensión instantánea:

VP sen ωt ≈ 311 sen 314,16t

VP

311 V

Vrms = 220V

Figura 10.19. Valores de la tensión de la red eléctrica (220 V).

0V

VPP = 622 V

-VP

311 V T = 0,02 s (f = 50 Hz)

En alterna, los valores de tensión que se indican (transformadores, motores, bombillas, etc.) se refieren siempre al valor eficaz. Así, por ejemplo, si la tensión de salida de un transformador indica 12 V la tensión de pico es de: Eso quiere decir que si la salida del transformador se conectara a un osciloscopio se visualizaría por la pantalla una tensión pico a pico de unos 34 V, ya que: En cambio el tester marcaría 12 V (figura 10.20).

174


Tensión pico a pico

Tensión eficaz

VPP = 33,94 V

Vrms = 12 V

OSCILOSCOPIO

TIME/DIV

ACV

I

V/DIV

INPUT

220 V

Figura 10.20. El polímetro muestra el valor eficaz y el osciloscopio el valor pico a pico.

12 V

Téngase en cuenta que los osciloscopios representan formas de onda, y de su lectura directa de la pantalla se obtiene entonces un valor pico a pico. En cambio, con un voltímetro se obtendría una lectura de 12 V (ya que marca el valor eficaz). Estas cuestiones deben tenerse claras, ya que si no pueden ser causa de confusiones.

Actividades propuestas 1. Calcular el valor de tensión en el instante t = 0,015 s del periodo. ¿A qué ángulo corresponde dicho tiempo? 2. Definir el valor medio y valor eficaz de una onda, y cuáles son sus expresiones matemáticas (fórmulas). 3. Si en la salida de un transformador conectado a la red de 230 V medimos con el tester una tensión de 9 V: a) ¿De qué valor se trata, de pico, medio o eficaz? b) ¿De qué valor es el tiempo de periodo?, ¿y la frecuencia? c) Representar la onda que podríamos observar mediante un osciloscopio, con sus valores de T y VP. ¿De qué valor es la tensión eficaz de la onda? 4. Si mediante un tester se mide una tensión de 400 V entre dos fases de una red trifásica, ¿de qué valor será la tensión de pico a pico (VPP)?

10.5 Desfase de ondas Las ondas pueden diferir entre sí, además de por su frecuencia y amplitud, también por lo que se denomina relación de fase. Dos ondas de igual frecuencia se dice que van en fase si sus valores instantáneos varían a la vez, o sea, de forma sincronizada. Éste es el caso de las ondas de tensión y corriente a través de una carga puramente

175

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características resistiva, como se muestra en la figura 10.21. Las ondas de tensión y corriente varían a la vez, porque la corriente es proporcional a la tensión, y se cumple la ley de Ohm. Pero no todos los circuitos son puramente resistivos, pueden haber componentes de tipo capacitivo o inductivo; en estos casos, se producen desfases entre las ondas de tensión y de corriente.

V = 10sen ωt

I( A) =

10 V 0

R = 2Ω

V

G

ωt

V 10 = sen ω t = 5sen ω t R 2

V = 10sen ωt La tensión y la corriente varían a la vez; van en fase.

I = 5sen ωt

10 V 5A

π

0

2π ωt

Figura 10.21. Carga resistiva. Las ondas de tensión y corriente van en fase.

Cuando existe un desplazamiento de tiempo entre la variación de dos ondas de igual frecuencia, se dice que van desfasadas. Un desfase entre dos tensiones puede aparecer, por ejemplo, si se ponen en marcha dos alternadores iguales a la vez, pero uno de ellos, por alguna razón, empieza a generar la onda unos instantes antes que el otro; en este caso, aparecen dos ondas de igual tensión y frecuencia, pero desfasadas, como se representa en la figura 10.22.

G

230 V 50 Hz

V1

Va retrasada 45˚ con respecto a V1.

G Figura 10.22. Representación del concepto de desfase de ondas.

230 V 50 Hz

V2 45˚

Aunque son dos ondas de igual frecuencia y tensión, sus valores instantáneos no varían a la vez, no coinciden en el tiempo, son dos ondas desfasadas, pues existe un desplazamiento de fase entre ellas; la onda V1 empieza el ciclo 45° antes que la V2. En este caso se puede decir que V1 va adelantada 45° con respecto a la V2, o que V2 va atrasada 45° con respecto a la V1. A los desfases angulares, obviamente, les corresponden unos tiempos. Por ejemplo, en el desfase de las ondas de la figura 10.22, como a la frecuencia de 50 Hz le corresponde un periodo de T = 20 ms y en este tiempo se recorre un ángulo de 360°,

176

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características se deduce que el desfase de 45° equivale a un tiempo de 2,5 ms; o sea, V2 empieza el ciclo con un retardo de 2,5 ms con respecto a V1. El desfase entre dos ondas de igual frecuencia es por tanto la diferencia de tiempo que hay entre dos puntos tomados de referencia, que puede ser el inicio de ciclo de una de ellas con respecto a la otra.

10.5.1 Representación fasorial Los desfases pueden representarse gráficamente por medio de las ondas pero también, de una forma más sencilla, por medio de fasores. Los fasores son vectores que representan ondas senoidales, y se suponen girando a una cierta velocidad angular (ω). Por ejemplo, la representación del desfase de 45° de las dos ondas anteriores mediante fasores se muestra en la figura 10.23, junto con su representación gráfica de las ondas. Esto se llama diagrama fasorial.

ω (rad/s)

V1

- 45˚

V2 V1 = 311sen α

V2 = 311sen(α − 45°) t

311 V

VP = 220 × 2 ≈ 311 V 0

90˚

180˚

360˚

45˚ 2,5 ms

Figura 10.23. Representación de dos ondas desfasadas de 45º.

T = 20 ms ( f = 50 Hz) Cada flechita es un fasor, representa una onda; su longitud representa la magnitud (tensión o intensidad) y su posición el desfase relativo. El diagrama fasorial se supone que va girando en sentido antihorario; representa una especie de “fotografía” de la situación de las ondas en un instante determinado. Aunque en los desfases realmente existe una variación de tiempo entre las señales, el desfase normalmente se expresa en grados; el correspondiente al ángulo de adelanto (o retraso) de una de las ondas con respecto a otra. En la expresión matemática de las ondas senoidales el ángulo de desfase aparece como un factor angular (ϕ) que se suma a ωt, como se muestra a continuación: Dicho factor angular ( ), ángulo de desfase, puede ser negativo (retraso de fase) o positivo (adelanto de fase), como se representa en la figura 10.24. El ángulo de fase se toma con respecto a una referencia, que suele ser otra onda, otro vector (normalmente horizontal) o simplemente referirse a un cero de tiempos 177

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características más o menos arbitrario. El giro en sentido anti horario de los fasores determina ángulos positivos, y equivale a un adelanto de fase. Si el giro es en sentido horario, el ángulo es negativo; es un retraso de fase.

v = 5sen(ωt − ϕ)

v = 5sen(ωt + ϕ)

5V

5V

0

Figura 10.24. Representación de un retraso y un adelanto de fase.

0

ϕ

ϕ

(Retraso)

(Adelanto)

En la figura 10.25 se representa un ejemplo gráfico; se muestran dos ondas desfasadas 90°. La onda ν2 va en retraso respecto a ν1.

v1 = 10sen ωt

v2 = 5sen (ωt − π / 2)

10 V 5V

v1 = 10sen ωt

π

0 90

v2 = 5sen (ωt − π / 2) Figura 10.25. Ondas desfasadas 90º. La tensión ν2 va retrasada 90º respecto a la tensión ν1.

2π

ωt

-5 V 90 Va retrasada 90˚ (π/2) con respecto a v1. Su valor inicial es (ωt = 0):

5sen (ωt − π / 2) = 5sen − π / 2 = −5V Las ondas desfasadas 90° (π/2 rad), son un caso muy frecuente. Y teniendo en cuenta que:

Se pueden ver también como funciones coseno (ondas cosenoidales). Por tanto, las ondas desfasadas de la figura 10.25 se pueden también expresar por:

De hecho, matemáticamente, entre la función seno y coseno existe un desfase de 90°. Para ver la diferencia, en la figura 10.26 se representan la onda ν2 en adelanto (90°) respecto a la onda ν1. En la práctica, ondas desfasadas pueden aparecer porque así se requiere en ciertas aplicaciones (por ejemplo, los motores trifásicos se alimentan con tres tensiones desfasadas entre sí 120°), y en otros casos por efectos no deseados que se dan en ciertos circuitos eléctricos y electrónicos (debido a efectos reactivos de tipo inductivo o capacitivo).

178


v1 = 10sen ωt v2 = 5sen (ωt + π / 2) 90

v1 = 10sen ωt

v2 = 5sen (ωt + π / 2) 10 V 5V 0

π

2π

ωt

-5 V 90

Figura 10.26. Ondas desfasadas 90º. La tensión ν2 va adelantada 90º respecto a la tensión ν1.

Va adelantada 90˚ (π/2) con respecto a v1. Su valor inicial es (ωt = 0):

5sen (ωt + π / 2) = 5sen π / 2 = +5V

10.6 La bobina en alterna

Reactancia inductiva

Cuando a la bobina se le aplica corriente alterna aparece un factor de oposición al paso de la corriente que se llama reactancia, que se expresa por XL y se mide en Ω. Este efecto es originado por el efecto de autoinducción de la bobina, debido a los cambios en la corriente. El valor de la reactancia en una bobina viene dado por la fórmula: El valor de la reactancia es proporcional al valor de la frecuencia y de la inductancia de la bobina (L).

Ejemplo Una bobina de L = 2 H conectada a una tensión senoidal de frecuencia f = 2 kHz tendrá una reactancia de: O sea, a esa frecuencia realiza el mismo efecto resistivo que una resistencia de 251,32 Ω. Aunque a dicha frecuencia su valor resistivo es el calculado, la reactancia de la bobina no resulta totalmente equivalente a una resistencia de mismo valor óhmico, ya que las bobinas puras no disipan potencia eléctrica; la energía que absorben es devuelta (debido a la f.c.e.m.) al circuito. Sólo disipan la potencia correspondiente a la resistencia del hilo con que están construidas. Por lo tanto, en una bobina ideal, como se supone que la resistencia del hilo es cero, no se disipa potencia eléctrica. Pero en cambio da lugar a una circulación de corriente por el circuito, debido al trasiego de potencia entre la bobina y el generador; esto es una potencia reactiva (más adelante se explica). En la figura 12.27 se representa un circuito puramente inductivo; una bobina conectada a un generador de alterna. En la bobina, debido al efecto de autoinducción, la onda de corriente empieza el ciclo 90° después que la onda de la tensión. En este caso, se dice que la onda de la corriente va retrasada 90º con respecto a la onda de tensión.

179


Debido al efecto de autoinducción que ene la bobina, la corriente (IL) se encuentra una oposición que hace que vaya retardada con respecto a la tensión (VL).

IL

VP = sen ωt

VL

VP 0

90˚

L

VL

G

ωt

IL

v L = VP sen ωt

iL = IP sen (ωt − π / 2) = −IP cos ωt

VP IP 0 Figura 10.27. Las bobinas (circuito inductivo puro) producen un retraso de la corriente de 90º.

π

2π

ωt

π / 2 ( 90 ) Retraso

Pues esto da lugar a un efecto no deseado de especial relevancia en la industria. Debido a efectos inductivos causados, en especial, por los bobinados de los motores de alterna se produce un desfase entre la tensión y la corriente en las líneas de la red eléctrica, que da lugar a lo que se llama potencia reactiva; un efecto indeseado, ya que da lugar a una circulación de potencia que no se gasta ni se aprovecha, por lo cual se procura reducir al máximo. Dicha potencia reactiva se compensa por medio de condensadores, ya que éstos producen un desfase de sentido contrario al que producen las bobinas. Por ello, en las industrias suelen haber equipos para la compensación de la potencia reactiva basados en la conexión automática de condensadores.

10.7 El condensador en alterna Reactancia capacitiva

Cuando al condensador se le aplica corriente alterna, en general señales variables, se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la frecuencia y de la capacidad del condensador. A este tipo de resistencia se denomina reactancia capacitiva, se representa por XC y se mide en Ω. Su valor viene dado por la fórmula:

Ejemplo Un condensador de 4,7 μF conectado a una tensión alterna de frecuencia 50 Hz presenta una reactancia de:

Así, a dicha frecuencia realiza el mismo efecto resistivo que una resistencia de 677 Ω.

180

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características Esto es así porque en el condensador sólo hay circulación de corriente por el circuito mientras se está cargando o descargando; no permite una circulación de corriente de forma permanente; y cuanto más rápidas sean las variaciones, es decir la frecuencia, mayor es el valor medio de corriente que puede circular, lo cual equivale a un valor más bajo de reactancia. Además del factor reactancia, el condensador presenta otra característica muy importante: produce un desfase de 90° de la tensión con respecto a la intensidad (fig. 10.28). Como se sabe, el condensador tarda un cierto tiempo en cargase y descargarse, es decir, presenta una cierta oposición a los cambios de tensión; pues dicha característica es la que da lugar al retraso de 90° con respecto a la corriente. Por ello, la onda de la corriente en el condensador se adelanta 90° con respecto a la onda de la tensión. Así pues, el condensador se comporta de forma contraria a la bobina, por lo cual se utiliza para la compensación de la energía reactiva que producen las bobinas.

IC VP = sen ωt

IC

VP G

0

ωt

VC

C

90˚

VC

vC = VP sen ωt

iC = IP sen (ωt + π / 2) = IP cos ωt

VP IP

π Figura 10.28. Los condensadores producen un adelanto de la corriente de 90º.

2π

ωt

π/2 (90˚)

Ejemplo Supongamos un circuito puramente capacitivo (fig. 10.28); un condensador de 0,47 μF, al cual se le aplica una tensión de 10 VP y frecuencia f = 5 kHz. El valor de la reactancia es:

Y el valor de la intensidad (de pico y eficaz) que circulará por el circuito:

Y dicha corriente circulará adelantada 90° respecto a la tensión.

181


Actividades propuestas 1. ¿Qué es un fasor? Poner ejemplos. 2. Supongamos un circuito puramente resistivo, como el de la figura 10.21. Si la tensión del generador es de 9 V de frecuencia f = 50 Hz y la resistencia es de 20 Ω; representar el diagrama de ondas de corriente y tensión (lo que se observaría mediante un osciloscopio). ¿Existen desfases? Razonar. 3. Definir el concepto de reactancia inductiva. ¿Por qué se produce? 4. Calcular la reactancia de una bobina de L = 0,5 H conectada a un generador de 12 V de frecuencia 1 kHz. Representar el diagrama de ondas y fasorial. 5. Explicar el concepto de reactancia capacitiva. ¿Cuál será su valor en un condensador de 470 nF conectado a un generador de f = 5 KHz y V = 12 V? Dibujar las ondas de tensión y corriente, y hacer la representación fasorial.

10.8 Impedancia Este es un concepto de suma importancia en electricidad y electrónica; aparece en los altavoces, amplificadores, instalaciones de antenas, etc. Impedancia, es el efecto resistivo total resultante de resistencia óhmica (R) y de reactancia (X). Se representa por Z y se mide en ohmios (Ω). Si entre dos puntos de un circuito se encuentran diversos componentes, resistivos, inductivos y capacitivos, la oposición que presenta al paso de la corriente dicho conjunto de componentes a una cierta frecuencia es una impedancia (Z). Y no se trata de una simple suma aritmética de resistencia (R) y de reactancia (X); es una suma vectorial, o sea, se tienen que tener en cuenta los desfases de las señales.

10.8.1 Impedancia en un circuito R-L En el circuito serie de una bobina y una resistencia, donde la resistencia puede ser la correspondiente a la resistencia del hilo con que está construida la bobina (figura 10.29), la intensidad que circulará por el circuito vendrá dada por:

Siendo Z la impedancia, cuyo valor se obtiene (como resultado de desarrollos matemáticos) mediante la fórmula:

Impedancia (Z)

I=

E Z R

Z = R 2 + X L2

E

XL

Figura 10.29. Impedancia (Z).

182

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características El valor de las tensiones en la resistencia y en la bobina, como se deduce, son: Y puesto que: Simplificando (dividiendo por I), se deduce lo que se conoce por triángulo de impedancia (fig. 10.30), que se obtiene del triángulo de tensiones. En todo esto, se ha tenido en cuenta que la corriente en la bobina va retrasada 90° respecto a la tensión (que se puede ver también como que la tensión va adelantada 90° respecto a la corriente). Al hacer la suma vectorial de R y XL se obtiene la fórmula de la Z.

La onda de corriente irá retrasada respecto a la onda de tensión (del generador) un ángulo determinado por:

Cuando en un circuito la corriente va retrasada respecto a la tensión, se dice que es un circuito de carácter inductivo.

E = VR2 + VL2 cos ϕ =

VL = X L I

Z = R 2 + X L2

VR E

cos ϕ =

XL

E = ZI

ϕ

R Z

Z

ϕ

VR = R I

R Figura 10.30. Triángulo de tensiones y de impedancia.

Ejemplo Si los valores de los componentes del circuito de la figura 10.29 son R = 1 kΩ y L = 250 mH, a la frecuencia de f = 500 Hz el valor de la impedancia es: Como el valor de la reactancia es:

Como se comprueba, es un valor que no es la resultante de la suma aritmética de la resistencia y la reactancia; es una suma vectorial.

10.8.2 Impedancia en un circuito R-C En el caso de un circuito serie basado en capacidad y resistencia (R-C), como se muestra en la figura 10.31, se obtienen unos resultados como en el circuito serie R-L (resistencia y bobina); pero en este caso, la intensidad resulta adelantada con respecto a la tensión, ya que en el condensador la onda de corriente va adelantada con respecto a la onda de tensión. 183


vR = i R i

π i R

vR

ωt

vC = i X C

i

XC

2π

vC

π

Figura 10.31. Circuito R-C.

2π

ωt

90˚ El valor de las tensiones en la resistencia y en el condensador es: La intensidad que circulará por el circuito, vendrá dada por:

Siendo el valor de la impedancia: Y el valor del ángulo que la intensidad irá adelantada, viene dado por:

Partiendo del triángulo de tensiones (fig. 10.32), simplificando (dividiendo por I) se deduce el triángulo de impedancia.

VR = R I

R

ϕ VC = XC I

E = ZI

E = VR2 + VC2

ϕ XC Z

Z = R 2 + XC2 Figura 10.32. Del triángulo de tensiones se obtiene el triángulo de impedancia.

Actividades desarrolladas Ejercicio 1: Dado un circuito R-C como el de la figura 10.31, si los valores son R = 1 KΩ y C = 1 μF, y la tensión del generador es la red eléctrica (220 V, f = 50 Hz), tenemos los datos siguientes: Impedancia (Z):

184


Actividades desarrolladas Valor de la intensidad (I):

Angulo de desfase ( ): Puesto que se trata de un circuito capacitivo, la intensidad circulará adelantada con respecto a la tensión del generador un ángulo de:

Tensiones en la resistencia y en el condensador:

Como se puede comprobar, la suma aritmética de dichas tensiones da un valor incorrecto (276 V); el valor correcto se obtiene haciendo la suma vectorial (como se ha representado en la figura 10.32), lo cual da:

cuyo valor corresponde con la tensión del generador, como debe ser.

Actividades propuestas 1. Explicar el concepto de impedancia. ¿Este concepto puede aparecer en las antenas y altavoces? Razonar. 2. Si los valores de los componentes del circuito de la figura 10.29 fueran R = 470 Ω, L = 75 mH, y la frecuencia del generador f = 500 Hz, hallar: a) El valor de la impedancia del circuito. b) El desfase entre las ondas de tensión y corriente en el circuito. c) Las tensiones en la resistencia y la bobina. Razonar los resultados. 3. Si los valores del circuito de la figura 10.31, fueran R = 2k2 Ω, C = 470 nF y el generador de 20 V y f = 100 Hz, hallar: a) La impedancia del circuito. b) El valor de la intensidad que circulará por el circuito, y su desfase. c) El valor de las tensiones en la resistencia y en el condensador; razonar los resultados y dibujar las ondas con sus valores de tensión y desfases.

10.9 Potencia en alterna 10.9.1 Potencia activa Sólo existe consumo de potencia (transformación en calor, gasto energético) cuando la tensión y corriente van en fase. Y a esto se denomina potencia activa, que se representa por P y se mide en vatios (W). Es el producto de la tensión por la intensidad, pero teniendo en cuenta el desfase entre la tensión y la intensidad ( ). Al factor cos

se le llama factor de potencia.

Cuando la tensión y corriente no van en fase, entonces, la potencia activa resulta menor a la aparente (P = V × I), pudiendo llegar a ser nula si el desfase es de 90°. Es el caso de los circuitos puramente inductivos o capacitivos. Es importante saber que en un sistema eléctrico donde pueden haber componentes resistivos, inductivos y capacitivos, la potencia activa es la disipada únicamente por

185

Unidad 10 · Corriente alterna: Principios y características los componentes resistivos; los condensadores y bobinas dan lugar a una potencia no consumida (potencia reactiva).

10.9.2 Potencia reactiva Cuando el desfase entre la tensión y la corriente es de 90° aparece una onda de potencia cuyo valor medio es cero; la potencia positiva (cedida por el generador) es igual a la potencia negativa (recibida por el generador). Este es el caso de los circuitos puramente inductivos o capacitivos. A esta potencia que está en trasiego entre el generador y la carga se denomina potencia reactiva, que se representa por Q y se mide voltio-amperios reactivos (VAr). Su valor viene dado por: Es una potencia “devuelta” al generador como consecuencia de la descarga de condensadores o de la transformación de energía magnética en corriente (f.e.m.) en las bobinas. La potencia reactiva viene dada únicamente por los componentes reactivos (bobinas o condensadores).

10.9.3 Potencia aparente (S) Es la potencia total (aparente) que entrega el generador:

Se puede hallar midiendo la tensión e intensidad del generador. Se expresa por S y se mide voltio-amperios (VA). Es una potencia aparente porque, si hay cargas reactivas, parte de dicha potencia es reactiva; o sea, devuelta al generador. La potencia aparente es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva, por lo cual se puede expresar por: Siendo su valor (módulo):

10.9.4 Factor de potencia (cos φ) Es la relación que hay entre la potencia activa y la aparente:

Es un indicativo del porcentaje de potencia aparente que se transforma en potencia activa. En el caso que no exista potencia reactiva, el circuito es puramente resistivo, siendo el valor de la potencia activa igual al de la aparente (P = S); el factor de potencia es 1. Y en el caso de circuitos puramente inductivos (o capacitivos), donde no existe potencia activa (P = 0), el valor de la potencia aparente es igual al de la potencia reactiva (S = Q); el factor de potencia es entonces 0. Así pues el factor de potencia es un valor que varía entre 0 y 1. Y este valor coincide con el coseno del ángulo de desfase ( ) que hay entre la tensión y la corriente:

= 0° ⇒ cos = 1 (Circuito puramente resistivo) = 90° ⇒ cos = 0 (Circuito puramente capacitivo o inductivo) Como se sabe, las ondas senoidales se pueden ver como magnitudes vectoriales, y todo vector se puede descomponer en dos componentes perpendiculares (desfasados 90° entre sí). Así, una intensidad (I) con un cierto desfase ( ) respecto a la tensión (V), vectorialmente, equivale a dos componentes de intensidad desfasadas entre sí 90° (fig. 10.33).

186


Componente de la I en fase con V:

Iacva = I cos ϕ

Ix

ϕ

V

ϕ

V

Iy

I

I = Ix2 + Iy2

I Componente de la I desfasada 90 respecto a la V:

Ireacva = I sen ϕ Figura 10.33.

A la componente de la intensidad que va en fase con la tensión se llama intensidad activa: Y a la componente desfasada (90°) se llama intensidad reactiva: Y obviamente, la suma vectorial de dichas componentes es la intensidad total:

Únicamente se produce una potencia activa cuando las ondas de tensión y corriente van en fase. Así pues, sólo producirá potencia activa la componente de la corriente que está en fase con la tensión, cuyo valor se deduce que es: La componente de la intensidad desfasada 90° es la que da lugar a la potencia reactiva, cuyo valor es: Y, en base a este desarrollo, como la potencia aparente es la suma vectorial de la potencia activa y la reactiva, se obtiene lo que se denomina el triángulo de potencias (fig. 10.34). Potencia acva:

P = V I cos ϕ

P = V I cos ϕ

ϕ S = P + Q

S=

VI

Q = V I sen

Potencia reacva:

Q = V I sen ϕ Figura 10.34.

S = P 2 + Q2 Si en vez de tomar a la tensión como referencia (eje x) se toma a la intensidad, entonces, es el vector tensión el que se puede descomponer en una componente activa y otra reactiva, y el triángulo de potencias sale al revés (a veces se representa de dicha forma).

187


Actividades desarrolladas 1: Cálculo de potencias en un circuito inductivo. En el caso del circuito puramente inductivo de la figura 10.35 (se supone una bobina sin resistencia óhmica del hilo, R = 0), tenemos:

VP = 20 V f = 50Hz

L = 0,5H

Figura 10.35.

Potencia aparente: Potencia activa: Al ser un circuito puramente inductivo, la potencia activa es cero, lo cual se verifica también por cálculo. Como el ángulo de desfase entre la tensión y la corriente es 90°, y cos 90° = 0: El factor de potencia del circuito puramente inductivo, como es obvio, es cero:

Esto indica que no existe potencia activa (consumida); toda la potencia aparente es reactiva, como se verifica a continuación. Potencia reactiva (Q): Como se comprueba, este valor coincide con el de la potencia aparente, y es la potencia desarrollada en la bobina: 2: Dado el circuito R-L de la figura 10.36, hallar el triángulo de tensiones y de potencias. En este caso, al haber una resistencia, el circuito no es puramente inductivo. El primer paso consiste en hallar el valor de la impedancia:

Así, el valor de la intensidad que se obtiene es:

188



R = 820 Ω E = 220 V f = 50Hz

L=4 H

Figura 10.36.

Las tensiones en la resistencia y en la bobina son, pues:

Y, puesto que se trata de un circuito inductivo, la intensidad circulará retrasada con respecto a la tensión del generador, un ángulo determinado por:

En cuanto a las potencias, tenemos:

Y, como debe ser, se cumple que la potencia activa (P) es la desarrollada en la resistencia y la potencia reactiva (Q) la desarrollada en la bobina:

El triángulo de tensiones y de potencias correspondiente se representan en la figura 10.37.

VL = 183,4 V

Figura 10.37.

E = 220 V

I

S = 32 VA

Q = 26,8 VAr

ϕ = 56,8

ϕ = 56,8

VR = 120 V

P = 17,5W

Obsérvese cómo si efectúa una suma aritmética de las tensiones en la resistencia y en la bobina el resultado da un valor de tensión diferente a la del generador: VR + VL = 120 V + 183,4 = 303,4 V. El resultado correcto se obtiene haciendo una suma vectorial, ya que en este caso si se tiene en cuenta el desfase de las ondas:

189



Esto se puede comprender mejor analizando el diagrama de ondas que se muestra en la figura 10.38.

E = 220 V V

VL = 183,4 V VR = 120 V

I

t

56,8

90˚

-V Figura 10.39.

T

Actividades propuestas 1. Explicar los conceptos sobre: a) Potencia activa b) Potencia aparente c) Potencia reactiva d) Factor de potencia 2. Si en un circuito sabemos que cos = 1, ¿de qué tipo de circuito se trata?, ¿qué información nos aporta este dato respecto a la potencia? Explicar. 3. Supongamos una estufa eléctrica (resistencia pura). Si sabemos que su potencia consumida son 1500 W y está conectada a la red eléctrica de 230 V, calcular: a) La intensidad b) El valor de la resistencia c) Las potencias activa, aparente, reactiva y factor de potencia

Razonar los resultados.

190


Actividades propuestas 4. Si en el circuito de la figura 10.36 sus valores son R = 470 Ω, L = 2 H y el generador es de 12 V y f = 100 Hz: a) Hallar el valor de la impedancia del circuito. b) Calcular el valor de la intensidad y el ángulo de desfase. c) Representar gráficamente (dibujar) las ondas de tensión y de corriente. d) Hallar el factor de potencia y calcular las potencias activa y reactiva. e) Representar el triángulo de potencias.

10.10 Corriente alterna trifásica Es el tipo de corriente que se genera en los alternadores de las centrales eléctricas y que se recibe por tanto para la alimentación doméstica e industrial. Por otra parte, es un caso práctico donde aparecen ondas con un desfase determinado entre ellas, que es de 120°. La corriente trifásica se constituye, básicamente, por tres fases; de ahí la denominación de trifásica. A nivel comparativo, la corriente alterna que se obtiene de la estructura elemental de un alternador es de tipo monofásica; una fase y la referencia (neutro), dos hilos, como se representó en la figura.10.10. Pero, fundamentalmente, por cuestiones económicas y de rendimiento eléctrico, la producción, transporte y distribución de la energía eléctrica se hace de forma trifásica (fig. 10.39). Se basa en tres fases y un neutro; 4 hilos en total. Estas tres tensiones se representan por L1, L2, L3 y el neutro por N. Dependiendo del tipo de aplicación, pueden utilizarse todas las líneas o sólo algunas de ellas.

L1 L2 L3

U

N

X N S Z W

Figura 10.39. Representación (simplificada) de la producción y distribución de la energía eléctrica.

Y

V

Monofásica 230 V

Trifásica 400 V

Bobinas en conexionado estrella

La red trifásica que normalmente disponemos es la normalizada de 400/230 V, que en los esquemas se indica por 3 N ~ 400/230 V 50 Hz; esto significa que es una red trifásica con neutro, que se pueden obtener tensiones de 230 V y de 400 V, y la frecuencia es 50 Hz. A nivel doméstico, para el alumbrado se utiliza únicamente una de las fases y el neutro, obteniéndose así la tensión típica normalizada de 230 V (que, en la práctica, se siguen midiendo 220 V). Y como los motores de los ascensores son normalmente trifásicos, para su alimentación se utilizan las tres fases. O sea, el edificio recibe una red eléctrica trifásica, cuyas líneas se van distribuyendo después según el tipo de aplicación. El generador de red trifásica se caracteriza por tener 3 fases desfasadas entre sí 120°, como se representa en la figura 10.40.

191


L3 VL1 = VP sen ω

120

VL2 = VP sen ( ωt − 2π / 3 )

120

L1

120

VL3 = VP sen ( ωt − 4 π / 3)

( 2π / 3 ) L2

Figura 10.40. Desfases en un sistema trifásico.

Dichas tensiones, representadas gráficamente en forma de ondas, tal como las podríamos ver en un osciloscopio, se muestran en la figura 10.41. Cada fase va desplazada 120° con respecto a otra. Aparecen así lo que se llaman tensiones entre fase y tensiones entre fase y neutro.

+V

L1

L2

L3

VP

0V

π

2π

ωt

−V

Figura 10.41. Diagrama de ondas en trifásica.

120 ( 2π / 3 )

120

T

Tensión de fase y tensión de línea Tensión de fase es la tensión entre cualquiera de las fases y el neutro. Y tensión de línea es la tensión existente entre cualquiera de las fases entre sí. Aparecen unas expresiones básicas muy importantes: Tensión de fase:

Tensión de línea:

Así, en la red eléctrica normalizada y representada por 400/230 V tenemos:

Esto indica que la tensión entre fase y neutro es 230 V y la tensión entre fases 400 V. Esto es en teoría, según normas; en la práctica, las medidas son más próximas a 220 V y 380 V.

192


Actividades finales 1. Definir el concepto de corriente alterna. 2. Calcular el periodo de una señal de f = 1000 Hz y otra de 2 MHz. 3. Si en la salida de un transformador conectado a la red de 230 V medimos con el tester una tensión de 12 V: a) ¿Cuál es la relación de transformación del transformador? b) Los 12 V de salida, como son ¿de pico, medio o eficaz? c) ¿De qué valor es la frecuencia de los 12 V? d) Supongamos que se conecta a la salida una resistencia de 33 Ω. Calcular la corriente eficaz a través de la resistencia. Representar (dibujar) las ondas de tensión y corriente que se observaría mediante un osciloscopio con los valores de T y V. 4. Si mediante un tester se mide una tensión de 400 V entre dos fases de una red trifásica, ¿de qué valor será la tensión de pico a pico (VPP)? 5. Supongamos un circuito puramente resistivo, como el de la figura 10.21. Si la tensión del generador es de 12 V f = 500 Hz, y la resistencia es de 10 Ω; representar el diagrama de ondas de corriente y tensión (lo que se observaría mediante un osciloscopio). 6. Calcular la reactancia de una bobina de L = 150 mH conectada a un generador de 20 V de frecuencia 5 kHz. Representar el diagrama de ondas de tensión y corriente. 7. Cuál será el valor la reactancia en un condensador de 100 nF conectado a un generador de f = 10 KHz V = 12 V. Dibujar las ondas de tensión y corriente. 8. Si los valores del circuito de la figura 10.31 son R = 1 kΩ, C = 220 nF y el generador es de 10 V f = 1000 Hz, hallar: a) La impedancia del circuito. b) El valor de la intensidad que circulará por el circuito y su desfase. c) El valor de las tensiones en la resistencia y en el condensador; razonar los resultados y dibujar las ondas con sus valores de tensión y desfases. 9. Si en el circuito de la figura 10.36 sus valores son R = 270 Ω, L = 200 mH y el generador es de 12 V f = 1000 Hz: a) Calcular la impedancia del circuito. b) Calcular el valor de la intensidad y su desfase. c) Representar las ondas de tensión y corriente del generador. d) Hallar el factor de potencia y calcular las potencias aparente, activa y reactiva. e) Representar el triángulo de potencias. 10. Representar una red trifásica 3 N ~ 400/230 V 50 Hz, y distribuir las líneas para alimentar una estufa eléctrica, una lámpara y un TV. Además, sacar las líneas que irían para alimentar un motor trifásico. Calcular la tensión de fase y tensión de línea. ¿De qué valor es el ángulo de desfase entre las fases L1 y L2?

193

Unidad 11

Introducción a la electrónica

Objetivos: Enseñar los conceptos de lo que significa electrónica, dar una visión general de su concepto e introducir sus principios y componentes iniciales fundamentales; los materiales semiconductores, el silicio, que es el material básico que permite la construcción de los componentes electrónicos, desde los diodos hasta los modernos microprocesadores.


¿Qué es la electrónica? Los semiconductores.

11.5 11.6

Termistores (NTC-PTC). Células fotoconductoras (LDR).

11.3 11.4

El diodo. El diodo emisor de luz (LED).

11.7

Varistor (VDR).

Unidad 11 · Introducción a la electrónica

11.1 ¿Qué es la electrónica?


De una forma resumida y concisa, se puede decir que: La electricidad es la base de los circuitos electrónicos, por ello es necesario conocer sus principios, ya que están presentes en todas las aplicaciones de la electrónica.

La electrónica es la ciencia o tecnología que trata sobre los componentes (o circuitos) en los cuales la conducción eléctrica es a través de materiales semiconductores, donde se manifiestan efectos activos como es la amplificación. A la definición anterior se podría añadir también la conducción de corriente a través de válvulas de vacío (y en gases); aunque los componentes básicos que operan así (se conocen por válvulas) hace muchos años que fueron desplazados por los componentes semiconductores. No obstante, en algunas aplicaciones aun se siguen utilizando ciertos tipos de válvulas, como son los tubos de rayos catódicos (TRC), que son las pantallas típicas de imagen en TV, también se encuentran en los sistemas de emisión de radio, etc. Obsérvese, que no se considera electrónica a los dispositivos (o circuitos), donde la circulación de corriente es sólo a través de conductores (como el cobre, aluminio, plata, etc.); esto es electricidad. Adelantado conceptos, amplificación es obtener, partiendo de una señal eléctrica considerada de entrada (de un micrófono, de una antena...) otra idéntica en frecuencia y forma de onda pero de mayor magnitud. Este es el caso, por ejemplo, de un amplificador de sonido para megafonía (fig. 11.1). Señal eléctrica de salida 20 V

Señal eléctrica de entrada 0,2 V Sonido

Amplificador

Micrófono

Altavoz

Sonido

Según las amplitudes de las señales de entrada y salida, el factor de amplificación (Ganancia) es

Ganancia del amplificador (G)= Figura 11.1. Ejemplo de representación del concepto de Amplificación. Se trata de un amplificador de megafonía.

Señal de salida 20 = =100 Señal de entrada 0,2

El micrófono capta las señales de sonido, ondas acústicas (voz, música), y las transforma en señales eléctricas. La débil señal eléctrica de entrada que proporciona el micrófono es aplicada a un amplificador (sistema electrónico), el cual produce una señal eléctrica de salida idéntica a la de entrada (en forma de onda y frecuencia) pero de una magnitud mucho mayor. La señal eléctrica de salida del amplificador, aplicada a un altavoz (que convierte la señal eléctrica en ondas de sonido), permite obtener una gran potencia sonora de la voz. Hay que tener en cuenta que si la señal de salida apareciera con alguna modificación en su forma de onda o frecuencia (esto se conoce por distorsión), podría pasar que el sonido fuera desagradable y hasta que la voz pareciera diferente a la captada por el micrófono. Para que esto no suceda, la señal de salida debe conservar la frecuencia y forma de onda de entrada. El factor de amplificación, que se conoce por ganancia (G), puede ser un valor muy grande según el diseño electrónico del amplificador. En este ejemplo, su valor es 100; lo cual indica que se obtiene una señal de salida 100 veces mayor que la de entrada.

195

Unidad 11 · Introducción a la electrónica Así, como concepto práctico resumido y actual de electrónica se puede decir también que: Electrónica, es el estudio y aplicación de los componentes cuyo funcionamiento se basa en los semiconductores, donde aparecen circuitos con efectos de amplificación (amplificadores de sonido, generadores de ondas, sistemas de control, etc.). No se considera electrónica a los dispositivos (o circuitos), donde la circulación de corriente es sólo a través de conductores (como el cobre, aluminio, plata, etc.); esto es electricidad.

11.2 Los semiconductores Los semiconductores, en general, son materiales cuya resistividad (Ω) se encuentra intermedia entre los buenos conductores y los aislantes (de ahí la denominación de semiconductores), con la importante peculiaridad de que su resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura (figura 11.2). Resistencia (Ω)

Semiconductor (Silicio); la resistencia disminuye con la temperatura

Figura 11.2. Curva representativa de la variación de la resistencia en un semiconductor (Silicio) en función de la temperatura.

Figura 11.3. El efecto de la temperatura sobre el semiconductor hace aumentar su conductividad, de manera que aumenta la intensidad cuando se calienta.

Temperatura ( C) Una representación gráfica de esta característica se representa en la figura 11.3. La acción del calor aumenta la temperatura, lo cual hace que disminuya la resistencia y en consecuencia que aumente la corriente. Pues esto es algo que se tiene que tener en cuenta en los componentes electrónicos, y por ello se procura a veces reducir, mediante refrigeradores, la temperatura de según qué circuitos electrónicos. Un ejemplo, es el ventilador de las fuentes de alimentación de los ordenadores y los ventiladores que llevan (a veces hasta con circulación de líquidos) los procesadores (CPU). La conducvidad del semiconductor (silicio) aumenta con la temperatura.

Calor

T (°C ) ↑ ⇒ R(Ω) ↓ ⇒ I( A) ↑ ( C)

V

I

Silicio +

R Intensidad (I)

196

Unidad 11 · Introducción a la electrónica Los átomos de este tipo de materiales se caracterizan porque tienen 4 electrones en la última capa. Aunque en su estado natural y en ciertas condiciones su resistencia es muy elevada (son más bien aislantes), a ciertas temperaturas se pueden hacer conductores, debido a que su conductividad aumenta con la temperatura. Y esto es el inverso de lo que ocurre con los buenos conductores; la resistencia aumenta cuando se calientan (fig. 11.4). Resistencia (Ω)

Figura 11.4. Curva representativa de la variación de la resistencia en un conductor en función de la temperatura.

Conductor (Cobre); la resistencia aumenta con la temperatura

-200

0

200

400

600

800

1000 Temperatura ( C)

Al material semiconductor natural (tal como se obtiene de la naturaleza) se le denomina semiconductor intrínseco. Para que resulte útil para fabricar los componentes electrónicos tiene que pasar por un proceso, que fundamentalmente consiste en añadirle otros materiales diferentes (Boro, Fósforo, Arsénico, etc.) para modificar su grado de conductividad. En su forma natural, los materiales semiconductores se caracterizan porque sus átomos tienen 4 electrones en la última capa, que es un intermedio entre lo que tienen los buenos conductores y los buenos aislantes. Los materiales normalmente utilizados en electrónica son el Silicio (Si), el Germanio (Ge) y el Arseniuro de galio (GaAs). De ellos, el más utilizado es el Silicio, el cual se encuentra abundantemente en la arena de playa. El Germanio fue utilizado en los principios de la electrónica, pero después fue sustituido por el silicio debido a sus mejores características (en especial, frente a la temperatura). El Arseniuro de galio es el material normalmente utilizado para la fabricación de componentes emisores de luz (diodos LED), y también se emplea en la fabricación de modernos circuitos integrados (microelectrónica). En la figura 11.5 se muestran la estructura electrónica de los átomos de Silicio y de Germanio, donde se puede observar la característica de poseer 4 electrones en la última capa.

Figura 11.5. Estructura de los átomos de Silicio y Germanio.

Átomo de Silicio (Si) n˚ atómico: 14

Átomo de Germanio (Ge) n˚ atómico: 32

197

Unidad 11 · Introducción a la electrónica El silicio, en su estado intrínseco, es un material de elevado valor resistivo (Ω) con la peculiaridad de que su resistencia disminuye cuando aumenta la temperatura. En según qué condiciones, puede pasar de ser más o menos aislante a más o menos conductor. A temperaturas cercanas al cero absoluto (−273 °C) se puede considerar como aislante, y a la temperatura ambiente (unos 20 °C) permite ya una cierta circulación de corriente, pero sin llegar a ser buen conductor; de dichas peculiaridades viene la denominación de semiconductor.

11.2.1 Semiconductores N y P Para que el silicio sea de utilidad para formar componentes electrónicos (por ejemplo, diodos), este es tratado mediante unos procesos físico-químicos. Esto se realiza introduciendo, de forma controlada, en la estructura del semiconductor intrínseco (esto se llama dopado) materiales de diferente estructura atómica, lo cual permite obtener materiales semiconductores de diferentes grados de conductividad. Así se obtienen semiconductores que se denominan N y P, que son los que luego son utilizados para fabricar los componentes electrónicos (diodos, transistores, tiristores, circuitos integrados, etc.). Figura 11.6. En los semiconductores N y P la conductividad es mucho mayor que en el silicio intrínseco; la corriente puede circular ya con una cierta facilidad, lo cual es debido a que, de alguna manera, se ha logrado un aumento de los elementos portadores de carga (que es lo que se necesita para que exista una corriente eléctrica).

Semiconductor N En el caso del semiconductor N, dicho aumento de conductividad se logra añadiendo al semiconductor intrínseco material con átomos de los denominados pentavalentes (tienen 5 electrones en la última capa), por ejemplo, fósforo.

Semiconductor P En el caso del semiconductor P, el aumento de la conductividad se consigue añadiendo al semiconductor intrínseco material con átomos que tengan 3 electrones en la última capa (trivalentes), por ejemplo, boro (B).

Semiconductor N (Electrones)

Semiconductor P (Huecos)

Figura 11.6. Estructura de los átomos de Silicio y Germanio.

Actividades propuestas 1. Dar una explicación del concepto de electrónica. Poner algunos ejemplos de aparatos electrónicos. ¿El circuito de encendido de una linterna se puede considerar electrónica? ¿Y el circuito de la instalación de las luces de una casa? Razonar las respuestas. 2. ¿Qué significa amplificar una señal? Explicar su aplicación en algún aparato comercial. 3. Indicar las características fundamentales de un semiconductor. ¿Cuáles son los tipos de materiales semiconductores básicos? 4. ¿Qué significa semiconductor intrínseco? 5. Explicar cómo se obtienen los semiconductores tipo N y P, y cuáles son sus características.

198


11.3 El diodo Cuando un material semiconductor P se junta con otro de tipo N (a esto se llama unión PN), aparece un efecto que da lugar a uno de los componentes más importante de la electrónica: el diodo (fig. 11.7). Sobre este aspecto se apoya la estructura de la electrónica de los semiconductores. La combinación adecuada de materiales N y P, da lugar a la base de fabricación de todos los componentes electrónicos, como son: • Diodos (rectificadores, zener, LED…) • Transistores (bipolares y FET-MOS) • Tiristores (SCR, triac…) • Componentes opto electrónicos • Circuitos integrados O sea, se puede decir que la electrónica actual está basada en los materiales semiconductores (normalmente silicio), y que los componentes electrónicos están fabricados en base a la combinación adecuada de materiales tipo N y tipo P.

Figura 11.7. La unión de un material P con un material N da lugar al componente diodo.

Silicio P (Huecos)

Silicio N (Electrones)

El diodo es uno de los componentes fundamentales en electrónica. Es un componente que tiene dos patillas, denominadas ánodo y cátodo. En la figura 11.8 se representa su simbología y el aspecto práctico de un modelo comercial muy utilizado. Ánodo (A)

Cátodo (K)

Figura 11.8. Diodo. Símbolo esquemático y aspecto de un modelo comercial.

11.3.1 Función básica que realiza el diodo El diodo deja circular la corriente en un solo sentido (que es el que ya sugiere su simbología). Y la principal aplicación práctica de dicha función es la conversión de la corriente alterna (c.a.) en continua (c.c.); los circuitos que realizan esta función se denominan rectificadores. Existen diversos encapsulados de los diodos, siendo los mas habituales los que se muestran en la figura 11.9.

Figura 11.9. Aspecto real de diodos comerciales. Uno de pequeña potencia y dos de mediana potencia.

199


11.3.2 El diodo en polarización inversa El diodo está en polarización inversa cuando el terminal cátodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal ánodo; en este caso, el diodo no permite el paso de la corriente, se comporta como un aislante; es como un interruptor abierto. Si se hiciera el montaje de la figura 11.10, se comprobaría que la bombilla no se encendería porque el diodo no dejaría pasar la corriente puesto que está en polarización inversa. El diodo en polarización inversa se comporta como un aislante

+ K

Figura 11.10. El diodo en polarización inversa no permite la circulación de la corriente; se comporta como un aislante.

+

A

No hay circulación de corriente

12 V Apagada

11.3.3 El diodo en polarización directa El diodo permite la circulación de corriente sólo cuando se encuentra polarizado en forma directa, que es cuando el terminal ánodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal cátodo; en este caso, se dice que el diodo se comporta como un conductor, y permite la circulación de corriente por el circuito. Si se montará el circuito de la figura 11.11 se comprobaría que la bombilla se enciende, porque el diodo queda polarizado de forma directa. El diodo en polarización directa se comporta como un conductor

+ A

Figura 11.11. El diodo en polarización directa se comporta como un interruptor cerrado; permite la conducción de corriente.

12 V

+

Encendida K

0,7 V (Caída directa)

11,3 V

Cuando el diodo conduce, entre sus terminales aparece una pequeña tensión que se denomina caída directa. La tensión mínima para que el diodo empiece a conducir se llama tensión umbral, y es de unos 0,7 V; su valor aumenta un poco conforme aumenta la intensidad, pudiéndose situar en alrededor de 1 V en condiciones normales de trabajo. En la figura 11.12 se muestra un gráfico que se conoce por curvas características del diodo, que muestra el comportamiento y sus valores característicos fundamentales. Dicha curva se ha realizado en base al diodo rectificador 1N4007, que es uno de los diodos comerciales más utilizados. Soporta una tensión inversa de 1000 V y una intensidad directa de 1 A.

200


IF

Polarización directa

IF = 1 A Tensión de ruptura

(VRRM − 1000 V )

VR IR ≤ 5 μA (25°C )

Vγ ≅ 0,7V Vγ ≅ 1V

VF

Polarización inversa Figura 11.12. El diodo en polarización directa se comporta como un interruptor cerrado (conductor).

IR (μA)

11.3.4 Valores de tensión e intensidad básicos del diodo Los valores de tensión y de corriente más importantes que se deben tener en cuenta en el diodo son los siguientes. • Tensión directa (VF): Su valor umbral típico es de unos 0.7 V, y puede llegar alrededor de 1 V en funcionamiento normal. • Tensión inversa (VR): Es la tensión máxima continua que puede soportar el diodo cuando está en polarización inversa. Por ejemplo, el popular diodo de baja potencia 1N4148 puede soportar una tensión continua de 75 V, o sea, VR = 75 V. Y en el diodo 1N4007, VR = 1000 V. • Intensidad directa (IF): Es el valor máximo de intensidad directa continua. Ejemplo, en el diodo 1N4007 dicha corriente es de 1 A. Hay que saber también que cuando el diodo está en polarización inversa puede llegar a circular una pequeña corriente de fugas (IR); en el caso del diodo 1N4007 el fabricante indica que es menor de 5 μA. Y si se sobrepasa un determinado valor máximo de tensión inversa, que el fabricante especifica por VRRM, se puede producir la ruptura del diodo; entonces se pone a conducir y se deteriora enseguida.

11.4 El diodo emisor de luz (LED) Por medio de aplicación de corriente a ciertos componentes semiconductores se obtiene emisión de luz, siendo el componente resultante más representativo de esta característica el diodo emisor de luz, que se conoce por LED (Light Emitting Diode). El diodo LED se utiliza en la mayoría de aplicaciones electrónicas, por lo cual se hace necesario empezar a conocerlo (en el capítulo de optoelectrónica se ampliará el tema). En la figura 11.13 se muestra su simbología esquemática típica y el aspecto de los tipos de LED básicos (rojo, verde y amarillo), los más utilizados.

A

Figura 11.13. Símbolo esquemático y aspecto del diodo LED.

K

201

Unidad 11 · Introducción a la electrónica La intensidad luminosa que emite el LED aumenta en función de la intensidad directa que circula por el diodo (hasta un cierto límite, a partir del cual del cual se produce una saturación; la luz empieza a cambiar de color y se avería). Se obtienen valores normales de luz con una intensidad entre unos 5 a 20 mA, siendo la tensión típica (caída directa) de unos 1,8 V en los de color rojo y de unos 2 V en los verdes. Es el componente normalmente utilizado (en sustitución de las lamparitas de filamento) para indicar la puesta en marcha de aparatos de electrónica (TV, equipos de sonido, ordenadores, etc.), así como para la emisión de luz (no visible por el ojo humano) de control en los mandos a distancia.

11.4.1 Aplicación práctica del LED Cuando se utiliza un diodo LED, puesto que normalmente se alimenta con una fuente de tensión mayor a la de su caída directa (típicamente, unos 2 V), se precisa siempre poner un resistencia en serie con el LED para que éste reciba la intensidad de corriente adecuada (unos 10 mA), como se representa en la figura 11.14. R1

LED

VB Figura 11.14. En los diodos LED, normalmente se tiene que poner una resistencia en serie para limitar la intensidad a unos 10 mA.

Actividades prácticas Supongamos que se tiene que utilizar un LED de color rojo en un coche, para simular una alarma o simplemente para indicar la activación de algo. Como la batería del coche es de 12 V, considerando que la tensión del LED es 2 V y queremos que circule una corriente de 10 mA, el valor de la resistencia deberá ser de:

Una representación práctica del montaje del circuito se muestra en la figura 11.15.

1 kΩ

Figura 11.15. Representación práctica de la aplicación del LED en un coche.

BATERÍA 12 V

LED

Esto es así en los LED típicos, pero actualmente hay diversos tipos de LED, y algunos incorporan ya la resistencia internamente; de manera que se pueden conectar directamente a 12 V (y más), pero hay que tener la certeza de que sean así.

202


Actividades propuestas 1. ¿Cuál es la función que realiza un diodo? ¿Cómo está construido? Representar su simbología detallada y la estructura de su constitución. 2. Representar el diodo en polarización directa e inversa, y explicar las diferencias. ¿Qué significa VF , IF y VR? 3. Dibujar el esquema para encender una bombilla de 12 V mediante una batería de 12 V, poniendo un diodo en serie. 4. Dibujar el circuito de una fuente de tensión de 20 V alimentando una resistencia de 100 Ω a través de un diodo 1N4007. Calcular la intensidad que circulará por el diodo y la tensión que habrá en la resistencia. 5. ¿Qué es un diodo LED? ¿Qué significa LED? ¿Cómo está construido? ¿Cómo se llaman sus terminales? 6. Indicar los valores típicos de tensión e intensidad directa en un LED de color rojo. 7. Dibujar el esquema para el encendido normal de un LED de color rojo mediante una pila de 9 V. Calcular el valor de la resistencia que se debe poner en serie, si queremos que la intensidad sea de 15 mA.

11.5 Termistores (NTC-PTC) Aprovechando la característica del efecto que tiene la temperatura sobre los semiconductores se fabrican componentes denominados termistores diseñados para su aplicación como sensores de temperatura. Aparecen dos tipos básicos.

11.5.1 NTC Uno de los más utilizados el denominado NTC, que viene de: Negative Temperatura Coefficient, lo cual significa coeficiente negativo de temperatura. Se comporta como una resistencia cuyo valor (Ω) disminuye cuando aumenta su temperatura. En la figura 11.16 se muestra su simbología y una curva representativa de la variación de resistencia en función de la temperatura. Ω

NTC Figura 11.16. Simbología de una NTC y curva representativa del valor de su resistencia en función de la temperatura.

- t C A temperaturas bajas, su resistencia puede tener un valor relativamente alto. Y a temperaturas relativamente elevadas su valor puede ser bajo. Esto se puede experimentar fácilmente. Se conecta al polímetro, en la escala Ω, y se mide su valor; después se va calentando (por ejemplo, acercando el soldador) y se va observando cómo su valor va disminuyendo de valor. En la figura 11.17 se muestra el aspecto real de dos tipos de NTC comerciales; una de baja potencia y otra de mayor potencia (se nota por su mayor tamaño). Su valor nominal se suele proporcionar para una temperatura de referencia, que es 25 °C. Un ejemplo de modelo comercial muy utilizado es K16410k, de Vishay, que tiene un valor de 10 k a 25 °C.

203


Figura 11.17. Modelos comerciales de NTC; a) Tipo disco, baja potencia b)Tipo cilíndrico, mediana potencia.

a)

b)

11.5.2 PTC También, añadiendo al material semiconductor otros tipos de materiales, con el fin de variar sus características frente a la temperatura, se obtiene otro componente similar que actúa de forma contraria, que se denomina PTC (Positive Temperature Coefficient), lo cual significa coeficiente positivo de temperatura; o sea, su resistencia aumenta cuando se calienta (fig. 11.18). Tiene una zona de variación aproximadamente lineal, que es donde se tiene que operar (intervalo de temperatura entre T1 y T2), ya que a partir de una cierta temperatura se comporta a la inversa (baja la resistencia conforma aumenta la temperatura). Ω

Figura 11.18. Simbología de un PCT y curva representativa de la variación del valor de su resistencia en función de la temperatura.

+ t T1

T2

C

El aspecto práctico usual es de tipo disco (como las NTC), aunque otros tipos. Mediante los termistores como sensor se realizan circuitos de control de temperatura, cuya aplicación se encuentra en sistemas de regulación y control, sistema de medida, protecciones, etc. Un ejemplo sencillo de aplicación: es la detección de la temperatura del agua de los motores de los coches; la variación de resistencia por la temperatura da lugar a una variación de corriente que permite el control del instrumento indicador. Una aplicación típica de la PTC se encuentra en el circuito desmagnetizador de la pantalla (TRC, tubo de rayos catódicos) en los televisores.

11.6 Células fotoconductoras (LDR) Los semiconductores también son sensibles a la luz, de manera que puede aumentar su conductividad en función de la radiación luminosa recibida, de ahí que tengamos componentes electrónicos diseñados como elementos sensores (o detectores) de luz, entre los que destacan la fotocélula (LDR), el fotodiodo y el fototransistor. En general, los componentes electrónicos relacionados con la detección o emisión de luz forman una familia de componentes que se denomina optoelectrónica. El dispositivo más básico es la LDR (Ligth Dependent Resistor), que se comporta como una resistencia cuyo valor óhmico disminuye notablemente cuanto más se ilumina. Es un componente de bajo precio (como la mayoría de los componentes electrónicos), y con el cual se obtienen muy fácilmente aplicaciones de control por medio de la luz: la puesta en marcha automática de las luces del coche en función de la luz ambiente, el encendido automático de luces al anochecer (esto se llama luz crepuscular), etc.

204

Unidad 11 · Introducción a la electrónica En la figura 11.19 se muestra la simbología y aspecto práctico de modelos comerciales de LDR. Un ejemplo muy utilizado de célula fotoconductora es GL 7228; según medidas (por el autor), entre luz directa y oscuridad la resistencia va de unos 600 a 20.000 Ω.

Luz

Figura 11.19. Simbología y aspecto práctico de fotocélulas LDR.

11.7 Varistor (VDR) Otra característica a tener en cuenta en los semiconductores es que su resistividad depende también de la tensión eléctrica a que son sometidos. Por ejemplo, el bloque semiconductor de la figura 11.20 no tiene un valor resistivo constante (como si fuera una resistencia simple), si no que su valor depende también de la tensión que tenga aplicada; esta característica se denomina resistencia dinámica. En base a esta característica se fabrican unos componentes que se llaman VDR (Voltaje Dependent Resistor), en los cuales su resistencia, a partir de una tensión que se conoce por tensión de disparo (Vd) disminuye mucho. En la figura 11.21 se representa su simbología y curva de variación de resistencia representativa. Ω

V Figura 11.21. Simbología de un VDR y su curva representativa del valor de resistencia en función de la tensión que tiene aplicada. Aspecto de un modelo comercial.

V

Este tipo de componente también se denomina Varistor. La aplicación típica de los varistores se encuentra en la industria, como protectores frente a subidas de tensión transitorias (picos) que pueden aparecer en la red eléctrica, y sobre todo en la conexión-desconexión de cargas inductivas (transformadores, motores, contactores, etc.). Como el varistor no tiene polaridad, actúa igual recortando los picos de tensión eléctrica tanto positivos como negativos (figura 11.22). Al llegar a la tensión de disparo, la resistencia baja mucho de valor, lo cual permite una circulación de corriente que disipa la energía de los picos de tensión, de manera que quedan rebajados en magnitud. Este componente se encuentra también en telefonía fija, en los PTR, para limitar o eliminar posibles picos de tensión que se pueden dar en la red de telefonía; es algo bastante conocido el producirse averías en aparatos telefónicos y modems, debido a picos de tensión por fenómenos atmosféricos.

205


I

Figura 11.22. Curva representativa de la tensión de disparo del varistor. A esa tensión, el valor de la resistencia baja drásticamente y permite circular un valor de corriente que disipa la potencia de los picos de tensión.

Vd Vd

Un ejemplo de típico de aplicación se representa en la figura 11.23. Se trata de la conexión-desconexión de la bobina de un transformador u otro componente bobinado.

Figura 11.23. Aplicación típica del varistor (VDR); protección frente a subidas instantáneas de tensión que pueden aparecer al abrir el interruptor (debido a la f.c.e.m. de la bobina) o bien en la red eléctrica.

230 V VDR Recorta los picos elevados de tensión

Cuando las bobinas se desconectan de la alimentación producen un pico de tensión muy rápido que puede tomar valores muy elevados y dar lugar a chispas entre los contactos de los interruptores que los pueden dañar. Cuando aparecen estos picos de tensión, la VDR baja su valor de resistencia y el pico de tensión se ve reducido (se consume su energía a través de la baja resistencia de la VDR). Ejemplos de modelo comerciales de VDR son: el V39ZAG, que tiene una tensión de disparo de 25 V y el V320LA20A, que es de 320 V.

Actividades finales 1. Explicar la función básica de los componentes NTC y PTC. Representar su simbología y su función básica de forma gráfica. ¿Qué significan las siglas NTC y PTC? ¿Con qué nombre genérico se conocen este tipo de componentes? 2. ¿Qué es una LDR, qué función básica realiza? Indicar algún ejemplo de aplicación. ¿Qué significa LDR? 3. ¿Qué es una VDR? Indicar algunos ejemplos de aplicación. ¿Qué significa VDR? ¿Con qué nombre genérico se conocen este tipo de componentes? 4. Representar la curva característica completa de un diodo tipo 1N4007, indicando sus valores más importantes. 5. Dibujar el esquema para el encendido de dos diodos LED en serie (rojo y verde), mediante una batería de 12 V. Calcular el valor de la resistencia para una intensidad en los LED de 10 mA.

206

Unidad 12

Circuitos básicos de alimentación

Objetivos: Proporcionar los conocimientos necesarios teórico-prácticos sobre los circuitos fundamentales de alimentación, que se basan en la rectificación de la corriente alterna y su filtrado; o sea, proporcionan una tensión continua partiendo de la tensión alterna de la red eléctrica. A veces, además del filtrado se necesita una cierta estabilización de la tensión, para lo cual se utilizan los denominados diodos zener.


Introducción. Partes básicas de una fuente de alimentación.

12.3 12.4

Circuito rectificador de media onda. Circuito rectificador de doble onda.

12.5 12.6

Filtrado. Diodo zener.

12.7

Circuito estabilizador de tensión básico.

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación

12.1 Introducción Los circuitos electrónicos se alimentan con corriente continua; por ello, en todos los aparatos electrónicos que se conectan a la red eléctrica (que es corriente alterna) existe una parte denominada fuente de alimentación, cuya función principal es convertir la corriente alterna a continua (fig. 12.1). En cualquier caso, existe una parte fundamental imprescindible que se llama rectificador; que es el circuito que realiza la conversión de la corriente alterna a corriente continua.

Figura 12.1. La fuente de alimentación se encuentra en todos los aparatos electrónicos que se alimentan a través de la red eléctrica. Se encarga de convertir la tensión alterna en tensión continua del valor adecuado.

Tensión connua (que puede ser estabilizada) +V

Tensión de la red (230 V) Fuente de alimentación (F.A.)

+V

0V

t

12.2 Partes básicas de una fuente de alimentación

En la figura 12.2 se representa la estructura de bloques general de una fuente de alimentación típica básica; lo que sería un alimentador básico, que proporciona una tensión continua (sin estabilizar) partiendo de la tensión alterna de la red eléctrica. 230 V

Tensión de salida

Figura 12.2. Partes fundamentales de un alimentador básico, que proporciona una tensión continua (sin estabilizar) partiendo de la tensión alterna de la red.

12.2.1 Transformador El primer elemento que aparece en dicha estructura es el transformador, que es lo que permite reducir los 230 V que se reciben de la red eléctrica a un valor de voltaje más o menos bajo, adecuado a la aplicación que se requiera (6, 9, 12, 24 V, etc.).

12.2.2 Rectificación Como el objetivo es disponer de un valor de tensión continua, el siguiente paso consiste en lo que se llama rectificación. Mediante la rectificación se convierte la tensión alterna que proporciona el transformador en una tensión continua pulsatoria. Los circuitos rectificadores se basan en el componente electrónico diodo, que tiene la característica de dejar circular la corriente en un único sentido; esto es lo que permite obtener una corriente unidireccional, o sea, continua.

12.2.3 Filtrado Como la tensión continua que se obtiene del rectificador todavía no es adecuada para alimentar la mayoría de circuitos electrónicos, debido a que es pulsatoria, se precisa de otra etapa que se denomina filtrado. Mediante el filtrado se obtiene un aplanamiento de la tensión pulsatoria que entrega el rectificador; se consigue así una tensión continua con menos ondulación, que se aproxima bastante a una tensión continua ideal. Esta etapa es la más simple; normalmente se realiza con un condensador de relativa elevada capacidad (ejemplo, 2200 μF) que se conecta a la salida del rectificador; el aplanamiento de los pulsos que entrega el rectificador se basa en la característica que tienen los condensadores de almacenar carga eléctrica y el retraso en su descarga. 208


Recuerda • • • Los componentes electrónicos se fabrican en base a los materiales semiconductores (normalmente silicio). Debidamente procesados químicamente, se obtienen semiconductores de tipo N y tipo P; en base a estos materiales, se fabrican los componentes electrónicos, desde el diodo hasta los circuitos integrados complejos (memorias RAM, CPU del ordenador, etc.).

Mediante estas etapas simples (transformador, rectificador y filtrado) se obtiene ya una estructura simple de alimentador, que proporciona una tensión continua que puede ser aceptable para ciertas aplicaciones. Esta estructura (fig. 12.2) es la que suelen tener los alimentadores simples.

12.2.4 Regulación de tensión Pero en la mayoría de aplicaciones se necesita una tensión continua de mayor calidad, con menor ondulación y con cierto grado de estabilidad frente a las variaciones de la tensión de la red y de la corriente de la carga. Esto se logra aplicando la tensión filtrada a un circuito electrónico estabilizador, que se basa en dos componentes puramente electrónicos: el diodo zener y el transistor (fig. 12.3). El circuito electrónico estabilizador recibe la tensión del filtro, y proporciona una tensión continua con muy poca ondulación, prácticamente plana, y estable frente a las variaciones de la tensión de la red y de la corriente de salida; o sea, una tensión continua casi ideal. Al ser esta una aplicación muy general, existen circuitos integrados (CI) específicos que realizan esta función; circuitos integrados reguladores de tensión, siendo muy populares los de la serie 78XX/79XX y LM317/337. Tensión connua filtrada

Tensión connua estabilizada + VO

+V

+

Figura 12.3. Circuito estabilizador. Proporciona una tensión continua estabilizada.

Estabilizador

Actividades propuestas 1. ¿Todos los aparatos electrónicos tienen fuente de alimentación, aunque no se conecten a la red eléctrica? 2. Representar el circuito de las partes fundamentales de una fuente de alimentación (transformador, rectificador y filtrado) y explicar la función que realizan. 3. ¿Qué es un circuito estabilizador de tensión?, ¿qué función realiza? ¿Todos los circuitos de alimentación deben tener circuito estabilizador? ¿En qué componente básico se fundamenta el circuito estabilizador de tensión?

12.3 Circuito rectificador de media onda Figura 12.4. Circuito rectificador de media onda. Es el más sencillo de todos.

En base a la característica que tiene el diodo de dejar circular la corriente en un único sentido, se obtiene la conversión de la corriente alterna en corriente continua; a esto se denomina rectificación. En la figura 12.4 se muestra un circuito práctico del rectificador más sencillo; se conoce por rectificador de media onda. 17 V

1N4004

5,4 V 0

Vm = 5,4 V

12 V

Im ≈ 0,2 A

RL 27Ω

230 V

209

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Su funcionamiento es muy sencillo; el diodo únicamente deja pasar hacia la carga (RL) el semiciclo positivo de la onda senoidal que recibe del transformador, o sea, media onda (de ahí la denominación de rectificador de media onda). Esto es porque sólo durante el semiciclo positivo el diodo se puede polarizar de forma directa (el ánodo se hace positivo con respecto al cátodo). El semiciclo negativo no lo deja pasar porque durante dicho semiciclo el diodo queda polarizado de forma inversa (el ánodo es negativo con respecto al cátodo) bloqueando así el paso de la corriente. Este circuito rectificador proporciona por tanto una tensión continua, pero pulsatoria; aparece un pulso positivo por cada ciclo de la red, o sea, 50 pulsos por segundo. En la figura 12.5 se representan la tensión alterna de entrada y la tensión continua (pulsatoria) de salida. Tensión de entrada:

17 V

0

12 2 ≈ 17VP π

2π

ωt

-17 V

17 V 5,4 V 0 Figura 12.5. Tensión de entrada y tensión de salida del circuito rectificador.

Tensión de salida:

Vm =

VP 17 ≈ ≈ 5,4 V π 3,14

Cálculo de la tensión y corriente de salida El valor medio de la tensión de salida, que es la que mediría un voltímetro, se calcula en base a la fórmula siguiente:

El valor de pico (VP) se halla conociendo la tensión de salida del transformador (que se da siempre en valor eficaz, VRMS). Si el transformador da 12 V de salida, pues el valor de pico de dicha tensión es casi 17 V:

Y el valor medio de la tensión continua de salida será por tanto:

El polímetro en medida de tensión continua (VDC) marcaría este valor de tensión. Y el valor medio de la corriente de salida, se calcula mediante la siguiente fórmula:

12.4 Circuito rectificador de doble onda El circuito rectificador de doble onda es el normalmente utilizado en la práctica, ya que proporciona un mejor rendimiento que el de media onda. La tensión rectificada de salida que se obtiene es la mostrada en la figura 12.6. En el intervalo de duración del periodo de la red eléctrica se obtiene dos pulsos positivos; la tensión continua tiene menos espacios sin tensión que el rectificador de media onda. Al tener menos huecos sin tensión, tiene menos ondulación; la tensión se aproxima más a una tensión continua ideal, que la que se obtiene con la rectificación de media onda.

210


VP

Vm = Figura 12.6. Tensión continua pulsatoria que proporciona el rectificador de doble onda.

2VP π

0 T = 0,02 Tensión de salida Al tener dos pulsos positivos en vez de uno dentro del ciclo de la red, el valor de la tensión media continua es doble del que se consigue con la rectificación en media onda.

12.4.1 Puentes rectificadores Los llamados puentes rectificadores son componentes que integran 4 diodos conectados para formar un circuito denominado puente rectificador. A este tipo de circuito también se le llama puente de Graetz. En la figura 12.7 se muestra la simbología de este componente, y el circuito que integra. Aplicando una tensión alterna en los terminales de entrada (los marcados con el símbolo de alterna), se obtiene en los terminales de salida una tensión continua (pulsatoria).

Figura 12.7. Símbolo de un puente rectificador y su circuito equivalente.

El aspecto práctico de dos tipos de puentes rectificadores muy utilizados se representa en la figura 12.8. Tienen 4 terminales; dos para la alterna de entrada (c.a.), y otros dos para la continua de salida (c.c.).

Figura 12.8. Aspecto práctico de puentes rectificadores típicos.

12.4.2 Circuito rectificador de doble onda con puente de diodos Un ejemplo de circuito práctico rectificador de doble onda con puente rectificador se muestra en la figura 12.9. Su funcionamiento se basa en la conducción de un par de diodos en cada semiciclo de la onda de entrada; en el semiciclo positivo conducen 211

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación los diodos D2 y D3, y en el negativo lo hacen D1 y D4. Por tanto, se aprovecha toda la energía de la onda alterna de entrada (a diferencia del rectificador de media onda, que se aprovecha sólo la mitad de la onda).

≅ 17V

Vm = 10 V

0

+ D1

D2

12 V

D3

230 V

RL 47Ω

D4 Im = 0,21 A

Figura 12.9. Circuito de un rectificador de onda completa mediante puente a diodos.

Esto reporta que por la carga (RL) aparezca dos pulsos positivos por cada ciclo de la red, como se representa en el diagrama de ondas de la figura 12.10. Tensión continua media de salida: Intensidad continua media de salida:

17 V

0V

Tensión de entrada

π

2π

-17 V

Tensión de salida

15,6 V

Vm

10 V Figura 12.10. Tensión de entrada y de salida en el rectificador de doble onda.

0V

Conducen D2 y D3

Conducen D 1 y D4

T = 0,02 s Así, en el circuito de la figura 12.9, la tensión de pico de salida del transformador será por tanto de:

212

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Si restamos los 1,4 V de caída directa de los dos diodos que conducen en cada semiciclo, la tensión de pico de la tensión pulsatoria de salida será: El valor de tensión continua media de salida (Vm), será:

Éste es el valor de tensión continua que marcaría un voltímetro conectado en la salida (casi 10 V). Y conociendo el valor medio de la tensión de salida, la corriente media en la carga (RL) será:

Actividades propuestas 1. Dibujar el esquema de un circuito rectificador de media onda y poner el diagrama de ondas de entrada y salida. Explicar su funcionamiento. 2. Si en un circuito rectificador de media onda la tensión de salida del transformador es de 12 V, ¿qué valor de tensión continua se mediría con un tester en la salida del rectificador? Si a la salida del rectificador se conecta una resistencia de 10 Ω, calcular el valor de corriente que circulará por dicha resistencia. 3. Dibujar el circuito de un rectificador de doble onda utilizando 4 diodos 1N4007 y explicar su funcionamiento. 4. Suponiendo una tensión alterna de entrada al rectificador de doble onda de 12 V y una carga en la salida de RL = 10 Ω, representar el diagrama de ondas de la tensión de entrada, tensión de salida y corriente de salida. 5. Representar y explicar el puente de Graetz. Dibujar el circuito de un rectificador de doble onda basado en un puente de Graetz. Si queremos una tensión continua de salida de 10 V, ¿qué valor de tensión deberá entregar el transformador?

12.5 Filtrado La tensión continua que proporcionan los rectificadores, al ser pulsatoria, no resulta adecuada para la alimentación de la mayoría de circuitos electrónicos. Para lograr aproximarla a una tensión continua ideal, se hace lo que se llama filtrado. Esto, en la práctica, se consigue mediante un condensador de una relativa elevada capacidad conectado a la salida del rectificador, o sea, en paralelo con la carga, como se muestra en la figura 12.11.

Condensador de filtro

VO

C RL Figura 12.11. Filtrado de la tensión continua pulsatoria.

Carga del condensador en el semiciclo posivo

Descarga del condensador a través de RL

En base al efecto característico que tiene el condensador de almacenar carga eléctrica y tardar un cierto tiempo en descargarse, se consiguen llenar más o menos los "huecos" que presenta la onda de tensión continua pulsatoria (fig. 12.12). Cuando

213

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación aparece el pulso positivo, el diodo conduce y RL recibe corriente; además, el condensador tiende a cargarse hasta la tensión de pico. Después, cuando aparece el hueco de la onda pulsatoria (el diodo no conduce), la tensión almacenada en el condensador queda aplicada sobre RL y éste inicia su descarga. El condensador sirve pues para alimentar la carga RL cuando el diodo no conduce. De esta manera se obtiene una tensión continua que puede tener baja ondulación; una aproximación a la tensión continua ideal. El diodo conduce, se carga el condensador

El diodo no conduce, se descarga el condensador

VP

0 Figura 12.12. Efecto que produce el condensador de filtro.

π

2π

t

T

12.5.1 Cálculo práctico del condensador de filtro Una fórmula práctica sencilla para saber el valor (muy aproximado) de la capacidad del condensador, para un cierto valor de tensión de rizado y de corriente de salida es:

C = Capacidad (F) IO = Intensidad de salida (A) Vr(pp) = Tensión de rizado (pp) f = Frecuencia de la onda pulsatoria (Hz) En el rectificador de media onda, como aparece un pulso positivo por cada ciclo de la onda senoidal de entrada, f = 50. Y en el rectificador de doble onda, que es el normalmente empleado, como aparecen dos pulsos positivos por cada ciclo, f = 100.

Ejemplo Supongamos que nos interesa saber el valor del condensador en un circuito rectificador de doble onda, que tiene que entregar una intensidad de salida de 50 mA y que interesa que el rizado no sea mayor de 0,4 Vpp.

12.5.2 Cálculo de un circuito un alimentador básico En la figura 12.13 se muestra el circuito práctico de un alimentador básico, el más sencillo. Proporciona una tensión continua de salida de unos 9 V, y para una intensidad de salida de 50 mA el valor de la tensión de rizado es de unos 0,4 Vpp. Como el transformador entrega una tensión de salida (eficaz) de 7,5 V el valor de pico de dicha tensión es: Y la tensión continua media de salida, la que mediría un voltímetro si el condensador no está conectado, sin tener en cuenta la caída directa de los dos diodos que conducen, será:

214

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Pero para tensiones bajas, como en este caso, se obtiene un valor más exacto si tenemos en cuenta la caída directa de los dos diodos que conducen en el puente rectificador; lo cual significa que a la tensión de pico hay que restar 2 x 0,7 V = 1,4 V. Así, un valor de la tensión continua media de salida más real será:

Este sería el valor que marcaría un voltímetro si el condensador de filtro no está conectado. Al conectar el condensador de filtro, la tensión de salida aumenta a un valor muy próximo a la tensión de pico. Así, restando los 1,4 V de los dos diodos que conducen, la tensión continua de salida filtrada será:

7,5 × 2 ≅ 10,6V

INT4004

+9 V

50mA

230 V 7,5V

RL 180Ω

1250 μF 16 V

Figura 12.13. Circuito práctico alimentador; proporciona una tensión continua de 9 V.

Actividades propuestas 1. Explicar el concepto de filtrado y cómo se obtiene. 2. Representar la tensión de salida de un rectificador de doble onda sin filtrar y filtrada. ¿Qué es la tensión de rizado? 3. Si en un circuito rectificador de doble onda la corriente de salida es de 50 mA y el condensador de filtro es de 1250 μF, ¿de qué valor será la tensión de rizado? 4. Dibujar el esquema de un alimentador básico (transformador, puente rectificador y condensador de filtro). Si nos interesa una tensión de salida de 5 V para una carga máxima de 100 mA y no interesa un rizado mayor de 0,5 V, calcular: a) La tensión de salida del transformador b) El valor de capacidad del condensador de filtro

12.6 Diodo zener Para lograr una cierta estabilización en las tensiones se necesitan circuitos reguladores, los cuales siempre se basan en un componente que se llama diodo zener, cuya simbología y aspecto práctico se muestra en la figura 12.14.

215


K K

Figura 12.14. Símbolo y aspecto práctico de un diodo zener.

A A Su aspecto práctico es como la de cualquier otro diodo de pequeña o mediana potencia; por ello, a simple vista puede confundirse con un diodo normal. Estabilizador de tensión

Figura 12.15. La aplicación principal del diodo zener es como estabilizador de tensión.

Tensión de entrada con variaciones (no estable)

Tensión de salida de valor constante (estable)

Aunque la aplicación principal del diodo zener es como estabilizador de tensiones (fig. 12.15), también se puede utilizar para limitar picos de tensión, como elemento protector en circuitos; o sea, se puede comportar también como un varistor (VDR), como se representa en la figura 12.16.

Z2

Z1

I

VZ 1 Figura 12.16. El diodo zener también se puede utilizar para recortar picos de tensión.

VZ 2 VDR El diodo zener se utiliza en polarización inversa, o sea, la tensión en el cátodo debe ser positiva con respecto al ánodo. Y el valor de tensión se encuentra en el punto donde empieza a conducir por efecto de ruptura. Son diodos fabricados especialmente para funcionar en polarización inversa y para unas tensiones muy concretas, por ejemplo, 12 V. Podemos encontrar diodos zener en una amplia gama de tensiones; desde unos 3,3 V a 200 V (y más).

12.6.1 Curva característica típica del zener En la figura 12.17 se muestra la curva característica del diodo zener en su zona de trabajo, polarización inversa. Tensión zener

VZ VR

Conducción brusca, que se inicia a parr de la tensión zener Figura 12.17. El diodo zener trabaja en polarización inversa, en el punto donde se inicia la conducción.

216

IZ

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Al igual que cualquier otro diodo, prácticamente no circula corriente en polarización inversa (sólo la de fugas); pero al llegar a una determinada tensión, que se llama tensión zener, empieza a conducir; en este punto, la intensidad puede aumentar bruscamente para pequeños aumentos de la tensión. O sea, al llegar a la tensión zener, muy pequeñas variaciones de tensión dan lugar a variaciones relativamente grandes de corriente. El valor de la tensión zener la determina el fabricante en el proceso de fabricación del zener. La potencia máxima que disipa se obtiene por:

El fabricante indica su potencia máxima (a una cierta temperatura); por ello, se debe limitar el valor de la intensidad máxima que circule por el zener, que siempre deberá ser:

Ejemplo En un diodo zener de 10 V y 0,4 W la intensidad máxima es:

También se tiene que saber que por el zener debe circular siempre un valor mínimo de intensidad, que el fabricante indica por IZK; en la práctica se toma un valor entre 1 y 5 mA.

12.7 Circuito estabilizador de tensión básico

El montaje del circuito estabilizador de tensión básico se basa en el zener, como se representa en la figura 12.18.

+ VE

Resistencia limitadora de intensidad R

VS = VZ

IR = IZ + IL Tensión de entrada con variaciones (no estable)

IL IZ

Carga

(RL )

Tensión de salida de valor constante (estable)

0V

0V Figura 12.18. Circuito estabilizador zener básico.

VZ

El diseño de un circuito estabilizador zener se basa en el cálculo adecuado de la resistencia limitadora; a través de ella tiene que circular la corriente del zener y la que circule por la carga. En general, y en primera aproximación, se calcula mediante la fórmula:

VE = Voltaje de entrada VZ = Voltaje del zener IZ = Intensidad en el zener IL = Intensidad en la carga 217

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación En su cálculo se deben considerar los factores; tensión mínima y máxima de entrada, la intensidad máxima que puede circular por el zener (que depende de su potencia) y la intensidad a través de la carga que se alimenta. El efecto de estabilidad de tensión que proporciona el diodo zener se basa en que: Variaciones relativamente grandes de la intensidad inversa que circula por el diodo zener (dentro de un margen), sólo dan lugar a pequeñas variaciones en su tensión.

12.7.1 Cálculo del circuito estabilizador Supongamos el siguiente circuito (fig. 12.19), el cual alimenta una carga que consiste en un simple diodo emisor de luz (LED), con su correspondiente resistencia limitadora. Se utiliza el zener 1N961B, que es de 10 V y 0,5 W, cuya intensidad máxima es IZD = 38 mA. El resultado tiene que ser que la corriente que circule por la carga (el LED) sea la misma aunque la tensión de entrada tenga variaciones (dentro de un cierto rango). Esto será así porque el zener mantendrá estable a 10 V la tensión de salida, aunque varíe la tensión de entrada (dentro de un cierto rango). La carga es el LED con su correspondiente resistencia limitadora (R2), lo cual equivale a una carga total de 10 mA, como se deduce a continuación: al ser la tensión de salida de 10 V, considerando los 2 V típicos del LED, se deduce que la intensidad de salida será de 0,01 A = 10 mA:

O sea, la carga (el LED y la resistencia de 820 Ω) equivale a una resistencia de 1 kΩ, ya que:

Figura 12.19. Ejemplo de circuito práctico estabilizador.

La tensión de entrada mínima necesaria (para IZK = 1 mA): Y la tensión de entrada máxima (para IZM = 38 mA): Y en este punto de trabajo la potencia disipada en el zener es: Que es inferior a la máxima indicada por el fabricante (0,5 W).

218

Unidad 12 · Circuitos básicos de alimentación Así, en resumen, dentro del margen de variación de la tensión de entrada entre unos 13 y 23 V, la intensidad del zener variará entre 1 a 38 mA; pero la tensión e intensidad de salida permanecerá (aproximadamente) constante: VL = 10 V, IL = 10 mA.

Figura 12.20. Valores de las intensidades y tensión de salida que muestra para una margen de variación de la tensión de entrada entre 13 y 23 V.

En la figura 12.20 se muestran los resultados de la experimentación del funcionamiento del circuito mediante el programa Multisim, para los valores de tensión de entrada mínima y máxima. Las variaciones de la tensión de entrada afectan a la intensidad a través del zener, pero no a la intensidad por la carga. Para la tensión de entrada de 13 V, la intensidad en el zener es de alrededor de 1 mA y su tensión unos 10 V. Y cuando la tensión de entrada sube a 23 V, la intensidad en el zener aumenta a 38 mA; pero su tensión permanece a unos 10 V. Obviamente, la tensión en el zener no se mantiene exacta; pero sus variaciones son muy pequeñas.

IR 1

IL Vsal . ≅ 10 V

R1 270Ω IZ

820Ω

13V Tensión de entrada mínima

10V

1N961B

IR 1

IL Vsal . ≅ 10 V

R1 270Ω IZ

820Ω

23V Tensión de entrada máxima

10V

1N961B

Actividades finales 1. Representar la simbología y función que realiza un diodo zener. ¿Cómo se debe polarizar el zener, en forma directa o inversa? 2. Explicar con la curva característica del zener, la estabilización de tensión del zener. 3. En un zener de 12 V / 0,4 W, ¿de qué valor máximo puede llegar a ser la corriente? 4. ¿Entre qué margen se considera que debe estar el valor de corriente mínima del zener? 5. Dibujar el esquema básico de un circuito estabilizador de tensión basado en un diodo zener y explicar cómo funciona.

219

Unidad 13

Introducción a los transistores

Objetivos: • • • • •

Conocer el aspecto práctico y función que realiza el transistor bipolar (BJT); el componente en el cual se fundamenta la electrónica. Familiarizarse con los conceptos elementales sobre amplificación. Saber, comprender, el concepto de electrónica. Conocer conceptualmente, los circuitos integrados. Conocer los diferentes tipos de transistores (FET, MOS, UJT), y su campo de aplicación.


Función que realiza el transistor. Amplificador.

13.3 13.4

Aspectos prácticos sobre transistores. El Transistor bipolar (BJT).

13.5 13.6

Transistores de efecto de campo (FET). Transistores MOS.

13.7

Transistor UJT.

Unidad 13 · Introducción a los transistores

Recuerda • • • Transistor BC 547

13.1 Función que realiza el transistor El transistor es, sin lugar a dudas, el componente electrónico fundamental en electrónica; es la base de todos los sistemas electrónicos. Los transistores se encuentran en todos los aparatos electrónicos, desde los más sencillos hasta los más avanzados. Un transistor es un componente de tres terminales (patillas), fabricado mediante materiales semiconductores (normalmente silicio), pequeño y de bajo coste, capaz de realizar una función básica imprescindible en electrónica: amplificar.

13.1.1 Concepto de amplificación Aspecto real de un transistor (de los más utilizados). Es el componente fundamental en electrónica.

Partiendo de una débil señal eléctrica (señal de entrada), que puede ser la de un micrófono, de una antena de TV, etc., obtener una señal de salida (idéntica en frecuencia y forma de onda) de mayor magnitud. Por ejemplo, podría ser una señal de entrada de 0,01 V, procedente de un micrófono, y mediante un amplificador obtener una señal de 20 V para activar un altavoz. En este caso, se diría que el factor de amplificación, ganancia, es:

O sea, en este caso, la señal de salida obtenida es 2000 veces mayor que la de entrada; esto es amplificación. Y gracias a ello, se podrían escuchar con alto nivel sonoro los sonidos captados por el micrófono. La función de amplificar la realizan los circuitos o aparatos que se llaman amplificadores, que se realizan en base a los transistores. Por ejemplo, son señales eléctricas débiles, que se tienen que amplificar, las captadas por: • El cabezal magnético de un disco duro • Una antena (de móvil, TV…) • Una pastilla de guitarra eléctrica • Un sensor de electrocardiógrafo • Un micrófono Y existen otros muy diversos ejemplos. Gracias a la función de amplificar, podemos, por ejemplo: escuchar la radio, ver la TV, controlar un ascensor con una simple pulsación, y otras muy diversas cosas. Antes de aparecer el transistor ya existía la electrónica, y por tanto la radio y la TV, incluso el principio de los ordenadores; pero la amplificación de señales se realizaba con componentes denominados válvulas, algo parecido a bombillas, que eran de un tamaño considerable, frágiles y que necesitaban de una corriente eléctrica para encender su filamento. Es seguro que de no haberse descubierto los semiconductores y en consecuencia el transistor (1948), gracias a su pequeño tamaño y a los avances en la microelectrónica, la electrónica actual no existiría. Se puede decir, pues, que los ordenadores, los PDA, teléfonos móviles, etc., existen gracias al descubrimiento del transistor y posteriormente al desarrollo de los circuitos integrados (popularmente conocidos por microchips).

13.2 Amplificador La estructura básica de un ejemplo de amplificador se representa en la figura 13.1. Se trata, a modo de ejemplo, de un amplificador de guitarra eléctrica. Dentro del bloque amplificador ya se ha representado el símbolo esquemático del transistor (el tipo más usual). Con esto se indica que el amplificador está realizado en base al transistor, pueden haber varios transistores, además de los componentes adicionales típicos como resistencias, condensadores, etc.

221

Unidad 13 · Introducción a los transistores Como es obvio, y así es en todos los aparatos electrónicos, para que funcionen se necesita de una tensión de alimentación, para suministrar la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. De hecho, la potencia sonora que se obtiene la suministra la energía eléctrica de la alimentación. Si, por ejemplo, el amplificador entregará al altavoz una potencia de 100 W, la tensión de alimentación tendría que suministrar al amplificador más de 100 W (hay que tener en cuenta que, como el rendimiento nunca es del 100%, parte de la energía que entrega la fuente de alimentación es perdida en forma de calor en los componentes).


Transistor real y su símbolo Esquemático; este pequeño componente permite la amplificación de señales eléctricas (audio, TV, etc.).

Las pastillas de la guitarra eléctrica son una especie de cabezales magnéticos (se basan en unos bobinados sobre un núcleo de imán), que convierten las vibraciones de las cuerdas (que son de material ferro magnético) en unas débiles señales eléctricas. Las señales de las pastillas constituyen la señal de entrada del amplificador, mediante el cual se obtiene una señal eléctrica de salida (idéntica a la de entrada, en forma de onda y frecuencia) de una magnitud que puede ser mucho mayor. La señal salida del amplificador, aplicada a un altavoz (que convierte la señal eléctrica en sonido), permite obtener una gran potencia sonora; así es como se obtienen los potentes sonidos de una guitarra eléctrica. Hay que tener en cuenta que si la señal de salida apareciera con alguna modificación en su forma de onda o frecuencia (esto se conoce por distorsión), podría pasar que el sonido fuera desagradable. Y en el caso de un amplificador de voces, hasta podría pasar que la voz pareciera diferente a la original (la captada por el micrófono). Para que esto no suceda, la señal de salida debe conservar la frecuencia y forma de onda de original (la de la señal de entrada); pero en la práctica, siempre existe algo de distorsión, aunque sea muy pequeña, que se procura reducir al máximo, sobre todo en los equipos de música.

Está realizado en base al transistor. Señal eléctrica

+V Señal eléctrica de entrada

Amplificador 20 V

≈ 0,1V Altavoz Sonido

Figura 13.1. Ejemplo de representación del concepto de Amplificación: Amplificador de guitarra eléctrica. Las pastillas de la guitarra convierten las vibraciones de las cuerdas en débiles señales eléctricas; mediante el amplificador, se obtienen dichas señales con una amplitud mucho mayor, adecuada para activar el altavoz.

222

Un caso particular se da en los equipos amplificadores de guitarra eléctrica; en este caso, se parte de un potente amplificador de calidad, pero con circuitos para producir efectos, normalmente de distorsión y reverberación, para que aparezcan cuando el usuario lo decida. Esto es sólo un ejemplo de la amplificación; como se deduce, gracias a los amplificadores, podemos escuchar la radio y TV con potencia, escuchar el teléfono móvil, enviar las señales electromagnéticas (telefonía, radio, TV) con potencia, escuchar los mensajes de megafonía del metro, avión, etc.


El concepto de electrónica Como ya se debe saber, el concepto de electrónica se puede resumir en: La electrónica es la ciencia o tecnología que trata sobre los componentes (o circuitos) en los cuales la conducción eléctrica es a través de materiales semiconductores, donde se manifiestan efectos activos como es la amplificación. Que dicho de otra manera: Electrónica, es el estudio y aplicación de los componentes cuyo funcionamiento se basa en los semiconductores, donde aparecen circuitos con efectos de amplificación (amplificadores de sonido, generadores de ondas, sistemas de control, etc.). Es obvio que el transistor es el componente fundamental de la electrónica.

Actividades propuestas 1. Explicar el concepto de electrónica. 2. ¿Qué se entiende por amplificar? ¿Qué es un amplificador? 3. Indicar 3 ejemplos de señales eléctricas. 4. ¿Cuántos terminales tiene un transistor?

13.3 Aspectos prácticos sobre transistores Los transistores se pueden utilizar como un componente suelto, discreto, pero normalmente se utilizan masivamente formando parte de circuitos relativamente complejos como son los circuitos integrados (CI). Así, por ejemplo, mediante dos transistores se puede hacer un simple circuito para encender dos diodos LED de forma alternativa, o bien utilizar un CI digital programable (microcontrolador) para controlar un sistema de alarma. En las dos aplicaciones se ha utilizado el transistor como componente base; en el primer caso, dos transistores sueltos con sus componentes adicionales (resistencias y condensadores), y en el segundo caso un CI donde pueden encontrarse miles de transistores, formando circuitos completos. En la figura 13.2 se representa la foto de un transistor y de un circuito integrado, de los tipos más utilizados.

Figura 13.2. Aspecto real de un transistor y un circuito integrado, de los más utilizados.

13.3.1 El circuito integrado En el CI pueden haber perfectamente miles de transistores; pero, obviamente, construidos todos a la vez en un mismo proceso de integración y formando circuitos completos (se encuentran también resistencias y diodos, y alguna pequeña capacidad). Hay que tener en cuenta que el tamaño interno del transistor es mucho más pequeño de cómo se ve, ya que para que se pueda manipular se tiene que encapsular

223

Unidad 13 · Introducción a los transistores en un tipo de formato manejable. Y en los circuitos integrados pasa lo mismo; el tamaño real, lo que es el chip, es mucho más pequeño de cómo los vemos. Dentro del encapsulado se encuentra el chip, que es bloque formado por semiconductores donde se encuentran los circuitos. Una representación de esto se muestra en la figura 13.3.

Figura 13.3. Aspecto de parte interna de un circuito integrado, donde aparece el chip (diminuto bloque basado en silicio donde están integrados los componentes que forman los circuitos electrónicos).

Chip; aquí se encuentran todos los componentes formando los circuitos

En general, para que los componentes semiconductores los podamos manipular se tienen que “empaquetar”, y de ahí que aparezcan los diferentes tipos de encapsulados. Para tener una idea del tamaño real de un transistor y de un circuito integrado, se muestra otra foto (figura 13.4) donde aparece un bolígrafo al lado de dichos componentes.

Figura 13.4. Foto de un transistor y un circuito integrado, que nos da ideal del tamaño real de dichos componentes.

Otros tipos de encapsulados de transistores también muy utilizados se muestran en la figura 13.5.

Figura 13.5. Tipos de encapsulados de los transistores normalmente más utilizados.

Existen dos diferentes grupos de tipos de transistores; los que se conocen por bipolares (NPN y PNP) y los de efecto de campo (FET-MOS). Y de todos ellos, los que normalmente se utilizan más de forma general, y que su estudio resulta imprescindible, son los transistores bipolares.

224


13.4 El Transistor bipolar (BJT) Este es el tipo de transistor más popular, el normalmente más utilizado, y que se debe estudiar en un principio. Las siglas BJT significan Bipolar Junction Transistor; o sea, transistor bipolar de unión, que nos da información sobre sus constitución física. Está fabricado en base a dos uniones (junction) de materiales semiconductores (N y P), y su funcionamiento interno se basa en dos portadores de carga; los electrones y los huecos (de ahí lo de bipolar). Transistor es una expresión derivada de Transfer resistor. Este componente es el fundamental en electrónica, el más importante; se podría decir que, sin ellos, no habría electrónica (tal como la conocemos). En la figura 13.6 se muestra la simbología general de un transistor bipolar (tipo NPN) y la foto de un modelo de los más comerciales (BC547). Todos los transistores tienen 3 patillas; en los bipolares se denominan emisor (E), base (B) y colector (C). Colector (C) C Base (B) NPN

B

Figura 13.6. Simbología y modelo comercial de un transistor (NPN); el componente fundamental de la electrónica.

E Emisor (E)

13.4.1 Función básica que realiza el transistor La función básica del transistor es amplificar corriente. Una débil corriente (μA o mA) que circule a través de la patilla denominada base (B), puede hacer circular una corriente mucho mayor (100 veces mayor, y más), entre los terminales colector (C) y emisor (E). Esta función básica del transistor es lo que permite realizar las aplicaciones denominadas amplificador, que van desde simples etapas basadas en un solo transistor hasta circuitos complejos integrados de instrumentación, comunicaciones, etc. Así pues, el transistor bipolar (BJT), que se empezará a estudiar detalladamente a partir del siguiente capítulo, existe en dos versiones; los NPN y los PNP. A efectos prácticos, sólo se diferencian en las polaridades de su polarización, como pronto se verá.

Actividades propuestas 1. Explicar la función básica que realiza un transistor. 2. Representar un transistor NPN con sus nombres de patillas. 3. ¿Qué significan las siglas BJT? 4. Básicamente, ¿qué es un circuito integrado?

13.5 Transistores de efecto de campo (FET) El transistor de efecto de campo, que se representa por FET (Field Effect Transistor), aunque sus principios fueron descubiertos antes que el transistor bipolar, no se empezó a comercializar hasta bastante después que el BJT, por cuestiones de tecnología de fabricación; además, sus aplicaciones no resultaban tan generales como las del BJT, son más especificas. 225

Unidad 13 · Introducción a los transistores En los transistores FET, aparecen dos grupos: los de unión, que se llaman JFET (Junction Field Effect Transistor), y los de puerta aislada que se conocen por MOS (Metal Oxide Semiconductor), o bien por MOSFET. A su vez, tanto en los JFET como en los MOS, aparecen dos modelos: los de canal N y los de canal P. Y dentro de los MOS, se produce otra división; los de empobrecimiento (depletion) y los de enriquecimiento (enhancement). A continuación se presenta una visión general de todos ellos, para tener idea de su concepto básico y campo de aplicación.

13.5.1 Transistores FET de unión (JFET) Al igual que los transistores bipolares, el FET aparece con dos variantes: los de canal N y los de canal P. En la figura 13.7 se muestra su simbología general. Se trata de un FET de canal N. Drenador (D)

Graduador (G)

Figura 13.7. Simbología de un transistor FET (canal N).

Surdor (S) Sus terminales (patillas), se denomina surtidor, graduador y drenador, que se representan por S (source), G (gate) y D (drain) respectivamente. Un modelo práctico popular, es el BF245; es un FET de canal N.

13.5.2 Función básica que realizan los transistores FET La función básica que hacen los transistores de efecto de campo en general, consiste en que: mediante una tensión (señal de entrada) aplicada al terminal graduador (G), por efecto de campo eléctrico, se puede hacer circular una corriente (de salida) a través de los terminales drenador (D) y surtidor (S). Y esto es con efecto de amplificación; señales débiles de entrada dan lugar a señales mucho mayores (amplificación) en la salida. O sea, mediante un voltaje de entrada, se controla una corriente de salida. Y mediante este efecto, se logran aplicaciones similares a las de los transistores bipolares, con algunas características diferentes; la más relevante, es que su control es mediante tensión, siendo su corriente de entrada prácticamente cero, lo cual le confiere la característica de muy alta impedancia de entrada. En cambio, en los transistores bipolares su control es fundamentalmente mediante una corriente (una muy pequeña corriente de entrada permite el control de una corriente de salida mucho mayor). Los FET, son necesarios en especial cuando se necesita un circuito de amplificacióncontrol de muy alta impedancia de entrada. Se encuentran en etapas amplificadoras para ciertos tipos de micrófonos, para el acoplo de ciertos sensores, en aparatos de telecomunicaciones, etc. Los transistores FET en general, también se conocen por transistores unipolares, debido a que su funcionamiento se basa en un solo portador de carga (los electrones, en los FET canal N). En cambio, en los transistores BJT, su funcionamiento se basa en dos portadores de carga (electrones y huecos), por eso se conocen por bipolares. Este tipo de transistor se fabrica en base a la unión de una zona de material P en medio de una barrita de material N (FET de canal); son transistores FET de unión.

226


13.6 Transistores MOS Además de los transistores JFET, están los FET de puerta aislada, que son conocidos por transistores MOSFET, o simplemente MOS. En la figura 13.8 se muestra su simbología; se trata de un MOS de canal N. Sus terminales se llaman igual que en los JFET, y su función básica es la misma. La diferencia está en que el terminal de control graduador (G) se encuentra aislado del material semiconductor por medio de un aislante (óxido de silicio); su función de ejercer campo eléctrico de control sobre la corriente de salida (drenador-surtidor) se realiza a través de una pequeña capacidad.

Drenador D Figura 13.8. Simbología de un transistor MOS de canal N. Estos transistores son los que normalmente se encuentran en los circuitos integrados.

Graduador

Canal N

G

S

Surdor Los transistores MOS, son los normalmente utilizados en la fabricación de circuitos integrados, debido a que resultan más fácilmente integrables que los bipolares, ocupan menos superficie del sustrato (materia base donde se fabrica el circuito integrado). Son los normalmente utilizados para la fabricación de circuitos integrados digitales de alta escala de integración, como memorias RAM, microprocesadores (CPU), microcontroladores PIC, etc. También existen transistores MOS de potencia, que se utilizan en las etapas de potencia de equipos de sonido, fuentes de alimentación, control de motores, etc. Un ejemplo de MOSFET comercial bastante popular es el BUZ71 cuyo encapsulado es TO-220 (figura 13.9). Soporta una intensidad de drenador máxima de 17 A, aunque su tensión es más bien baja (VDS = 50 V).

BUZ71

D G Figura 13.9. Aspecto práctico de un transistor MOS de potencia.

S G

D

S

13.7 Transistor UJT Por último, hay que decir que aún existe otro tipo de transistor más; un tipo especial que se llama UJT (UniJunction Transistor). Es un tipo de transistor especial cuyas aplicaciones son muy limitadas; se centran en la industria, como generador de impulsos, típicamente para el control de otros componentes semiconductores que se llaman Tiristores. O sea, que la función básica que realiza el UJT no es amplificar; sino generar impulsos. En la figura 13.10 se muestra su simbología y el aspecto de un modelo comercial. Su nombre proviene de su construcción; se fabrica en base a una sola unión semiconductora, por lo cual se conoce por transistor de una sola unión, y de ahí viene lo de unijunction (UJT).

227


Base 2 (B2)

Figura 13.10. Simbología y aspecto práctico de un transistor UJT comercial (2N2646). Es un tipo especial de transistor; su aplicación se centra en la industria, como generador de impulsos.

Emisor (E) Base 1 (B1) Aunque, como se ha presentado en esta visión general sobre transistores, existen varios tipos de transistores, de todos ellos el que resulta imprescindible estudiar con cierta profundidad, es el bipolar; es de aplicación básica y general. Los JFET es conveniente conocer, ya que también se encuentran en ciertas aplicaciones. Y los MOS básicos, hay que saber que son los transistores que normalmente se utilizan en la fabricación de CI, y rara vez se encuentran como componente suelto. Los MOS de potencia si son utilizados bastante en ciertas aplicaciones de potencia (regulación y control de motores, etapas de potencia de sonido, fuentes de alimentación, etc.), y por ello resulta conveniente también estudiarlos.

Actividades propuestas 1. Representar la simbología con sus nombres de terminales de un transistor FET. 2. ¿Qué significan las siglas FET? 3. Explica diferencias entre un transistor NPN y un FET. 4. Además de los transistores BJT y FET, ¿qué otros dos transistores se han explicado? Indicar su simbología y características básicas.

Resumen sobre simbología de transistores Transistores bipolares (BJT): Colector

Colector

C

C

Base

Base NPN

B

PNP

B

E

E

Emisor

Emisor

Transistores de efecto de campo de unión (JFET): Drenador (D)

Graduador

Canal N

Surdor (S)

228

Drenador (D)

Graduador

Canal P

Surdor (S)

Unidad 13 · Introducción a los transistores Transistores de efecto de campo de puerta aislada (MOS): Enriquecido (enhancement)

Drenador

Drenador

D

D

Graduador G

Canal N

Graduador G

S

Canal P S

Surdor

Surdor

Empobrecido (depleon)

D

D

G

G

S

S

Transistor UJT (UniJunction Transistor): Base 2

Emisor (E) Base 1 (B1)

Encapsulados de transistores normalmente utilizados

229


Actividades finales 1. ¿El circuito de encendido de la lámpara de iluminación de un comedor se puede considerar electrónica? 2. ¿Cuántos terminales (patillas) tienen los transistores? 3. Cuál es la función básica que realiza un transistor BJT. ¿Qué significa BJT? 4. La etapa de potencia de un equipo de sonido, alimentada con la red eléctrica (230 V), ¿dónde se puede incluir en electricidad o electrónica? 5. Explicar la función amplificación y poner 3 ejemplos prácticos donde aparezca. 6. Conceptualmente, ¿qué es un circuito integrado? 7. Dibujar la simbología de un transistor bipolar NPN y de un MOS canal N, con el nombre de sus patillas. 8. De todos los transistores, ¿cuál es el que se utiliza más en la fabricación de circuitos integrados? ¿Por qué? 9. Indicar dos modelos comerciales de transistores bipolares y dibujar sus tipos encapsulados. 10. Explicar la cualidad particular que tienen los transistores de efecto de campo en general (JFET y MOS), qué los caracteriza y diferencia de los bipolares. 11. ¿Qué función básica realiza un transistor UJT? Dibujar su símbolo. 12. De todos los transistores que se han presentado, ¿cuál de ellos es el que resulta imprescindible estudiar con cierta profundidad, dado su campo general de aplicaciones? Dibujar su simbología con sus nombres de patillas. 13. Hacer un resumen sobre los diferentes tipos de transistores estudiados en cuanto a: • Simbología • Características básicas diferenciales • Tipo de aplicaciones

230

Unidad 14

El transistor bipolar Principios y aplicaciones

Objetivos: • • • • • •

Conocer la constitución física y funcionamiento básico del transistor bipolar (BJT). Saber las utilidades principales del transistor, en especial en los equipos de consumo (Radio, TV, amplificadores de sonido, etc.). Conocer su aplicación en conmutación y en modo lineal. Comprobar el transistor mediante el polímetro. Conocer los estados de polarización. Analizar, razonar, circuitos prácticos sencillos.


Introducción al transistor bipolar (BJT). El transistor NPN.

14.3

Funcionamiento resumido del transistor.

14.4

El transistor PNP.

14.5

Ejemplo de aplicaciones del transistor.

14.6

Comprobaciones del transistor con el polímetro.

14.7

Aplicación práctica del transistor.

14.8 14.9

El circuito amplificador lineal básico. Intensidades y tensiones en el transistor.

14.10 El transistor operando en conmutación. 14.11 Circuitos prácticos con transistores. 14.12 Estudio del transistor en amplificación lineal.

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones

Recuerda • • • Transistor BC 547

14.1 Introducción al transistor bipolar (BJT) En el capítulo anterior se ha hecho una introducción general a los transistores, donde se han presentado la mayoría de transistores que se utilizan en electrónica general. Y de todos los tipos de transistores que se han presentado sólo en los BJT resulta imprescindible su estudio con una cierta profundidad, por ser de aplicación general; con toda seguridad, en todas las aplicaciones electrónicas se encuentran los transistores BJT, pero no en todas se encuentran transistores FET y menos aún los MOS o UJT. Por ello, iniciamos a continuación el estudio del transistor bipolar; el BJT. Los transistores son componentes semiconductores que tienen 3 terminales (patillas), que se denominan emisor (E), colector (C) y base (B). Cada una de las patillas están conectadas internamente a un bloque de material semiconductor, que puede ser de tipo N o P, como después se verá. El transistor fue descubierto, o inventado, en 1948 por John Bardeen, Walter H. Brattain y William Shockley (Premio Nobel de Física en 1956). La función que realiza el transistor es básicamente amplificar; una pequeña corriente de entrada permite el control de una corriente de salida mucho mayor.

Aparecen dos tipos de transistores bipolares: los NPN y los PNP, cuya simbología se muestra en la figura 14.1. Como se puede ver, la simbología entre el NPN y PNP sólo varía en el sentido de la flecha del emisor. A efectos prácticos, los dos realizan la misma función, pero las polaridades de las tensiones para su funcionamiento son diferentes. Normalmente, el más utilizado es el NPN, pero se utilizan los dos tipos según la aplicación. Nuestro estudio inicial lo centraremos en el transistor NPN, lo cual es válido también para el PNP. Colector

Colector

C

C

Base

Base Figura 14.1. Simbología del transistor bipolar (BJT), en sus dos tipos (NPN y PNP). Es el componente fundamental de la electrónica; su función básica es amplificar.

B

NPN

E

Emisor

B

PNP

E

Emisor

14.2 El transistor NPN La constitución física del transistor bipolar NPN (el más usual de todos) se basa en dos zonas de material tipo N separadas por una zona de material tipo P (fig. 14.2). La zona de material N del colector es la más gruesa de las tres y la base es la más fina. • La zona del emisor es la más dopada de las tres, o sea, la más rica en portadores de carga mayoritarios (electrones). El nombre de emisor es debido a que es de donde parte, se emite, la fuente de electrones que da lugar a la corriente de salida del transistor (ICE). • La zona de la base es la menos dopada y más fina de las tres, y es la que permite el control de la corriente de salida. • La zona del colector está medianamente dopada y es las más gruesa, es donde se recibe la corriente del emisor (IE), y donde se disipa más potencia. Se le llama colector, debido a que es donde se “recolectan” los electrones que han partido del emisor. 232

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Esta construcción física determina al transistor bipolar (BJT), el tipo de transistor de aplicación más general; por ello, es normal referirse a ellos por simplemente transistor.

Recuerda • • • La tensión base−emisor unos 0,7 V.

típica es de

14.3 Funcionamiento resumido del transistor

Como se observa en la formación física del transistor NPN (fig. 14.2), entre la base y el emisor aparece la configuración de un diodo; es una unión P-N. O sea, entre las patillas base y emisor, tendremos un comportamiento eléctrico como un diodo normal. Si se polariza directamente, aplicando una tensión positiva en la base con respecto al emisor, aparecerá una caída directa típica de unos 0,7 V y circulará una pequeña corriente (corriente de base, IB). Colector (C)

N

Base (B)

Transistor NPN

Transistor BC 547

Colector

P

Base

N

Emisor

C

B E

Emisor (E) Figura 14.2. Constitución física del transistor bipolar (tipo NPN).


Modelo comercial de transistor NPN (BC547), donde se muestra la correspondencia de sus patillas con el símbolo esquemático.

Dicha corriente de base (IB) hará que por el emisor se emita un flujo electrónico (IE) que se dirigirá, en principio, hacia la base; pero debido a que el espesor de la base es muy fino y poco dopado (tiene pocos huecos, pocas posibilidades para que se recombinen electrones), sólo unos pocos electrones del emisor se pueden recombinar con los huecos de la base; la mayoría de electrones que salen del emisor atraviesan la base y entran en la zona del colector, dando lugar a la corriente de colector (IC). Este funcionamiento se representa en la figura 14.3. Este efecto “transistor” se produce porque el espesor de la base es muy fino y poco dopado (tiene pocos huecos), y además porque la tensión positiva del colector es bastante más alta que la tensión en la base (VB); por ello, los electrones, entre que tienen pocas posibilidades de recombinarse con los huecos de la base y se encuentran un potencial positivo más alto en el colector, prefieren atravesar la fina zona de la base y dirigirse hacia el positivo del colector. Este efecto, inesperado, es el “efecto del transistor”; lo que en 1948 descubrieron John Bardeen, Walter H. Brattain y William Shockley. La corriente de base es muy pequeña y controla una corriente mucho mayor, que circula entre colector y emisor. La corriente de base se comporta como un mando de control que casi no requiere esfuerzo, y que permite accionar un dispositivo pesado. Un símil, puede ser un servo freno; con una pequeña fuerza ejercida en el pedal de freno, se realiza una gran fuerza de frenado (y de forma proporcional a la acción del pedal de freno).

233


+ VC Debido a que: La tensión en colector (+ VC) es bastante mayor que la de la base (+ VB) La base es muy fina y poco dopada. El emisor está muy dopado.

Colector > 99 % N

Base + VB

Base

<1%

P La mayoría de electrones que salen del emisor prefieren irse al colector (sólo unos pocos se recombinan en la base); una pequeña corriente (de base) controla a una corriente mucho mayor (colector-emisor).

N 100 % Emisor

- VE Figura 14.3. Representación simplificada del “efecto transistor” (amplificación).

Hay que tener muy en cuenta que las variaciones de corriente aplicadas en la base (IB) determinan unas corrientes de colector−emisor (ICE) mucho mayores; pero que son fiel reflejo a la corriente de base. O sea, la forma de onda y frecuencia de la corriente de base es obtenida en el colector con una amplitud mucho mayor; esto es un efecto de amplificación. Por eso, si aplicamos una débil señal eléctrica de entrada procedente de un micrófono, de una antena, de una pastilla de guitarra, etc., a la base de un transistor, se obtiene una señal de salida igual a la de entrada (forma de onda y frecuencia) pero de mayor amplitud: se logra una amplificación de la señal de entrada.

14.4 El transistor PNP Colector (C)

Transistor PNP

P C

Figura 14.4. Constitución física del transistor bipolar tipo PNP. Las polaridades de las zonas semiconductoras están intercambiadas con respecto al NPN y eso da lugar a que las polaridades de las tensiones de alimentación también cambien; pero funcionalmente son igual que los NPN.

Base (B)

B

N

E

P

Emisor (E) En el transistor PNP, las polaridades de las zonas de material semiconductor están intercambiadas; el emisor y colector son de tipo P, y la base de tipo N. Por ello, los portadores de carga mayoritarios, los que emite el emisor, son huecos en vez de electrones; esto hace que las corrientes y tensiones en el transistor PNP sean opues-

234



tas a las del NPN. En el símbolo del transistor PNP, la flecha del emisor también está en sentido contrario al del NPN. En la figura 14.4 se representa la constitución física y símbolo de un transistor PNP. Un ejemplo de modelo comercial muy utilizado, es el BC 557, que es el equivalente en PNP al también muy utilizado BC547 (NPN).

BC 557 (PNP)

14.5 Ejemplo de aplicaciones del transistor Gracias al efecto de amplificación del transistor, además de su aplicación en amplificadores de sonido, en radio y TV, telefonía, etc., permite realizar otras muy diversas aplicaciones tanto en equipos de consumo como industriales (generadores de señal, regulación y control, circuitos de alarma, PDA, ordenadores, etc.). Una muestra de ejemplo de aplicaciones se muestra a continuación.

EBC

14.5.1 Amplificador de sonido La aplicación típica, que ya es obvia, es el amplificador de sonido, tanto como equipo de música como de instrumentos musicales (guitarra, bajo, de voces) lo cual se representa en la figura 14.5. Señal eléctrica de salida

Señal eléctrica de entrada Amplificador Sonido Sonido

Micrófono

Figura 14.5. Representación de un equipo de sonido (megafonía); el amplificador se basa en transistores.

Altavoz

14.5.2 Equipos de radio-TV En los equipos de radio y TV, y en telecomunicaciones en general, su aplicación también resulta imprescindible, sea como componente suelto o en forma de circuitos integrados (fig. 14.6.). En este caso, debe amplificar señales de radiofrecuencia, muy débiles (del orden de μV), procedentes de una antena, y también las señales de audio para que se pueda escuchar el sonido por el altavoz. En un aparato de TV, también aparecería la amplificación de señales de vídeo (señales de imagen) para que se puedan activar las pantallas de imagen.

14.5.3 Control industrial Una aplicación bastante diferente se representa en la figura 14.7; en este caso, se trata del control de cargas de cierta potencia, como el control del motor de un ascensor, alimentado con la red eléctrica. La conexión y desconexión del motor se realiza mediante un componente electromecánico que se llama contactor (un tipo de relé de potencia) que al activarse (24 V) mueve unos contactos y hace que el motor reciba la tensión de la red eléctrica. Pero para eso se necesita de unos circuitos de control que, cuando son electrónicos, se basan en circuitos digitales; pero a su vez, sus circuitos están realizados en base a los transistores. También, de una forma sencilla, mediante una muy pequeña corriente de control aplicada a un transistor (al activar un pulsador), gracias al efecto amplificador, se podría activar un pequeño relé y sus contactos activar al contactor de potencia; el motor se pondría en marcha con la simple pulsación de un pequeño interruptor o pulsador, por el cual podría circular una corriente de menos de 1 mA. 235


Ondas electromagnécas

La antena convierte las ondas electromagnécas en señales eléctricas

(Alimentación) +V

Señal eléctrica de salida

Aparato de radio Amplificación (y otros pos de circuitos) Altavoz

Señal eléctrica de entrada (μV)

Figura 14.6. Representación simplificada de un equipo radio; gracias a la amplificación de los transistores se consigue que las señales débiles que proporciona la antena se conviertan en sonido.

Sonido

L1 Red eléctrica trifásica (380 V) L2 L3 Fusibles Sistema de control

24 V A1 Contactor A2

- Transistores - Circuitos integrados - Autómata programable Figura 14.7. Mediante circuitos integrados (y otros dispositivos semiconductores) cuya realización se basa en los transistores, se obtienen sistemas de control en la industria.

Motor Señales de entrada: Pulsadores, finales de carrera, detectores de proximidad, etc. Para que se tenga una idea más real de cómo es un circuito práctico real (sencillo) de aplicación del transistor, en la figura 14.8 se muestra el esquema de una etapa amplificadora para señales de audio (sonido). Se ha realizado con un transistor BC547 y proporciona una amplificación de 10; esto significa que a la salida se tiene una señal 10 veces mayor que la de entrada. Se puede experimentar su funcionamiento muy fácilmente con el programa Multisim. La utilidad de este tipo de circuito es como preamplificador para equipos de sonido.

236


VCC 12 V R1 5,1 kΩ R2 100 kΩ

C2

Salida

150 nF Entrada C1

Q1

150 nF Figura 14.8. Ejemplo de esquema práctico de aplicación del transistor; una etapa amplificadora de ganancia 10, utilizada en equipos de sonido.

BC547C R3 10 kΩ

0V

R4 510 Ω

0V

Como ejemplo, y para ver la diferencia, en la figura 14.9 se muestra el mismo circuito realizado con un transistor PNP. La diferencia, como se puede ver, únicamente es que se alimenta con tensión negativa en vez de positiva. VCC -12 V (Se alimenta con tensión negava) R1 5,1 kΩ C2

R2 100 kΩ Entrada

Q1

C1

Salida

150 nF

BC557A Transistor PNP 150 nF R3 10 kΩ 0V Figura 14.9. Ejemplo de circuito práctico con transistor PNP. Etapa amplificadora de ganancia 10.

R4 510 Ω 0V

14.6 Comprobaciones del transistor con el polímetro

Debido a que el transistor se compone de dos uniones P-N, una entre el emisor y la base y otra entre la base y el colector, esta da lugar a una estructura que forma dos diodos en serie en contraposición, como se representa en la figura 14.10.

237


Colector (C)

N Figura 14.10. Las dos uniones que forman el transistor forman dos diodos en contraposición. En este circuito de diodos no se produce el efecto transistor; pero nos vale como principio básico y tiene utilidad para saber comprobar el transistor mediante el polímetro.

Base (B)

P N

Emisor (E) Pero debe quedar muy claro que dos diodos montados así no forman un transistor, debido a que los espesores y niveles de dopado de las zonas N y P no son como tienen que ser. Pero esta similitud de circuito nos sirve para comprender las tensiones y corrientes que se pueden dar entre las patillas y sobre todo para saber comprobar los transistores con el polímetro. En la figura 14.11 se muestra la configuración de los diodos para los dos tipos de transistores, el NPN y el PNP. Colector C Base B

Figura 14.11. En estas configuraciones de los diodos que forma la constitución del transistor nos basamos para su comprobación mediante un polímetro (poniendo en prueba de diodos y también se puede hacer poniéndolo en Ω).

NPN E Emisor Colector C

Base B

PNP E Emisor

Así pues, como el transistor tiene dos uniones que forman diodos (una entre el colector y base, la otra entre el emisor y la base), dichas uniones se pueden polarizar de forma directa o inversa. Pues basándonos en esto podemos comprobar si un transistor está estropeado mediante un polímetro; realizamos las pruebas como si el transistor se tratara de dos diodos.

14.6.1 Verificación de las uniones colector-base y emisor-base Si el transistor es NPN, tocando con la punta roja (+) del polímetro en la patilla base y con la punta negra (−) en el emisor o colector; en el display del polímetro tiene que aparecer un valor alrededor de 0,65 (650 mV), que es la caída directa de la unión (figura 14.12). Obviamente, si apareciera un valor cero o de alta resistencia es porque la unión está cortocircuitada o abierta; en cualquier caso, el transistor estaría averiado. Después se repite la prueba invirtiendo las puntas de prueba (punta negra en la base) para verificar que las uniones no conducen en polarización inversa; si el resultado de la prueba anterior ha sido normal, el resultado que aparezca en el display del polímetro tiene que ser de circuito abierto, como si las puntas estuvieran sin tocar nada (“al aire”). Si no es así, pueden haber fugas en polarización inversa y el transistor estar mal. 238

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones En el caso de un transistor PNP, es todo igual; salvo que las polaridades de las puntas de prueba son al revés. Con esta prueba se verifica que las uniones base colector y base emisor no están abiertas o en cortocircuito; o sea, que el transistor no está mal de forma contundente. Hay que tener en cuenta que se pueden dar fugas anormales (“pequeñas corrientes”) en las uniones en polarización inversa y pueden no detectarse, o no darnos cuenta. En el display pueden aparecer los valores de conducción (caída directa) y no conducción.

ON/OFF

A

V

A

V

mA

COM

V

Cable negro (-) Cable rojo (+) Figura 14.12. Representación de la prueba del transistor mediante el polímetro en prueba de diodos. Se basa en probar las uniones base−emisor y base−colector como si fueran diodos y después verificar entre las patillas colector y emisor.

BC 547

Unión base colector polarizada de forma directa; en el display aparece la tensión pica de caída directa (0,65 V).

14.6.2 Verificación entre colector y emisor Como segundo paso de la prueba, comprobamos que entre las patillas colector y emisor no conduzca nada; y lo hacemos en las dos polaridades de las puntas de prueba. En el display tiene que salir el símbolo de no conducción, el equivalente a que las puntas estuvieran al aire, sin tocar nada. Y hay que tener en cuenta cuando se hace la prueba, que si tocamos con un dedo en la patilla base, puede aparecer una pequeña conducción colector emisor que puede interpretarse como de fugas, avería; cuando lo único que ocurre es que a través del dedo con que se toca en la patilla base, le aplicamos a la base una pequeña corriente y esto hace que aparezca, por el efecto de amplificación, una corriente colector−emisor (ICE). Este efecto se da cuando las puntas de prueba quedan con el positivo en el colector y el negativo en el emisor (si es un NPN); de esta manera, el transistor queda polarizado para poder amplificar la corriente de base. Esta es un prueba muy utilizada que nos puede asegurar, al menos, que el transistor está mal, o sea, que alguna unión este cortocircuitada o abierta; pero no tendríamos una seguridad total de que el transistor esté bien del todo, porque podría tener fugas. 239

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Las fugas (corrientes bajas en polarización inversa), en según qué aplicaciones, pueden hacer que el circuito vaya mal. Podemos saber si hay fugas poniendo el polímetro en Ω, en la escala de alta sensibilidad (x1000 o más), y esto nos podría detectar posibles fugas entre colector y emisor; idealmente, la resistencia entre colector−emisor debería ser infinita, en la práctica muy grande (casi indetectable); si aparece una resistencia sospechosamente baja, el transistor puede tener fugas y es mejor sustituirlo por otro. En cualquier caso, al menos con el polímetro en prueba de diodos, sí podemos asegurarnos sí el transistor está averiado. Mediante este tipo de pruebas, además de poder saber si el transistor está averiado, también es posible deducir cuáles son las patillas colector, emisor y base, y si se trata de un transistor NPN o PNP. Actualmente, la mayoría de multímetros tienen comprobador de transistores; llevan un zócalo especial para la inserción de los transistores. Poniendo el conmutador de selección de funciones del multímetro para esta función se obtiene en el display el valor de ganancia (β) del transistor; o sea, fácilmente se puede deducir su estado. Es una opción más fácil para la comprobación de transistores. Ahora, como primera experiencia de comprobaciones del transistor, se propone la siguiente actividad práctica.

Actividades prácticas Comprobación de transistores con el polímetro Los transistores a comprobar se muestran en la fig. 14.13; un NPN y un PNP. Comprobaciones del NPN (BC 547): Se trata de comprobar el estado de dicho transistor mediante el polímetro en prueba de diodos. Se realizarán las medidas ya explicadas y se apuntará en el recuadro de la hoja de actividades prácticas (figura 14.14) donde pone display los valores que aparezcan en la pantalla del polímetro en cada medida. Comprobaciones de un PNP (BC 557): Basándonos en la actividad explicada para el transistor NPN (BC 547) realizar las mismas pruebas con un transistor tipo PNP; el BC 557, cuyo patillaje es el mismo que el del BC 547.

olector Colector C

TTransistor 547 ransistor BC 547

C Base B

NPN N PN

E Emisor Emisor

Colector C olector 557 BC B C5 57 5 7 ((PNP) PNP) PN P)

C Base B ase

B Figura 14.13. Transistores para comprobaciones con el multímetro.

240

EBC

PNP PN P

E EEmisor misor


Actividades prácticas Comprobación del transistor BJT tipo NPN Transistor BC 547

Polímetro en prueba de diodos

Comprobación base−emisor

Comprobación colector−emisor

1. Polarización directa Punta roja (+) en la base

Punta roja (+) en colector

Punta negra (−) en el emisor

Punta negra (−) en el emisor

Display polímetro (Poner lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)

Display polímetro (Poner lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)

2. Polarización inversa Punta negra (−) en la base

Punta negra (−) en colector

Punta roja (+) en el emisor

Punta roja (+) en el emisor

Display polímetro (Apuntar lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)

Display polímetro (Apuntar lo que aparezca en el display del polímetro ⇒)

Observaciones: • Explicar, razonar los resultados obtenidos • ¿En qué estado se encuentra el transistor? ¿Por qué? (Bien, averiado, fugas)

Figura 14.14. Comprobaciones del transistor con el polímetro (en prueba de diodos).

241


14.7 Aplicación práctica del transistor 14.7.1 Polarización del transistor Polarizar el transistor es aplicarle unas determinadas tensiones y corrientes adecuadas al tipo de aplicación que se le vaya a dar. De una forma general y sencilla, en un NPN, se necesita aplicar una tensión positiva entre colector y emisor, y una corriente en la patilla base (que permitirá el control de la corriente de colector−emisor). Hay que saber que una tensión aplicada entre los terminales colector−emisor, si a la base no se aplica corriente, no da lugar a corriente colector−emisor (porque entre colector−emisor es como dos diodos en contrasentido (figura 14.15). En general, se necesita polarizar de forma directa la unión base−emisor, para que circule una cierta corriente de base (que normalmente es muy pequeña, μA o mA); y ésta es la corriente de entrada que dará lugar a una corriente entre colector−emisor (la corriente de salida), que procederá de la fuente de alimentación (VCC). + VCC C

+ VCC

+ VCC I =0

I =0 C N B

B

P

E

N

E

Figura 14.15. Si no se aplica corriente de base, no existe circulación de corriente entre colector y emisor; el transistor se dice que está en corte (o bloqueado).

14.7.2 El circuito fundamental: Montaje en emisor común La aplicación más común, la más conocida, se llama montaje en emisor común. En la figura 14.16 se muestra un circuito práctico de ejemplo, basado en un transistor NPN, que nos sirve para su estudio. Aparecen dos fuentes de tensión; una (VCC) que se aplica entre el circuito de colector y emisor, y otra (VBB) para polarizar la unión base−emisor de forma directa (y que pueda así circular una determinada corriente de base). Como más adelante se verá, la polarización se puede realizar también con una sola fuente de tensión (VCC) y mediante resistencias aplicar la corriente de base. Este primer circuito de polarización, por cuestiones tradicionales, se hace así; pero más adelante se polarizará mediante una sola fuente de alimentación. Puesto que entre base−emisor, internamente, es como un diodo (unión P-N), al aplicar tensión positiva entre la base y emisor puede circular una cierta corriente (corriente de base, IB), y aparece entre base y emisor una tensión de unos 0,7 V (la típica caída directa de un diodo). Para que la corriente de base sea la adecuada, se limita ésta con una resistencia (RB). Es muy importante saber que el terminal base siempre se conectará a través de una resistencia. La intensidad que circulará, la intensidad de base, será pues:

242


Ejemplo Si VBB = 12 V y RB = 22 kΩ, la intensidad de base será:

IE = IB

RC

VCC RB

VBB

IB

0,7 V

IE = IB + IC

Figura 14.16. Circuito de polarización básica del transistor.

Hay que tener en cuenta que la unión base−emisor se comporta como un diodo de muy pequeña potencia; o sea, cuando se polariza de forma directa aparece una tensión típica de unos 0,7 V y la corriente será normalmente muy baja (entre μA y pocos mA). Esto es así en general en los transistores de baja potencia, por ejemplo, el transistor BC 547. En transistores de mayor potencia, la corriente de base puede ser mayor, pero las consideraciones son las mismas.

14.7.3 Factor de amplificación del transistor (β) Como ya se debe saber, el efecto transistor consiste en que una pequeña corriente de base da lugar a una corriente de colector que puede ser mucho mayor; se produce un efecto de amplificación. Básicamente, dependiendo del tipo de transistor, este factor puede ser mayor o menor y se representa por el símbolo β. Dicho factor de ganancia se expresa por la relación entre la corriente de colector y la corriente de base:

Esta expresión se puede considerar como la primera fórmula fundamental en el transistor, la que representa el factor de amplificación, la ganancia de corriente del transistor.

243


Ejemplo Si un transistor tiene β = 200 y se aplica una corriente de base de IB = 0,1 mA, la corriente de colector que podría circular es:

Esto significa que el transistor ha producido una amplificación de 200; la intensidad de salida (IC) es 200 veces mayor que la intensidad de entrada (IB).

Sobre este factor se tiene que hacer un matiz; aparece el factor β en continua y el factor β en alterna (para pequeñas señales variables). La β en continua, que también se puede representar por hFE (así lo ponen los fabricantes) se refiere a valores fijos, o sea, en continua; nos da el valor de ganancia de corriente para valores constantes de corriente de base. En cambio, la β en alterna, o para pequeñas señales variables, que se representa por hfe, se refiere a la ganancia de corriente considerando pequeñas señales variables. O sea, es la relación entre una variación de la corriente de colector y la variación de la corriente de base que da lugar a ello. Esto se expresa así:

Ejemplo Supongamos que al circuito anterior (fig. 14.16), se aplica (debidamente) la señal de un micrófono a la base; las variaciones sonoras harán que el micrófono genere una pequeña señal eléctrica variable (mV), que hará que varíe algo la corriente de base del transistor. Si la corriente de base varía entre 0,01 y 0,02 mA, y ello da lugar a unas variaciones de corriente de colector entre 1 y 2 mA, la ganancia de corriente será de:

En este caso, se ha producido una amplificación de 100 de la corriente de entrada; o sea, la señal de salida (variaciones de corriente de colector de 1 mA) es 100 veces mayor que la señal de entrada (variaciones de la corriente de base de 0,01 mA). Las variaciones de la corriente de colector (∆IC) harán que la tensión de colector (∆VC) también varíe de forma proporcional; lo cual hará que aparezca una tensión de salida entre colector y emisor, que es la señal de salida amplificada, correspondiente a la señal de entrada (la del micrófono, en este caso). Esta señal de salida, tensión variable entre colector y emisor, se puede expresar por:

14.8 El circuito amplificador lineal básico En la figura 14.17 se muestra este circuito, que representa el principio de una etapa amplificadora lineal; amplifica señales variables como, por ejemplo, la de un micrófono.

244


+ VCC Señal de entrada

iC = iB RC νCE

VCE RB

IB VBE ≅ 0,7 V

Señal de salida: νCE = VCC – iCRL

VBB

0V Figura 14.17. Principio del circuito de una etapa amplificadora lineal. La señal de entrada produce pequeñas variaciones en la corriente de base que, por el efecto de amplificación del transistor, dan lugar a variaciones mucho mayores en la corriente de colector y a la vez en la tensión de colector (señal de salida).

En general, cuando se trata de señales variables, éstas se representan por letras minúsculas; por ello, en este caso, las señales de colector (tensión o corriente) se han puesto como vC e iC. Esto se hace para diferenciar las corrientes o tensiones fijas de polarización (que se representan por mayúsculas) de las señales que se procesan. En la base del transistor se encuentra una tensión fija de polarización proporcionada por la fuente de tensión VBB a través de la resistencia RB; esta tensión de polarización se representa por VBE y es de unos 0,7 V. Y en el colector también se encuentra una tensión fija de polarización, que cuando el transistor tiene que operar de forma lineal (como es este caso) debe hacerse que sea la mitad de la tensión de alimentación:

Pues estas tensiones de polarización se ven afectas por la señal de entrada. La tensión fija de base de unos 0.7 V, al aplicar la señal de entrada, se ve afectada por las variaciones de ésta (unos pocos mV); y estas pequeñas variaciones aparecen en el colector con una amplitud mucho mayor (amplificada). Este mismo circuito, de una forma más completa, se corresponde con el circuito de ejemplo que se mostró en la figura 14.8, realizado en base a un transistor NPN tipo BC 547.

14.9 Intensidades y tensiones en el transistor

La intensidad que se considera de salida es la de colector (aunque hay aplicaciones donde la corriente de salida es la de emisor) que, según el sentido convencional de la corriente, circulará de colector a emisor (transistor NPN, polaridad positiva en el colector). La pequeña corriente de base hará que, de alguna manera, entre colector y emisor la resistencia se reduzca y la tensión VCC (aplicada entre el circuito colector y emisor) pueda dar lugar a una determinada magnitud de corriente. Dependiendo del factor β y la magnitud de la corriente de base (dentro del margen determinado) la intensidad de colector podrá ser menor o mayor (siempre que el circuito de carga, RC en este ejemplo, y la VCC lo permita).

245

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Es muy importante saber que las variaciones de corriente aplicadas en la base se manifiestan de forma amplificada en la corriente de colector. Por el terminal emisor circula la corriente de base y también la de colector; podemos ver este terminal como un nudo donde concurren estas dos corrientes. Por eso, aparece otra fórmula fundamental en el transistor que es:

Ejemplo Si la corriente de base es de IB = 0,1 mA y la de colector de IC = 200 mA, la corriente de emisor es:

Como se deduce fácilmente, la intensidad de colector y emisor son casi del mismo valor, y esto es así cuanto mayor sea el factor β. Por ello, en la práctica se puede llegar a considerar que IC ≅ IE. Pero hay que tener en cuenta que esto tiene un error mayor cuanto más pequeño sea β. En transistores de baja ganancia (como ocurre en según qué transistores de cierta potencia) hay que considerar siempre la IB.

14.9.1 El transistor polarizado Efecto de amplificación Teniendo en cuenta el circuito práctico de polarización, o sea, las corrientes de base y de colector, en la figura 14.18 se representa de forma más detallada el efecto de amplificación del transistor. RC

IC

C Corriente electrónica

> 99 % N

Unión colector-base: Polarización inversa. VBC > VBE VCC

RB

B

<1%

P Unión base-emisor: Polarización directa. VBE = 0,7 V

IB 100 % VBB E IE = IB + IC

Figura 14.18. Transistor NPN polarizado en su zona activa, en el cual se representa el efecto de amplificación.

246

Al polarizarse el transistor en su zona activa, la mayoría de electrones que salen del emisor son captados por el colector (más de 99 %) y sólo unos pocos electrones (menos del 1 %) se pueden recombinar en la base. La intensidad de base es muy pequeña, pero controla un flujo grande de electrones que constituye la intensidad de colector; cualquier variación en la corriente de base se transmite a la corriente de colector (si el transistor está polarizado en su forma activa).

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Este efecto de amplificación, “efecto transistor”, sólo aparece si la fabricación de las uniones de los materiales semiconductores (N y P) es como tienen que ser: • La zona de la base tiene que ser muy fina en (comparación con las otras) y con bajo nivel de dopado, para que los electrones que salen del emisor tengan pocas posibilidades de que se puedan recombinar con los huecos de la base. • La zona del emisor tiene que estar fuertemente dopada para que disponga de muchos portadores de carga (electrones), es la fuente emisora de la corriente (por eso se llama emisor). • El colector tiene que tener un espesor algo mayor que el emisor, y estar medianamente dopado; en el colector es donde se recoge la mayoría de electrones que salen del emisor, es donde se “recolecta” la corriente de salida. Para tener una idea de los tamaños de los materiales de las zonas de material semiconductor del transistor, la anchura de la base puede ser de unos 0,025 mm y entre colector y emisor puede haber unos 3,5 mm. Debido a que la mayoría de electrones que salen del emisor llegan al colector, la corriente de colector es casi igual a la corriente de emisor. En la práctica, se puede considerar que IC = IE . Pero en el emisor concurren la corriente de base y de colector, y de ahí aparece la expresión: El sentido de las corrientes en los terminales del transistor se considera en sentido convencional, o sea, de positivo a negativo (que es el contrario al sentido de circulación de los electrones).

14.9.2 Polarización activa. Amplificación lineal Como resumen sobre la polarización y aplicación práctica del transistor BJT como amplificador lineal (también se denomina polarizado en su zona activa) tenemos: • Unión base colector ⇒ Polarización inversa • Unión base emisor ⇒ Polarización directa En el caso del transistor NPN, las tensiones de base y colector son positivas con respecto al emisor, siendo la tensión en el colector bastante mayor que la de la base (figura 14.19). Se tiene que cumplir que:

En el caso del transistor PNP, las polaridades son contrarias; en el emisor se encuentra el positivo, y la base y el colector son de polaridad negativa. + VCC IC VCB >> VBE

VCE = VCB + VBE

+ VB IB VBE ≈ 0,7 Figura 14.19. Representación general de la polarización en el transistor NPN (para que opere en su zona activa, amplificador lineal).

IE –V

247


14.10 El transistor operando en conmutación Cuando el transistor se hace funcionar en conmutación, el transistor puede tomar dos estados de polarización, que se llaman: • Corte (o bloqueo) • Saturación En la figura 14.20 se muestra un circuito básico general que trabaja en conmutación, cuyo objetivo es comprender el comportamiento del transistor cuando se utiliza de esta manera, lo cual es muy importante porque su aplicación es fundamental; así es como opera el transistor en los circuitos digitales. Por ejemplo, en los circuitos integrados microprocesadores, que pueden haber millones de transistores (MOS) en el chip, sus circuitos operan en conmutación. De esta forma se tratan físicamente los dígitos binarios, los bits; como niveles de tensión definidos, que se llaman niveles lógicos. Existe un estado lógico que se llama nivel alto (high), que se representa por un 1, y físicamente es una tensión típicamente de 5 V. El otro estado lógico se llama nivel bajo (low), que se representa por 0, y físicamente se corresponde con el potencial de masa (0 V). Pues una señal, una línea, que pueda tomar estos dos estados (0 y 1) da lugar a un bit, que es la mínima expresión de un dígito binario. + VCC

RC R

IC ≅

VCC RCC

VCE = VCC

Corte

B

Salida VCE = VCC – IC RC

IB

Saturación VCE ≈ 0 V Señal de Mando: Abierto ⇒ saturación Cerrado ⇒ corte

0V Figura 14.20. Ejemplo de circuito básico general que trabaja en modo conmutación. De esta manera, operan los transistores en los sistemas digitales.

14.10.1 Estado de corte El transistor se encuentra en estado de corte, también llamado de bloqueo, cuando no circula corriente de colector, debido a que la base no está polarizada (IB = 0). En dicho estado, en las aplicaciones prácticas, en el colector se mide una tensión muy próxima a la tensión de alimentación (VCC); ya que al no circular corriente de colector tampoco se produce caída de tensión en la resistencia RC. En el circuito de la figura 14.20, el estado de corte se da cuando el interruptor de mando está cerrado; entonces, la base se encuentra conectada a masa (0 V) y esto hace que no exista corriente de base, por lo cual VBE = 0 y IBE = 0. Y por ello, tampoco circulará corriente de colector (IC = 0) y en consecuencia la tensión de salida (VCE) resulta igual a la tensión de alimentación, ya que en la resistencia RC no se produce caída de tensión. Esto se puede expresar así:

248

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones En funcionamiento normal esto es así; pero, por averías (unión interna del colector cortada, por ejemplo) puede ser que no exista corriente de colector y que sí exista corriente de base. Esta avería se deduce fácilmente mediante el polímetro; basta medir la tensión entre base y emisor (VBE). Si VBE es de unos 0,7 V y no hay corriente de colector, está claro que hay alguna avería; puede ser que el transistor esté averiado, o también un fallo en la tensión de alimentación o en la RL.

14.10.2 Estado de saturación Se dice que el transistor está en estado de saturación, cuando la intensidad de colector es máxima; no aumenta más aunque se aumente la intensidad de base. El estado de saturación se da en el circuito de la figura 14.20 cuando el interruptor de mando está abierto; entonces, a través de la resistencia RB puede circular una corriente de base tal que la corriente de colector sea la máxima (según la resistencia RC y VCC). En dicho estado, la tensión entre colector y emisor es muy baja (próxima a 0 V). Esto, se puede expresar de la manera:

En este estado, como se deduce, aunque se aumente la corriente de base, la intensidad de colector no puede aumentar más (para que aumentara, se tendría que aumentar la tensión VCC o disminuir el valor de RC). Para asegurarse de que un transistor queda saturado en la práctica, se toma una corriente de base que sea superior a la necesaria teórica (según la β del transistor):

Ejemplo Si los datos son VCC = 5 V, RC = 1k y la ganancia del transistor β = 150, la intensidad de base necesaria (teórica) que saturaría al transistor es 33 μA:

Pero para asegurarse de la saturación, como el factor β puede variar hasta en transistores del mismo tipo y fabricados en el mismo momento (además de por la temperatura y otras cosas), se tomaría una corriente de base unas 10 veces mayor; o sea, una corriente de base de IB(sat) = 0,00033 = 330 μA. El valor de la resistencia de base (RB) debería ser por tanto de:

que se podría poner del valor normalizado de 12 kΩ. Otra cosa que hay que saber es que en estado de saturación la unión colector base también queda polarizada de forma directa; ya que al ser VCE = 0 la base también resulta positiva con respecto al colector. En resumen, cuando el transistor trabaja en aplicaciones de conmutación se comporta como un interruptor electrónico; conduce al máximo (saturación ⇒ interruptor cerrado) o está en corte (no conduce nada ⇒ interruptor abierto).

14.11 Circuitos prácticos con transistores A continuación se explican algunas aplicaciones prácticas del transistor operando en modo de conmutación.

249


Recuerda • • • La tensión típica en un LED es de unos 2 V, y su corriente de unos 10 mA.

14.11.1 Control de encendido de un LED El circuito más sencillo de todos para empezar a utilizar prácticamente el transistor es el que se muestra en la figura 14.21. Se trata de un circuito mediante el cual se puede encender y apagar un LED mediante un pulsador o interruptor. Como resulta obvio, para hacer esto no hace falta utilizar un transistor, pero esto nos vale para empezar a manejar el transistor y hacer medidas de tensiones y corrientes. El LED se tiene que encender cuando el elemento de control se active; con el interruptor abierto, el transistor recibe corriente en la base a través de la resistencia RB , cuyo valor se obtiene por:

+ VCC = 5 V 330 Ω

RB

10 kΩ

RC

LED (rojo) BC 547

BC 547 Figura 14.21. Ejemplo de circuito donde el transistor trabaja en conmutación. Se activa un LED mediante una pequeña corriente de control. Es un circuito muy utilizado para visualizar estados de entradas y salidas.

Control

Abierto ⇒ LED encendido Cerrado ⇒ LED apagado

C B E

0V

La pequeña señal de control (menos de 0,5 mA) hará que el transistor conduzca con una corriente de colector que, en el supuesto de que la ganancia (β) de transistor fuera de 100, daría lugar a una corriente de colector de: Esto significa que por el colector y el LED podría llegar a circular una intensidad máxima de 43 mA; pero para eso, la resistencia o tensión de alimentación deberían ser de los valores adecuados. Con los valores del circuito, la intensidad que circulará por el colector y por lo tanto también a través del LED será de:

Se considera que la tensión en el LED es de unos 2 V (que es un valor típico en los LED rojo o verde) y que la tensión entre colector y emisor es VCE ≈ 0 V (porque el transistor está saturado). Al cerrarse el interruptor, la base queda conectada a masa y por tanto no puede haber corriente de base ya que VBE = 0 V; en consecuencia, tampoco habrá corriente de colector, el LED estará apagado y la tensión entre colector y emisor será la de VCC. Sobre esto, hay que tener en cuenta que si medimos con el polímetro la tensión entre colector y emisor cuando el transistor está en dicho estado (corte, IC = 0), se puede medir una tensión que puede ser más baja que la de VCC; esto es porque a través del polímetro circulará una pequeña corriente que provocará una cierta caída de tensión en la resistencia RC. O sea, se tendría: Pero, en teoría y a efectos prácticos, en estado de corte: VCE = VCC. 250


Actividades propuestas Suponiendo que en el circuito (fig. 14.21) la tensión de alimentación se aumenta a VCC = 10 V, calcular los nuevos valores de RB y RC para que los valores de las intensidades sean las mismas, o sea:

Actividades prácticas Circuito de activación de un LED Se trata de montar, experimentar el funcionamiento y hacer medidas en el circuito de la figura 14.21. Interruptor de mando abierto

Interruptor de mando cerrado

Hacer las mediciones siguientes:

Hacer las mediciones siguientes:

VBE =

IB =

VBE =

IRB =

IC =

IE =

IC =

IE =

VCE =

VLED =

VCE =

VLED =

¿De qué valor es la tensión en la resistencia RC? Calcular y medir.

¿De qué valor se deduce que deberá ser la tensión en la resistencia RC? ¿Y la corriente de base?

VRC = ¿En qué estado se encuentra el transistor? ¿Por qué?

¿En qué estado se encuentra el transistor? ¿Por qué?

Razonar resultados:

Razonar resultados:

14.11.2 Control de un relé para activar una carga en alterna Otro circuito similar al anterior, o sea, donde el transistor funciona en conmutación es el mostrado en la figura 14.22. En este caso, se trata de activar un pequeño relé, mediante el cual se podría activar directamente una carga alimentada por la red eléctrica, que podría ser una bombilla, motor, etc. Si el montaje se realiza en el aula, por cuestiones prácticas y sobre todo de seguridad, se sugiere que la carga sea una lamparita de 12 V; de esta manera se consiguen los mismos resultados didácticos que si la carga fuera un pequeño motor o bombilla conectada a la red eléctrica (230 V) y evitamos utilizar la red eléctrica.

251


+ 12 V

Diodo de protección (f.c.e.m del relé).

Motor Relé

1N4004 Red eléctrica (230 V)

Control IC = 50 mA RB

IB ≈ 0,5 mA

Fusible BC 547

Corriente de mando

22 k 100 k

IE = 50,5 mA

Masa (0 V) Figura 14.22. Mediante un pequeño interruptor de mando con una débil corriente, gracias al efecto amplificador, se puede poner en marcha, por ejemplo, un motor alimentado con la red eléctrica.

Se puede utilizar el relé de marca Finder (tipo 40.32) que es de 12 V con doble circuito de conmutación. Según medidas (por el autor), aplicándole 12 V la intensidad que circula por la bobina es de unos 50 mA, por lo cual se puede utilizar para su control un transistor BC 547 (que permite una corriente máxima de colector de 100 mA). Siempre que se activa un relé mediante un transistor es aconsejable o necesario poner un diodo en paralelo con la bobina del relé, en el sentido que se muestra en el circuito (fig. 14.22). Dicho diodo es para eliminar al pico rápido de tensión (f.c.e.m.) que genera toda bobina cuando se interrumpe el paso de la corriente, cuyo valor puede llegar a ser bastante elevado (> 100 V); esto ocurrirá en el circuito cuando el transistor pase al estado de corte (IC = 0). Mediante dicho diodo (que puede ser un 1N4004), se evita por tanto que aparezca una tensión demasiado alta en el colector que podría dañar al transistor. Cuando el interruptor de control se encuentre abierto, no habrá corriente de base porque la base se encontrará a potencial de masa (0 V) a través de la resistencia de 100 K. El valor de esta resistencia no es crítico, podría ponerse de un valor entre unos 47 K y 270 K; ya que no circulará corriente a través de ella, su misión es no dejar “al aire”, sin conectar, la base del transistor. Si la base de un transistor se deja sin conectar, al aire, puede existir una cierta corriente (residual, de fugas) de colector, debido a cuestiones internas del transistor y por “efecto antena” (las señales eléctricas ambientales podrían ser captadas por la base). Así pues, con el interruptor abierto no circulará corriente de colector y por lo tanto el relé no se activará, sus contactos estarán abiertos y la carga estará sin alimentar. Al cerrar el interruptor de control, circulará una pequeña corriente que polarizará de forma directa la base y ello hará que el transistor entre en el estado de saturación; circulará corriente de colector y también a través de la bobina del relé. De esta manera, el relé se activará, se cerraran sus contactos y la carga se alimentará. En el caso de que la carga fuera alimentada mediante la red eléctrica, se debe poner un interruptor y un fusible de protección. (Si el montaje se realiza en el aula y la carga es una simple lamparita de 12 V, esto no es necesario). Cuando la base reciba corriente (interruptor cerrado) su tensión será de unos 0,7 V; por tanto, por la resistencia R1 circulará una corriente de:

252


A efectos prácticos, la corriente en esta resistencia (cuya misión es evitar que la base del transistor quede al aire y quede a potencial de masa) se puede despreciar. La corriente que circulará a través de la resistencia RB, que es prácticamente la corriente de base, será de:

De una forma más exacta, si consideramos que 7 μA se derivan a través de la resistencia R1, la corriente de base es de 506 μA. La corriente de base, basta que la ganancia del transistor sea de 100 (que en la práctica es bastante mayor), para que dé lugar a una corriente de colector de: Y esta será la corriente que circulará a través de la bobina del relé, cuando el transistor conduzca. De hecho, la ganancia de un transistor tipo BC 547, y de la mayoría, es bastante mayor de 100 (puede ser perfectamente de 300); pero por cuestiones de simplicidad y seguridad de que el transistor quede saturado, se suele tomar β = 100.

Actividades prácticas Circuito de control con relé Se trata de montar el circuito de la figura 14.23 para experimentar su funcionamiento y hacer medidas de tensiones y corrientes. + 12 V R3 Relé

1N4004 D1 Control

R1

LED1

LED2

BC 547A 10 k Verde 100 k

Rojo

R2

0V Figura 14.23. Circuito de control mediante relé para su estudio práctico.

Como se puede ver, el circuito está basado en el de la figura 14.22. En este caso, por cuestiones didácticas, la carga son dos diodos LED; uno verde y otro rojo. En estado de reposo (interruptor de control abierto), al no recibir corriente de base el transistor se encuentra en estado de corte y en consecuencia el relé no está activado; en dicho estado, el circuito conmutador que acciona el relé debe alimentar el LED verde.

253


Actividades prácticas Cuando se active (se cierre) el interruptor de control, el transistor recibirá corriente de base y éste pasará al estado de saturación con lo cual el relé se activará y cambiará de posición el circuito conmutador; el LED verde se apagará y se encenderá el LED rojo. Así pues, mediante la activación del interruptor de control, se encenderá un LED y se apagará el otro; sólo uno de ellos podrá estar encendido.

Medidas a realizar Con el interruptor de control abierto

Con el interruptor de control cerrado

Hacer las mediciones siguientes y anotar el valor obtenido:

Hacer las mediciones siguientes y anotar el valor obtenido:

VBE =

IB =

VBE =

IB =

IC =

VCE =

IC =

VCE =

VLED1 =

VLED2 =

VLED1 =

VLED2 =

VRelé =

IR3 =

VRelé =

IR3 =



Preguntas: • ¿Qué función realiza el diodo D1? • ¿Por qué se utiliza una sola resistencia (R3) para los dos diodos LED (rojo y verde)? • Calcular la intensidad que podrá circular por la base del transistor (IB) y la que circulará por los diodos LED. Comparar el resultado con los valores medidos.

14.11.3 Amplificador para emitir señales acústicas. Circuito Darlington El circuito de la figura 14.24 resulta muy útil para emitir señales acústicas mediante señales binarias, que son las generadas por circuitos que operan en conmutación, por ejemplo los sistemas digitales. Es la forma más sencilla de emitir sonidos, con una cierta potencia sonora. Sonidos de este tipo los emiten el altavoz interno del ordenador, relojes, algunas alarmas, etc. Este simple circuito amplificador, como es obvio, opera en conmutación. Se utilizan dos transistores formando un montaje que se llama circuito Darlington, con el cual se consigue una muy alta ganancia de corriente.

14.11.3.1 El circuito Darlington El circuito Darlington es un montaje que se realiza con dos (o más) transistores, de manera que la corriente de emisor del transistor de entrada constituye la corriente de base del transistor de salida. Los dos transistores se comportan como si fuera un

254

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones solo transistor pero con una ganancia de corriente que equivale al producto de la ganancia de los dos; o sea:

Se obtiene así el equivalente a un solo transistor de muy alta ganancia, o sea, muy sensible. VCC = + 5 V Altavoz Sonido

Z=8Ω T1 BC 547 10 K VI

BD 137 5V

T2 BD 137 BC 547

0V

E C B

Señal binaria (f ≈ 1000 Hz)

C B E 0V Figura 14.24. Mediante un circuito llamado circuito Darlington, se activa un pequeño altavoz mediante una señal binaria. Así se pueden producir señales acústicas con una cierta potencia sonora.

Ejemplo Si los dos transistores tuvieran una ganancia de 100, la ganancia resultante del circuito sería: Es un valor enormemente grande, de manera que mediante una señal muy débil se podría activar algún dispositivo de cierta potencia. Por ejemplo, con el simple tacto de la entrada con el dedo (tocando entre la entrada y el positivo de la tensión de alimentación a la vez) se podría hacer la activación de elemento de salida (LED, relé, etc.). El funcionamiento del circuito Darlington se resume así: La pequeña corriente de base del transistor de entrada (T1) hace que circule una corriente mayor por su colector−emisor (ICE1); y esta corriente constituye la corriente de base del transistor de salida (T2); el transistor de salida, el que controla la carga, recibe por tanto una corriente de entrada que ya ha sido amplificada por el otro transistor. Así, en el circuito de la figura 14.24, cuando la señal de entrada se encuentra en el estado alto, cuyo nivel de tensión es de unos 5 V, el transistor T2 entra en estado de saturación y a través de la carga, que es un pequeño altavoz de Z = 8 Ω, circulará una intensidad que podrá ser de unos:

255



Circuito Darlington

Obviamente, se considera que la tensión VCE del transistor en estado de saturación es cero (VCE = 0). En la práctica, es de un valor muy bajo, por eso se considera cero. Por otra parte, en los altavoces, el valor de la impedancia nominal (Z) no significa que la resistencia del hilo (de la bobina móvil) sea exactamente del valor de Z, ya que la impedancia es la suma vectorial de la resistencia del hilo y de la reactancia de la bobina, es decir:

Pero a efectos prácticos, podemos considerar el valor de Z como si fuera una resistencia, ya que el valor de la resistencia del hilo (R) es mucho mayor que la reactancia (XL). La intensidad de entrada, la de corriente de base de T1, será:

Como la corriente de entrada se encuentra dos uniones base−emisor en serie, en la fórmula debemos poner 2 VBE, lo cual da una valor de unos 2 × 0,7 = 1,4 V. En el supuesto de que las ganancias de los transistores fueran sólo de 100 (que pueden ser bastante mayores), la intensidad que podría circular por el transistor de salida (T2), y a la vez por el altavoz, sería de: El transistor de salida (T2), como se puede deducir, debe ser adecuado para soportar la corriente máxima de salida. En el circuito en cuestión, el BD 137 soporta una corriente máxima de colector de 1 A. Pero otros tipos de transistores permiten corrientes de salida de más de 10 A. Así pues, con este montaje y la pequeña corriente de entrada se asegura que el transistor de salida se sature con seguridad y la carga (altavoz) reciba su corriente máxima. Puesto que la corriente de entrada es de sólo 0,00036 A y la corriente de salida es de 0,625 A, se podría decir que mediante los dos transistores se obtiene una ganancia, amplificación, de corriente de:

Cuando la señal de entrada se encuentre en el estado bajo, 0 V, como se comprende fácilmente la tensión base−emisor y la corriente de base serán cero (VBE = 0 , IB = 0); por lo cual no existirá corriente de colector, los transistores estarán en estado de corte y no circulará corriente por el altavoz. El sonido se produce cuando la frecuencia de la señal de entrada está dentro del margen audible, que es 20 Hz a 20.000 Hz. El altavoz es un tipo de motor eléctrico; produce vibración del cono (diafragma), fuerza mecánica, al recibir corriente eléctrica variable. Las variaciones de corriente que recibe (en una pequeña bobina móvil), debido a un efecto magnético, hacen que el cono se desplace hacia dentro y hacia fuera, lo cual mueve el aire y hace que se produzca sonido. Las ondas sonoras son vibraciones de las moléculas del aire, cuya vibración se propaga de una molécula a otra; y cuando dichas vibraciones las recibimos en el oído, sentimos una sensación que llamamos sonido.

14.11.3.2 Transistor Darlington El circuito Darlington se encuentra también montado en un mismo encapsulado, como si fuera un solo transistor (de muy alta ganancia). Un ejemplo es el BDX53C, que es un montaje Darlington tipo NPN (figura 14.25). Puede soportar una corriente máxima de colector de 8 A y una tensión de 100 V, y su ganancia de corriente (hFE) es de 750 (y más). Está también en versión PNP (BDX54).

256


C

B

Figura 14.25. Transistor Darlington (NPN). Un modelo comercial es el BDX53.

B

C

E

E

14.12 Estudio del transistor

en amplificación lineal

De forma resumida, el transistor trabaja en su zona activa, o lineal, cuando: • La unión colector−base se polariza de forma inversa • La unión base−emisor se polariza de forma directa • La tensión entre colector y emisor (VCE) es de alrededor de la mitad de la tensión de alimentación (VCC) En este estado de polarización, el transistor puede operar como amplificador lineal; las pequeñas variaciones de tensión de la señal de entrada (de un micrófono, por ejemplo) hacen que varíe la corriente de base del transistor, y dichas variaciones se transfieren al colector con una amplitud que puede ser mucho mayor. Esto es debido al factor de amplificación del transistor; las muy pequeñas variaciones de corriente de base se manifiestan en la corriente de colector multiplicadas por el factor β. Y las variaciones de la corriente de colector, a su vez, dan lugar a variaciones de la tensión de colector; esto es la tensión (señal) de salida. La ganancia total de señal del circuito depende de algunos valores de los componentes, pero en general tendremos:

14.12.1 Circuito amplificador elemental Etapa en emisor común Un ejemplo de circuito práctico donde el transistor opera en su zona activa, o sea, de forma lineal, se muestra en la figura 14.26. Se trata de una etapa amplificadora de señales como la de un micrófono, guitarra eléctrica, etc. Para que funcione como amplificador lineal, dentro de una máxima linealidad, sin señal aplicada, la tensión entre colector y emisor debe ser la mitad de la tensión de alimentación (VCC).

Este montaje práctico se ha diseñado para que cumpla esto. Con fines didácticos, a continuación hacemos un estudio sencillo y práctico de dicho circuito. Partiendo de la medida de tensión en la resistencia de emisor (RE) se pueden hallar muchos datos y deducir razonamientos sobre el funcionamiento del circuito. El análisis práctico de los circuitos, y más en el comienzo del estudio de los circuitos a transistores, lo ideal es hacerlo montando el circuito en una placa protoboard o de topos (soldando los componentes). Pero también es posible realizarlo mediante el programa Multisim, que es como, en este caso, se ha hecho. 257

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Como actividad práctica, se recomienda hacer esto de las dos maneras; montaje real de los componentes y simulación mediante el programa Multisim.

14.12.2 Tensión de emisor La medida de la tensión en la resistencia de emisor (RE) ha dado:

14.12.3 Intensidad de emisor y colector Conociendo la tensión en el emisor, por simple aplicación de la ley de Ohm, hallamos la corriente de emisor:

Y de aquí se deduce la corriente de colector: IC ≈ IE = 0,92 A.

14.12.4 Tensión en la resistencia de colector Y puesto que la corriente de colector es muy aproximadamente igual a la corriente de emisor, hallamos que la tensión en la resistencia de colector será: Lo cual era un resultado a esperar, ya que la resistencia RC = 5k1 es 10 veces mayor que la resistencia RE = 510 Ω; por eso, la tensión en la resistencia RC resulta también 10 veces mayor que la tensión en la resistencia RE. VCC = 12 V

R1 100 k

RC 5k1 C2 10 VPP

C1 1 VPP

Señal de entrada (VEnt)

BC547

R2 10 k

RE 510 Ω

Señal de salida (VSal )

0V Figura 14.26. Circuito que opera de forma lineal; el transistor está polarizado en su zona activa. Es una etapa amplificadora de ganancia 10.

14.12.5 Ganancia de señal del circuito Los valores de RC y RE se tomaron de esta manera en el diseño para que la ganancia del circuito fuera de 10; ya que la ganancia de un circuito como este viene dada por la relación entre la resistencia de colector y la resistencia de emisor:

De esta manera, se consigue una amplificación de 10; lo cual significa que la señal de salida será unas 10 veces mayor que la señal de entrada:

258


Ejemplo Si la señal de entrada tiene una amplitud de 1 VPP, la señal de salida tendrá una amplitud de 10 VPP:

14.12.6 Tensión entre colector y emisor Conociendo las tensiones en la resistencia de emisor (RE) y la de colector (RC) deducimos la tensión entre colector y emisor: Un valor que está muy de acuerdo a como debe ser; aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación (VCC = 12 V).

14.12.7 Tensión y corriente de base Ahora deducimos la tensión en la base del transistor (VB). Puesto que sabemos que entre base y emisor la tensión debe ser de unos 0,7 V y la tensión en la resistencia de emisor (RE) es de 0,47 V; la tensión en la base deberá ser de: El valor de la corriente de base (IB) se puede hallar conociendo la β del transistor (para esa corriente de colector, IC = 0,92 mA) o bien mediante cálculos más avanzados (que no son necesarios en la práctica). A efectos prácticos, lo que nos interesa saber es que el punto de trabajo del transistor es correcto, está bien polarizado y funciona bien. Pero como referencia, según los datos que proporciona Multisim sobre el transistor BC 547C, su β podría estar entre unos 420 y 800 (es un transistor de alta ganancia). Según esto, considerando un valor promedio de β = 600, la corriente de base sería:

Hay que tener en cuenta que el transistor BC547C es el que tiene mayor ganancia de la serie BC547. Por ejemplo, está también el BC 547A que (según el fabricante) la β puede estar entre unos 120 y 450 (para IC = 2 mA). Y medidas hechas en clase han dado valores de β = 290. O sea, el BC 547C tiene una ganancia mucho mayor que el BC 547A. Cuando se hacen montajes prácticos sencillos con el BC 547, que es el transistor NPN más popular de los de baja potencia, se toma el que se disponga; los resultados serán prácticamente los mismos. El circuito que se encarga de polarizar la base del transistor, o sea, hacer que circule la corriente de polarización fija (IB), son las resistencias R1 y R2, que forman un divisor resistivo. La corriente que debe circular por dichas resistencias tiene que ser al menos unas 10 veces mayor que la corriente de base (por cuestiones de estabilidad de la polarización). En este montaje (sin tener en cuenta la IB, por lo pequeña que es) la corriente por dichas resistencias es:

Que es mucho mayor que la corriente de base; de esta manera, aunque varíe la IB (debido a diferentes valor de β, etc.), el valor de la corriente que circula por el divisor resistivo prácticamente no variará; con lo cual se mantendrá la misma tensión en la base y las características generales de polarización del circuito variarán muy poco.

259

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones Así pues, como se ha mostrado, partiendo de la medida de la tensión en la resistencia de emisor (RE), aplicando conceptos lógicos básicos, hemos deducido fácilmente muchos datos del circuito, así como conceptos básicos sobre funcionamiento del circuito. Pues de esta sencilla manera se pueden analizar, estudiar muchos circuitos de electrónica; todo es cuestión de aplicar conceptos básicos y lógica de funcionamiento.

14.12.8 Medidas de la polarización En las figuras 14.27 y 14.28 se muestra el circuito con las tensiones y corrientes de polarización; resultados obtenidos mediante el programa Multisim. El transistor es el BC547C, que tiene una β muy alta (puede llegar a 800).

Figura 14.27. Tensiones de polarización del circuito obtenidas mediante el programa Multisim. El transistor (BC547C) está polarizado en su zona activa.

Figura 14.28. Corrientes de polarización del circuito obtenidas mediante el programa Multisim.

Para ver la diferencia utilizando un transistor de menos ganancia, en las figuras 14.29 y 14.30 se muestra el mismo circuito realizado con el BC547A (su β es alrededor de la mitad que la del BC547C). Como se observa en la medida de los instrumentos, las diferencias son mínimas con respecto al circuito realizado con el BC547C. Hay que tener en cuenta que, puesto que los transistores pueden tener notables variaciones de la β aun siendo del mismo tipo, los circuitos se diseñan para que su polarización

260

Unidad 14 · El transistor bipolar. Principios y aplicaciones sea estable aunque varíen características como la β; de eso se encarga el divisor resistivo (R1 y R2) y la resistencia de emisor (RE). Aparece un efecto que se llama “realimentación negativa”, que es lo que proporciona la estabilidad en la polarización y, además, mejora las características de respuesta de señal.

Figura 14.29. Tensiones de polarización del circuito obtenidas mediante el programa Multisim. En este caso, a nivel comparativo, se ha utilizado el transistor BC547A, cuya ganancia es bastante más baja que la del BC547C.

Figura 14.30. Corrientes de polarización del circuito con el transistor BC547A.

14.12.9 Análisis y medidas con señal Para finalizar el estudio de esta etapa amplificadora, que es un circuito fundamental en electrónica, en la figura 14.31 se muestra su aplicación como amplificador, que es su utilidad. Se le aplica la señal de un generador (que simula la señal real de entrada, que podría ser la de un micrófono) y mediante el osciloscopio se observa la señal de salida. Como es de esperar, puesto que la ganancia de señal del circuito es de 10, la señal de salida es unas 10 veces mayor que la señal de entrada.

261


XSC1

OSCILOSCOPIO

VCC 12 V Señal de entrada (Vp = 0,5 V) V1

Figura 14.31. Montaje del circuito para estudiar su función amplificadora. Aplicando una señal de entrada de 0,5 VP (500 mV) se obtiene una señal de salida de 10 veces mayor (5 VPP).

500 mV 1 kHz 0 Deg

R1 5.1 kΩ C2

R2 100 kΩ

Q1

C1 470 nF

Señal de salida (Vp = 5 V)

470 nF

BC547C R3 10 kΩ

R4 510 Ω

El resultado que mostraría el osciloscopio se representa en la figura 14.32; aparecen la señal de entrada y la de salida.

f = 1000 Hz Señal de salida (≈ 5 V) Figura 14.32. Representación de las señales de entrada y salida (osciloscopio). Obsérvese también que las señales están en contrafase; cuando la señal de entrada está en el pico positivo, la señal de salida está en el pico negativo.

Señal de entrada (0,5 V)

Actividades propuestas Aplicando el mismo proceso de estudio y análisis explicado anteriormente, hallar los valores del siguiente circuito que se muestra en la figura 14.33. En este caso, se trata de un circuito más sencillo. Como dato de partida, se tiene la tensión entre colector y emisor (VCE), cuyo valor (medido con el programa Multisim) es de unos 5,4 V. Calcular: • La intensidad de colector (IC) • La tensión en la resistencia de colector (VRC) • La intensidad de base (IB) ¿De qué valor se deduce que es la ganancia de corriente del transistor (β)? ¿En qué estado se encuentra el transistor; polarización activa, saturación, corte?

262


Actividades propuestas

Figura 14.33. Circuito para calcular. Es una etapa amplificadora muy simple (para su estudio).

Actividades prácticas Cálculo, montaje y medidas de la polarización de un circuito Objetivos: Hacer el cálculo del circuito, después montarlo y hacer las medidas que se indican en la tabla; comparar los resultados calculados con los medidos.

Valores

VCE

Calculados

X

VRC

VE

VB

VBE

IE

IC

IR1

IR2

IB X

Medidos

263


Actividades prácticas Formulas básicas que se pueden utilizar

Preguntas ¿Según las medidas, de qué valor es el factor β del transistor ¿De qué valor es la ganancia de señal,

?

?

Si se aplicara una señal de entrada de f = 1kHz de 1 VPP, ¿de qué valor sería la señal de salida?

Actividades finales 1. Dibujar, representar, la estructura semiconductora (uniones N y P) y la simbología del transistor NPN y PNP. 2. De una forma resumida, explicar el efecto de amplificación de corriente del transistor. ¿De qué manera se expresa matemáticamente ? 3. Si al circuito de la figura X.7 se le aplicara una señal de entrada de 0,5 VPP de f = 1000 Hz, ¿de qué valor sería la señal de salida? Montar el circuito (o simular mediante el programa Multisim) y verificar los resultados. 4. Dibujar las polaridades típicas de las tensiones en las patillas de un transistor NPN y un PNP (polarización en zona activa). 5. Si a un transistor se le aplica una variación de corriente de base de 0,001 A y ello da lugar a una variación de corriente de colector de 20 mA, ¿de qué valor es el factor β del transistor? 6. ¿Qué representan los símbolos β, hFE y hfe? ¿Son equivalentes? 7. Si la corriente de colector de un transistor es de 200 mA y el factor β = 290, ¿de qué valor será la corriente de emisor? 8. En el caso de tener que amplificar las señales de un micrófono, ¿cómo debe trabajar el transistor, en conmutación o en la zona activa? 9. Para que un transistor se encuentre polarizado en su zona activa, ¿cómo tienen que estar polarizadas las uniones base−emisor y base−colector? 10. Dado el siguiente circuito, deducir o calcular las tensiones y corrientes cuando el LED se encuentre encendido y cuando se encuentre apagado:

264


Actividades finales

Preguntas • ¿Cómo trabaja este circuito, en su forma activa o en conmutación? • ¿Funcionaría correctamente el circuito si la resistencia RB fuera de 10 kΩ? ¿Y si fuera de 100 kΩ? Razonar las respuestas. • Si la tensión de alimentación fuera de 5 V, ¿de qué valor debería ser la resistencia RC para que la intensidad del LED sea la misma? • Montar el circuito (o simular mediante el programa Multisim) y comprobar todos los resultados. Valores

VBE

VCE

VRC

IB

IC

Calculados Medidos

265

Unidad 15

Características del transistor Circuitos prácticos

Objetivos: • • • •

Conocer las características básicas de los transistores. Familiarizarse con la documentación técnica de los fabricantes (datasheet). Montar circuitos para hallar experimentalmente datos característicos del transistor. Saber comprobar el estado, hallar la β y deducir el tipo de transistor mediante el polímetro.


Introducción. Datos característicos de los transistores (BJT).

15.3

Curvas características y circuitos de experimentación.

15.4 15.5

El factor de amplificación α. Comprobaciones del transistor mediante la función transistómetro del tester.

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos

Recuerda • • • El transistor trabaja en su zona activa (lineal cuando): • La unión colector − base se polariza de forma inversa • La unión base − emisor se polariza de forma directa • La tensión entre colector y emisor (VCE) es de alrededor de la mitad de la tensión de alimentación (VCC).

15.1 Introducción Al igual que los diodos y otros componentes semiconductores, en los transistores también se tienen que conocer e interpretar correctamente datos característicos que los fabricantes proporcionan en sus databook. Por ejemplo, el transistor BC 547 (según datos del fabricante Motorola) tiene como características prácticas destacables: Tensión (máxima) entre colector y emisor de 45 V, intensidad (máxima) de colector de 100 mA y su β está entre 120 y 450. Pues estos datos el fabricante los representa (aproximadamente) así:

Transistor BC 547 Valores máximos Característica

Símbolo

BC 547

Unidad

(Collector-Emitter Voltaje) Tensión colector–emisor

VCEO

45

V

(Collector-Current-Continuous) Intensidad de colector

IC

100

mA

(DC Current Gain) Ganancia de corriente (β)

hFE

Mínimo: 120 Máximo: 450 (VCE = 5 V IC = 2 mA)

Así pues, es necesario conocer e interpretar los datos de los transistores, lo que los fabricantes denominan datasheet (hojas de datos). Aunque la información que proporcionan suele ser bastante extensa y puede resultar complicada de entender, si todos esos datos se reducen a lo mínimo, los que normalmente se utilizan en la práctica (algo parecido a la tabla anterior), entonces esto se simplifica mucho.

15.2 Datos característicos

de los transistores (BJT)

En los transistores bipolares, los BJT, los datos característicos los podemos resumir a los siguientes, que son los normalmente utilizados en la práctica: • Tensión colector–emisor (VCE ) • Intensidad colector (IC ) • Ganancia de corriente (β) • Potencia disipada Pero hay otros más, que aunque no son fundamentales, también pueden resultar interesante conocer. Esto depende del tipo de aplicación; no es lo mismo un simple circuito para encender un LED intermitente para la alarma de un coche que un amplificador de señales de un equipo de electro medicina. O sea, según el tipo de aplicación puede ser necesario tener más o menos en cuenta ciertas características técnicas.

15.2.1 Tensión colector–emisor (VCE) La tensión entre colector y emisor que el transistor puede soportar, el fabricante lo expresa por VCEO. Este valor se proporciona teniendo en cuenta que la patilla base está sin conectar (al aire), que es la condición donde la VCE resulta más baja. Si la patilla base se une al emisor (VBE = 0), puede soportar una VCE algo mayor. Esto es debido a que cuando la base está sin conectar aparece una corriente residual, de fugas, muy pequeña que se expresa por ICEO, que hace que la tensión máxima VCE sea más pequeña que si la base está unida al emisor.

267

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos Y también aparece la expresión BVCEO , que es la tensión colector–emisor a partir de la cual se puede producir la ruptura (Breakdown) en la unión, o sea, se puede estropear el transistor. Este dato se proporciona para una cierta corriente de colector.

Ejemplo Transistor BC 547 Tensión colector-emisor máxima: VCEO = 45 V Tensión colector-emisor de ruptura: BVCEO = 65 V (para IC = 1 mA) Relativo también a la tensión colector-emisor, aparece VCE(sat); es la tensión colector– emisor cuando el transistor está saturado (Collector-Emitter Saturation Voltaje). Este dato se da para una cierta corriente de colector (y de base).

Ejemplo Transistor BC 547 Para IC = 10 mA (IB = 0,5 mA) ⇒ VCE(sat): 0,09 a 0,25 V Para IC = 100 mA (IB = 5 mA) ⇒ VCE(sat): 0,2 a 0,6 V

15.2.2 Intensidad de colector (IC) Existe un valor máximo de intensidad de colector, a partir del cual si se supera puede averiarse el transistor. En el popular transistor BC 547, la corriente máxima de colector de forma continua (Collector-Current-Continuous) que puede soportar es IC (máx.) = 100 mA. Y se da la variante de la corriente máxima de pico (Peak), intensidad máxima en un instante determinado, que en el BC 547 es ICM = 200 mA.

15.2.3 Ganancia de corriente (β) La ganancia de corriente en continua (DC Current Gain), el fabricante lo expresa por hFE , y su valor lo da para unas ciertas condiciones de trabajo. En el BC 547A, para IC = 2 mA y VCE = 5 V, el valor hFE puede variar entre 120 (mínimo) y 450 (máximo). Un valor (medido en las clases prácticas) está alrededor de 300.

Ejemplo Transistor BC 548C DC Current Gain (ganancia de corriente en continua, β) (para IC = 2 mA, VCE = 5 V): hFE (mínimo) = 420 hFE (típico) = 520 hFE (máximo) = 800

15.2.4 Potencia disipada (PD) Este dato se refiere a la máxima potencia que puede soportar el transistor, que viene dada por la tensión entre colector y emisor y por la intensidad de colector:

268

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos Lo proporciona el fabricante para una determinada temperatura ambiente, que es TA = 25 °C. Y también se relacionan otros datos como la temperatura de la unión, resistencia térmica, etc. Estos datos son más bien interesantes de cara a los transistores de una cierta potencia, como por ejemplo, el popular 2N3055. En el transistor de baja potencia BC 547, el fabricante indica una potencia máxima (Total Device Dissipation) de: PD = 625 mW.

Ejemplo Si en el transistor BC 547 la corriente de colector es IC = 0,05 A y la tensión colector emisor es de VCE = 10 V, la potencia disipada será: Está dentro del margen permisible; no llega a 0,625 W = 625 mW.

15.2.5 Otros datos característicos Además de los datos anteriores, que son los que resultan imprescindible conocer, hay otros como:

Tensión colector–base (VCBO ) Se refiere a la tensión (inversa) máxima permisible que puede soportar la unión colector–base; es similar a la característica tensión colector–emisor, por lo que su valor suele ser aproximadamente igual. En el caso del BC 547, se tiene: VCBO = 50 V. Obviamente, si la unión colector–base se polariza de forma directa, la tensión será la típica; unos 0,7 V. Pero el transistor normalmente trabaja con la unión colector– base polarizada de forma inversa. (La unión colector–base sólo queda polarizada de forma directa cuando el transistor está saturado).

Tensión (inversa) emisor–base (BVEBO ) Es la tensión inversa máxima (Emitter-Base Breakdown Voltage) que se debe aplicar entre base y emisor. En el transistor BC 547, el fabricante indica: BVEBO = 6 V.

Tensión (directa) base–emisor (VBE ) Si se polariza de forma directa la unión base emisor, que es como normalmente trabaja, su valor típico es de unos 0,7 V (aunque varía algo según la temperatura, y también se ve influenciada algo por la corriente de colector). En el BC 547, para IC = 2 mA y VCE = 5 V, la tensión base emisor puede variar entre 0,55 y 0,7 V. El fabricante puede poner para expresar esto: Base Emitter On Voltage (VBE(on)).

Intensidad residual (fugas) colector–base (ICBO ) Es la intensidad de fugas (debido a los portadores de carga minoritarios) que puede aparecer cuando la unión colector-base se polariza de forma inversa. En teoría, debería ser cero; pero en la práctica puede tomar un valor de algunos nA. El fabricante (Fairchild) indica (Collector Cut-off Current) una corriente que, como máximo, puede ser de 15 nA (para VCBO = 30 V e IE = 0). Además de los datos explicados existen otros; pero los explicados son los más representativos, los mínimos que son necesarios conocer de cara a la práctica. A continuación se explican más características del transistor, las que se representan por medio de gráficos; es lo que se llama curvas características. Y de paso, aparecerán, otros datos complementarios.

269


15.3 Curvas características

y circuitos de experimentación

De entre las diversas curvas, gráficos sobre características sobre el transistor, que los fabricantes proporcionan, destacamos las siguientes: • Característica de transferencia • Características de salida El gráfico de característica de transferencia nos proporciona información sobre cómo varía la corriente de colector en función de la corriente de base, para una tensión colector–emisor constante, lo cual se pude representar por: Y las curvas características de salida nos proporciona cómo varía la corriente de colector (IC) en función de la tensión colector–emisor (VCE) para una determinada corriente de base (IB) constante. Esto se puede expresar de la forma:

15.3.1 Curva característica de transferencia Mediante este gráfico se representa la variación de la corriente de colector en función de la variación de la corriente de base, para una determinada tensión colector– emisor constante. Es un gráfico que se aproxima mucho a una recta, en especial en los transistores de baja potencia (por ejemplo, el típico BC 547). En la figura 15.1 se muestra un ejemplo. IC (mA) 100

80

60

40

20

Figura 15.1. Gráfico de la corriente de colector en función de la corriente de base; esto es la curva de transferencia.

50

100

150

200

250

IB (μA) Esto nos dice que la corriente de colector es (aproximadamente) proporcional a la corriente de base multiplicada por el factor de amplificación β. Y de aquí se deduce fácilmente el factor de amplificación de corriente, la β; es cuestión de hacer la división entre una variación de la corriente de colector (∆IC) y la variación de corriente de base (∆IB) que da lugar a ello.

Ejemplo Si, para una tensión VCE = 10 V, la variación de la corriente de colector es de ∆IC = 20 mA y la variación de corriente de base que da lugar a ello es de ∆IB = 50 μA, la ganancia de corriente resultante del transistor será de:

Este es una valor de ganancia que está dentro de lo normal en transistores de baja potencia (como el BC 547C).

270

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos Esto se representa gráficamente en la figura 15.2, con unos valores prácticos de ejemplo. IC (mA) 100

80

60 ΔIC = 20mA 40

ΔIB = 50 μA

20

Figura 15.2. De la característica de transferencia se halla fácilmente la ganancia de corriente (β) del transistor.

50

100

150

200

250

IB (μA)

Actividades prácticas Curva de transferencia Característica de transferencia: Objetivos: Obtener experimentalmente el gráfico de la característica de transferencia de un transistor BD 137 (mediana potencia; VCEO = 60 V, IC = 1,5 A). Montaje a realizar (figura 15.3): Procedimiento: Mediante una fuente de alimentación (VCC), se ajusta la tensión colector–emisor a 10 V. Mediante otra fuente (VBB), se ajusta una tensión de 5 V, que se conectará al potenciómetro de ajuste P1. Después, mediante P1, se va variando la corriente de base de 50 a 300 μA, en intervalos de 50 μA, y a cada valor de corriente de base se mide (y apunta en la tabla) el valor de la corriente de colector. La resistencia R1 se pone como medida de seguridad, para limitar la corriente máxima y evitar así que de forma accidental la corriente de colector pudiera llegar a ser excesiva y deteriorar el transistor. R1 100

VBB = 5 V IC P1

VCC = 10 V

IB 10 k

BD 137

10 k RB Ajuste de la corriente de base (IB)

E C B

Figura 15.3. Montaje a realizar para experimentar la característica de transferencia.

271


Actividades prácticas Hacer una tabla de valores como la representada a continuación y pasar los resultados de las medidas a un gráfico (figura 15.4); tiene que salir (aproximadamente) una recta.

Tabla de valores VCE = 10 V IC

IB 50 100 150 200 250 300 Observaciones:

IC (mA)

Figura 15.4. Poner aquí los valores de IC medidos. Se obtiene así, de forma real, la representación gráfica de la característica de transferencia.

0

5

10

15

20

25

30

IB (μA)

15.3.2 Curva característica de salida IC (mA)

IB6 = 300 μA

100

IB5 = 250 μA

80

IB4 = 200 μA 60

Figura 15.5. Ejemplo de gráfico de curvas características, obtenido experimentalmente.

272

IB3 = 150 μA

40

IB2 = 100 μA

20

IB1 = 50 μA 2

6

10

14

18

22

VCE (V)

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos La curva característica de salida nos proporciona información de cómo varía la corriente de colector (IC) en función de la tensión colector–emisor (VCE), para una determinada corriente de base (IB) constante, lo cual se representa por: IC = f (VCE)|IB = cte. Este gráfico lo proporcionan los fabricantes, pero también lo podemos hallar experimentalmente haciendo las medidas adecuadas. En la figura 15.5 se muestra un ejemplo de gráfico de este tipo, obtenido experimentalmente (en clase), con un transistor BC 547. Este tipo de gráfico es el más representativo del transistor, el más conocido. También se conoce por familia de curvas de colector, ya que se proporcionan varias curvas; una para cada valor de corriente de base utilizada en las medidas. En cada curva se representa cómo varía la corriente de colector (IC) en función de la tensión de colector–emisor (VCE), para una determinada corriente de base. De este tipo de gráfico se deducen características de las más importantes del transistor. • Si la tensión entre colector y emisor (VCE) es muy baja, menor de 1 V, el valor de la corriente de colector es muy bajo (o prácticamente cero) aunque haya corriente de base. La corriente de colector, empieza a establecerse de forma normal a partir de una tensión de colector de alrededor de 1 V. Cómo se observa en el gráfico de la figura 15.5, para una corriente de base de 150 μA la corriente de colector es de unos 50 mA a partir de VCE ≥ 1 V. • Y como se deduce también, a partir de una determinada tensión VCE mínima (≥ 1 V), la corriente de colector casi no aumenta aunque lo haga la tensión VCE . (Como es obvio, si se aumenta mucho la tensión de colector se puede producir un efecto de ruptura y aumentar bruscamente la IC, lo cual puede deteriorar el transistor). O sea, la VCE, dentro de su margen normal de funcionamiento, apenas influye en la IC. • Para una tensión VCE constante, pequeñas variaciones de la corriente de base (IB) producen variaciones mucho mayores de la corriente de colector (IC); esto es el efecto de amplificación de corriente del transistor. De este gráfico se puede hallar por tanto el valor de ganancia (β) del transistor. • Para que el transistor funcione como amplificador lineal (amplificador de señales analógicas) aprovechando el máximo rango de variaciones (máxima amplitud de señal), su punto de funcionamiento (polarización) debe situarse alrededor del punto medio de estas curvas, aproximadamente, esto podría ser: VCE = 12 V, IB = 150 μA, IC = 50 mA. Un gráfico de este tipo proporcionado por el fabricante (Fairchild) en sus datasheet, para los transistores NPN de baja potencia BC 546 / 547 / 548 / 549 / 550, se representa en la figura 15.6. Como se observa, es muy similar al obtenido experimentalmente (fig. 15.5). 100

IB = 400 µ A IB = 350 µ A IB = 300 µ A

80

IB = 250 µ A

60

IB = 200 µ A IB = 150 µ A

40

IB = 100 µ A 20

Figura 15.6. Curvas características del transistor BC 547 (cortesía de Fairchild).

IB = 50 µ A 0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Otros datos proporcionados por el fabricante (Fairchild) sobre este transistor se representan a continuación; tal como aparece en los datasheet, para que el alumno se familiarice con la documentación técnica real que proporcionan los fabricantes.

273


Datos característicos del grupo de transistores de baja potencia

BC546/547/548/549/550 Switching and Amplifier • High Voltage: BC546, VCEO=65V • Low Noise: BC549, BC550 • Complement to BC556 ... BC560

TO-92

1

1. Collector 2. Base 3. Emitter

NPN Epitaxial Silicon Transistor Absolute Maximum Ratings Ta=25°C unless otherwise noted Symbol VCBO

Collector-Base Voltage

Par a m e t e r : BC546 : BC547/550 : BC548/549

Value 80 50 30

Units V V V

VCEO

Collector-Emitter Voltage : BC546 : BC547/550 : BC548/549

65 45 30

V V V

VEBO

Emitter-Base Voltage

6 5

V V

: BC546/547 : BC548/549/550

IC

Collector Current (DC)

100

mA

PC

Collector Dissipation

500

mW

TJ

Junction Temperature

150

°C

TSTG

Storage Temperature

-65 ~ 150

°C

Electrical Characteristics Ta=25°C unless otherwise noted Symbol ICBO

Parameter Collector Cut-off Current

Test Condition VCB=30V, IE=0

Min.

hFE VCE (sat)

DC Current Gain

VCE=5V, IC=2mA

110

Collector-Emitter Saturation Voltage

I C=10mA, IB=0.5mA IC=100mA, IB=5mA

90 200

VBE (sat)

Base-Emitter Saturation Voltage

IC=10mA, IB=0.5mA IC=100mA, IB=5mA

700 900

VBE (on)

Base-Emitter On Voltage

VCE=5V, IC=2mA VCE=5V, IC=10mA

fT

Current Gain Bandwidth Product

VCE=5V, IC=10mA, f=100MHz

300

Cob

Output Capacitance

VCB=10V, IE=0, f=1MHz

3.5

Cib

Input Capacitance

VEB=0.5V, IC=0, f=1MHz

9

NF

Noise Figure

VCE=5V, IC=200μA f=1KHz, RG=2KΩ VCE=5V, IC=200μA RG=2KΩ, f=30~15000MHz

: BC546/547/548 : BC549/550 : BC549 : BC550

580

Typ.

M ax. 15 800

660

2 1.2 1.4 1.4

250 600

mV mV mV mV

700 720

mV mV MHz

6

pF

10 4 4 3

dB dB dB dB

pF

hFE Classification

274

Units nA

Classification

A

B

C

hFE

110 ~ 220

200 ~ 450

420 ~ 800


Actividades prácticas Características de salida Objetivos Obtener experimentalmente el gráfico de la curva característica de salida de un transistor BD 137, para un valor constante de corriente de base de IB = 100 μA, de lo cual se deducirá una importante información. Montaje a realizar (figura15.7) BD 137 R1 100 IC

VBB = 5 V E C B P1

10 k

10 k

VCE

(2 a 20 V)

RB Ajuste de la corriente de base (IB)

VCC

IB

Figura 15.7. Circuito para obtener la curva característica de intensidad de colector en función de la tensión colector – emisor, para una cierta intensidad de base constante.

IB = 100 μA VCE (V)

IC (mA)

IC (mA)

0,1 0,3 0,5 1

I B = 100 μ A

2 4 8 12 20

VCE

Figura 15.8. Los resultados de las medidas se ponen en la tabla y después se pasan al gráfico.

275


Actividades prácticas Procedimiento Se trata básicamente de medir la corriente de colector (IC) en función de la tensión colector–emisor (VCE), entre 0,1 V y 20 V, para una corriente de base fija de 100 μA. Mediante un polímetro (para medir intensidad de μA), ajustando el potenciómetro P1, se mide una corriente de base de 100 μA. Una vez hecho esto, se quita el polímetro y se deja la resistencia RB conectada al punto medio del potenciómetro; de esta manera, sabemos que el transistor recibe una corriente de base de 100 μA. Después se conecta un polímetro para medir la intensidad de colector (IC) y con otro polímetro se mide la tensión entre colector y emisor (VCE). Se empieza ajustando la fuente de tensión VCC para que la tensión VCE sea de 0,1 V y en este punto se mide la corriente de colector. Después se repite esto para otras tensiones de VCE , según la tabla de la figura 15.8. Los valores medidos de VCE e IC se pasan después a un gráfico; se obtendrá así la curva de variación de la IC en función de VCE, para una corriente de base de 100 μA (figura 15.8).

Actividades de evaluación 1. Consultar los datos característicos del BC 547 y BD 137 y hallar los valores máximos de: IC, VCEO, VCBO, VEBO. Explicar el significado de dichos valores. 2. ¿En qué margen puede variar la ganancia (hFE) del tipo BC 547A? 3. En el circuito práctico de ensayo, ¿qué valores máximos se podrían llegar a dar de IB y IC? ¿En qué circunstancias se darían? 4. Para una IB constante, ¿aumenta la IC si aumentamos la VCE? 5. ¿Aumenta la tensión en la resistencia R1 (de protección) si aumentamos la tensión VCC? Razonar la respuesta.

Actividades desarrolladas Repetir el desarrollo práctico, ahora para las corrientes de base de 100 μ y 200 μA. Representar los datos obtenidos en la misma gráfica (figura 15.8), junto con la curva de IB = 150 μA. Se obtendrá así una familia de 3 curvas, lo cual nos aportará una buena información técnica práctica sobre el transistor. De estas curvas, deducir el valor de amplificación (β) del transistor. Es cuestión de hacer la división entre un incremento de IC y otro de IB, para un valor constante de VCE:

Ejemplo En el gráfico de Fairchild (figura 15.6), para VCE = 8 V, tenemos:

El valor de β que se deduce es por tanto:

276


15.3.3 Las tres zonas de la curva de colector En la figura 15.9 se muestra la curva de colector, también llamada característica de salida, para un cierto valor de corriente base, con tres zonas determinadas que conviene conocer.

15.3.3.1 Zona de saturación La primera de ellas, se llama zona de saturación; es la comprendida entre el inicio de la curva y llega hasta el codo (a partir del cual se estabiliza la curva). En dicha zona, la tensión entre colector y emisor es muy baja, menor de 1 V (VCE ≤ 1 V); el transistor actúa como una resistencia de bajo valor, y aunque se aumente la corriente de base la corriente de colector no aumenta (por eso se llama saturación). Como la tensión VCE normalmente es muy baja (puede ser de 0,1 V), la unión colector base también se encuentra polarizada de forma directa (al igual que la unión base emisor). Si, por ejemplo, VBE = 0,7 V y VCE = 0,1 V, eso hace que la unión colector base tenga una tensión de VCB = 0,7 – 0,1 = 0,6 V; o sea, queda en polarización directa. IC Zona Acva - Unión colector – base: polarización inversa. - Unión base – emisor: polarización directa. - Se cumple ΔIC = βΔIB - Ampliación lineal.

Zona de ruptura IB

Se supera la VCE máxima, se produce una conducción descontrolada

VCE = 1 V VCE Zona Saturación Figura 15.9. Curvas de colector, con las tres zonas destacables.

La unión base – emisor y la unión colector – base quedan en polarización directa.

15.3.3.2 Zona activa Es la parte aproximadamente plana, que aparece a partir del codo. La tensión VCE es superior a 1 V y puede llegar hasta un valor máximo que depende de la tensión de alimentación. En esta zona es donde debe operar el transistor para que amplifique de forma lineal. La unión colector–base se encuentra polarizada de forma inversa, y la unión base emisor de forma directa. Las variaciones de la corriente de base hacen variar proporcionalmente la corriente de colector, o sea se cumple que:

15.3.3.3 Zona de ruptura Se entra en esta zona cuando se supera la tensión máxima permisible de colector emisor; entonces, el transistor puede entrar en ruptura (la corriente aumenta de forma descontrolada) y se puede averiar el transistor.

Ejemplo Valores máximos de tensión en Transistor BC 547 Tensión colector–emisor máxima: VCEO = 45 V Tensión colector–emisor de ruptura: BVCEO = 65 V (para IC = 1 mA)

277

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos De esta información tenemos que saber que el transistor BC 547 lo podemos hacer funcionar normalmente con una tensión VCE por debajo de 45 V, y que si se llega a 65 V se puede producir la ruptura. Normalmente, este transistor se suele hacer funcionar con tensiones que van de unos 5 V a 30 V (como máximo).

15.3.4 Familia de curvas características del transistor Existe un una representación gráfica que se conoce por curvas características del transistor, en el cual aparecen 4 cuadrantes que aportan una información técnica bastante completa del transistor. En la figura 15.10 se muestra un gráfico de este tipo (que se ha realizado experimentalmente). • En el cuadrante 1 aparecen las curvas de colector, que es el gráfico ya visto anteriormente (fig. 15.5); o sea, la corriente de colector (IC ) en función de la tensión colector emisor (VCE ) para determinados valores de corriente de base. • En el cuadrante 2 se representa la variación de la corriente de colector en función de la corriente de base, para una determinada tensión constante de VCE. Se han puesto dos valores de VCE para mostrar que el valor de VCE casi no afecta a la corriente de colector. Esto es como el gráfico ya visto en la figura 15.1. • En el cuadrante 3 se representa la variación de la tensión VBE en función de la corriente de base (IB), para una determinada tensión constante de VCE. Se han puesto dos valores de VCE para mostrar que la tensión colector emisor casi no afecta a la tensión VBE. • En el cuadrante 4 se representa la relación entre la tensión VCE y la tensión VBE , para valores constantes de IB ; de donde se deduce que la influencia de la tensión VCE sobre la tensión VBE es despreciable. IC (mA) 100 80 60 40 20

IB (μA)

300

225

150

2

75

6

10

14

18

22

VCE (V )

0,7 V

VBE (V ) Figura 15.10. Curvas características típicas del transistor.

278

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos De estas curvas se pueden deducir ciertas características del transistor, como la β, la resistencia de entrada, la resistencia de salida y el coeficiente de readmisión. Para hacerse una idea, vamos a deducir la β y la resistencia de entrada, que son los datos que consideramos de mayor interés práctico.

15.3.4.1 Deducción de la ganancia de corriente (β) La ganancia de corriente, β, como ya se sabe, se obtiene mediante la relación entre una variación de corriente de colector y una variación de la corriente de base, para una determinada tensión VCE constante.

Pues este dato se puede hallar tanto en el cuadrante 1 como en el 2 del gráfico de la figura 15.10. Si nos fijamos en el cuadrante 1, por ejemplo, para una VCE = 10 V trazamos una recta y tomamos dos puntos de la corriente de base, y para dichos puntos observamos los valores de IC correspondientes; con ello, ya tenemos los valores de ∆IC y de ∆IB. Esto se representa en la figura 15.11.

Ejemplo Para VCE = 10 V:

IC (mA) VCE = 10 V 100

IB6 = 300

80

IB5 = 250

60

IB4 = 200 IB3 = 150

40

IB2 = 100

20

IB1 = 50 μA 2

Figura 15.11. Deducción del valor de la ganancia de corriente (β).

6

10

14

18

22

VCE (V)

La ganancia de corriente también la podemos hallar en el cuadrante 2. En la figura 15.12 se muestra su obtención; como se observa, aparece el mismo valor que el obtenido anteriormente (como debe ser, ya que se deduce del mismo gráfico).

279


IC (mA)

100

VCE = 10 V

80 60 40 20

IB (μA)

300

225

150

75

Figura 15.12. Deducción del valor de la ganancia de corriente (β).

15.3.4.2 Deducción de la resistencia de entrada Este dato lo podemos obtener en el cuadrante 3, donde aparece la tensión base emisor (VBE) en función de la corriente de base para un valor constante de VCE . Todo es cuestión de hacer la relación entre una variación de tensión base emisor (∆VBE) y la correspondiente variación de corriente de base (∆IB). Está claro que esto da lugar a una resistencia (dinámica), que es la resistencia de entrada:

ΔIB = 75 μA IB (μA)

300

225

150

75

0,64 V 0,7 V

VCE = 10 V

Figura 15.13. Deducción del valor de la resistencia de entrada.

280

VBE (V)

ΔVBE = 0,06 V


Ejemplo Si los valores de las variaciones fueran (figura 15.13):

Esto nos daría un valor de resistencia de entrada de:

Actividades prácticas En una actividad práctica en el aula, se han obtenido los siguientes valores en las medidas de corriente de base (IB) y de tensión base emisor (VBE) con un transistor BC 547:

Para realizar esta medida, el procedimiento es (figura 15.14): Primero se ajusta P1 para que el polímetro mida IB = 80 μA, y en dicho punto se mide la correspondiente VBE. Después se mide la VBE para IB = 175 μA. Esto se puede hacer con un solo polímetro, aunque con dos resulta más rápido y fácil. Esto nos da las variaciones: De lo cual se obtiene el siguiente valor de resistencia:

El circuito práctico realizado se muestra en la figura 15.14. Para ser rigurosos, la tensión VCE se debería tener a 10 V; pero los resultados serían similares porque la VCE casi no afecta a la VBE. Así lo que hemos obtenido es la resistencia dinámica del diodo que forma la unión base-emisor del transistor.

5V BC 547 P1

22 k

10 k C B E

Figura 15.14. Circuito para medir la resistencia de entrada.

Ajuste de la corriente de base (IB)

VBE

V

281


15.4 El factor de amplificación α Además del factor de amplificación de corriente β del transistor, existe otro factor de amplificación de corriente que se representa por α. El factor de amplificación de corriente α relaciona la corriente de colector con la corriente de emisor, y se obtiene por:

Como que la corriente de colector es siempre muy aproximadamente igual a la corriente de emisor, el factor α resulta muy aproximado a 1. Un valor típico está alrededor de 0,98. Como se sabe, la corriente de emisor viene dada por: Supongamos un transistor cuya β = 100. Si la corriente de base es de 1 mA, las corrientes de colector y de emisor serán:

Siendo en este caso el factor α:

Esto indica que, de los electrones que salen del emisor, el 99 % va hacia el colector y el 1 % se recombina en la base. Así pues, mediante el factor α podemos obtener:

15.4.1 Relaciones entre β y α Combinando expresiones básicas, se obtiene una relación entre los factores α y β; o sea, conociendo uno de ellos se puede conocer el otro. Partiendo de:

Obtenemos: Y de aquí se puede obtener el valor de β conociendo el valor de α:

Ejemplo Si un transistor tiene α = 0,98, el valor de β será:

Como se deduce, cuanto mayor se acerque el factor α a 1 mayor será el factor β.

282

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos También, conociendo el factor β se puede deducir el factor α. Como que:

Ejemplo Si la ganancia de corriente β de un transistor sabemos que es β = 49, el valor de α será:

Como es obvio, aparece el mismo valor de α que el hallado anteriormente, porque el factor β también es del mismo valor.

15.5 Comprobaciones del transistor

mediante la función transistómetro del tester

El análisis de estado del transistor mediante el polímetro se puede hacer de dos maneras: • En base a la prueba de diodos • Con la función transistómetro

Comprobaciones del transistor con el tester en prueba de diodos.

Colector (C)

N Base (B) Figura 15.15. Comprobaciones del transistor con el polímetro en prueba de diodos.

C B

P E

N Emisor (E)

283

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos La prueba utilizando la función de prueba de diodos. Como ya se debe saber, se basa en utilizar el polímetro en la función de prueba de diodos y considerar la estructura interna del transistor como dos diodos en contrasentido (figura 15.15). Y también se pueden hacer las mismas verificaciones utilizando la función óhmetro, como si fuera un tester analógico. También existe la comprobación de lo que podemos llamar “prueba con el dedo”; un truco que permite deducir cuál es la patilla emisor o colector. En principio, haciendo las comprobaciones que sabemos en base al circuito interno basado en los diodos en contrasentido (fig. 15.15), si no conocemos el transistor, no se sabe cuál es la patilla emisor o colector, porque entre ellas y la base se comporta como un diodo. Pero, suponiendo un transistor es NPN, si la punta positiva del tester está en el colector y la punta negativa en el emisor, tocando con los dedos entre la base y colector se aplica una pequeña corriente en la base que puede hacer que circule una corriente mucho mayor por el colector (por el efecto de amplificación); y esto lo sabremos porque el tester lo indicará. En un tester de aguja (analógico), esto se nota enseguida, la aguja se mueve al tocar con los dedos entre la base y colector. Con un tester digital, se vería que la resistencia pasaría de un valor infinito a un valor más bajo. En el caso de un transistor PNP, el proceso sería el mismo pero utilizando polaridades contrarias en las puntas del tester. Hay otro “truco” que permite deducir cual es la patilla emisor o colector; se basa en que la resistencia (polarización directa) entre base y emisor es un poco más elevada que la resistencia entre base y colector; la diferencia es muy pequeña, pero se puede llegar a medir con el tester en Ω x 1. La otra forma de comprobar los transistores, más fácil, es utilizando la función transistómetro, que actualmente la mayoría de polímetros ya suelen tener. Un aparato exclusivo para comprobar transistores se llama transistómetro; pues esta es la función especial que los polímetros suelen tener. Esto nos proporciona el valor de la ganancia de corriente (β) del transistor (NPN o PNP), y a la vez se pueden deducir fácilmente las patillas del transistor, sin necesidad de aplicar los trucos anteriores. Es cuestión de conectar el transistor en un zócalo especial, que el polímetro dispone para ello, y seleccionar la función hFE (figura 15.16).

Zócalo para poner el transistor

Figura 15.16. La mayoría de polímetros disponen de un zócalo para la prueba de transistores NPN y PNP.

Si el transistor está en buen estado y las patillas bien conectadas en el zócalo, en la pantalla del tester aparece el valor de la ganancia de corriente (hFE) del transistor (figura 15.17). Esto permite deducir el estado del transistor. El zócalo está previsto para la prueba de transistores NPN y PNP. Así, aunque sea un transistor desconocido, se puede deducir: si el transistor es NPN o PNP, el valor de su ganancia (β) y cuáles son las patillas E, B y C, y también deducir

284

Unidad 15 · Características del transistor. Circuitos prácticos si el transistor está averiado. Todo es cuestión de ir probando, conectando las tres patillas del transistor en el zócalo; sólo si el transistor está bien, aparecerá un valor de hFE razonable. Si no se consigue esto, es que el transistor está mal. Ganancia de corriente del transistor (hFE)

Transistor

Figura 15.17. Comprobación del transistor utilizando la función transistómetro del polímetro.

Selector en hFE

Actividades finales 1. Indicar, explicar, 4 datos fundamentales de las características del transistor. 2. Hallar de la documentación técnica que proporciona el fabricante sobre los datos (máximo) siguientes del transistor BC 547, y explicarlos: 3. En un transistor BC 547 la corriente que circula por el colector es de 0,05 A y VCE = 10 V; calcular la potencia disipada. ¿Está dicho valor de potencia dentro del margen permisible de este transistor? (consultar la documentación técnica). 4. En un transistor BC 548 con una tensión aplicada de VCE = 10 V, se obtiene una variación de corriente de colector de ∆IC = 20 mA cuando la corriente de base varía ∆IB = 50 μA. Hallar el factor β del transistor y deducir el factor α. 5. Explicar y representar gráficamente las zonas: saturación, activa y ruptura del transistor. Normalmente, ¿en qué zona trabaja el transistor? Y, ¿qué zona hay que evitar? 6. Representar de forma genérica y simplificada la familia de curvas características del transistor, y explicar cada cuadrante. 7. ¿Qué significa el concepto resistencia de entrada del transistor? Dibujar el circuito que permite realizar dicha medida y explicar el proceso. 8. Explicar la manera de comprobar un transistor mediante la función de prueba de diodos del tester. ¿En qué característica del transistor se basa dicha comprobación? Permite este tipo de comprobaciones hallar el valor de β? ¿Y distinguir entre la patilla colector y emisor? 9. Comprobar-analizar los transistores BC 557 y BC 547 mediante la función transistómetro del tester; anotar los valores de β y las patillas E, B y C. Qué ventajas tiene la comprobación de transistores mediante la función transistómetro del tester, frente a la comprobación clásica (función Ω o diodo). 10. Hallar los valores máximos de corriente de base, corriente de colector y potencia disipada en el circuito de la figura 15.7. Comparar los resultados con la documentación técnica del transistor BD 137 ¿Están los valores hallados dentro del margen permisible?

285

Unidad 16

Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores

Objetivos: Estudiar los conceptos básicos generales sobre los amplificadores, así como algunos circuitos prácticos con transistores que son fundamentales. Deben conocerse las características básicas generales de los amplificadores, tales como: Ganancia, potencia de salida, sensibilidad, distorsión, impedancias, etc.). Para conseguir dichos conocimientos se estudian y, sobre todo, nos basaremos en la experimentación de circuitos básicos con transistores.

En este capítulo: 16.1

Introducción.

16.6

Amplificación multietapa.

16.2

Amplificadores. Conceptos generales.

16.7

Estudio práctico de la polarización básica.

16.8

Experimentación de los estados lineal, corte y saturación.

16.3

Los decibelios (dB).

16.4

Características de un amplificador.

16.5

Circuitos amplificadores básicos.

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores

Recuerda • • • - La ganancia de corriente de un transistor (β), es la relación entre corriente de colector y la corriente de base (para una determinada tensión VCE). - La corriente de emisor es: IE = IC + IB

16.1 Introducción Aunque desde hace tiempo la realización de los circuitos de electrónica se basan en los circuitos integrados, ya que simplifican en general el diseño y el montaje, los circuitos sencillos realizados con transistores siguen siendo necesarios en muchas aplicaciones, por lo cual se hace necesario su estudio. Esto mismo ocurre en electrónica digital. Los sistemas digitales se basan en bloques integrados relativamente complejos como memorias RAM, contadores, decodificadores, microcontroladores, etc.; pero también se necesitan circuitos digitales sencillos como las puertas lógicas. Por ejemplo, en un circuito para la activación de una carga como una bombilla de 230 V por medio de un sonido (con una palmada, por ejemplo), se encuentran etapas amplificadoras lineales, etapas amplificadoras en conmutación, circuitos de filtro, etc. O sea, en las diferentes aplicaciones electrónicas se pueden encontrar de forma combinada diferentes tipos de circuitos básicos, muchas veces de forma auxiliar a otros circuitos integrados complejos. En general, el concepto que siempre está relacionado en cualquier aplicación es la amplificación, por lo cual este es un tema de especial importancia en todas las ramas de la electrónica, y en esta unidad centramos su estudio.

16.2 Amplificadores. Conceptos generales La estructura básica de la función amplificador se representa en la figura 16.1. Se trata de un amplificador para micrófono, cuya aplicación se centra en aplicaciones de megafonía y equipo de voces para cantantes. +V (Alimentación)

Señal de salida

Señal de entrada

Sonido

Sonido

Amplificador M icrófono

Altavoz

0 V (masa)

Figura 16.1. Representación de un equipo amplificador de voz.

16.2.1 Concepto de amplificación La señal de entrada, en este ejemplo, es la de un micrófono. El micrófono es un traductor que convierte las ondas sonoras en señales eléctricas, siendo su valor de salida muy bajo (mV); por ello, para poder obtener una cierta potencia sonora se necesita de un amplificador. El amplificador puede proporcionar una señal de salida de mucha potencia, de tal manera que puede activar un altavoz, pero la señal de salida debe ser idéntica en características de forma de onda a la señal de entrada. Si la señal de salida apareciera con alguna modificación en su forma de onda, entonces se diría que existe distorsión, lo cual da lugar al sonido desagradable que se conoce por distorsión. O sea, la señal de salida debe conservar las mismas características frecuenciales (composición armónica) que la señal de entrada. En la práctica, en todo proceso de amplificación, siempre se produce algo de distorsión, aunque sea muy pequeña, que se tiene que procurar reducir al máximo. 287

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores Y como es obvio, y así es en todos los aparatos electrónicos, para que el amplificador funcione se necesita de una tensión de alimentación, que suministre la energía eléctrica necesaria para su funcionamiento. De hecho, la potencia sonora que se obtiene procede de la energía eléctrica de la tensión de alimentación. Si, por ejemplo, el amplificador entregará al altavoz una potencia de 100 W, la tensión de alimentación tendría que suministrar al amplificador más de 100 W, porque el rendimiento siempre es menor del 100 %; parte de la energía que entrega la fuente de alimentación se pierde en forma de calor en los componentes.

16.2.2 Características básicas de un amplificador Las características básicas generales que, al menos en un principio, se tienen que conocer son: • Ganancia, factor de amplificación • Impedancia de entrada • Impedancia de salida • Respuesta de frecuencia • Distorsión • Sensibilidad Pero además, existen otras como: relación señal-ruido, diafonía, diferentes tipos de distorsiones, potencia de salida (especialmente si se trata de amplificadores de potencia), etc.

Ganancia del amplificador En general, ganancia es la relación entre la señal de salida y la señal de entrada:

Y esto nos da cuenta de lo grande que es la señal de salida con respecto a la señal de entrada, o sea, el factor de amplificación.

Ganancia de tensión (GV)

Siendo: VO = Tensión de salida VI = Tensión de entrada La ganancia también se suele representa por AV, que viene de amplificación de tensión, por lo cual también se puede poner:

Ejemplo Si señal de entrada es de 0,01 V = 10 mV, procedente de un micrófono, y el amplificador entrega una señal de salida de 20 V, el factor de amplificación, ganancia, es:

O sea, en este caso, la señal de salida obtenida es 2000 veces mayor que la de entrada; le entran 0,01 V y salen 20 V.

288


Actividades de evaluación 1. Explica el concepto de amplificación, con algún ejemplo. 2. Indicar al menos tres ejemplos de aparatos de electrónica donde se utilice la amplificación como función fundamental. ¿Conoces alguna aplicación electrónica donde no se utilice la función amplificación? 3. Indica tres características fundamentales de un amplificador. 4. Supongamos que tenemos una guitarra eléctrica que proporciona una señal de salida de 20 mV. Si necesitamos que la señal sea de 1 V (para poder activar debidamente una etapa amplificadora de potencia) ¿de qué valor deberá ser la ganancia de la etapa preamplificadora?

16.3 Los decibelios (dB) El decibelio (dB) es una unidad de medida logarítmica, normalmente utilizada para expresar ganancias o atenuaciones (pérdidas) de señal. Es de suma importancia en equipos de sonido, ecualizadores, instalaciones de antenas, de telefonía, de megafonía, etc.

16.3.1 El sistema auditivo. Sonido En un principio, el dB se “invento” como resultado de las medidas o respuestas halladas sobre el sistema auditivo con las señales de sonido. El oído no responde de forma lineal frente a los estímulos de sonido; conforme aumenta la potencia sonora el oído se va haciendo más resistente, de manera que las sensaciones sonoras que percibimos no son proporcionales al nivel físico de sonido que recibimos. La respuesta del oído frente a los estímulos sonoros es de tipo logarítmica, y el dB es una unidad de variación logarítmica. Se podría decir que, cuanto mayor es la potencia sonora, más “duro se hace el oído” y mayor potencia se necesita para percibir los cambios de sensación sonora. Esto es lo que se indica en el gráfico representa en la figura 16.2. Conforme el nivel sonoro es mayor, se necesita mayor variación de nivel sonoro para percibir las mismas variaciones de sensación sonora. Por encima de un cierto nivel sonoro (unos 80 dBSPL), debido a una contracción de ciertos músculos del oído medio, se produce un efecto de reducción de la ganancia del oído; es una especie de control automático de ganancia. Sensaciones sonoras

La respuesta audiva no es lineal; el aumento de las sensaciones sonoras no es proporcional a los aumentos de la potencia sonora.

Δ sensación

Δ sensación

Figura 16.2. Curva de respuesta del sistema auditivo (oído).

Δ dB

Δ dB

Nivel sonoro (dBSPL)

Debido al tipo de respuesta del sistema auditivo, se hacía necesario por tanto una unidad de medida que estuviera más acorde a nuestra forma de percibir las sensaciones sonoras; según experiencias, se hallo que la respuesta del oído es de tipo logarítmica y, como resultado se dedujo, apareció, el decibelio (dB). Por ello, en prácticamente todos los equipos de sonido las medidas se hacen en base al dB.

289

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores Los mandos de volumen y controles de tono (potenciómetros) son por ello de tipo logarítmico, y en los gráficos de los mandos (volumen, tono, ecualizadores, etc.) aparecen por esta razón las variaciones en dB. Esta unidad de medida se ha convertido en la habitual también en sistemas que no son de sonido, por ejemplo, en las instalaciones de antenas; ejemplo, el nivel de señal en una toma de antena puede ser 85 dBμV.

16.3.2 Los dBSPL: Unidad de medida del sonido El sonómetro El sonómetro es el instrumento normal de medida del sonido. Se basa en un micrófono que capta el sonido, y los correspondiente circuitos electrónicos de amplificación, filtrado y dispositivo de salida. Un ejemplo de modelo se representa en la figura 16.3.

Figura 16.3. El sonómetro es el instrumento de medida del sonido. La unidad de medida es el dBSPL.

La unidad de medida es el dBSPL (SPL = Sound Pressure Level), que viene dada por:

P = Valor instantáneo de presión sonora (pascales). PO = 20 μPa = 20 10-6 Pa (valor de presión sonora umbral de audibilidad). Así, para el valor de presión sonora mínimo audible, P = PO, se obtiene:

Y para una presión de P = 20 Pascales, se obtiene:

Los dB permiten también comprimir la escala de valores. Por ejemplo, en sonido, la escala de valores normal va de 0 dBSPL (nivel sonoro umbral de audibilidad) a 120 dBSPL (nivel sonoro que puede estar en el umbral de dolor), lo cual en valores lineales (en pascales) sería una relación que iría de 0,00002 (20 μPa) a 20 pascales, una relación de 1.000.000.

16.3.3 Ganancia de tensión en dB Para representar la ganancia de tensión en dB, es cuestión de aplicar la fórmula:

Por ejemplo, una amplificación de:

expresada en dB, es:

O sea, una ganancia de 100 dB equivale a una amplificación lineal (de tensión) de 100.000.

290

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores A veces interesa saber la amplificación lineal (AV) o el valor de la señal de salida conociendo los dB, en este caso, se hace así:

Ejemplo 1. Si la ganancia son 40 dB, la amplificación lineal es:

2. Si la ganancia son 100 dB y la señal de entrada es de 100 μV, ¿de qué valor será la tensión de salida?

16.3.4 Ganancia de intensidad De la misma manera que existe ganancia de tensión, también existe ganancia de intensidad. Se puede obtener una intensidad de salida grande partiendo de una intensidad de entrada muy pequeña. Esto es así, por ejemplo, en los transistores (BJT); la pequeña intensidad de aplicada en la base (corriente de entrada) da lugar a una corriente de colector mucho mayor (corriente de salida). En general, la ganancia de intensidad es:

Siendo: IO = Intensidad de salida II = Intensidad de entrada En decibelios es:

16.3.5 Ganancia de potencia La ganancia de potencia aparece como consecuencia de una amplificación de tensión (GV) y de intensidad (GI). Como se sabe, potencia es: En general, la ganancia de potencia es la relación entre la potencia de salida (PO) y la potencia de entrada (PI):

En decibelios, la fórmula es:

En la fórmula de los dB con potencias, en vez de multiplicar por 20 el logaritmo se multiplica por 10. Y como se puede comprobar, la ganancia de potencia también viene dada por el producto de las ganancias de tensión e intensidad:

291


Ejemplo Los valores de las ganancias de tensión, de intensidad y de potencia en el amplificador que se representa en la figura 16.4 son los siguientes: VO = 10 V

VI = 100 mV

II = 100 mA G

Amplificador

IO = 100 mA

Figura 16.4.

Ganancia de tensión

Ganancia de intensidad

Ganancia de potencia Potencia de entrada: Potencia de salida:

Que también se puede hallar así:

Y en dB, resulta:

Actividades de evaluación 1. Dar una explicación del concepto de dB, y explicar algunas de sus aplicaciones. 2. ¿Qué es un sonómetro? 3. ¿Qué representa la fórmula?. Explicar el significado de dBSPL.

292


Actividades de evaluación 4. ¿De qué valor de presión es el umbral de audibilidad (PO)? ¿Y el valor máximo audible, el umbral de dolor? Expresar dichos valores en pascales y en dBSPL. 5. Calcular el valor en dBSPL corresponde a una presión sonora de 20 pascales. ¿Cómo se puede considerar dicho valor; un sonido bajo, alto o demasiado alto? 6. Si un sonómetro indica un valor de 90 dB, ¿cuál es valor de presión sonora (pascales) correspondiente? 7. Hallar el valor de la ganancia en dB de un amplificador, sabiendo que la señal de salida es de 20 V y la señal de entrada de 0,04 V. 8. Si un amplificador tiene una ganancia 40 dB, ¿de qué valor es la amplificación lineal? 9. Si la ganancia del amplificador es de 100 dB y la señal de entrada es de 100 μV, ¿de qué valor será la tensión de salida? 10. Si en un amplificador de potencia medimos en la entrada 200 mV y una corriente de 20 mA, y en la salida (altavoz) medimos una tensión de 20 V y una corriente de 5 A, calcular en dB: a) La ganancia de corriente b) La ganancia de tensión c) La ganancia de potencia

16.4 Características de un amplificador 16.4.1 Sensibilidad La sensibilidad de un amplificador nos da cuenta del nivel de señal necesario que se tiene que aplicar en la entrada para obtener la potencia de salida máxima nominal. Por ejemplo, si un amplificador entrega una potencia de salida máxima de 20 W para una señal de entrada de 100 mV, la sensibilidad del amplificador es 100 mV (0,01 V); porque con este nivel de señal se obtiene el nivel máximo de salida. Si la señal de entrada fuera mayor a dicho valor (100 mV), la señal de salida tendería a recortarse en amplitud conforme la señal de entrada es mayor, hasta un cierto límite. O sea, aplicando una señal de entrada de forma senoidal, si su amplitud es demasiado elevada, puede ser que la señal de salida se deforme y parezca más bien una onda cuadrada. Cuando esto ocurre, aparece lo que se llama distorsión; el sonido cambia, si es música, se hace desagradable. Este tipo de distorsión es la más conocida, se llama distorsión armónica, y aparece cuando, por ejemplo, se aplica una fuente de señal demasiado alta (por ejemplo, la señal de un MP3 con volumen al máximo en la entrada phono de un amplificador). También se puede experimentar este tipo de distorsión poniendo a tope el volumen de un equipo de música; la distorsión aparecería debido a los altavoces, porque la fuente de alimentación no proporciona la suficiente potencia al amplificador, alinealidades en los circuitos de entrada, etc. Un valor normal de sensibilidad en amplificadores de sonido está entre unos 0,1 V a 1 V. Así, por ejemplo, si un amplificador de guitarra eléctrica tiene una potencia nominal 100 W y su sensibilidad es 100 mV, quiere decir que aplicando en su entrada una señal de 100 mV (onda senoidal de f = 1000 Hz) la potencia de salida es 100 W. Con una señal de entrada menor a 100 mV se obtendría una potencia máxima menor a los 100 W, y con una señal de entrada mayor a 100 mV no aumentaría la potencia de salida y aparecería distorsión.

16.4.2 Impedancias de entrada y de salida En todos los amplificadores tenemos una estructura general que se representa en la figura 16.5, donde aparecen los conceptos de impedancia de entrada (ZI), impedancia de salida (ZO) y amplificación de tensión (AV).

293


Impedancia de entrada

Impedancia de salida Señal de salida VL = VO – IOZO

ZO

ZI Señal de entrada

Figura 16.5. Estructura que representa las tres características básicas de un amplificador.

VO

RL VO = V I A V

16.4.2.1 Impedancia de salida La impedancia de salida equivale a la resistencia interna que aparece en todos los generadores de señal; se puede representar por la relación entre la variación de amplitud de la señal de salida y la variación de la corriente de salida:

Por ello, cuanto más baja sea la impedancia de salida, menor se verá afectada la tensión de salida cuando varíe la corriente de salida. Es el mismo concepto que la resistencia interna en los generadores de tensión. La impedancia de salida se puede ver como la resistividad interna de salida que presenta el amplificador, la cual queda en serie con la carga (por ejemplo, un altavoz). La impedancia de salida conviene pues que sea muy baja, para que no produzca perdida de señal de salida: Si la corriente de salida es cero (o muy baja) no se producirá caída de tensión en la salida y tendremos: VRL = VO = AV VI. Pero cuanto mayor sea la corriente de salida, mayor será la caída de tensión en la impedancia de salida; por ello, en los amplificadores (de tensión) conviene que la impedancia de salida sea todo lo baja posible (ZO ⇒ 0 Ω).

16.4.2.2 Impedancia de entrada La impedancia de entrada es la resistividad que se encuentra la señal de entrada, debido a características internas del amplificador. En general es:

Como se deduce, cuanto más alta sea la ZI más baja será la corriente de entrada y menos se verá afectada la señal de entrada por la impedancia de entrada. Hay que tener en cuenta, que la señal de salida proviene de algún tipo de generador, que también tendrá su impedancia de salida (un micrófono, la señal de una antena, la señal de un instrumento generador de funciones, etc.). Esto es así en los amplificadores de tensión. Se puede dar el caso de un amplificador de corriente; en este caso interesaría que la impedancia de entrada sea baja. Idealmente, un amplificador debería tener una amplificación enorme (AV ⇒ ∞), una impedancia de entrada enorme (ZI → ∞), lo cual daría lugar a una corriente de entrada nula, una impedancia de salida de ZO = 0 Ω, un ancho de banda infinito, y no generaría ningún tipo de ruido ni distorsión. En la práctica esto no es así, pero sus valores se pueden conseguir muy buenos, en especial en los amplificadores denominados de instrumentación.

294


Ejemplo Supongamos el amplificador representado en la figura 16.6.

ΔIO = 0,5 A

II = 2 μA

RL

Amplificador

G VI = 100 mV (f = 1000 Hz)

ΔVO = 2 V Figura 16.6.

Si aplicando una señal de entrada de 100 mV la corriente de entrada es de 100 μA, la impedancia de entrada será:

Y si se mide una variación en la tensión de salida de 2 V para una variación de la corriente de salida de 0.5 A, la impedancia de salida será:

16.4.3 Ancho de banda Ancho de banda, en general, se refiere a un cierto conjunto de frecuencias, que se encuentra entre dos frecuencias límites (– 3 dB). Por ejemplo, en audio frecuencias (sonido), el ancho de banda estándar va de 20 Hz a 20.000 Hz. La frecuencia mínima límite es 20 Hz, y la frecuencia máxima límite es 20.000 Hz; en ambas frecuencias, la atenuación máxima de la señal es – 3 dB con respecto a una frecuencia central de referencia. Un gráfico de este tipo se representa en la figura 16.7. dB 0 -3 Ancho de banda (Estándar en sonido)

20

20.000

f(Hz)

Figura 16.7.

Un amplificador tendría este ancho de banda si, dentro de ese grupo de frecuencias, la señal de salida no se atenúa más de 3 dB. Una respuesta plana sería la ideal, pero no es así; normalmente siempre existen variaciones dentro del ancho de banda (que no deben ser mayores de 3 dB). 295

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores En todo ancho de banda, siempre hay una frecuencia mínima límite en la cual la señal se atenúa 3 dB, cuya atenuación va en aumento conforme la frecuencia se va haciendo más baja. De la misma manera, también hay una frecuencia límite máxima en la cual la señal se atenúa 3 dB, y la atenuación es mayor conforme la frecuencia aumenta. En la figura 16.8 se representa una curva de respuesta frecuencial general, con un ancho de banda limitado por el conjunto de frecuencias entre f1 y f2. El nivel de señal dentro del ancho de banda, idealmente debería ser constante (respuesta plana); pero en la práctica pueden existir ciertas variaciones en la amplitud de señal (que no tienen que llegar a los 3 dB). dB

Respuesta real

Respuesta ideal

0 -3 Ancho de banda Figura 16.8. Curva de respuesta, ancho de banda, de tipo general.

f1

f2

f(Hz)

16.4.4 Distorsión Cuando se amplifica una señal, idealmente, la señal de salida (amplificada) tiene que conservar las mismas características de la señal de entrada, en cuanto a frecuencia y forma de onda; todo cambio en la señal de salida, es distorsión. La distorsión se manifiesta como sonidos desagradables, y es originada por componentes de señal de salida que no forman parte de la señal de entrada. Así, el que la señal de salida no tenga exactamente la misma forma de onda que la señal de entrada (se diría que está deformada) hace que aparezcan una serie de señales (armónicos) que son los que hacen que el sonido sea diferente; hay distorsión. El espectro armónico de la señal de salida no sería igual al espectro armónico de la señal de entrada (la original). En todo proceso de amplificación siempre se introduce algo de distorsión, que hay que procurar minimizar al máximo.

16.4.4.1 Distorsión armónica (THD) La distorsión armónica es la más conocida, se representa por THD (Total Harmonic Distorsion). Se basa en la más o menos deformación de la forma de onda de la señal de salida con respecto a la señal de entrada, lo cual da lugar a que aparezcan señales con frecuencias no presentes en la señal de entrada. La distorsión armónica se expresa en porcentaje y viene dada por la fórmula:

Es una relación (porcentual) entre una suma de todos los armónicos que aparecen en la señal de salida con respecto a la seña pura (componente fundamental, A1). Las componentes frecuenciales creadas por el sistema de amplificación, son lo que se conoce por armónicos (frecuencias que son múltiplo de la señal fundamental, A1). Así, tenemos que las amplitudes de los armónicos son: A2, A3, A4, … En los amplificadores de sonido de cierta calidad se consiguen valores de THD < 0,1 %. Pero también se pueden encontrar amplificadores con valores de 1 %. Es importante saber que la distorsión aumenta conforme aumenta la potencia de salida, por ello en los equipos de sonido suele darse el valor de la potencia de salida y también el valor de distorsión.

296

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores Ejemplo: Esto significa que el amplificador entrega una potencia de 50 W, a un altavoz de Z = 4 Ω, con una distorsión de THD = 0,2 % y la frecuencia de prueba es de f = 1 kHz (senoidal). Si la potencia de salida aumentara a 100 W, entonces podría ser que la distorsión fuera de THD = 0,4 %.

Actividades de evaluación 1. Explicar los conceptos de impedancia de entrada y de salida. ¿Cómo convienen que sean dichos valores en un amplificador de tensión? 2. Si en un amplificador se aplica una señal de entrada de 200 mV y se mide una corriente de entrada de 40 μA, calcular el valor de la impedancia de entrada. 3. Calcular el valor de impedancia de salida, sabiendo que logrando una variación en la tensión de salida de 2 V la variación de la corriente de salida es de 0,5 A. 4. Representar el gráfico de ancho de banda estándar en sonido, con sus valores típicos, y explicar (frecuencias límites, el significado de – 3dB, etc.). 5. ¿Qué es distorsión armónica? Explicar sus efectos en la práctica y por qué puede aparecer. ¿Cómo se representa, de qué valor suele ser?

16.5 Circuitos amplificadores básicos Los amplificadores se realizan en base a los transistores, aunque es normal utilizar los circuitos integrados; pero los circuitos integrados internamente también están basados en los transistores. Existen unos circuitos de amplificación fundamentales que se deben estudiar. El más representativo y básico es la etapa amplificadora en emisor común (EC). También está la etapa amplificadora en base común (BC) y colector común (CC), cada uno de estos circuitos amplificadores posee características particulares que los hace apropiados para según qué aplicaciones. Por ejemplo, la etapa en emisor común es la de aplicación más general, y la más conocida, puede proporcionar una señal de salida con mucha amplificación, y amplifica tensión y corriente. En cambio la etapa en colector común proporciona sólo amplificación de corriente (VO = VI), pero tiene muy alta impedancia de entrada y muy baja impedancia de salida, lo cual lo hace muy interesante en ciertas aplicaciones. Y la etapa en base común, sólo amplifica tensión y tiene baja impedancia de entrada. Con estos circuitos básicos se puede obtener una alta amplificación, pero de baja potencia (el producto de salida P = V × I es bajo); son circuitos denominados de baja señal. Para obtener ciertas potencias de salida, se realizan circuitos más complejos, pero que también necesitan etapas amplificadoras básicas como la de emisor común.

16.5.1 Etapa amplificadora en emisor común (EC) En la figura 16.9 se muestra el circuito práctico de una etapa amplificadora en emisor común. Se basa en el transistor BC 547. La denominación de emisor común es porque, a efectos prácticos de la señal, el emisor del transistor es como si estuviera conectado a masa (0 V), y entonces el emisor es común en la entrada y en la salida. Es importante saber que en la etapa amplificadora emisor común, la señal entra por la base y sale por el colector. Y esto no es siempre así en una etapa amplificadora a transistor. En las otras dos configuraciones, base común y colector común, es diferente. En base común, la señal entra por el emisor y sale por el colector; y la base es el terminal común, por eso se llama así. Y en la configuración colector común, la señal entra por la base y sale por emisor. En la figura 16.10 se muestran estos montajes. 297


+ 12 V

R1 100 k

RC 5k1 C2

C1 BC547

Señal de entrada (VEnt)

Señal de salida (VSal)

R2 10 k

RE 510 Ω 0V Figura 16.9. Circuito de una etapa amplificadora en emisor común (EC).

+ VCC

+ VCC

Base común se co mún

Colector común Co lector co mún

R1

RC Salida EEntrada ntrada Salida

ntrada Entrada

R2

RE

0 V (masa) (masa) Figura 16.10. Circuitos de las configuraciones base común y colector común.

0 V (masa) (masa)

La configuración en emisor común es fundamental en amplificación, es de aplicación general. Permite obtener una señal de salida con una amplitud mucho mayor que la entrada. Suele ser un circuito de entrada (donde se aplica la señal de entrada), con el cual se realiza la primera amplificación de la señal. En todo amplificador completo, por ejemplo, el de un equipo de música, existen internamente al menos tres partes: • Circuito de preamplificación (etapas de entrada) • Circuitos de filtro, controles de tono (ecualización) • Etapa de potencia (salida a los altavoces) Y, obviamente, además está la fuente de alimentación, que debe proporcionar el voltaje adecuado y con la suficiente corriente para que se obtenga la potencia de salida nominal; o sea, la fuente de alimentación determina la potencia máxima de salida del amplificador. La etapa amplificadora en emisor común es típica en los circuitos de entrada del amplificador; o sea, forma parte de lo que se llama preamplificación (etapas previas). En la figura 16.11 se muestra su aplicación; en este ejemplo, la señal de entrada procede de una guitarra eléctrica.

298


+V

Etapa potencia

Figura 16.11. El circuito en emisor común suele ser un circuito de entrada (preamplificación).

16.5.1.2 Ganancia (amplificación) En el circuito amplificador en emisor común, el valor de la ganancia (o factor de amplificación) viene dado aproximadamente por la relación entre el valor de la resistencia de colector y la resistencia de emisor:

Así, en el circuito de la figura 16.9, la ganancia es:

O sea, amplifica 10 veces la señal de entrada. Y esto en dB, es: La etapa en emisor común, se caracteriza también porque la señal de salida aparece invertida respecto a la señal de entrada; produce un desfase de 180°. Esto se representa en la figura 16.12; cuando la señal de entrada se encuentra en el pico negativo, la señal de salida se encuentra en el pico positivo.

Señal de salida

Figura 16.12. Cuando en el circuito emisor común la señal de salida aparece desfasada 180º respecto a la señal de entrada se produce una inversión de fase.

Señal de entrada

16.5.1.3 El condensador de emisor En el circuito emisor común es muy normal encontrarse un condensador en paralelo con la resistencia de emisor (RE); en este caso, la ganancia de señal aumenta de una forma muy notable, aunque de la misma manera otras características empeoran (distorsión, impedancias de entrada y salida, etc.). En la figura 16.13 se muestra el circuito amplificador anterior (fig. 16.9) con el condensador de emisor.

299


+ 12 V

RC 5k1

R1 100 k

VEnt

C2

VS

C1 BC547

Figura 16.13. Poniendo un condensador (CE) en paralelo con la resistencia de emisor (RE), la ganancia aumenta notablemente.

R2 10 k CE

RE 510 Ω

En este caso, la fórmula de la ganancia queda modificada, ya que ahora la resistencia total que se encuentra el emisor a masa es la impedancia determinada por la capacidad del condensador CE, la resistencia RE y la resistencia interna dinámica de emisor. La resistencia interna dinámica de emisor, de forma resumida, viene dada aproximadamente por:

Esta es la resistencia que se encontraría el emisor hacia masa si no se pusiera la resistencia RE; en este caso, la ganancia vendría dada por:

Ejemplo Si la corriente de emisor es IE = 0,92 mA, el valor de dicha resistencia interna es:

Ahora el valor de la ganancia, en vez de 10, sería:

El aumento de la ganancia es muy notable; ha pasado de 10 (sin condensador) a 180. Pues esto es lo que puede pasar cuando se pone un condensador en paralelo con la resistencia de emisor, si la capacidad del condensador es lo suficiente elevada; si la reactancia del condensador es muy baja en comparación con la resistencia de emisor, la resistencia RE es como si no estuviera de cara a la señal. Pero la resistencia RE debe estar porque ejerce su función de cara a la tensión continua (polarización). Normalmente, se considera que la reactancia del condensador (a la frecuencia más baja del ancho de banda que se vaya a amplificar) sea menor al 10 % del valor de la resistencia de emisor. O sea:

300


Ejemplo Si la frecuencia más baja del ancho de banda que se tiene que amplificar es 50 Hz, y la resistencia de emisor es de 510 Ω, entonces la capacidad del condensador debería ser de:

Un condensador de esta capacidad, a la frecuencia de 50 Hz tendría una reactancia de 51 Ω, que es 10 veces menor al valor de la resistencia de emisor (RE = 510 Ω). A frecuencias más altas, su reactancia aun sería más baja.

16.5.1.4 Impedancia de entrada La impedancia de entrada total de este circuito, de cara a la señal de entrada, depende del circuito resistivo (R1 y R2) de polarización, de la resistencia interna de entrada del transistor, de la resistencia de emisor (RE), y de la capacidad del condensador de entrada. Su valor resultante característico es del orden de ZI = 50 kΩ; la señal de entrada se puede encontrar pues un valor de impedancia de ese orden. 16.5.1.4.1 Resistencia interna de entrada del transistor Este concepto ya ha sido introducido anteriormente para hallar la ganancia cuando se pone condensador en paralelo con la resistencia de emisor. Es un factor muy importante de cara a la impedancia que se encuentra la señal de entrada; es la resistencia interna del transistor para pequeñas señales (se puede ver como una resistencia dinámica entre base–emisor). Su valor viene dado (para una temperatura de 25 °C) por:

Que también puede encontrarse así:

Ejemplo Si la corriente de emisor es IE = 0,92 mA, la resistencia de entrada es:

Esta sencilla fórmula se obtiene haciendo operaciones, arreglos y simplificaciones para T = 25 °C, con la fórmula deducida por Shockley (uno de los descubridores del transistor):

Si no se pone resistencia de emisor RE (emisor a masa), la impedancia de entrada del transistor de cara a la señal de entrada es: Y si se pone resistencia de emisor:

301


Ejemplo Suponiendo una β = 290 de un transistor BC 547 (que es un valor medido con el transistómetro de un tester), una corriente de emisor de IE = 1 mA y una resistencia de emisor de 510 Ω, la impedancia de entrada es:

Así, en resumen, en un circuito como el que se vio de la figura 16.9, la impedancia total de entrada de cara a la señal, desde la base a masa, es el valor resultante del montaje paralelo de las resistencias R1, R2 y la impedancia de entrada del transistor ZEnt (teniendo en cuenta la resistencia del emisor). Como el paralelo de R1 y R2 es:

Y tenemos que: ZEnt = 155.440 Ω, el valor de la impedancia de entrada total del circuito de la figura 16.9 es:

Se puede resumir todo esto a la fórmula:

La impedancia de entrada es el valor resultante del montaje paralelo de la resistencia interna de entrada del transistor con el paralelo de las resistencias R1 y R2. No se tiene en cuenta la capacidad del condensador de entrada (C1), cuyo valor se suele tomar para que su reactancia (XC) sea menor al 10 % de la ZEnt.

16.5.1.5 Impedancia de salida La impedancia de salida de cara a la señal viene dada fundamentalmente por el valor de la resistencia de colector (RC); su valor depende pues del valor de dicha resistencia. En el caso del circuito que se vio en la figura 16.9, la impedancia de salida es de unos 5 kΩ porque la resistencia de colector es RC = 5k1 Ω. Así, un valor característico de la impedancia de salida de la etapa en emisor común es del orden de 5 kΩ, aunque puede tomar otros valores según el valor de la resistencia de colector y también la impedancia de la carga (ZL); su valor característico puede estar entre unos 470 Ω a 10 kΩ.

16.5.1.6 Condensadores de acoplo de señal (entrada-salida) Los condensadores C1 y C2 de circuito de la figura 16.14 (etapa en emisor común), son para el acoplo de la señal. Hay que tener en cuenta que en la base y en el colector hay tensiones fijas para la polarización del transistor.

302


Figura 16.14. En la entrada y salida se encuentran unas tensiones fijas debido a la polarización; los condensadores de acoplo permiten aislar dichas tensiones de la señal.

Así, si conectáramos directamente por ejemplo un micrófono a la entrada (base del transistor) éste se vería afectado por la tensión continua en la base (1,075 V). Asimismo, en la salida (colector) nos encontraríamos con la señal amplificada pero también con la tensión continua de polarización (7,309 V). Pues para aislar de la señal dichas tensiones de polarización se utilizan unos condensadores, que se llaman condensadores de acoplo. El condensador permite conectar la señal de entrada o disponer la señal de salida sin que se encuentren las tensiones fija de la polarización. En la figura 16.15 se muestra la pantalla de osciloscopio (de Multisim), donde se observa cómo las señales de entrada y salida no tienen componente continua (el valor medio es 0 V). La señal de entrada es de 100 mVP f = 1000 Hz, y la señal de salida es de casi 1 VP (la ganancia del circuito es de aproximadamente 10).

Señal de entrada (100 mVP)

Figura 16.15. Señales de entrada y salida; su valor medio es 0 V (no tienen componente continua) gracias a los condensadores de acoplo.

Entrada

Señal de salida (≈ 1 VP)

Salida

16.5.1.6.1 Cálculo de los condensadores de acoplo Condensador de entrada La capacidad del condensador de entrada se toma para que su reactancia sea igual 303

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores o menor a un 10 % de la resistencia total de entrada, a la frecuencia más baja del ancho de banda que se vaya a amplificar:

Ejemplo Suponiendo una impedancia de entrada de ZEnt = 10 kΩ y la frecuencia más baja del ancho de banda f = 50 HZ, la capacidad del condensador de acoplo de entrada debería ser de:

Que se puede tomar del valor normalizado de 3,3 μF.

Condensador de salida En el caso del condensador de acoplo de salida, todo es similar. El valor del condensador se toma para que su reactancia a la frecuencia más baja sea un 10 % de la resistencia que se encuentre en la salida (la carga, RL), que podría perfectamente la impedancia de entrada de otra etapa amplificadora:

Ejemplo Si la señal de salida de la etapa amplificadora se conecta, por ejemplo, a la entrada de otra etapa amplificadora cuya impedancia de entrada es 47 kΩ (lo cual se comporta como resistencia de carga, RL) y la frecuencia más baja es f = 50 Hz, la capacidad del condensador de salida debería ser:

Que se puede tomar del valor normalizado de 680 nF.

Actividades de evaluación 1. Calcular el valor de la resistencia interna de emisor (re) de un transistor BC 547, sabiendo que la corriente de emisor es IE = 0,98 mA. 2. Explicar la función de los condensadores de acoplo de entrada y salida en los circuitos amplificadores (fig. 16.13). 3. Suponiendo que en una etapa emisor común la impedancia de entrada es de ZEnt = 10 kΩ y la frecuencia más baja que se tiene que amplificar es de f = 100 HZ, calcular la capacidad del condensador de acoplo de entrada (CEnt). 4. Dar una explicación diferencial entre lo que son las tensiones y corrientes de polarización del circuito y el concepto de señal. 5. En base al circuito de la figura 16.9, suponiendo que la beta del transistor sea de β = 310, si la corriente de emisor es de IE = 1 mA y la resistencia de emisor es de 470 Ω, calcular el valor de la impedancia de entrada (ZEnt). 6. En base al circuito amplificador de la figura 16.14, calcular: a) La ganancia en dB

304


Actividades de evaluación b) La impedancia de entrada (ZIN) c) La corriente de colector d) La tensión en la resistencia de emisor (R4) 7. Según la información que se observa en la pantalla de osciloscopio representada en la figura 16.15, hallar los valores eficaces (rms) de las señales, su frecuencia y la amplificación del circuito (fig. 16.14). ¿Existe desfase entre las señales de entrada y salida? ¿Por qué? Explicar. 8. Explicar la función que realiza el condensador en paralelo con la resistencia de emisor. Si en el circuito de la figura 16.14 se pone un condensador en paralelo con la resistencia de emisor (R4), ¿cómo afectaría esto en la ganancia del circuito? ¿De qué valor (aproximado) debería ser la capacidad de dicho condensador (si la frecuencia más baja a amplificar es de 100 Hz)?

16.6 Amplificación multietapa Normalmente para conseguir una cierta amplificación se necesitan varias etapas de amplificación. Por ejemplo, en un equipo de música, siempre hace falta una amplificación previa de la señal de entrada (señal de radio, CD, etc.), esto se llama preamplificación, y después una etapa de salida (también llamada etapa de potencia) que activa el altavoz. En total, se obtiene una cierta potencia de salida, que se encargará de transformar en sonido el altavoz. Un ejemplo se muestra en la figura 16.16; son tres etapas amplificadoras, de diferentes ganancias.

V2 = 0,5 V

VS = 0,01 V

V1 = 0,05 V Z =4 Ω

VE = 0,01 V IS = 5 A

Figura 16.16. Tres etapas amplificadoras en cascada.

16.6.1 Etapa de salida (potencia) La última etapa, la que activa el altavoz, sería la de potencia. Esta etapa, tiene que amplificar la tensión y la corriente de su señal de entrada (V2); o sea, realiza una amplificación de potencia, para que el altavoz reciba la energía necesaria para emitir energía sonora. En este caso, la etapa de salida recibe una señal de entrada de 0,5 V y entrega al altavoz una tensión de 20 V con una corriente de 5 A; esto significa una potencia de salida de: La potencia de salida también se puede hallar de otras maneras:

305


16.6.2 Etapas preamplificadoras Los 0,5 V de señal de entrada de la etapa de potencia se consiguen mediante dos etapas amplificadoras previas, partiendo de una señal de entrada de VE = 0,01 V = 10 mV. La primera etapa recibe la señal de entrada de 0,01 V y proporciona una señal de salida de V1 = 0,05 V, por lo cual su ganancia es:

La segunda etapa:

Y la etapa de salida (potencia):

La ganancia total del amplificador (las tres etapas) es: Que también se puede hallar así:

Y la ganancia total en dB es: Que también se puede hallar de esta otra manera:

16.6.3 Circuito práctico de doble etapa amplificadora Un circuito práctico de dos etapas amplificadoras conectadas en cascada se muestra en la figura 16.17; la señal amplificada de la primera etapa se aplica a la entrada de la siguiente etapa. Cada etapa amplificadora tiene una ganancia de aproximadamente de 10 (en la práctica, según medidas, resulta más baja). La ganancia (lineal) total de las dos etapas es el producto de las dos ganancias, como se deduce:

En dB, la ganancia total es la suma de las ganancias de cada etapa: Esto es por la propiedad de los logaritmos; los productos se transforman en sumas. Así se ha visto anteriormente en el amplificador de tres etapas (16.15). Si la ganancia de cada etapa es 10, tenemos: Ganancia total (lineal)

La señal de salida (VS2) será 100 veces mayor que la señal de entrada. Ganancia total en dB Como la ganancia en dB de cada etapa es:

La ganancia total es:

306

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores El condensador C2 es el de acoplo de la señal de salida de la primera etapa a la siguiente etapa. Este condensador resulta imprescindible, ya que en el colector del transistor Q1 se encuentra una tensión continua de unos 6 V, y de forma superpuesta está la señal amplificada; el condensador acopla la señal de salida de Q1 a la base del transistor Q2 aislando la componente continua; o sea, la base de Q2 sólo recibe la señal de Q1.

Figura 16.17. Circuito de dos etapas amplificadoras.

Podemos experimentar este circuito, preamplificador de dos etapas, muy fácilmente mediante el programa Multisim. En la figura 16.18 se muestra la conexión del generador de señal y osciloscopio. El generador se ha ajustado apara una señal senoidal de f = 1kHz y una amplitud de 100 mV.

Figura 16.18. Experimentación del circuito amplificador con señal.

Las señales que se obtienen a través del osciloscopio se representan en la figura 16.19. Como se observa, en este caso no existe desfase de la señal de salida con respecto a la señal de entrada; la señal de salida está en fase con la señal de entrada. Esto es debido a que, como cada etapa produce un desfase de 180°, el desfase total es 360°, que equivale 0°. 307


Figura 16.19. Señales de entrada y salida de circuito amplificador; como se observa, no existe desfase entre las señales de entrada y salida.

Actividades de evaluación 1. En un equipo amplificador completo, explicar la función que realizan las etapas preamplificadoras y la etapa de potencia. Representar la estructura de un amplificador completo, la interconexión de las etapas hasta llegar al altavoz. 2. Si en el amplificador se sabe que la señal de entrada (por ejemplo, de un micrófono) es de 100 mV y la señal de salida de la etapa de potencia (la que recibe el altavoz) es de 30 V, calcular: a) La ganancia total en dB del amplificador. b) Si la impedancia del altavoz es de Z = 4 Ω, calcular la potencia que recibirá el altavoz. c) De qué valor será la corriente de salida de la etapa de potencia. d) Si la etapa de potencia necesita una señal de entrada de 300 mV para proporcionar el valor máximo de potencia de salida, y la señal de entrada al amplificador (del micrófono) es de 100 mV, hallar el valor de la ganancia necesaria del circuito preamplificador. 3. Si en un circuito preamplificador de tres etapas en cascada, las ganancias de cada etapa son G1 = 20, G2 = 10, G3 = 5; hallar el valor de ganancia total en dB. En este circuito, ¿existirá desfase entre la señal de entrada y la de salida? Razonar. 4. Explicar por qué en el circuito de la figura 16.18 no existe desfase entre la señal de salida y la señal de entrada, según se observa en la pantalla de osciloscopio representada en la figura 16.19.

16.7 Polarización básica de una etapa

amplificadora (EC). Análisis práctico

El circuito de la figura 16.20 es la expresión mínima de una etapa amplificadora en emisor común. Para que resulte adecuado para la amplificación de señales analógicas, se necesita que el transistor esté polarizado en la zona activa, para que opere de forma lineal. Para conseguiré esto, se parte de la base de que la tensión entre colector y emisor sea lo más aproximado a la mitad de la tensión de alimentación (VCC).

308


IC = IB β

RC = 2k7 VCC = 10 V IB 5,1 V RB = 1 MΩ BC 547A IE = IB + IC

Figura 16.20. Circuito elemental de polarización en emisor común.

Así, en este circuito, puesto que VCC = 10 V, se debería conseguir que:

De esta manera, la amplitud máxima de la señal de salida podría variar entre unos valores próximos a 0 V y VCC = 10 V; o sea, se podría obtener una onda senoidal de salida de unos 10 VPP. Si se supera un cierto nivel de señal de entrada, se empieza a producir saturación; como la señal de salida no podría aumentar más de 10 VPP, aparecería recorte en los picos de la señal de salida y esto daría lugar a distorsión armónica. Si el circuito está bien polarizado, centrado en VCE = 0,5 VCC, el recorte sería igual tanto en los picos positivos como negativos; de lo contrario, puede aparecer mayor corte de señal en un pico que en el otro. El cálculo básico de este circuito es:

Y las medidas efectuadas en laboratorio han dado los siguientes valores: Valores muy aproximados a los calculados.

16.7.1 Recta de carga En la figura 16.21 se muestra un gráfico que se conoce por recta de carga. Representa de forma gráfica la situación del punto de reposo de la polarización; los valores de IC y VCE para una cierta corriente de base. Y de aquí se puede deducir el margen de variación de IC y VCE. Al aplicar una señal de entrada, se modifica el valor de corriente de base y en consecuencia también de colector; pero, en cualquier caso, los valores máximos de IC deben estar por debajo de los límites IC = 0 y IC(máx.), para evitar que la señal de salida quede recortada y aparezca distorsión.

309


IC

I B = 9 μA

IC = 1,7 mA

Figura 16.21. Gráfico conocido por recta de carga; representa el estado de polarización del circuito.

VCC = 10 V VCE = 5,1 V

VCE(máx.)

VCE

Actividades prácticas Análisis práctico del circuito siguiente (figura 16.22): + VCC = 10 V RC 2k7 100 KΩ

RC 22 k

IC

BC 547A IB

Ajuste corriente de base Figura 16.22.

Proceso operativo: En primer lugar, hallar, medir, el valor de β del transistor. Ajustar para que VCE = 5 V y medir la corriente de colector (IC) y la corriente de base (IB). La β será:

Calcular: 1. El valor máximo de corriente de colector que se podría dar 2. Los valores mínimo y máximo de VCE 3. Los valores de corriente de base que harían que VCE = 1 V y VCE = 9 V Montaje y medidas: Montar el circuito y hacer las medidas de IC y VCE para el valor de corriente de base IB que haga que VCE = 0,5 VCC, y también para los valores de IB calculados que hace que: VCE = 1 V y VCE = 9 V. Representar la recta de carga con los valores hallados. Razonar todos los resultados.

310


16.8 Experimentación de los estados lineal, corte y saturación

Por medio de un circuito muy simple (figura 16.23) se pueden estudiar y experimentar los estados lineal, corte y saturación del transistor. • El estado de polarización lineal es el que tiene que tener un circuito para amplificar señales analógicas de audio (voz, música). • El estado de corte y saturación se da en los circuitos que operan en conmutación (por ejemplo, para activar relés, LEDs, circuitos digitales, etc.). El montaje que nos permite experimentar todo esto se muestra en la figura 16.23. Es un circuito muy simple. Se basa en el ajuste de la corriente de base por medio de un potenciómetro; según el valor de la corriente de base, el punto de polarización puede ser para operar de forma lineal, o bien se puede poner el circuito en estado de corte o saturación. El diodo LED es para visualizar el estado del circuito; sólo se apagará cuando el transistor este en corte.

VCC = 12 V

RC = 470Ω 100 KΩ

RB = 12 KΩ BC 547A

Figura 16.23. Circuito para experimentar los diferentes estados de polarización.

Ajuste polarización

16.8.1 Ajuste en zona lineal El ajuste para que el circuito opere en la zona lineal, como debe ser para amplificar, por ejemplo, señales tipo música, se consigue ajustando el potenciómetro de manera que la tensión entre colector y emisor (VCE) sea aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación (VCC). En la figura 16.24 se representa dicho estado; se ha conseguido para una corriente de base de 0,046 mA, lo cual da lugar a una corriente de colector de 9,65 mA y una tensión de colector de 5,8 V. Se ha experimentado mediante el programa Multisim.

Figura 16.24. Circuito ajustado para que opere de forma lineal.

311

Unidad 16 · Introducción a los amplificadores. Circuitos prácticos con transistores Mediante cálculo, considerando 2 V para el LED, la corriente de colector es:

Y el valor de la ganancia (β) que s deduce es:

Los valores máximos de IC y VCE que se pueden dar son: Corriente de colector máxima (para VCE = 0 V)

O sea, para IC = 0,021 A, considerando VLED = 2 V, la tensión VCE es casi 0 V: Tensión en la resistencia de colector (RC) Tensión entre colector emisor (VCE) La tensión colector-emisor máxima, como se deduce; se dará para IC = 0; y se aproximará al valor de la tensión de alimentación (VCC) La recta de carga del circuito, la representación gráfica de su estado de polarización, se muestra en la figura 16.25. Las variaciones que se pueden dar en la corriente de colector y tensión VCE (debido a la señal de entrada) son muy simétricas respecto al punto de reposo, como debe ser en una polarización lineal. IC

I B = 46 μ

A

IC = 9,6 mA

Figura 16.25. Gráfico recta de carga del circuito en operación lineal.

VCE = 5,8 V

VCC = 12 V

VCE

16.8.2 Ajuste para estado de saturación El ajuste para que el circuito se encuentre en estado de saturación se consigue haciendo que la corriente de base sea de un valor tal que la tensión colector emisor sea VCE ≈ 0 V; a partir de un cierto valor de corriente de base, aunque se aumente dicha corriente, la corriente de colector ya no aumenta y la tensión VCE tampoco disminuye más. Este es el estado de saturación. Los valores obtenidos son los que se muestran en el circuito de la figura 16.26.

312


Figura 16.26. Circuito ajustado para estado de saturación.

16.8.3 Ajuste para estado de corte El ajuste para conseguir el estado de corte se consigue para una corriente de base igual a cero (IB = 0); esto hace que IC = 0 y también que VCE ≈ VCC. En la figura 16.27 se muestra el circuito con los valores hallados. Obviamente, el LED se encontrará apagado (aunque circulará una muy débil corriente debido al voltímetro).

Figura 16.27. Circuito ajustado para estado de corte.

Actividades finales 1. Explicar con ejemplos, algunas aplicaciones donde se necesite que los circuitos tengan que operar de forma lineal y aplicaciones donde tengan que operar en conmutación. 2. Dibujar un esquema como el presentado en la figura 16.20, pero con una alimentación de VCC = 15 V. • Calcular: el valor de la resistencia de base (RB) para que el transistor opere de forma lineal. La ganancia del transistor es β = 200 y la resistencia de colector RC = 2k2. • Dibujar el gráfico recta de carga, con los valores hallados.

313


Actividades finales • Realizar el montaje y verificar los resultados. Experimentar también mediante el programa Multisim, y comparar resultados. 3. Mediante Multisim, experimentar los estados de corte, saturación y polarización lineal en base al circuito de la figura 16.24. Anotar los resultados obtenidos, y representarlos de forma gráfica (recta de carga). 4. Calcular y experimentar mediante el programa Multisim, el circuito preamplificador de tres etapas que se muestra en la figura 16.28. Proceso: • Según los valores de los componentes, hallar la ganancia de cada etapa y la ganancia total del circuito; expresar los resultados en dB. • Ajustar el generador de señal para una onda senoidal de frecuencia f = 1 kHz y amplitud 10 mVPP. • Mediante el osciloscopio, medir la ganancia de cada etapa y la ganancia total de las tres etapas. Comparar los resultados medidos con los calculados, y razonar las posibles diferencias. • Hacer las medidas de ganancia ahora con una frecuencia de f = 20 kHz, y anotar las posibles diferencias; razonar los resultados.

Figura 16.28.

314

Unidad 17

Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555

Objetivos: Introducirse en el imprescindible tema de los circuitos integrados, sus conceptos básicos y aplicaciones. Para ello nos basaremos en un circuito integrado muy popular y versátil; el 555. Este es un circuito integrado muy barato que permite diversas aplicaciones sencillas, que se basan en la generación de señales. Sus aplicaciones básicas son como temporizador y generador de ondas.

En este capítulo: 17.1 17.2 17.3 17.4

Introducción a los circuitos integrados. El circuito integrado 555: Generador de señales. Circuito práctico generador de señales (clock) con el 555. Circuito práctico generador de ondas asimétricas.

17.5

17.6 17.7

El 555 como monoestable. Temporizador. Circuito práctico temporizador. Sirena electrónica basada en el CI 555.

Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555

Recuerda • • • El decibelio (dB) es una unidad de medida logarítmica, normalmente utilizada para expresar ganancias o atenuaciones de señal. Con potencias (W): dB = 10 log W2/W1 Con tensiones (V): dB = 20 log V2/V1

17.1 Introducción a los circuitos integrados Cuando en un mismo proceso de fabricación se construyen los componentes debidamente interconectados para formar circuitos completos para realizar una cierta función, aparece lo que se denominan: circuitos integrados (CI), también conocidos por chips. Así, existen circuitos integrados que pueden ser amplificadores de sonido, fuentes de tensión reguladas, circuitos específicos de radio y TV, memorias RAM, microprocesadores, etc. El circuito integrado se construye en base a un soporte de material semiconductor (llamado sustrato), donde se forman todos los componentes a la vez (en el mismo proceso de fabricación) de un determinado circuito completo (figura 17.1). Las dimensiones del sustrato, el chip, son de entre unos 2 mm2 (CI de baja escala de integración) y unos pocos cm2 (en CI de muy alta escala de integración). Externamente sus dimensiones son mucho mayores porque tienen que resultar manejables y estar protegidos; de ahí que, por ejemplo, un microprocesador puede tener unas dimensiones de unos 4x4 cm y en cambio el chip sólo es de alrededor de 1 cm. Los primeros trabajos sobre circuitos integrados fueron obra de J. Kilby (Texas instruments) y R. Noyce (Fairchild) que, alrededor de 1959, diseñaron lo que se dio a conocer por circuito integrado. El primer modelo comercial lo saco Fairchild en 1961; un circuito biestable, compuesto por 4 transistores y 4 resistencias.

Chip: Base de silicio donde pueden haber miles de componentes electrónicos (en unos pocos mm2) interconectados, formando un circuito completo (por ejemplo, un amplificador).

Figura 17.1. Representación de un tipo de circuito integrado (CI) de los más populares (DIL 14, tiene 14 patillas).

1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

En la actualidad pueden integrarse hasta decenas de millones de componentes en una superficie de unos pocos centímetros, es el caso, por ejemplo, de los microprocesadores (CPU de ordenadores Pentium IV, AMD Athlon, Intel Core duo…). Otros circuitos integrados muy utilizados son los amplificadores de sonido, circuitos de radio y TV, memorias RAM, microcontroladores PIC, etc. En la figura 17.2 se muestra el aspecto real de un circuito integrado de los más populares (DIL 14), con visión de su estructura interna. Se puede decir que la electrónica moderna está basada en los chips, que son consecuencia de los incesantes avances que se producen en la tecnología de los semiconductores, lo que ha dado lugar a una espectacular miniaturización de los componentes. Tiene que quedar claro, que el soporte de la electrónica moderna son los materiales semiconductores (en especial, el silicio). Y todo ello ha sido posible gracias a las investigaciones que llevaron a cabo, alrededor de 1948 (en los laboratorios Bell de Estados unidos) los científicos Bardeen, Brattain y Shockley, que les llevó al descubrimiento del transistor; el componente fundamental de la electrónica.

316


Chip

Figura 17.2. Aspecto real de un circuito integrado de 14 patillas (DIL 14) y una visión de su estructura interna.

Como ejemplo de la complejidad y tipo de componentes que normalmente se integran para formar los circuitos, en la figura 17.3 se muestra el esquema interno del circuito integrado 556, que contiene dos temporizadores 555 (un CI que se explicará a continuación). Como se puede observar, en el esquema sólo aparecen transistores, diodos y resistencias; los tres tipos de componentes que normalmente prefieren integrar los fabricantes (por cuestiones de tecnología), ya que son los que ocupan menos espacio, los que mejor se integran.

Figura 17.3. Circuito interno del circuito integrado 556.

Actividades propuestas 1. Explicar qué se entiende por CI. Poner algunos ejemplos de modelos de aplicación comerciales. 2. Dibujar un formato de CI tipo DIL y representar el chip con su conexionado a las patillas externas. 3. ¿Qué es el sustrato? ¿Con qué material base se realiza? ¿De qué orden pueden ser sus medidas? 4. Observar el esquema interno del CI 556 (fig. 17.3). ¿Por qué en el circuito hay mayormente componentes semiconductores? (No hay condensadores, ni bobinas…)

17.2 El circuito integrado 555: Generador de señales

El 555 es un circuito integrado muy popular, dada su versatilidad como generador de señales. Mediante unos pocos componentes externos, permite eficaces aplica317

Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 ciones, básicamente, como generador de impulsos (clock) y como monoestable (temporizador). Puede funcionar con una tensión de alimentación entre unos 4,5 y 18 V y tiene una alta cargabilidad de salida (puede proporcionar una corriente de salida de 200 mA).

17.2.1 Estructura interna funcional En la figura 17.4 se representa su estructura interna y del patillaje del CI en su versión más popular (DIL de 8 patillas). Se basa en dos comparadores de tensión, un biestable, un transistor y la etapa de salida. Un divisor resistivo, compuesto por las tres resistencias R (de 5 KΩ), produce dos tensiones de referencia: V1 = 1/3 VCC y V2 = 2/3 VCC. Estas tensiones constituyen las tensiones de comparación de los comparadores. Los dos comparadores controlan el estado del biestable SR y en consecuencia el estado de la salida (patilla 3).

17.2.2 Funciones básicas de sus patillas Las funciones básicas que se deben conocer para saber diseñar o comprender aplicaciones con el 555 son, de una forma resumida: Tensión umbral (patilla 6): Cuando la tensión umbral (patilla 6) supera 2/3 de la tensión de alimentación (VCC), las patillas 3 (salida) y 7 (descarga) se ponen a 0 V (masa).

Tensión de disparo (patilla 2): Cuando la tensión en la patilla 2 desciende por debajo de 1/3 de VCC, la salida (patilla 3) se pone a nivel alto (≅ VCC) y se bloquea el transistor de descarga (la patilla 7 se pone en estado de alta impedancia, colector abierto).

Reset (patilla 4): Cuando se activa el reset (la patilla 4 se poner a 0 V), la salida (patilla 3) pasa a nivel bajo (0 V) y se satura el transistor de descarga (patilla 7 queda a masa):

Tensión de control (patilla 5): Esta entrada permite modificar los niveles de tensión de referencia, aplicando una tensión externa. Tiene utilidad para hacer modulaciones, controles de frecuencia por tensión. Cuando no se utiliza, esta entrada se desacopla a masa por medio de un condensador típicamente de 100 nF.

318

GND

1

8

+ VCC

Disparo

2

7

Descarga

Salida

3

6

Umbral

Reset

4

5

Control

555


+ VCC

8

R Umbral Control

6 5

R Disparo

Comparador 2

V2

2

Buffer

R Biestable

Comparador 1

S

V1

Q

3 Salida

Q

CL

R Descarga

7

Transistor de descarga

Figura 17.4. Estructura interna y patillaje del 555.

1

4

GND

Reset

Para el montaje de sus dos aplicaciones básicas (generador de señales y temporizador) sólo se necesitan conectar dos resistencias y dos condensadores en las patillas correspondientes, como se verá más adelante. Además de sus dos aplicaciones básicas, se pueden realizar muchas otras; pero todas se basan en su configuración básica; son variantes de los montajes básicos, con añadidos de otros circuitos. Su aspecto real es según se muestra en la foto de la figura 17.5; es un CI de 8 patillas, y también existe en versión doble (dos circuitos) en un formato de CI de 14 patillas (se llama 556).

Figura 17.5. Aspecto real de un circuito integrado 555.

La información del fabricante es como se representa en la figura 17.6, que se corresponde con la representación que se ha puesto en la figura 17.4. GND

Figura 17.6. Estructura de patillaje del 555 (como lo representa el fabricante).

VCC

TRIGGER

DISCHARGE

OUTPUT

THRESHOLD

RESET

CONTROL VOLTAGE

Actividades propuestas 1. ¿Qué funciones básicas realiza el CI 555? ¿Con qué tensión de alimentación puede funcionar, y qué corriente de salida puede entregar? 2. ¿En qué circuitos fundamentales se basa el circuito interno del CI 555? Explicar y representar la estructura interna. 3. Explicar las funciones de las patillas disparo (trigger), umbral (Threshold) y Reset.

319


17.3 Montaje como generador de señales (clock) del 555

+ VCC

RA

CI 555

8

RB 6

Salida

5

3

Q R Biestable 2

S

CL

Q

7

100 nF

C 1

4

+ VCC Figura 17.7. Montaje del 555 como generador de señales de clock.

Según el conexionado exterior de las patillas, se obtienen diferentes aplicaciones. En la figura 17.7 se muestra la configuración conocida como astable; que es un generador de señales, ondas tipo cuadrada, que puede ser de diferentes frecuencias y ciclo de trabajo (según los valores de unas resistencias y un condensador). La señal generada tiene utilidad como clock en circuitos digitales, señal de sonido, impulsos indicadores de estado, etc.

17.3.1 Diagrama de ondas + VCC Salida (Palla 3) 0

2/3 VCC (tensión umbral)

Tensión en el condensador (Pallas 2 y 6)

1/3 VCC (tensión disparo)

0

td

tc T Figura 17.7. Montaje del 555 como generador de señales de clock.

320

Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 En la figura 17.8 se representa el diagrama de ondas que ilustra el funcionamiento de esta configuración de circuito. La carga del condensador (C) es través de las resistencias RA + RB y su descarga sólo a través de la resistencia RB (que se hace a masa a través del transistor interno), por lo cual las constantes de tiempo de carga y descarga, en principio, son diferentes; la onda generada es asimétrica (el nivel bajo dura menos tiempo que el nivel alto). Obviamente, en el condensador se encuentra una señal en diente de sierra, como consecuencia de su carga-descarga.

17.3.2 Funcionamiento del circuito El funcionamiento básico del circuito se deduce del diagrama de ondas. Cuando la tensión en el condensador (C) llega a 2/3 VCC, se activa la señal umbral (patilla 6) y esto hace que la salida (patilla 3) pasa a nivel bajo (0 V); en ese instante, se satura el transistor y el condensador inicia su descarga (a través de RB). Cuando la tensión en el condensador, en su descarga, llega a 1/3 VCC, se activa la señal de disparo (patilla 2); entonces, la salida cambia a nivel alto (VCC), el transistor pasa a estado de corte y el condensador vuelve a cargarse. Este proceso se va repitiendo periódicamente, y los tiempos de carga-descarga dependen de los valores de RA, RB y C. Se puede obtener una onda de salida casi simétrica haciendo RB muy grande respecto a RA, por ejemplo, si RB ≈ 100 RA. De esta manera, los tiempos de carga-descarga no dependen casi de RA. El tiempo del nivel alto de la señal de salida (t1), que corresponde con el de carga del condensador, desde 1/3 hasta 2/3 de VCC, viene dado por:

Y el tiempo del nivel bajo de la señal de salida (t0), que corresponde al de descarga del condensador desde 2/3 de VCC a 1/3 de VCC, es: Se deduce así que la fórmula de la frecuencia es:

A continuación se explican algunos ejemplos de aplicaciones prácticas de las configuraciones básicas del 555, con los cálculos prácticos mínimos necesarios.

17.4 Circuito práctico generador de ondas asimétricas

Dados los valores del circuito de la figura 17.9, calcular la frecuencia de la señal de salida. Puesto que los valores son todos conocidos, tenemos: Cálculo de los tiempos de nivel bajo (t0) y nivel alto (t1) de la onda de salida:

Al ser los tiempos de nivel alto y nivel bajo diferentes, la señal generada es asimétrica, y su frecuencia será:

321


+ VCC

t1 10 k

RA

4

t0

3

555

RB

5

6 2

Figura 17.9. Circuito práctico del 555 como generador de ondas asimétricas.

0

8

7

10 k

+ VCC

1

100 nF

C 10 nF

17.4.1 Generador de ondas simétricas de f ≅ 1 Hz Dados los valores RA = 1 k, RB = 100 k, calcular el valor del condensador (C) para que la frecuencia sea de 1Hz. A partir de la fórmula de la frecuencia, se deduce el valor del condensador:

Que se pondría del valor normalizado de 6,8 μF. En este caso, al ser el valor de RB (100 k) mucho mayor que el de RA (1 k), la onda generada es prácticamente simétrica; o sea, los tiempos de nivel alto (t1) y nivel bajo (t2) son iguales:

El circuito práctico resultante se muestra en la figura 17.10. + 12 V

1k 1 2 3 4

8

555

7 6

100 k

5

f = 1Hz Salida

100 nF Figura 17.10. Circuito práctico del 555 como generador de ondas simétricas de frecuencia 1 Hz.

322

6,8 μF 16 V 0V

Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 Se puede hacer una variación en el montaje y poner dos diodos LED, de manera que cuando uno se encienda el otro se apague; una especie de intermitente con una secuencia de, aproximadamente, 1 segundo. El montaje se muestra en la figura 17.11. + 12 V

1k 1

8

2

7

3

555

LED 1

6

4

560 Ω

100 k

5

f = 1Hz 560 Ω 100 nF Figura 17.11. Circuito práctico del 555 como señalizador intermitente.

6,8 μF 16 V

LED 2

0V

Actividades de evaluación 1. Explicar algunas aplicaciones del montaje en modo astable, generador de señales (clock) del 555. 2. Dibujar el esquema básico de conexionado para que el 555 funcione en modo estable. 3. Indicar la expresión de la potencia eléctrica, y su unidad de medida. 4. Explicar el diagrama de ondas representado en la figura 17.8. 5. Hallar el valor del condensador C para que la frecuencia generada sea de 1000 Hz. 6. En el circuito de la figura 17.11, calcular el valor de corriente a través de los LED. Calcular el valor del condensador para que la frecuencia de la onda de salida sea de 5 Hz.

Actividades prácticas Realizar el montaje del circuito generador de señales (astable) de la figura 17.11, y hacer las medidas de: • Corriente en los diodos LED. • Con osciloscopio, medir los niveles de señal de salida (patilla 3) y la frecuencia.

17.5 Montaje del CI 555 como

monoestable. Temporizador

La aplicación característica y más popular del circuito integrado 555 es como monoestable, un circuito temporizador. El montaje se basa en la configuración general que se representa en la figura 17.12. La salida está normalmente en estado bajo (0 V), estado estable. Y cuando se aplica un impulso de nivel bajo a la patilla 2 (se pone a 0 V), la salida cambia de estado y se pone a nivel alto (+ VCC); y permanece en dicho estado sólo un determinado tiempo, después vuelve a nivel bajo. El tiempo que la salida permanece en estado alto depende del valor de una resistencia (R) y de un condensador (C). 323


17.5.1 Funcionamiento del circuito Su funcionamiento da lugar al diagrama de ondas representado en la figura 17.13. Inicialmente, en reposo (estado estable), el condensador (C) se encuentra descargado y la salida (patilla 3) está a nivel bajo (0 V). + VCC

8

R 6 5 Impulso de entrada

3

R

Q Bi-

2

S

Q

CL

Impulso de Salida

100 nF 7

C 1

Figura 17.12. Montaje del 555 como monoestable.

4

+ VCC

Al aplicar un impulso de nivel bajo a la entrada de disparo (patilla 2), la salida (patilla 3) pasa a nivel alto (VCC) y el transistor pasa al estado de corte. En dicho estado (temporal), el condensador (C) se puede cargar a través de la resistencia R y cuando su tensión llega a los 2/3 VCC se activa la entrada umbral (patilla 6); entonces, la salida (patilla 3) pase a nivel bajo (0 V), a la vez se satura el transistor y el condensador se descarga; o sea, vuelve al estado estable y permanece así hasta que no se active otra vez la patilla 2 (impulso de disparo). VCC Impulso de disparo 1/3 VCC 2/3 VCC Tensión en el condensador

0V ≈ VCC

Impulso de salida Figura 17.13. Evolución de señales en el tiempo durante la producción del impulso de salida.

0V

El tiempo que la salida permanece en el estado temporal (nivel alto), es el tiempo que tarda el condensador en cargarse hasta 2/3 de VCC:

324


Por ejemplo, para un tiempo de t = 10 segundos, si C = 100 μF, la resistencia deberá ser de:

17.6 Circuito práctico temporizador En la figura 17.14 se muestra un circuito práctico temporizador basado en el 555. Se obtiene un retardo de unos 10 segundos, visualizado por medio de un LED. El impulso de entrada se aplica activando el pulsador start, lo cual inicia la temporización; al pulsarlo, se encenderá el LED durante el tiempo de temporización, unos 10 segundos. En cualquier instante, al activar el pulsador reset se fuerza la salida a nivel bajo y el circuito queda en condiciones iniciales. VCC = 12 V

R

10 K

100 K

Reset

T ≅ 10 s

7

10 K

8

4

3 6

555

2

Start

470 Ω

5

1

100 nF

C 100 μF

Figura 17.14. Circuito temporizador de 10 segundos.

Podemos poner unos LED indicadores de estado y un relé, de manera que se podría activar algún dispositivo (ventilador, luz, sirena, etc.). El circuito sería de la manera que se muestra en la figura 17.15. + 12 V

10 k

10 k 100 k 1 2 3 4

330 Ω

8

555

7 6

Verde

5

T ≅ 12 s Reset

Relé 12 V

330 Ω Start

100 nF

Figura 17.15. Temporizador de 10 segundos.

100 μF 16 V Rojo

0V

325

Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 El diagrama de tiempos del funcionamiento sería como se representa en la figura 17.16. Al activar el pulsador de start, se aplica un pequeño impulso a la patilla 2 (se pone a 0 V), y esto hace que la salida (patilla 3) se active (pase a nivel alto, + 12 V) durante unos 10 segundos. +V Start (pin 2) 0V

+V

Salida (pin 3)

0V T = 10 s

Figura 17.16.

Actividades de evaluación 1. Explicar algunas aplicaciones del montaje monoestable (temporizador) del 555. 2. Dibujar el esquema básico de conexionado para que el 555 funcione como temporizador (monoestable). 3. Explicar el diagrama de ondas de funcionamiento representado en la figura 17.13. 4. Hallar el valor del condensador C del circuito de la figura 17.14 para que el impulso de salida sea de 5 segundos.

Actividades prácticas Realizar el montaje temporizador de la figura 17.15 y verificar su funcionamiento. Medir la corriente que consume la bobina del relé. • Modificar los valores para conseguir una temporización 5 y 30 segundos. • ¿Qué componente se podría cambiar por un potenciómetro para poder así ajustar diferentes valores de tiempos de temporización?

17.7 Sirena electrónica basada en el CI 555 Basándonos en el circuito generador de ondas (astable) con el CI 555, se puede realizar un circuito sencillo muy eficaz y útil que genera un sonido de sirena. Se pueden generar dos efectos de sirena; una rápido (fast) y otro lento (low). La potencia del sonido puede ser muy elevada, depende de la etapa amplificadora que se utilice y el altavoz. Para estas aplicaciones ya se existen altavoces especiales. Este es un circuito de prácticas realizado normalmente en los CF, y con mucho interés por los alumnos.

17.7.1 Estructura de bloques del circuito El circuito se basa en dos CI 555 y un amplificador que activa al altavoz (fig. 17.17). Los dos 555 funcionan como generadores de señal, modo astable. Uno de ellos es el generador de tono de sonido, cuya frecuencia se ajusta para que sea de máxima audibilidad. El otro 555 genera una frecuencia muy baja, entre unos 0,5 Hz a 5 Hz; esta es la señal moduladora, (que se aplica a la patilla 5 del otro 555).

326


Modulador de frecuencia

Generador de tono

CI 555

CI 555 Amplificador Señal moduladora

Fast/Low Ajuste de tono Figura 17.17. Estructura de bloques de la sirena electrónica.

Así, el funcionamiento general se basa en un generador de tono audible cuya frecuencia va variando en función de la señal moduladora. Se consigue así el efecto conocido de sirena.

17.7.2 Circuito práctico de la sirena El circuito completo práctico se muestra en la figura 17.18.

+ 12 V

4k7 1 2 3

RA

8 7

555

6

4

2k2

RB

5

Fast Low 100 nF

470 μF 16 V

47 μF 16 V

0V

2k2 1 2 3

Z=8Ω

RA

8

555

4

7

BUZ71

6

50k

5

Tono

BUZ71

2k2

D G Volumen

S

Señal moduladora

C 100 nF

50k

22k Figura 17.18. Circuito práctico de la sirena electrónica.

327


17.7.3 Circuito modulador y generador de tono audible Como se puede ver, el circuito modulador está en configuración astable, y su frecuencia puede cambiarse con un conmutador; en una posición, el condensador conectado a la patilla 6 es de 47 μF (efecto fast) y en la otra posición se conecta en paralelo otro condensador de 470 μF (efecto low). Las frecuencias (aproximadas) que genera el circuito modulador, según la posición del conmutador, son: Efecto rápido (fast)

El sonido cambiará de tono (frecuencia) con una secuencia de unas 3 veces por segundo. Efecto lento (low)

Al ser la frecuencia moduladora muy baja, el efecto de cambio de tonalidad (frecuencia) del sonido se producirá muy lento. Variando los valores de las resistencias o del condensador, se puede cambiar el efecto lento-rápido según nos guste más. La salida del circuito modulador se toma de la patilla 2, en la cual se genera una señal tipo diente de sierra, debido a la carga-descarga del condensador. Esta es la señal moduladora, que se aplica a la patilla 5 del otro circuito, el generador de tono audible. De esta manera, la frecuencia del generador de tono va cambiando al ritmo de la señal moduladora, produciéndose así el efecto de aumento y disminución de frecuencia que da lugar al efecto de sirena. El tono del sonido se puede ajustar mediante un potenciómetro; debe ajustarse un sonido de máxima sensibilidad auditiva, para el sonido se perciba al máximo, sea más molesto al oído. La frecuencia base del sonido, según los valores del circuito es: Ajuste para el tono más grave (frecuencia mínima) El potenciómetro debe estar a su valor máximo (50 kΩ), al cual se tiene que sumar la resistencia de 4k7 que está serie; esto forma el valor de RB. La frecuencia generada es:

Ajuste para el tono más agudo (frecuencia máxima) Potenciómetro al mínimo (0 Ω):

Como es obvio, variando los valores de RA, RB y C podemos ajustar la tonalidad según nos interese más, aunque los valores que se proponen son bastante adecuados.

17.7.4 Amplificador con transistor MOSFET La amplificación de la señal de salida del 555, para obtener potencia sonora, se consigue utilizando un transistor MOSFET canal N BUZ71 (de fácil adquisición), al cual se le aplica (patilla G) la señal de salida (patilla 3) del 555. Mediante un potenciómetro se puede ajustar el nivel de potencia sonora (volumen); se puede así controlar el nivel de señal que se aplica al transistor MOSFET y en consecuencia la corriente a través del altavoz. El altavoz puede ser uno cualquiera, pero lo indicado son unos especiales para esta aplicación, que tienen un cono de material plástico.

328

Unidad 17 · Introducción a los circuitos integrados (CI). Generador de señales 555 La potencia total sonora máxima que se puede conseguir dependerá fundamentalmente del tipo de altavoz y la intensidad que pueda proporcionar la fuente de alimentación.

Actividades finales 1. Explicar el funcionamiento del esquema de bloques de la sirena electrónica (figura 17.17). 2. Calcular el circuito modulador para que la frecuencia de la señal moduladora vaya de 0,5 a 10 Hz. Los valores de los condensadores dejarlos igual. 3. Modificar los valores para que la frecuencia del generador de tono pueda llegar a 3.000 Hz (frecuencia de máxima audibilidad auditiva). 4. Con el volumen al máximo, sabiendo que la impedancia del altavoz es de Z = 8 Ω y que la tensión de alimentación es de 12 V, calcular la corriente máxima que circulará por el altavoz y la potencia máxima recibida. 5. Hacer el montaje del circuito completo de la sirena (fig. 17.18) y experimentar con los valores calculados. 6. Observar y analizar con osciloscopio: a) Las ondas de carga-descarga del condensador (patilla 2) del 555. b) La onda de salida (patilla 3) aplicada al transistor MOSFET. c) Medir la corriente máxima que circulará por el altavoz y el consumo total del circuito.

329

Unidad 18

Circuitos integrados Amplificadores operacionales

Objetivos: Ampliar el tema de los circuitos integrados, en este caso basándonos en los denominados amplificadores operacionales; CI de bajo precio y que permiten muy diversas aplicaciones. Primeramente se hace una introducción a las características de los amplificadores operaciones, y después se explica su utilización práctica, con varios montajes de aplicación práctica.


Introducción. Características básicas de los CI amplificadores operacionales.

18.3

El circuito integrado amplificador operacional μA 741.

18.4 18.5

18.6

Consideraciones prácticas de aplicación general. Circuitos prácticos con amplificadores operacionales.

Amplificador de potencia de sonido.

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales

18.1 Introducción Los amplificadores operacionales son circuitos integrados amplificadores que permiten realizar diversos tipos de circuitos (amplificadores de audio, filtros, generadores de ondas, etc.) de una forma sencilla y barata. Es por ello que desde que se dieron a conocer de forma comercial, muchos circuitos realizados típicamente con transistores ahora se realizan con amplificadores operacionales, de una forma más sencilla y con mejores características. El nombre de amplificador operacional viene de la época antigua del principio de los ordenadores, donde existían circuitos que realizaban operaciones matemáticas mediante circuitos electrónicos, realizados con válvulas y después con transistores. Aun ahora, con los amplificadores operacionales se pueden realizar de forma sencilla circuitos que hacen operaciones de suma, resta, media aritmética, etc., incluso que hacen operaciones logarítmicas e integraciones con señales analógicas. Por ejemplo, un circuito sumador, que podría dar lugar a un mezclador de señales (en sonido, una mesa de mezclas) se puede realizar fácilmente con unos pocos amplificadores operacionales. El primer amplificador operacional apareció en el mercado en 1964, un producto del fabricante Fairchild; fue el μA 702, y al año siguiente sacó el μA 709. Estos amplificadores operacionales fueron el precursor del todavía popular μA 741, fabricado por la mayoría de fabricantes de circuitos integrados (Texas instruments, Philips components, Motorola, etc.). La simbología y aspecto de un amplificador operacional se muestra en la figura 18.1. Se representa el circuito integrado amplificador operacional comercial más popular; el μA 741. Su versión típica es en DIL 8, un circuito de 8 patillas (de aspecto igual al también popular CI 555). Es un circuito amplificador con dos entradas porque es de tipo diferencial; amplifica la diferencia de tensión entre las dos entradas.

+V

VI

+

Amplificador operacional

VO −V

μA 741

Figura 18.1. Simbología y aspecto práctico de un amplificador operacional.

El μA 741 es de muy bajo precio y permite realizar de forma fácil muchos circuitos prácticos, por eso es muy utilizado especialmente en la enseñanza. Cuando interesan mejores características se utilizan otros circuitos que, aunque básicamente son igual, sus características técnicas son más refinadas, por lo cual se denominan amplificadores de instrumentación. Una aplicación muy representativa de estos circuitos es para la amplificación y acondicionamiento de señal de sensores. Un ejemplo de amplificador operacional de instrumentación es el AD522, del fabricante Analog Devices. Pero hay que saber que estos operacionales son bastante más caros que el popular μA 741.

331


18.2 Características básicas de los CI amplificadores operacionales

El concepto de amplificador significa obtener una señal de salida de mayor magnitud correspondiente a una señal denominada de entrada. Por ejemplo, la señal de salida de un amplificador de megafonía (que es la que recibe el altavoz) es mucho mayor que la señal de entrada (que es la que entrega el micrófono). En el caso de un amplificador de antena, la señal de salida es mayor que la señal de entrada (la que recibe de la antena). En todo amplificador debemos tener en cuenta al menos las siguientes características fundamentales: • Ganancia • Impedancia de entrada • Impedancia de salida • Ancho de banda Las características de impedancias de entrada-salida y ganancia quedan representadas según una estructura representada en la figura 18.2. En los CI amplificadores operacionales, los fabricantes proporcionan abundante información técnica, aunque en la práctica sólo nos suelen interesar unos pocos datos, aunque depende también del tipo de aplicación que se le vaya a dar. Impedancia de salida

Impedancia de entrada

Señal de salida

ZO

ZI Señal de entrada Figura 18.2. Estructura que representa las tres características básicas de un amplificador.

VO

RL

VO = VI AV

18.2.1 Ganancia El efecto de amplificación, la ganancia (también se puede representar por GV) se puede ver como un generador que proporciona la señal de salida (VO), que es la señal de entrada amplificada (fig. 18.2). Y, como se sabe:

En decibelios, es:

18.2.2 Impedancia de salida La impedancia de salida equivale a la resistencia interna que aparece en todos los generadores de señal; se puede representar por la relación entre la variación de amplitud de la señal de salida y la variación de la corriente de salida:

332


Ejemplo Si la impedancia de salida es ZO = 5 Ω, una variación en la corriente de salida de 0,1A daría lugar a que la tensión de salida variara 0,5 V: Y la tensión de salida debe ser estable frente a las variaciones de la corriente de salida. Por ello, cuanto más baja sea la impedancia de salida, menor se verá afectada la tensión de salida cuando varíe la corriente de salida. Es el mismo concepto que la resistencia interna en los generadores de tensión. La impedancia de salida se puede ver como la resistividad interna de salida que presenta el amplificador, la cual queda en serie con la carga (por ejemplo, un altavoz). La impedancia de salida conviene pues que sea muy baja, para que no produzca perdida de señal de salida: Si la corriente de salida es cero (o muy baja) no se producirá caída de tensión en la salida, y tendremos: VRL = VO = AV VI. Pero cuanto mayor sea la corriente de salida, mayor será la caída de tensión en la impedancia de salida; por ello, en los amplificadores (de tensión) conviene que la impedancia de salida sea todo lo baja posible (ZO ⇒ 0 Ω).

18.2.3 Impedancia de entrada La impedancia de entrada es la resistividad que se encuentra la señal de entrada, debido a características internas del amplificador.

Como se deduce, cuanta más alta sea la ZI más baja será la corriente de entrada y menos se verá afectada la señal de entrada por la impedancia de entrada. Hay que tener en cuenta, que la señal de salida proviene de algún tipo de generador, que también tendrá su impedancia de salida (un micrófono, la señal de una antena, la señal de un instrumento generador de funciones, etc.). Esto es así en los amplificadores de tensión, que es el caso de los amplificadores operacionales. Se puede dar el caso de un amplificador de corriente; en este caso interesaría que la impedancia de entrada sea baja. Pues en los amplificadores operacionales estas características fundamentales se consideran muy próximas a las ideales; en la práctica, son muy buenas. Idealmente, un amplificador tendría una amplificación enorme (AV ⇒ ∞), una impedancia de entrada enorme (ZI → ∞), lo cual daría lugar a una corriente de entrada nula, una impedancia de salida de ZO = 0 Ω, un ancho de banda infinito, un tiempo de respuesta nulo y no generaría ningún tipo de ruido ni distorsión. En la práctica esto no es así, pero sus valores son muy buenos, en especial en los amplificadores denominados de instrumentación. Por ejemplo, en un μA 741 la ganancia puede ser de 100.000, la impedancia de entrada de 2 MΩ, la impedancia de salida de menos de 100 Ω y el ancho de banda de 1 MHz. Estos datos pueden variar mucho según el modelo. Además, en el montaje de aplicación, todos estos datos se pueden ver afectados y variar mucho, según el tipo de aplicación. Por ejemplo, sería normal realizar un circuito amplificador con AV = 20, ZI = 100 kΩ, ZO = 1 Ω y un ancho de banda de 100 kHz.

18.2.4 Ancho de banda Ancho de banda, como se debe saber, es el conjunto de frecuencias que se amplifica sin que la señal de salida disminuya más de 3 dB (figura 18.3). En los amplificadores

333

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales operacionales, el ancho de banda puede ser muy bueno, pero disminuye según la ganancia del montaje; cuanto más ganancia, menor ancho de banda.

dB

Respuesta real

Respuesta ideal

0 -3 Ancho de banda Figura 18.3. Curva de respuesta de frecuencia de tipo general.

f1

f2

f(Hz )

Actividades propuestas ¿Cuál es el ancho de banda que se considera estándar en sonido? ¿Qué significa el valor 3 dB que se pone en el gráfico de respuesta de frecuencia?

18.2.5 Los amplificadores operacionales son amplificadores diferenciales Los circuitos integrados amplificadores operaciones tienen dos entradas de señal, y es porque son amplificadores diferenciales. Esto quiere decir que amplifican la diferencia de tensión entre las dos entradas (fig. 18.4). La entrada V+ recibe el nombre de entrada inversora, y la entrada V– entrada no inversora. A veces, también se representan por V2 (entrada no inversora) y V1 (entrada inversora).

V2

+ VO = AV (V2 − V1 )

Figura 18.4. Simbología de un amplificador operacional.

V1 La señal de entrada diferencial es: VI = V2 – V1 Por ello, la señal de salida se puede expresar por: Esto proporciona una característica de cierta inmunidad a las señales de entrada en modo común, como puede ser las señales de ruido eléctrico.

Ejemplo Si las tensiones en las entradas son, respecto a masa, V2 = 2 V y V1 = 1,985 V, la tensión diferencial de entrada es: Y si la ganancia es 1000, la tensión de salida sería:

334


18.2.6 Alimentación simétrica Otra de las características típicas de los amplificadores operacionales es que se alimentan con una tensión simétrica, por eso tiene dos entradas de alimentación; + V y – V. Con respecto a masa (0 V), en una entrada se aplica una tensión positiva (+ V) y en la otra una tensión negativa (– V). Un valor típico de alimentación es + 12 V y – 12 V. Esto permite que la señal de salida pueda variar entre un valor negativo y positivo, con respecto al cero, como se representa en la figura 18.5. Cuando interesa alimentarlos con una sola polaridad de alimentación se tienen que realizar ciertas modificaciones en el circuito de aplicación para obtener resultados satisfactorios (depende del montaje de aplicación). También existen algunos modelos de CI diseñados para funcionar con alimentación simple (una sola polaridad). + 12 V

V2

+

VO +VO

V1 − 12 V Figura 18.5. Los amplificadores operacionales se alimentan con dos tensiones (alimentación simétrica).

0V

−VO Masa (0 V)

18.2.7 Entrada no inversora El nombre de entrada no inversora (V+) es debido a que la polaridad de la señal en esta entrada (con respecto a la otra entrada) se obtiene en la salida con la misma polaridad; no se produce efecto de inversión. Esto se representa en la figura 18.6. Se aplica una señal de entrada de 0,01 V en la entrada no inversora, lo cual proporciona una señal de salida de 10 V porque la ganancia es de 1000.

AV = 1000 +12 V

Tensión posiva V+ = 0,01 V

+

V− = 0 V −12 V

VO = 0,01 × 1000 = +10 V Tensión posiva

+12 V

Tensión negava −0,01 V Figura 18.6. Las tensiones aplicadas en la entrada no inversora, aparecen en la salida con la misma polaridad que la tensión de entrada (pero amplificadas).

0V

V+

+

V− −12 V

VO = 0,01 × 1000 = −10 V Tensión negava

335

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales Cuando la señal de entrada es positiva, la salida es positiva; y cuando la polaridad de entrada es negativa, la salida también es negativa. La señal de salida siempre aparece con la misma polaridad que la señal de entrada; no se produce inversión de fase.

18.2.8 Entrada inversora En cambio, la polaridad de la señal aplicada en la entrada inversora (con respecto a la otra entrada) se manifiesta en la salida con polaridad contraria; se produce un efecto de inversión de fase, de ahí su nombre de entrada inversora. En la figura 18.7 se representa esto. La señal de salida aparece amplificada, pero con polaridad contraria a la señal de entrada. Obsérvese que siempre se toma como referencia la masa (0 V), y la otra entrada se conecta a masa.

AV = 1000 +12 V

0V

+ Tensión posiva 0,01 V −12 V

VO = 0,01 × 1000 = −10 V Tensión negava

+12 V

0V

+

Tensión negava −0,01 V Figura 18.7. Las tensiones aplicadas en la entrada inversora aparecen en la salida amplificadas pero con polaridad contraria (inversión de fase)

−12 V

VO = 0,01 × 1000 = +10 V Tensión posiva

18.2.9 Curva de respuesta saturación-saturación Un valor típico de ganancia es 100 dB, esto se conoce por ganancia en lazo abierto; es la ganancia del operacional sin componentes adicionales, sin aplicación de señal de salida a la entrada inversora (esto se llama realimentación, feedback).

Ejemplo Si interesa una señal de salida de VO = 10 V, puesto que AV(dB) = 100 dB, la señal de entrada (VI) que se deduce deberá aplicarse es:

336

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales La tensión de alimentación debe ser siempre mayor que el valor máximo de tensión de salida que interese (unos 2 V más); así, para una VO = 10 V, la alimentación normal puede ser 12 V. En la figura 18.8 se muestra un gráfico que representa el margen de variación de la señal de salida, hasta llegar a la saturación, con el montaje que aparece (la señal de entrada se aplica a la entrada no inversora). AV = 105

+V

+12 V

Tensión posiva

+VI

+VO

+ VO

100k

−12 V

10 V

Saturación

−VI

−100μV

100μV

Saturación

−10 V

AV = 105

+V

−VI

−VO

+12 V

Tensión negava

Figura 18.8. Curva de respuesta de saturación a saturación.

+VI

+

−VO

100k

Zona lineal

−12 V

Variando la tensión de entrada entre – 100 μV y + 100 μV, la tensión de salida varía de forma lineal entre – 10 V y + 10 V. Si se aumentara la tensión de entrada por encima de los 100 μV la salida dejaría de aumentar, se entraría en la zona de saturación; la señal de entrada aumenta pero la tensión de salida no aumenta. Para que la salida aumentara más, se debería aplicar una tensión de alimentación mayor de los 12 V; hay que tener en cuenta que la tensión máxima de salida siempre resulta más baja que la tensión de alimentación. Por ejemplo, si la alimentación se hace con 15 V, la señal de salida podría aumentar hasta unos 13 V (fig. 18.9). +15 V

AV = 105 VI = 0,00013 V

+

VO = 0,00013 × 105 = 13 V

100 k Figura 18.9. La tensión de salida máxima siempre es algo menor que la tensión de alimentación.

−15 V

Actividades de evaluación 1. Dibujar el símbolo de un amplificador operacional e indicar un modelo comercial popular de CI operacional. 2. Resumir el concepto y características de un CI amplificador operacional. 3. Buscar en Internet la documentación técnica del 741 y hacer un resumen de sus características básicas.

337


Actividades de evaluación 4. ¿Por qué los operacionales son amplificadores diferenciales? Explicar. 5. Dibujar el circuito de un operacional alimentado con una alimentación simétrica de 10 V, conectar una de las entradas a masa y a la otra una tensión de 0,001 V, de manera que la polaridad de la tensión de salida sea positiva. Si la ganancia del operacional (lazo abierto) es de 5000, ¿de qué valor será la tensión de salida? 6. Si las tensiones en las entradas son, respecto a masa, V2 = 4 V y V1 = 3,985 V, suponiendo una ganancia de 1000, ¿De qué valor será la tensión de salida? 7. Si interesa una señal de salida de VO = 10 V, siendo la ganancia en lazo abierto de AV(dB) = 100 dB, ¿De qué valor deberá ser la señal de entrada diferencial aplicada? 8. Explicar la información que aporta el gráfico representado en la figura 18.8.

18.3 El circuito integrado amplificador operacional uA 741

Antes de empezar con los montajes prácticos de aplicación, veremos una introducción al circuito integrado amplificador operacional más popular de todos; el μA 741, diseñado por Fairchild en 1964, pero que aun sigue siendo muy utilizado, en especial por su bajo precio. En la figura 18.10 se representa su patillaje y aspecto práctico. Ajuste Offset 1 Ent. inversora (V-) 2 Ent. No inversora (V+) 3 –V 4 Figura 18.10. El amplificador operacional más popular; μA 741.

8 N.C. 7 +V 6 Salida 5 Ajuste Offset

8 1

4

Las dos entradas de alimentación, la positiva (+V) y la negativa (–V) se corresponde con las patillas 7 y 4 respectivamente. Y las entradas de señal, inversora y no inversora se corresponde con las patillas 2 y 3. La salida es la patilla 6.

18.3.1 Características básicas del 741 La tensión de alimentación máxima puede llegar hasta ± 18 V. En la práctica, no se suele alimentar a más de ± 12 V. La corriente de consumo típica es de unos 2 mA, sin carga (RL = ∞). La salida está protegida contra cortocircuitos (se limita a 25 mA), lo cual es importante de cara a la experimentación de circuitos (prácticas en clase). La resistencia de entrada (ZI) típica es de 2 MΩ. La ganancia (en lazo abierto) es AV(dB) > 100 dB

18.3.2 Ajuste del Offset Además de las patillas fundamentales, tiene dos entradas más que son para el ajuste del offset (fig. 18.11). Estas patillas son opcionales, en muchos montajes no hace falta utilizarlas. Son para conseguir que la tensión de salida sea 0 V cuando las dos entradas están a 0 V. Debido a algunas imperfecciones del circuito integrado, cuando la tensión diferencial de entrada es cero la tensión de salida puede no ser cero; ser de un cierto valor positivo o negativo. Esto se llama error de offset. Para corregir este desplazamiento, error, de la tensión de salida, se utilizan las patillas 1 y 5; se conecta un potenciómetro de 10 k (u otro valor) con el punto medio al negativo de la alimentación (– V). 338

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales El ajuste se realiza de manera que, con las entradas a 0 V, la salida también sea de 0 V. Pero en la mayoría de circuitos prácticos no es necesario este ajuste y dichas patillas no se utilizan.

+V 3

V+

7

+

6

μA 741

2

V−

VO 5

4 1 10k

Figura 18.11. Las patillas 1 y 5 son para el ajuste del offset.

−V

Ajuste offset Si el operacional no tiene patillas específicas para el ajuste de offset, se puede hacer dicho ajuste aplicando una tensión continua adecuada a una de las entradas, procurando que la resistencia a través de la cual se le aplica la tensión sea de valor lo suficiente elevado como para que no se vea afectada la señal de entrada.

18.3.3 Ganancia (en lazo abierto) en función de la frecuencia La ganancia de tensión del operacional en lazo abierto es muy elevada, mayor de 100 dB; pero esto es así para frecuencias muy bajas. Conforme aumenta la frecuencia, la amplificación va disminuyendo, pudiendo llegar a 0 dB. Esto se representa en el gráfico de la figura 18.12, donde aparece la ganancia (dB) en función de la frecuencia.

dB = 20log VO / VI 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

Figura 18.12. Gráfico que representa la ganancia (dB) en función de la frecuencia.

0 -10 1

10

100

1k

10k

100k

1M

10M

Frecuencia (Hz)

Para una frecuencia de unos 10 Hz, la ganancia es de unos 100 dB; pero para una frecuencia de 1 MHz la ganancia ha disminuido a 0 dB. Un valor 0 dB significa que AV = 1, no hay amplificación: el valor de la señal de salida es igual al de la entrada.

A modo de referencia, para hacerse una idea de la complejidad interna de los circuitos integrados, en la figura 18.13 se representa el esquema interno del μA 741.

339


Figura 18.13. Circuito interno del μA 741.

Actividades de evaluación 1. Hacer un resumen de las características del operacional 741 y representar su patillaje. 2. Explicar el concepto de offset. Dibujar el circuito para la corrección del offset y explicarlo. 3. ¿Qué información nos aporta el gráfico representado en la figura 18.18? A la frecuencia de 10 kHz, ¿cuál es la ganancia del operacional?

18.4 Consideraciones prácticas de aplicación general

A continuación se explican los circuitos de aplicación práctica fundamentales, y se verá con que sencillez y eficacia se pueden diseñar muchos circuitos electrónicos, típicamente realizados con componentes discretos (transistores); ahora, con los operacionales es más fácil.

18.4.1 Operación en lazo abierto y lazo cerrado Realimentación En principio, se dice que el operacional trabaja en lazo abierto cuando se utiliza sin realimentación (feedback), que es cuando no hay componentes que conecten la salida con las entradas. Normalmente se utiliza con realimentación, o sea, en lazo cerrado; pero también hay circuitos que funcionan en lazo abierto. Normalmente, los montajes de aplicación siempre tienen realimentación, que consiste en aplicar una fracción de la señal de salida (normalmente a través de una resistencia) a hacia la entrada inversora. Cuando se hace esto, se produce lo que se llama realimentación negativa; y esto da lugar a una cierta regulación y estabilización del circuito, lo cual mejora características como las impedancias de entrada y de salida, ancho de banda, etc. En según qué circuitos, la realimentación se hace a través de la entrada no inversora; en este caso, esto se llama realimentación positiva. Esta aplicación normalmente se utiliza para hacer circuitos generadores de señal (osciladores).

340


18.4.2 La fuente de alimentación debe ser simétrica Los amplificadores operacionales se alimentan con una fuente de tensión simétrica; o sea, necesitan un positivo (+V), un negativo (–V) y el 0 V. Un alimentador así se comporta como dos fuentes de tensión en serie con un punto medio que es el 0 V. En la figura 18.14 Se representa este tipo de fuente de alimentación.

Alimentador simétrico V Figura 18.14. Fuente de alimentación simétrica. Suministra dos tensiones de polaridad contraria respecto al 0 V; una tensión positiva (+V) y una tensión negativa (–V).

V

+

+ −V

+V

0V

Un circuito de alimentación de este tipo se puede realizar fácilmente con dos circuitos integrados reguladores; el 7812 y 7912, se obtiene una fuente de alimentación simétrica estabilizada y protegida de ± 12 V, cuyo montaje se muestra en la figura 18.15. 500 mA 10 V 0V

230 V

10 V

1N4004

1000 μF 25 V

1 V 7812 V I O GND 2 100 nF

3

100 nF 0V

100 nF 1000 μF 25 V

Figura 18.15. Esquema de una fuente de alimentación simétrica sencilla.

+12 V

100 nF

1 2

GND

VI

7912

VO

3

−12 V

18.4.3 Circuitos de ajuste del offset El primer montaje que se propone es el ajuste del offset. Lo haremos en lazo abierto y lazo cerrado, así se podrán comparar las diferencias y razonar resultados.

18.4.3.1 Ajuste en lazo abierto El circuito a realizar se muestra en la figura 18.16, que se puede realizar en placa protoboard. El objetivo es conseguir que, con las dos entradas a masa (0 V), ajustar el potenciómetro hasta conseguir que la tensión de salida sea 0 V. Debido a la alta ganancia en lazo abierto que tiene el operacional, el ajuste del offset puede ser crítico; la más mínima variación se manifiesta de forma notable en la salida. En vez de poner un potenciómetro de ajuste del valor típico de 10 kΩ, puede resultar más fácil con un potenciómetro de un valor más bajo, como 1 kΩ (en algunas prácticas, incluso se ha puesto de 100 Ω). El ajuste de offset en lazo abierto se hace más bien como experimento, porque en la práctica lo normal es que los circuitos tengan realimentación y entonces el ajuste de offset resulta muy fácil.

341


Alimentador simétrico V

V

−V

+V

0V

+ 10 V

3 0V

V+ V−

7

+

μA 741

2

6

VO

− 10 V

V

5 4 1 1 kΩ

Figura 18.16. Ajuste del offset en lazo abierto. Se resalta la conexión de la fuente de alimentación simétrica.

Ajuste offset

18.4.3.2 Ajuste en lazo cerrado En este caso, el circuito a realizar tiene realimentación; el circuito trabaja en lazo cerrado. En la figura 18.17 se muestra el circuito a realizar. La señal de salida se aplica a la entrada inversora a través de un divisor resistivo, compuesto por una resistencia de 470 kΩ y una resistencia de 470 Ω. O sea, a la entrada inversora se le aplica una fracción de la señal de salida, que viene dada por:

La fracción de señal de salida realimentada (Vf) es el 0,001 de la señal de salida. El proceso operativo de ajuste es igual que en el circuito anterior; consiste en conseguir, mediante ajuste del potenciómetro, que la tensión de salida sea igual a 0 V. Pero en este caso el ajuste se hace mucho más fácil, porque la ganancia, debido a la realimentación negativa, se ha reducido a un valor que viene dado por:

Y en la misma proporción, se han mejorado, regulado, las características del circuito (que es un amplificador inversor, como más adelante se explicará). Rf 470 Ω

+10 V

R1 470 Ω VI = 0 V

7

2

3

+

VO

6

µA 741 5 4

1

V 5 kΩ

Figura 18.17. Ajuste del offset en lazo cerrado.

342

Ajuste offset

−10 V


18.4.4 Consideraciones básicas de cálculo de circuitos con operacionales El diseño de circuitos de aplicación práctica resulta mucho más sencillo con amplificadores operacionales que con transistores. Se parte de unos principios básicos, que son: • Al ser la ganancia de los amplificadores operacionales muy elevada (AV ≥ 105), la señal de entrada resulta muy baja, de tal manera que a efectos prácticos se considera que la tensión de entrada diferencial es cero; de manera que las dos entradas tienen la misma tensión. • Por otra parte, considerando que la impedancia de entrada (ZI) es muy grande, la corriente de entrada resulta muy pequeña; o sea, se considera que la corriente de las entradas es cero:

Existen otras consideraciones y características importantes (offset, slew-rate etc.); pero como introducción, es suficiente para empezar a realizar circuitos de aplicación práctica; otras cuestiones serán tratadas conforma vaya siendo necesario.

Actividades de evaluación 1. Explicar los conceptos de trabajo en lazo abierto y lazo cerrado del amplificador operacional. 2. ¿Qué significa realimentación? ¿En qué casos la realimentación es negativa o positiva? Explicar las diferencias en una y otra. 3. Dibujar el conexionado de un operacional con la entrada no inversora (V+) a masa, la entrada inversora (V–) conectada a la salida (VO) y alimentar simétricamente con ± 12 V. ¿Qué tipo de realimentación existe, positiva o negativa? 4. Explicar el concepto de offset y dibujar el circuito para su corrección en lazo cerrado. ¿Se podría hacer dicho ajuste también en lazo abierto? Explicar. 5. A efectos prácticos, ¿cómo se considera el valor de la tensión diferencial de entrada y el valor de la corriente de entrada?

18.5 Circuitos prácticos

con amplificadores operacionales

18.5.1 Circuito seguidor de tensión El esquema del circuito seguidor de tensión se muestra en la figura 18.18. Este circuito es muy utilizado como adaptador de impedancias, ya que presenta una muy alta impedancia de entrada (del orden cientos de MΩ) y una muy baja impedancia de entrada (del orden de mΩ). En cambio, no tiene ganancia de tensión; en la salida aparece casi el mismo nivel de señal que en la entrada:

De ahí la denominación de seguidor de tensión; la señal de salida sigue a la señal de entrada. Considerando el principio práctico de cálculo de que la tensión diferencial de entrada es cero, las dos entradas se encuentran al mismo potencial, y como la señal de salida está conectada a la entrada inversora, tenemos:

343

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales De lo cual se deduce por tanto, que la ganancia de este circuito es:

Seguidor de tensión +10 V

VI

3

+

7 6

μA 741

VO ≈ VI

2 4 −10 V

Figura 18.18. Circuito seguidor de tensión.

0V

Ejemplo En el circuito seguidor de tensión de la figura 18.18, si la señal de entrada es una onda senoidal de VI = 2 VPP, a la salida del operacional tendremos también una señal de VO ≈ 2 VPP. Pero la señal de entrada se encontrará una muy alta impedancia de entrada, y la señal de salida se obtendrá con una muy baja impedancia de entrada. En este circuito la señal realimentada es completa, ya que la salida está conectada directamente a la entrada inversora; esto da lugar a una reducción máxima de la ganancia, y de la misma manera que la ganancia se ha reducido mucho también han mejorado las características impedancia de entrada, impedancia de salida y ancho de banda, además de otras cosas. En este caso, el ancho de banda es el máximo que indica el fabricante (1 MHz). Este tipo montaje también se llama a veces buffer, o separador, porque las señales de entrada se encuentran una impedancia de entrada muy grande, y la señal de salida se obtiene con una muy baja impedancia de salida.

18.5.2 Circuito amplificador inversor El circuito amplificador inversor es muy probablemente el montaje más conocido de los amplificadores operacionales, y el que normalmente se realiza como primera práctica. Permite realizar amplificadores de una forma muy sencilla y precisa. En la figura 18.19 se muestra su esquema básico. Es un circuito que trabaja en lazo cerrado, tiene realimentación negativa proporcionada por la resistencia Rf. En consideración a que las dos entradas se encuentran al mismo potencial, y puesto que la entrada no inversora (patilla 3) está a masa (0 V), la entrada inversora (patilla 2) también se encuentra a potencial 0 V. Pero hay que hacer una observación importante; la entrada inversora se encuentra a potencial 0 V, pero en cambio no se deriva corriente a masa porque existe una alta impedancia hacia masa; a esto se conoce por cero virtual, el punto A es una masa virtual.

344


Amplificador inversor Rf +V

R1

7

2

VI

A

6

μA 741 3

+

VO

4 −V

0V Figura 18.19. Circuito amplificador inversor.

Aplicando Kirchhoff al punto A, masa virtual, tenemos (fig. 18.20): Y como la corriente de entrada se considera cero: Esto significa que los valores de las corrientes de entrada de señal (I1) y de la corriente de realimentación (If) son del mismo valor, no se deriva corriente hacia la entrada del operacional, y las corrientes van en el mismo sentido (en vez de en sentido diferente, como aparece en el esquema). Rf +V

If

R1 VI I1

A

VO

IIN

+ −V 0V

Figura 18.20. El punto A es una “masa virtual”.

Los valores de las corrientes, teniendo en cuenta que la tensión en el punto A es 0 V:

Y como que I1 = – If:

El símbolo de negativo indica que el amplificador invierte la fase de la señal de entrada. La impedancia de entrada del amplificador inversor es igual al valor de la resistencia R1. O sea, ZIN = R1.

18.5.2.1 Ejemplo de cálculo y montaje práctico Interesa un amplificador de ganancia AVf = 10 y con una impedancia de entrada de 47 kΩ.

345

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales Aplicando lo explicado, se deduce que la resistencia R1 deberá ser de 47 k, y el valor de la resistencia de realimentación:

El circuito práctico se muestra en la figura 18.21. Se procura ir resaltando la conexión de la alimentación de los circuitos porque la alimentación simétrica no suele estar muy claro por los alumnos, en un principio. Aplicando, por ejemplo, una señal senoidal de f = 1kHz y VPP = 1 V se obtendría una señal de salida de VO = 10 V; se produce una amplificación de 10. En la figura 18.21 se muestran el gráfico de ondas de entrada y de salida; la señal de salida tiene una amplitud 10 veces mayor que la señal de entrada. Obsérvese cómo la señal de salida va en contrafase con la señal de entrada; se produce una inversión de fase, por eso este circuito se llama amplificador inversor. Al alimentarse el operacional con tensión negativa y positiva, permite que las señales de salida tengan polaridad positiva y negativa, pasando por 0 V; una verdadera señal alterna. Fuente de alimentación V

V

−V

0V

+V

Rf 470 k

R1 47 k VI

+ 10 V

7

2

6

μA 741 3

VO = 10VI

5

+

4

1

−10 V 5k

offset

0V

f = 1000 Hz 0V

Tensión de entrada 1VPP

5V

Figura 18.21. Señal de entrada y de salida del amplificador inversor; la señal de salida es 10 veces mayor que la señal de entrada, invertida en fase.

346

0

−5V

Tensión de salida 10VPP


18.5.2.2 Experimentación con Multisim El circuito probado y analizado con el programa Multisim se representa en la figura 18.22. Los resultados son los correctos. El cálculo de circuitos básicos mediante operacionales, como se puede comprobar, resulta sencillo y muy preciso en resultados, además de barato.

Señal de salida (10 Vpp )

Señal de entrada (1 Vpp )

f = 1000Hz

Figura 18.22. Amplificador inversor experimentado con el programa Multisim.

18.5.3 Circuito amplificador no inversor Si en vez de aplicar la señal de entrada por la entrada inversora se hace por la entrada no inversora, se obtiene un amplificador que no invierte la fase; un amplificador no inversor. El circuito básico se muestra en la figura 18.23. Ahora no hace falta detallar tanto las cosas, porque ya se va teniendo una base sobre el tema, los circuitos y la teoría se puede representar de forma más simplificada. En este montaje tenemos: • Muy alta impedancia de entrada • Muy baja impedancia de salida • Alta ganancia • No invierte la fase

347


Amplificador no inversor

VI

+

VO

Rf

R1 Figura 18.23. Circuito amplificador no inversor.

Proceso para hallar la fórmula de la ganancia Considerando que la tensión de entrada diferencial es cero (ganancia infinita), las dos entradas se encuentran al mismo potencial, y que la corriente de entrada es cero (impedancia infinita), tenemos:

Así, la ganancia se puede expresar por:

La ganancia se regula por la fracción de señal realimentada (Vf), que viene dada por el divisor resistivo compuesto por Rf y R1:

Cuanto mayor sea el valor de R1 y más bajo sea el valor de Rf mayor será la ganancia. El si el circuito se dejara sin realimentación (Rf desconectada), la ganancia aumentaría hasta su valor en lazo abierto (AV = 100.000). La impedancia de entrada del circuito puede ser muy elevada, viene dada por:

Y la impedancia de salida, muy baja:

ZI, ZO y AV son las características de impedancia de entrada, de salida y ganancia del operacional en lazo abierto.

18.5.3.1 Ejemplo de cálculo práctico Si interesa un amplificador de AVf = 11, poniendo R1 = 10 k el valor de Rf deberá ser:

348

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales El circuito práctico es el representado en la figura 18.24. Como se puede deducir del diagrama de ondas de entrada y salida, se obtiene una señal de salida amplificada (11 veces en este caso), pero en fase con la entrada. Este circuito no invierte la fase.

VI

3

+

VO

6

μA 741 2

Rf 100 k

R1 10 k

f = 1000 Hz Tensión de entrada 1VPP

0V

5,5 V

Tensión de salida 11VPP

0V Figura 18.24. Amplificador no inversor, con el gráfico de la señal de entrada y de salida; la salida está amplificada 11 veces, en fase con la señal de entrada.

−5,5 V

18.5.4 Circuito sumador Un circuito sumador se basa en el amplificador inversor con varias entradas, de manera que en la salida tenemos la suma de varias señales de entrada. El circuito sumador inversor básico se muestra en la figura 18.25. Rf

VI V2 V3

R1 R2 R3 VO

+

Figura 18.25. Circuito sumador inversor.

349

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales El principio de funcionamiento es igual que el amplificador inversor, pero con varias entradas; en este caso se han puesto 3, pero pueden ser más. La expresión general de salida es: Siendo los coeficientes K la ganancia de cada entrada, o sea:

Ejemplo Si todas las resistencias son del mismo valor (Rf = R1…), se obtiene un sumador que responde a la fórmula: Si las tensiones de entrada fueran: La tensión de salida sería:

V1 = 1 V, V2 = 3 V, V3 = 4 V

Un ejemplo de circuito práctico comprobado con el programa Multisim se muestra en la figura 18.26, en el cual el multímetro muestra un resultado de casi – 8 V, lo cual es la suma de las tres tensiones de entrada.

Figura 18.26. Experimentación de un sumador inversor con Multisim.

18.5.5 Sumador no inversor Si queremos que la salida no se invierta, se puede poner un amplificador inversor en la salida, y de paso podemos obtener la suma de las señales multiplicadas por un coeficiente (la ganancia del amplificador inversor de salida).

El circuito podría ser como el mostrado en la figura 18.27.

350


R f = R1 = R2 = R3 Rf V1 V2 V3

Rf 2

R1 R2 R3 VO

+

R4 VO

VO = − [V1 + V2 + V3 ]

+

VO =

Rf 2 R4

[V1 + V2 + V3 ]

Figura 18.27. Circuito sumador no inversor.

En la figura 18.28 se representa un montaje de este tipo, en el cual el amplificador inversor de salida tiene una ganancia de 10, por lo cual el circuito efectúa una suma con amplificación del resultado: La simulación mediante el programa Multisim da un resultado de 7,946 V en la salida, como resultado de la suma de las 3 señales de entrada multiplicado por 10:

Figura 18.28. Experimentación de un sumador no inversor con Multisim.

18.5.6 Circuito de media aritmética Basándonos en el circuito sumador anterior, se puede realizar fácilmente un circuito que realiza la suma aritmética de las señales de entrada. Por ejemplo, si tenemos 4 entradas el circuito realizaría la operación:

Si todas las resistencias de entrada son del mismo valor, RE, la tensión de salida vendría dada por la fórmula:

Haciendo que:

siendo n = el número de entradas, tendremos:

351

Unidad 18 · Circuitos integrados. Amplificadores operacionales Así, en el caso de n = 4 (4 entradas) el circuito realiza la media aritmética de las tensiones en las 4 entradas:

Ejemplo Si tomamos RE = 33 kΩ, el valor de Rf deberá ser:

Un circuito práctico de media aritmética se representa en la figura 18.29, experimentado con el programa Multisim.

Figura 18.29. Circuito que realiza la media aritmética de las 4 señales de entrada.

Ejemplo práctico de aplicación de un circuito de media aritmética.

18.5.7 Circuito restador Este circuito (fig. 18.30) proporciona una tensión de salida que es proporcional a la tensión diferencial entre las entradas, multiplicada por un factor de ganancia. La expresión general de salida es: Rf

R1 VI

VO R2

V2

+ R3

Figura 18.30. Circuito restador.

Haciendo que R1 = R2 y R3 = Rf, se obtiene la ecuación simplificada que nos da la tensión de salida:

Y si todas las resistencias fueran del mismo valor, pues se obtendría la tensión diferencia pero sin amplificación. 352


18.5.7.1 Ejemplo práctico de cálculo Interesa un circuito restador que proporcione la tensión diferencia de entrada multiplicada por 10.

Tomando R1 = R2 = 10 kΩ y Rf = R3:

En la figura 18.31 se representa un montaje práctico, en el cual se le aplican una señal de 40 mV y otra de 10 mV, y el circuito proporciona una tensión que es la diferencia multiplicada por 10.

Figura 18.31. Circuito restador, experimentado con Multisim.

18.5.8 Circuitos convertidores temperatura-tensión En muchas aplicaciones se necesita tener una tensión que dependa de la temperatura. De esta manera, además de poder disponer de alguna medida de temperatura (a través de un convertidor analógico-digital), activar algún dispositivo según el valor de la temperatura; por ejemplo, un ventilador, un relé, un sonido (como señal de alarma).

18.5.8.1 Sensor de temperatura: diodo En este ejemplo de circuito simple (fig. 18.32), más bien con enfoque didáctico, como sensor de temperatura se utiliza un diodo simple como el 1N4148. Se parte del principio de que la tensión directa de un diodo disminuye unos 2 mV por cada °C. Haciendo un circuito puente de Wheastone con el diodo 1N4140 en uno de los brazos, y con un potenciómetro de ajuste en el otro brazo del puente, se obtiene una pequeña tensión diferencial de salida en el puente en función de la temperatura, que después se amplifica con un restador de ganancia 10. Se obtiene así una tensión de salida dependiente de la temperatura, que con el ajuste adecuado puede ser interesante en ciertas aplicaciones de control. Pero el enfoque de este circuito es más bien didáctico, para ver la posibilidad del diodo como sensor de temperatura y la aplicación del circuito restador. Es un circuito de aplicación práctica didáctico y sencillo. Para controles más precisos existen otros componentes sensores especializados como el LM35, elementos PT100, etc.

353


Figura 18.32. Circuito convertidor temperatura-tensión, utilizando como sensor un simple diodo.

18.5.8.2 Sensor de temperatura: NTC En el circuito de aplicación práctica siguiente, también con fines didácticos, se utiliza como sensor de temperatura un NTC; una resistencia cuyo valor disminuye con la temperatura. Como se sabe, NTC significa resistencia de coeficiente negativo de temperatura. El circuito se basa también en un puente de Wheastone, en el cual en unos de los brazos del puente se ha puesto una NTC de 10 k y un potenciómetro de ajuste. El circuito práctico para su experimentación se representa en la figura 18.33. En función de la temperatura que reciba la NTC, la tensión de salida irá variando. El ajuste del potenciómetro se hace para que, a una cierta temperatura de referencia (por ejemplo, 20 °C), la tensión de salida sea una que nos interese (por ejemplo, 4,7 V). Se puede comprobar, experimentar, tocando con los dedos la NTC o acercándole el soldador; la NTC se calentará y la tensión de salida aumentará.

Figura 18.33. Circuito convertidor temperatura-tensión, utilizando como sensor un NTC.

354


18.5.9 Generador de onda cuadrada Este circuito permite generar ondas cuadradas como si fuera un circuito multivibrador a transistores o un circuito integrado 555. En la figura 18.34 se representa su circuito básico. Se basa en un divisor resistivo, compuesto por R1 y R2, y un circuito de carga-descarga basado en un condensador y la resistencia Rf. El condensador se carga a través de la resistencia Rf, y cuando su tensión alcanza una cierta tensión de disparo (Vp) la tensión de salida del operacional cambia de polaridad; entonces, el condensador se descarga (también a través de Rf) y se carga con polaridad diferente. Este proceso se repite continuamente, de manera que en la salida aparece una onda cuadrada y en el condensador una onda tipo triangular, debido a la carga-descarga del condensador.

Figura 18.34. Circuito generador de onda cuadrada.

La tensión de disparo es la tensión que tiene que alcanzar el condensador para hacer que la tensión de salida cambie de polaridad; viene dada por el divisor resistivo:

Haciendo que R1 = R2, la tensión de disparo es la mitad del valor de la tensión de salida (VO). La frecuencia de la señal de salida es:

Ejemplo Si ponemos R1 = R2 = 10 kΩ y C = 100 nF, el valor de la resistencia Rf debería ser:

Se puede poner del valor normalizado 4k7.

El circuito práctico, basado en el operacional μA 741, se representa en la figura 18.35.

355


Figura 18.35. Circuito práctico generador de una onda cuadrada de f ≈ 1000 Hz, y 10 VP.

Su experimentación mediante el programa Multisim se representa en la figura 18.36; en el osciloscopio aparecen las dos ondas, la cuadrada de salida y la de cargadescarga del condensador. Como se puede comprobar, el valor (de pico) de la tensión en el condensador es 5 VP, que se corresponde con la tensión de pico (VP) calculada (determinada por R1 y R2). Y el valor de la onda cuadrada de salida es de unos 10 VP, y de frecuencia aproximadamente 1000 Hz.

356


f ≈ 1000 Hz

f=

1 1 = = 1000 Hz T 0,001

Figura 18.36. Resultados de la experimentación del generador de onda cuadrada mediante el programa Multisim.

Actividades de evaluación Nota: Las actividades se pueden realizar prácticamente o simular mediante el programa Multisim; se recomienda hacerlo de las dos formas. 1. Dibujar el esquema de un amplificador inversor basado en operacional 741, y calcularlo para que tenga una ganancia de AVf = 20 y que la impedancia de entrada sea de ZI = 10 kΩ. Hacer el montaje y experimentarlo: • Aplicar una señal de entrada senoidal de 0,4 VPP y f = 1kHz. • Analizar con osciloscopio las señales de salida y entrada. ¿Existe desfase? ¿De qué valor es la ganancia real del amplificador? 2. Calcular y experimentar un amplificador no inversor, de manera que su ganancia sea AVf = 2, y una de las resistencias sea de 100 k. • Dibujar el esquema práctico con el 741, alimentado con ± 12 V. • Aplicar una señal de entrada de VI = 1 VPP f = 1000 Hz. • Analizar las señales de entrada y salida. ¿Existe desfase? ¿Cuál es la ganancia real del amplificador? • Buscar de la hoja de datos (datasheet) del fabricante los valores (en lazo abierto) de ZI, ZO y AV; calcular los valores de ZIf y ZOf (impedancias de entrada y de salida en lazo cerrado). 3. Realizar el esquema práctico de un sumador no inversor, con dos operacionales 741, para que la salida sea: • Hacer el montaje y experimentarlo. • Aplicar a las entradas las tensiones continuas de los valores: • Medir la tensión de salida del operacional. ¿VO = ? • Ahora aplicar las tres señales de entrada con ondas senoidales de f = 1000 Hz; analizar la señal de salida en el osciloscopio. 4. Dibujar el circuito correspondiente a la ecuación siguiente: ¿De qué tipo de circuito se trata? Explicarlo. 5. Realizar el montaje del circuito convertidor temperatura-tensión de la figura 18.32. El sensor se puede calentar simplemente tocándolo con los dedos, y más aún acercándole el soldador; ello debe afectar notablemente en la tensión de salida del operacional. Experimentarlo y hacer un resumen sobre su funcionamiento y aplicaciones.

357


Actividades de evaluación 6. Realizar el montaje del circuito generador de ondas que se muestra en la figura 18.35. Se recomienda realizarlo prácticamente y también mediante simulación con Multisim. a) Analizar la señal de salida con el osciloscopio: Nivel de salida (VPP) = ? Frecuencia (Hz) = ? b) Calcularlo para que f = 2000 Hz, y verificar la señal de salida.

18.6 Amplificador de potencia de sonido CI TDA 2003

Además de los amplificadores operacionales típicos normales, también hay modelos de cierta potencia para amplificar señales de audio (sonido), para activar altavoces; son amplificadores utilizados en las etapas de audio en auto radios, TV, amplificadores de ordenador, etc. Existen diversos tipos de circuitos integrados amplificadores de potencia, siendo uno muy utilizado el TDA 2003. Este circuito integrado puede proporcionar una potencia de salida nominal de 6 W eficaces, con un ancho de banda de 40 a 15.000 Hz. Puede servir perfectamente para activar altavoces en aparatos de radio, TV, Walkman, etc. En la figura 18.37 se muestra su símbolo y tipo de encapsulado. Este tipo de encapsulado se llama Pentawatt.

+

+V

1

TDA 2003

8 a 18 V

1

5

3 2

+ 4

5 4

VO

TDA 2003 Figura 18.37. Amplificador operacional de potencia; un amplificador de audio que puede proporcionar una potencia de 6 W (radio, TV, equipos de música).

−V

2 3

Masa (0 V) Al igual que los amplificadores operacionales normales, también tiene dos entradas; en cambio, este modelo está diseñado para funcionar con una alimentación simple (una sola polaridad), no necesita alimentación simétrica.

18.6.1 Circuito práctico amplificador de potencia de sonido El circuito práctico de aplicación básico del TDA 2003 se representa en la figura 18.38. Se ha puesto un potenciómetro (100k) en la entrada para poder regular el nivel de señal que recibe el TDA 2003; así se ajusta el volumen en los equipos de sonido. Su ganancia de tensión en lazo cerrado (closed loop) es de unos 40 dB (para Z = 4 Ω y f = 1000 Hz). Como la tensión de salida para PO = 6 W es:

Si la ganancia es AV = 40 dB, la tensión de entrada necesaria es:

358


Según medidas en laboratorio, para señales de entrada superiores a 0,1 VPP se empieza a recortar la señal de salida, de manera que la distorsión empieza a aumentar bruscamente. 12 V

100 μF 35 V

< 0,1 VPP 10 μF 25 V

1

Ajuste volumen

100 nF

5

+ 4

100 kΩ

P<6W (d < 10 % f = 1000 Hz)

TDA 2003

1000 μF 35 V

2 220 Ω

3

100 nF

39 Ω

39 nF

2,2 Ω

Z =4Ω

1Ω

470 μF 25 V Figura 18.38. Esquema del montaje básico del amplificador TDA 2003.

La tensión de alimentación en aparatos de auto radio es 12 V (tensión de la batería), pero en otras aplicaciones también se utiliza normalmente una alimentación de 12 V; aunque el TDA 2003 puede funcionar con una alimentación desde 8 a 18 V. La impedancia típica de los altavoces es 4 o 8 Ω. Según datos del fabricante, con una altavoz de Z = 4 Ω el TDA 2003 puede proporcionar una potencia de salida de 6 W (con una distorsión d =10 % a una f = 1000 Hz). Y su respuesta de frecuencia va de 40 Hz a 15.000 Hz; no cubre toda la gama estándar de sonido (20 Hz a 20 kHz) pero es más que suficiente para las aplicaciones de sonido normales en radio, TV, etc. Es muy importante saber que cuanto más baja es la impedancia del altavoz mayor potencia proporciona el amplificador, porque la tensión de salida del amplificador es constante para una cierta señal de entrada; por ello, por la bobina móvil del altavoz circulará más corriente cuanto más baja sea la impedancia.

Ejemplo Si un amplificador puede dar una potencia nominal eficaz de 6 W para una impedancia de altavoz de Z = 4 Ω, la tensión de salida a esa potencia es:

Y la corriente de salida será por tanto:

359


Ejemplo Esta corriente y tensión de salida a un altavoz de Z = 4 Ω es evidente que da lugar a una potencia de: Pero si ponemos un altavoz de impedancia más baja, por ejemplo, dos altavoces de Z = 4 Ω en paralelo, lo cual da una impedancia resultante de Z = 2 Ω; entonces, como para la misma señal de entrada la tensión de salida será la misma, la corriente de salida del amplificador será:

Es el doble de la corriente de salida para Z = 4 Ω, por lo cual la potencia de salida ahora sería el doble: Pero esto tiene sus consecuencias; a mayor potencia de salida mayor consumo de corriente y mayor potencia disipada en el amplificador, por lo cual existen límites en cuanto a la impedancia mínima del altavoz. Según datos del fabricante, la potencia máxima que puede disipar el TDA 2003 es PD= 20 W, lo cual significa que con 12 V de alimentación y Z = 2 Ω se superaría la potencia máxima disipada: Por otra parte, la potencia máxima que se puede obtener de un amplificador, como el amplificador obtiene la energía de la fuente de alimentación, la potencia máxima depende de la potencia que pueda proporcionar la fuente de alimentación (o sea, la fuente de alimentación limita la potencia máxima de salida de un amplificador).

Actividades finales Montaje y análisis del amplificador de potencia CI TDA2003 1. Buscar (Internet) la documentación técnica del fabricante del CI amplificador de potencia TDA2003, y hacer un resumen sobre las características: • Potencia de salida • Distorsión • Tensión de alimentación • Sensibilidad • Respuesta frecuencial • Tipo de encapsulado (dibujar el patillaje) 2. Realizar el montaje del amplificador de potencia que se muestra en la figura 18.38. Para poder analizar el amplificador sin sonido, se puede sustituir el altavoz por una resistencia equivalente a la impedancia del altavoz; o sea, de 4 ó 8 Ω. Aplicar una señal de entrada senoidal de f = 1000 Hz. Ajustar el nivel de la señal de entrada justo en el punto donde se empieza a recortar la señal de salida; este será el nivel máximo de señal de entrada. VI(PP)máx. = ? Medir el nivel de señal de salida (VO) para VI(PP)máx. a las frecuencias: 100 Hz, 1000 Hz, 5000 Hz, 10.000 Hz y 20.000 Hz y obtener: • El nivel de señal de salida, en VPP y valor eficaz. VO(PP) = ? • La potencia de salida eficaz. • La ganancia en dB.

VO(rms) = ?

Hacer un resumen de dichos datos y representar de forma gráfica la respuesta de frecuencia.

360

Unidad 19

Fuentes de alimentación reguladas

Objetivos: Aprender los principios básicos sobre las fuentes de alimentación reguladas, en base a los circuitos integrados reguladores de tensión de las series más utilizadas. Se explican las características básicas prácticas de las series de reguladores 78XX/79XX y LM317/337, las más populares, y sus circuitos prácticos de utilización.


Introducción. Reguladores de tensión serie 78XX/79XX.

19.6 19.7

Reguladores de 100 mA. Serie 78LXX. Reguladores de la serie LM317/337.

19.3

Montaje y análisis de un alimentador de 12 V con un CI 7812. Alimentador con salida simétrica basado en un 7812 y 7912. Reguladores de 3 A. Serie 78TXX.

19.8

Fuente de alimentación de salida variable con el LM317. Fuentes conmutadas.

19.4

19.5

19.9

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas

19.1 Introducción Los circuitos reguladores de tensión son componentes fundamentales en electrónica, ya que todos los aparatos, equipos, incorporan fuente de alimentación y es muy normal que sea estabilizada y con protecciones; y para ello, los CI reguladores de tensión son la solución más interesante, por sencillez, precio y eficacia. Básicamente, los CI reguladores de tensión proporcionan una tensión continua estabilizada y con protección frente a sobre cargas o cortocircuitos. Internamente, se basan en la estabilidad de tensión que proporciona el diodo zener y la amplificación que proporcionan los transistores. El regulador se pone a la salida del circuito rectificador; se obtiene así una tensión de salida sin casi rizado y con una muy buena regulación frente a las variaciones de tensión de entrada o por la carga (figura 19.1).

230 2 ≅ 325 V Tensión alterna (ej. 15 V)

Tensión connua con rizado y no estabilizada

Tensión de salida regulada

+ Regulador

f = 50 Hz

Figura 19.1. El circuito regulador de tensión se conecta a la salida del circuito rectificador.

19.2 Reguladores de tensión serie 78XX/79XX

La serie de CI reguladores de tensión más conocida y utilizada es la 78XX/79XX. Dispone de modelos de muy baja potencia (IO = 100 mA, serie 78LXX) y de mediana potencia (IO = 3 A, serie 78TXX), en una amplia gama de tensiones de salida. La realización de circuitos reguladores de tensión con estos CI resulta muy sencilla. En la nomenclatura (78XX), la tensión de salida es positiva y “XX” representa el valor de la tensión de salida. Y en el caso de los modelos 79XX, la tensión de salida es negativa.

Recuerda • • • Los CI reguladores de tensión proporcionan una tensión continua estabilizada y con protección frente a sobrecargas o cortocircuitos. Internamente, se basan en la estabilidad de tensión que proporciona el diodo zener y la amplificación que proporcionan los transistores.

362

Así pues, con un 7812 y un 7912 se puede realizar fácilmente una fuente de alimentación de doble polaridad; el 7812 proporciona una salida de + 12V y el 7912 una tensión de salida de – 12V. Este tipo de fuente, doble polaridad, se llama fuente simétrica.

19.2.1 El 78XX. Regulador de salida positiva La versión típica, la más normal de estos reguladores es la 78XX; puede dar una intensidad máxima de salida de 1 A y su encapsulado es TO-220. En la figura 19.2 se representa información técnica (del fabricante). En dicha información se indica la gama de tensiones de salida, la intensidad de salida, y que está protegido frente a sobrecargas y cortocircuitos.


LM78XX

Figura 19.2. CI regulador LM78XX; encapsulado y características del fabricante.

El circuito de aplicación básico es sumamente sencillo, como se representa en la figura 19.3. Para su funcionamiento sólo necesitan dos condensadores de desacoplo; uno en la entrada (330 nF) y otro en la salida (100 nF). Estos condensadores son para el filtrado de posibles picos de tensión, transitorios, que se pueden dar debido a la conexión y desconexión de la carga, picos de la red, oscilaciones del circuito, etc.

Figura 19.3. Ejemplo de aplicación básica propuesta por el fabricante.

Para que regule, es necesario que la tensión de entrada sea al menos 2 V más elevada que la tensión de salida, y con la precaución de que la potencia disipada en el regulador sea inferior a 15 W. Como se deduce, cuanto mayor sea la diferencia de tensión entrada-salida y mayor sea la corriente de salida, mayor será la potencia que disipará y por tanto más se calentará: Así, para la corriente máxima de salida de 1 A, la tensión de entrada no debe ser mayor de 15 V que la tensión de salida, ya que esto supondría una disipación de 15 W.

Ejemplo En un CI regulador 7805 la tensión de entrada máxima, para una corriente de salida de 1 A, no debería ser mayor de 20 V, ya que:

En todos los CI reguladores de tensión, a excepción de los de muy baja potencia (serie 78LXX), normalmente es necesario la utilización del algún tipo de radiador para disipar el calor que se produce en el regulador y así evitar temperaturas excesivas.

19.2.2 Estructura y circuito interno de un regulador 7812 En las figuras 19.4 y 19.5 se representa la estructura de circuitos y el esquema interno de los componentes de un circuito integrado regulador 7812. De esta manera, 363

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas nos hacemos una idea de la complejidad que tienen los circuitos integrados, incluso los más sencillos. Los circuitos integrados reguladores de tensión, generadores de señal como el 555, amplificadores operacionales, circuitos de control de disparo de tiristores, etc., son de baja escala de integración; o sea, de los más sencillos, los que menos componentes contienen. Pero aun así, los circuitos internos son de cierta complejidad. Los circuitos integrados de mayor complejidad son los microprocesadores de los ordenadores (CPU), memorias RAM, procesadores gráficos (GPU), etc.

Figura 19.4. Estructura interna de los diferentes circuitos que contiene un circuito integrado de la serie78XX.

En todos los casos, la utilización de circuitos integrados se basa en conocer sus funciones, o sea, estudiar la documentación técnica que proporcionan los fabricantes. Es trabajar con bloques funcionales, con cosas hechas, lo cual siempre es más sencillo que realizar todos los circuitos con componentes sueltos (antiguamente era así).

Figura 19.5. Esquema del circuito interno de un 7812. La regulación se basa en el efecto estabilizador del diodo zener y la amplificación de los transistores.

19.2.3 Circuito básico de aplicación con el 7812 El circuito de aplicación de este tipo de reguladores es el más sencillo de todos los tipos de reguladores. En la figura 19.6 se muestra el montaje de referencia básico de un 7812, cuya corriente máxima de salida es 1 A. Se muestra el tipo de encapsulado (TO-220), con la identificación de las patillas y el circuito a realizar. Para simplificar, normalmente, los condensadores de desacoplo de entrada-salida se ponen los dos de 100 nF. La tensión de entrada se supone procede del circuito 364

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas rectificador, que deberá entregar una tensión al menos 2 V mayor que la tensión de salida; o sea: VI > 2 + 12 = 14 V. Y menor a: 12 + 15 = 27 V, para que la disipación de potencia, en el peor de los casos, sea inferior a 15 W. La situación en la cual la disipación será máxima es cuando la tensión de entrada y la corriente de salida son máximas; IO = 1 A y VI = 27 V, lo cual daría: VI – VO = 27 – 12 = 15 V y PD = 15 × 1 = 15 W

7812

1

VI Entrada + VI

1

VI

2

3

VO

GND

7812

VO

Salida +VO = 12 V

3

GND 2 100 nF

100 nF

Figura 19.6. Circuito básico de aplicación de los CI 78XX.

0V

0V

19.2.4 El 79XX. Regulador de salida negativa El regulador de la serie 79XX es como el 78XX pero para tensiones de salida negativas, lo cual permite realizar alimentadores con salida simétrica, por ejemplo + 12 V y – 12 V. El circuito básico de aplicación se muestra en la figura 19.7, basado en un 7912. Es muy importante saber que el patillaje de la serie 79XX no es igual que el de la serie 78XX; las patillas 1 y 2 están intercambiadas. 0V

0V 100 nF

7912

100 nF

1 GND Figura 19.7. Circuito básico de aplicación del 7912.

−V

2 Entrada

VI

7912

1

VO

3 Salida

−12 V

3 2

GND

VO

VI

Actividades de evaluación 1. Indicar las funciones básicas que proporcionan los reguladores de tensión. 2. ¿En qué componentes (internos) se basa la función de estabilización de tensión de los CI reguladores de tensión? 3. Dibujar el esquema básico general de un circuito alimentador con regulación de tensión, con todos los detalles de componentes. 4. Sobre el CI 7805: a) Explicar la función de cada patilla. b) ¿De qué valor es la tensión de salida? ¿Y la corriente máxima nominal de salida? VO = ?

IO = ?

c) ¿De qué valor mínimo debe ser la tensión de entrada para que regule normalmente? VI(mín.)= ?

365


Actividades de evaluación d) Si la tensión de entrada fuera de 20 V y la corriente de salida 1 A, ¿qué potencia disiparía el 7805? ¿Estaría dentro de lo normal? 5. Dibujar el circuito básico de aplicación de un CI 7805 y un 7905. Explicarlos.

19.3 Montaje y análisis de un alimentador de 12 V con un CI 7812

Un montaje completo se muestra en la figura 19.8. La tensión alterna de entrada se supone procede de un transformador con salida de 15 V, que un puente rectificador y un condensador de filtro se encargan de convertir en tensión continua filtrada. El regulador 7812 recibe dicha tensión, con un cierto rizado y susceptible de variaciones debido a la red y a la carga, y proporciona una tensión continua de 12 V sin casi rizado y muy estable frente a variaciones de entrada y en la carga; además, está protegido frente a cortocircuitos en la salida. Un LED indica que existe tensión de salida.

Figura 19.8. Ejemplo de aplicación práctica del 7812.

366

Para tener una idea más práctica, en la figura 19.9 se muestra el circuito alimentando una carga de 24 Ω (lo que supone una corriente de salida 0,5 A) y con las medidas de las tensiones de entrada y salida, así como la corriente de salida. Con una tensión alterna de entrada de 15 V, el circuito rectificador entrega un valor medio de tensión continua de 18,4 V, con un cierto rizado (que se puede observar y medir con el osciloscopio). Con una carga RL = 24 Ω, lo cual en teoría supone una corriente de salida de 0.5 A, la tensión de salida del regulador es de 11,7 V. Como se puede comprobar, en la práctica, la tensión de salida nominal de los reguladores puede variar algo en función de la carga, etc.


Figura 19.9. Medidas en el circuito alimentador con 7812.

Un osciloscopio permite asimismo poder observar y medir el rizado de la tensión continua en la entrada y salida del regulador. En la figura 19.10 se puede ver una captura de lo que muestra la pantalla del osciloscopio. El rizado de la tensión de salida se observa en el canal A del osciloscopio; aparece una forma de onda en diente de sierra de unos 3 mVPP. Y el rizado de entrada al regulador se observa en el canal B; aparece una señal de unos 3,5 × 500 mV = 1750 mVPP. El efecto de regulación en el rizado del 7812 es obvio; además, las variaciones de la tensión de entrada debido a la red o la carga casi no afectarán a la tensión de salida.

Canal B: Ent. 7812 Vr ≅ 1750 mVPP

Canal A: Sal. 7812 Vr ≅ 3,5m VPP

Figura 19.10. Resultados que muestra el osciloscopio sobre la tensión de rizado en la entrada y salida del regulador.

19.4 Alimentador con salida simétrica basado en un 7812 y 7912

La utilidad del 79XX es realizar alimentadores con salida simétrica, lo cual es necesario en muchas aplicaciones electrónicas; un caso muy conocido es para la alimen-

367

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas tación de circuitos integrados amplificadores operacionales. Estos CI típicamente se alimentan con tensión positiva (+ V) y tensión negativa (– V); aunque, en según qué montajes, hay formas para alimentarlos con tensión de una sola polaridad. La configuración básica de un circuito alimentador simétrico basado en un 7812 y 7912 se muestra en la figura 19.11. Con respecto a la línea de 0 V (masa), se dispone de una tensión de + 12 y otra de – 12 V.

7812

1

+ VI

VI

3

VO

+ 12 V

GND 2 100 nF

100 nF

0V

0V 100 nF

100 nF

1 Figura 19.11. Aplicación básica de un 7812 y un 7912 para realizar un alimentador simétrico.

2

−V

GND

VI

7912

3

VO

−12 V

19.5 Reguladores de 3A. Serie 78TXX Además de la gama básica 78XX, que pueden dar una corriente máxima de salida de 1 A, están los modelos 78TXX que pueden entregar una intensidad máxima de salida de 3 A. Pueden por tanto disipar más potencia (25 W).

19.5.1 Fuente de alimentación de 5V3A basada en un 78T05 En la figura 19.12 se muestra el esquema práctico de una fuente de alimentación realizada en base a un 78T05. Se obtiene una tensión de salida de 5 V que puede proporcionar una corriente de salida de hasta 3 A, y con una buena regulación y protección frente a sobre cargas. Obviamente, para conseguir una corriente de salida de 3 A, el transformador deberá ser capaz de proporcionar al menos 3,5 A (hay que tener en cuenta que su tensión de salida baja conforme mayor es la corriente de salida, y si baja demasiado el CI regulador deja de regular).

1

2

3

VI 230 2 ≅ 325 V

3A

1

MC78T05

f = 50 Hz

368

3

2 8V 3,5 A

Figura 19.12. Fuente de alimentación de 5V y 3A, basada en un 78T05.

VO GND

330 nF

3300 μF 25 V

100 nF

100 μF 16 V

5V

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas En cuanto a los condensadores, en principio deben de ponerse los de desacoplo de señales transitorias. El de entrada, el fabricante recomienda 330 nF y el de salida de 100 nF, pero normalmente se ponen los dos de 100 nF. Son condensadores casi de tipo opcional; si no se pusieran, en principio, funcionaría todo normal; pero se aconseja ponerlos. El condensador de 100 μF en la salida es opcional, depende del rizado de salida que se admita y el tipo de carga. A este tipo de regulador (serie 78TXX) se debe poner disipador con más razón que al 78XX normal; ya que puede dar una corriente de salida de 3 A y se puede calentar más.

19.6 Reguladores de 100 mA. Serie 78LXX Dentro de esta serie de reguladores, también está la gama de baja potencia; se representa por 78LXX, cuya corriente de salida máxima es de 100 mA. Su encapsulado es de tipo TO-92 (como los transistores de baja potencia BC 547). En la figura 19.13 se muestra el patillaje del 78LXX y del 79LXX.

78L XX

Figura 19.13. Reguladores de la serie 78/79XX, de baja potencia.

VO

79L XX

VI

GND

VI

VO

GND

Básicamente, el circuito de aplicación práctica es igual que en los modelos de 1 A, como se muestra en la figura 19.14.

78L 05

230 2 ≅ 325 V

VO

GND

VI 5V

VI 78L05 VO GND 100 nF 100 nF

f = 50 Hz 8V 0,15 A Figura 19.14. Ejemplo de circuito práctico con el 78L05.

0,1 A

470 μF 16 V

Actividades de evaluación 1. Montar y analizar una aplicación con el CI regulador 7812 (figura 19.8). Se puede realizar con el programa Multisim, pero se recomienda también hacer el montaje práctico. Poner una carga de RL = 24 Ω, y medir: a) Tensión de entrada al 7812: VI = ? b) Tensión de rizado del rectificador: Vriz = ? c) Tensión de salida del 7812: VO = ? d) Corriente en carga: IO = ? e) Tensión de rizado en la salida: Vriz(sal.) = ? Cambiar la carga por otra de RL = 15 Ω, y el condensador de filtro cambiarlo por uno de 1000 μF (25 V), y repetir las medidas. Hacer un resumen de los resultados, razonarlos.

369


Actividades de evaluación 2. Dibujar el esquema de un alimentador simétrico de ± 5 V, basado en la serie 78XX. 3. Explicar las diferencias de los CI 78T05 y 78L05 con respecto a la serie normal (7805). Dibujar los patillajes del 78T05, 78L05, 7805, 79L05.

19.7 Reguladores de la serie LM317/337 Además de la serie 78/79XX, existen otras series de CI reguladores, siendo una muy popular y ampliamente utilizada la LM317/337. Estos reguladores permiten obtener tensiones de salida variables entre 1,2 y 37 V con una corriente de salida de 1,5 A, con una muy buena estabilización y protección frente a sobrecargas. El LM317 es para tensión de salida positiva y el LM337 para tensión de salida negativa. Se pueden obtener con encapsulado TO-220 (LM317T) y también en TO-3 (LM317K). Hay también una versión que puede dar una corriente de salida de 5 A; es el LM318 (encapsulado TO-3).

19.7.1 Características generales La tensión de entrada debe ser unos 3 V mayor que la tensión de salida, o sea: VI – VO ≥ 3 V. Y la potencia disipada debe ser menor de 20 W (en las versiones TO-220 y TO-3). En general, en todos los dispositivos de este tipo, hay que procurar que la temperatura sea la mínima, por ello se deben de montar los reguladores con disipadores, y tener en cuenta la potencia disipada, que vendrá dada por la diferencia de tensiones entrada-salida y la corriente de salida: En la figura 19.15 se muestra el patillaje de los modelos 317 y 337. Este tipo de encapsulado es el TO-220; es la versión más popular, en la nomenclatura aparece una T al final, o sea: LM317T.

317 Figura 19.15. Patillaje del LM317 (salida positiva) y del LM337 (salida negativa), en el encapsulado más usual (TO-220).

337

VI

ADJ

ADJ

VI

VO

VO

El LM317 también se dispone en encapsulado TO-3; en este caso aparece una K en la nomenclatura: LM317K (fig. 19.16). La corriente de salida máxima también es 1,5 A, pero permite una mejor disipación de potencia. Para disponer de mayor corriente de salida, está el LM318 (en TO-3), que puede entregar una corriente de salida de 5 A.

A DJ

Figura 19.16. Patillaje del LM317K (encapsulado TO-3).

370

VO

VI


19.7.2 Circuito básico de aplicación del LM317 El circuito práctico de un regulador se representa en la figura 19.17; se basa en los típicos condensadores en la entrada y salida de 100 nF más dos resistencias (R1 y R2). El valor de la tensión de salida depende de los valores de dichas resistencias, según la fórmula siguiente:

Pero como que Vref = 1,25 V y la corriente Iref es de un valor muy bajo (< 50 μA), la fórmula se puede simplificar:

⎛ R ⎞ VO ≅ 1,2 ⎜ 1 + 2 ⎟ R1 ⎠ ⎝

VI > VO + 3

LM317

+ VI

+ VO

VO

VI ADJ

Vsalida 1,2 a 37 V

R1

100 nF

100 nF

R2 Figura 19.17. Circuito básico de aplicación del LM317.

ADJ

VI VO

Ajuste tensión de salida

0V

317

Isalida < 1,5 V

0V

Así pues, si R2 es un potenciómetro la tensión de salida se puede variar en un amplio margen. O bien, se puede obtener un valor fijo de tensión poniendo los valores adecuados de R1 y R2. Lo mejor, es poner siempre un valor fijo de R1 y un potenciómetro para R2, de manera que se pueda ajustar la tensión al valor que sea necesario.

19.7.3 Circuito experimental del LM317 Contacto con VO LM 317

IADJ ≅ 47 μA

VR2 + Vref = VO

R1 270 Ω

VI > 25 V

+

Vref ≅ 1,2 V 1,25 a 22,5 V

Figura 19.18. Circuito práctico de aplicación experimental del LM317.

0V

R2 5 kΩ

VR2 = VO – Vref

En la figura 19.18 se muestra un montaje práctico experimental del LM317, con los valores que se han medido de la corriente y tensión de referencia, que son: 371

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas IADJ ≅ 47 μA y Vref ≅ 1,2 V. Con los valores de R1 =270 Ω y R2 un potenciómetro de 5 kΩ, se puede obtener una tensión de salida entre 1,2 V y unos 22,5 V. Según datos del fabricante, la tensión de salida puede ir de unos 1,2 hasta 37 V, con una corriente máxima de salida de 1,5 A. Y la tensión de entrada debe ser al menos unos 3 V mayor que la tensión de salida, con un máximo de 40 V. Y hay que procurar que la disipación de potencia en el regulador no supere 20 W. En el caso del LM337, es todo igual salvo que está diseñado para que la salida de tensión sea negativa, de manera que se puedan realizar circuitos alimentadores de tipo simétrico (+ VO y – VO). Y hay que tener en cuenta que el patillaje del LM337 no es igual que el del LM317. En la figura 19.19 se muestra el circuito básico de aplicación del LM337.

LM337 – VI

– VO

VO

VI ADJ

R1

100 nF

337

100 nF

R2 Figura 19.19. Circuito básico de aplicación del LM337.

ADJ

VI 0V

VO

0V

19.7.4 Circuito para ajustar la intensidad de salida máxima La corriente máxima nominal de salida del LM317 es 1,5 A; a partir de este valor empieza a actuar el circuito interno de protección. Pero podemos hacer que la corriente máxima de salida sea un valor más bajo, según nos convenga. Hay que tener en cuenta que cuando se alimentan circuitos, especialmente haciendo pruebas de experimentación, se pueden hacer conexiones indebidas que pueden dar lugar a corrientes excesivas y estropearse componentes (en especial, semiconductores). Por ejemplo, si con una fuente de alimentación que pueda dar una corriente de 1 A alimentamos un LED de 2 V, sin nos pasamos de tensión éste se puede estropear porque la intensidad puede tomar valores demasiado elevados para el LED. Pero si hacemos que la corriente máxima de salida de la fuente sea 50mA, en cualquier caso, nunca le aplicaremos más de 50 mA al LED, y así podemos evitar que se deteriore haciendo experimentos, pruebas. El poder limitar la intensidad máxima de salida a valores que, en principio, no puedan dañar componentes es muy importante de cara a la prueba, experimentación de circuitos o componentes. Con cierta práctica, con una fuente de alimentación de salida ajustable y con limitación de intensidad, se pueden hacer diversas comprobaciones de componentes muy rápidas, como conocer la tensión de un zener, probar diodos LED, comprobar tiristores, etc. Para logar limitar la corriente máxima de salida del LM317 se pone una resistencia en la salida, de un valor bajo (para que perturbe los menos posible la estabilidad), según se muestra en el circuito de la figura 19.20. La intensidad máxima de salida viene dada por:

372


Ejemplo Para un valor de RS = 1 Ω, la intensidad máxima de salida quedará limitada a partir de:

Y si RS = 10 Ω, el valor máximo estaría en:

La tensión de salida, sin las resistencias (R1 y R2) de ajuste de tensión, es aproximadamente igual a la tensión de entrada. Este montaje se hizo para evaluar y hacer medidas sobre la limitación de corriente de salida del LM317. LM 317

Imáx . =

Vref RS

=

RS = 1 Ω VI

1,25 ≅ 1,25A 1 IO

RL

Figura 19.20. Circuito para limitar la corriente de salida en el LM317.

0V Si unimos la patilla ADJ y VO, como se muestra en la figura 19.21; no hay límite de intensidad, la corriente de salida es la máxima que pueda proporcionar el regulador y VO ≅ VI.

LM 317

Sin límite de intensidad; la corriente máxima de salida es la nominal del 317. IO

VI Figura 19.21. Uniendo las patillas ADJ y VO, la corriente máxima de salida queda limitada sólo por el circuito de protección interno.

RL 0V

Una forma práctica de conseguir un ajuste de la corriente máxima de salida es poniendo la resistencia serie (RS) del valor adecuado para la corriente máxima que interese, y conectar la patilla ADJ a un potenciómetro en paralelo con RS, como se muestra en la figura 19.22. De esta manera, se consigue ajustar la corriente de salida máxima entre el valor mínimo calculado y la máxima nominal que pueda dar el regulador.

373


Ejemplo Si la resistencia RS = 1,8 Ω la corriente máxima quedaría limitada a:

Así, ajustando el potenciómetro, la corriente máxima de salida se podría ajustar entre unos 0,7 A y 1,5 A.

LM 317

Imáx . =

Vref RS

=

1,25 ≅ 0,7 A 1,8

RS = 1,8 Ω VI

IO

1 kΩ Imáx. = 1,5 A

Imáx. ≅ 0,7 A RL

Ajuste intensidad Figura 19.22. Circuito que permite ajustar la corriente máxima de salida.

0V

19.8 Fuente de alimentación de salida variable con el LM317

El circuito base que permite obtener una tensión de salida que se puede variar entre unos 1,2 V y unos 22 V se muestra en la figura 19.23. Es un montaje muy interesante de cara a la práctica, ya que permite obtener las tensiones normalmente necesarias para alimentar circuitos de electrónica para su experimentación. Y una corriente de salida de 1,5 A puede ser suficiente para la mayoría de aplicaciones.

LM317 25 V

VO

VI

1,2 a 22 V

ADJ R1 270 Ω 100 nF Figura 19.23. Circuito para obtener tensiones de salida entre 1,2 y 22 V.

100 nF Ajuste tensión de salida

0V

R2 4k7 0V

El circuito completo de una fuente de alimentación de laboratorio sencilla basada en ese circuito se muestra en la figura 19.24. Como ya se debe saber, el LM317 se debe montar con un radiador para evitar que se caliente demasiado. Dependiendo del tipo de montaje práctico y el radiador utilizado, puede resultar mejor utilizar el LM317K, encapsulado en TO-3. 374

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas Hay que saber que el regulador se calentará más cuanto más baja tengamos ajustada la tensión de salida y mayor sea la corriente de salida; porque la potencia disipada viene dada por: Con los valores de R1 = 270 Ω y R2 = 4k7, el margen de tensiones de salida es: Cuando el potenciómetro se ponga al mínimo, o sea, R2 = 0 Ω, la tensión de salida será la mínima:

Y cuando el potenciómetro se sitúe al máximo, R2 = 4k7, la tensión de salida será la máxima:

Por ello, la tensión de entrada al regulador deberá igual o mayor a 25 V, para que se cumpla que sea unos 3 V mayor que la tensión de salida. Si el transformador da 20 V, la tensión de pico será: Con el condensador de filtro conectado, si la corriente de salida es de 1 A, el valor de la tensión de rizado es:

La tensión media continua de salida, despreciando la caída en los diodos, vendrá dada por: La disipación de potencia en el LM317, para una corriente de salida de 1 A y tensión de salida de 5 V, es: Como el máximo son 20 W, hay que tener la precaución de que con una salida de 5 V la corriente de salida no sea mayor a: Figura 19.24. Circuito práctico completo de una fuente de alimentación de laboratorio sencilla, basada en el LM317.

Como es obvio, estos son cálculos aproximados; pero que nos aportan información técnica muy importante de cara a la práctica.

VI

VO

LM317T

1,2 a 22 V

ADJ 330 nF

20 V 2A

2k2

270 Ω 100 μF 35V 4k7

3300 μF 35 V

Rojo

100 nF

Ajuste tensión de salida

375


Actividades de evaluación 1. Sobre el CI regulador LM317: ¿Cuál es el valor de la corriente máxima de salida? IO(máx.) = ? ¿Qué margen de tensiones de salida podemos tener? VI(mín.) = ?

VI(máx.) = ?

Si queremos que VO = 12 V ¿de qué valor mínimo debería ser la tensión de entrada? VI = ? Si la tensión de salida es de 5 V y alimenta una carga de 1 A, siendo la tensión de entrada de 12 V, ¿de qué valor será la potencia disipada por el LM317? ¿Está dicho valor dentro de lo normal? 2. Dibujar el esquema básico de aplicación del LM317: a) Calcular el valor de la resistencia R1 para obtener una tensión de salida que se pueda ajustar entre 1,2 V y 13 V. El valor del potenciómetro es de 4k7. b) Calcular la tensión de salida que debe tener el transformador, para que la tensión de entrada del LM317 sea normal. 3. Hacer el esquema completo de una fuente de alimentación basada en LM317, para una tensión de salida ajustable entre 1,2 y 15 V. Poner el transformador, rectificador, condensador de filtro y el regulador LM317. a) Poner un LED en la entrada del LM317, y calcular la resistencia para que la corriente del sea de 15 mA. b) Calcular el valor de capacidad del condensador de filtro, para una corriente de salida de 0,5 A y una tensión de rizado de Vr = 1,5 VPP c) Calcular la potencia máxima que disipará el LM317. 4. ¿Qué modificación se podría hacer si nos interesa limitar la corriente de salida del LM317 a 0,5 A? Dibujar el montaje, explicar y calcular los componentes.

19.9 Fuentes de alimentación conmutadas 19.9.1 Fuentes lineales Las fuentes de alimentación reguladas, las basadas en, por ejemplo CI 78XX o LM317, se llaman lineales; son los reguladores clásicos. En este tipo de reguladores, se parte de una tensión de entrada que entrega el rectificador y el regulador se encarga de reducir y estabilizar la tensión de salida. Entre la entrada y la salida existe un dispositivo regulador, un transistor, que mediante un circuito de control, permite reducir la tensión de salida al un valor deseado, y lo mantiene constante. El transistor regulador trabaja como resistencia variable en serie con la carga; entre colector y emisor se encuentra la diferencia de tensión entre la entrada y la salida. En dicho transistor se puede desarrollar por tanto una potencia que puede ser muy considerable, que es perdida y se transforma en calor. Así son los reguladores clásicos, los lineales; se caracterizan por su simplicidad, necesitar un transformador de entrada que puede ser bastante pesado y caro, y también por generar bastante calor para potencias medianas y altas; o sea, tienen bajo rendimiento.

19.9.2 Fuentes conmutadas Existe otro sistema de fuentes de alimentación, que se conoce por fuentes de alimentación conmutadas, que gracias a los avances en los circuitos integrados se han ido simplificando y su aplicación actualmente ya es masiva. Este tipo de reguladores de tensión se caracteriza por su elevado rendimiento; casi toda la potencia de entrada la recibe la carga, las pérdidas son muy bajas. Por ello, también se calientan muy poco. Además, pueden ser pequeñas y poco pesadas, debido a que pueden prescin-

376

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas dir del típico transformador de entrada de las fuentes lineales. El transformador que pueden necesitar es de pequeñas dimensiones y por tanto poco pesado. Pero este tipo de fuentes también se caracteriza por su complejidad, no resultan tan sencillas como las lineales; pero actualmente se disponen de circuitos integrados que facilitan mucho su realización. Y también pueden ser fuente de señales de interferencias (señales no deseadas) que pueden afectar a otros aparatos de electrónica. Al trabajar en conmutación con frecuencias que puede ser de 200 kHz, se producen ondas tipo cuadrada, que son muy ricas en componentes frecuenciales armónicos. Las fuentes conmutadas son las que tienen, por ejemplo, los ordenadores, alimentadores de ordenadores portátiles, alimentadores de móviles, etc. Por ejemplo, un alimentador de ordenador portátil, puede entregar una tensión de unos 20 V con una corriente de 4 A; y es pequeño y poco pesado, y casi no se calienta. Una fuente de estas mismas características de tipo lineal sería muy pesada (por el transformador), de mayor tamaño, se calentaría bastante, y tendría bajo rendimiento (parte de la energía de entrada se perdería en forma de calor).

19.9.2.1 Principios de los reguladores conmutados El principio de funcionamiento de los reguladores conmutados consiste en transformar la fuente de tensión continua (del rectificador) en pulsos de ancho determinado (fig. 19.25). Estos pulsos pueden ser estrechos o anchos, su duración es controlada; la tensión de salida dependerá de la anchura de dichos pulsos. Así pues, la regulación de la tensión de salida se consigue controlando la anchura de los pulsos, lo que equivale a controlar el tiempo de conducción del dispositivo de salida (transistor o tiristor). Estos pulsos, mediante filtrado (condensadores y alguna bobina), da lugar después a una tensión continua estable.

Conmutador electrónico

Fuente de tensión connua

Figura 19.25. Principio de funcionamiento de los reguladores conmutados.

Impulsos de control Unidad de control

RL

Ajuste manual

Este sistema, debido a que el dispositivo de control actúa en conmutación (abierto o cerrado) permite variar la tensión que recibe la carga sin que se desperdicie casi energía, cosa que no ocurre si el regulador se basa en una resistencia de valor variable (regulador lineal). El dispositivo de control, interruptor electrónico, suele ser un transistor bipolar o MOSFET de cierta potencia, que actúa en conmutación (como si fuera un interruptor); siempre circula la máxima corriente (interruptor cerrado) o la corriente es cero (interruptor abierto). Cuando un transistor funciona en conmutación, casi no disipa potencia; ya que o la corriente de colector es cero o la tensión entre colector-emisor es (casi) cero.

Tensión continua de salida En una onda de tipo cuadrada, aparecen unos tiempos de duración en el estado alto (t1) y en el estado bajo (t0). Y dependiendo de dichos tiempos el valor medio de tensión continua resultante es diferente; por ello, variando dichos tiempos se varía la tensión continua media de salida; pero, lo relevante, es que este control se realiza haciendo que el elemento de control actúe siempre en conmutación. 377


19.9.2.2 Ciclo de trabajo (Duty cycle) Se define por ciclo de trabajo (duty cycle) de una onda tipo cuadrada (figura 19.26) a la expresión:

t1

Onda simétrica; los empos son iguales t1 = t0

VBB Figura 19.26. Onda cuadrada simétrica; los tiempos t1 (nivel alto) y t0 (nivel bajo) son iguales. El ciclo de trabajo es ½.

t0

La tensión continua media resultante viene dada por:

Ejemplo Para una tensión de entrada de VBB = 100 V y con una frecuencia de conmutación de f = 1000 Hz, si la duración del nivel alto es t1 = 0,0005 ms, el valor medio de tensión continua en la carga sería:

La estructura de un circuito así se muestra en la figura 19.27. f = 1000 Hz 100 V

VBB 100 V

378

50 V f = 1000 Hz


t1 = 0,5 ms VBB = 100 V

t0

Vmedio = 50 V

T = 1ms (f = 1000 Hz)

Figura 19.27.

Así, como se puede deducir, el obtener una tensión continua de magnitud baja, media o alta consiste en variar el ciclo de trabajo de la onda, como se representa en la figura 19.28.

Alto ciclo de trabajo: Tensión media alta

Figura 19.28. El control del valor (medio) de tensión de salida se basa en regular el ciclo de trabajo de la onda.

Bajo ciclo de trabajo: Tensión media baja

Actividades de evaluación 1. ¿Explicar la diferencia fundamental entre las fuentes de alimentación lineales y conmutadas? Indicar otras características diferenciales de las fuentes conmutadas. ¿En qué aparatos muy utilizados normalmente se utilizan las fuentes conmutadas? 2. Explicar el principio de funcionamiento de un regulador conmutado. 3. ¿Qué es ciclo de trabajo (duty cycle)? 4. Calcular el ciclo de trabajo de una onda de f = 10.000 Hz, si la duración del nivel alto es t1 = 33 μs.

19.9.3 Estructura básica general de una fuente conmutada En una fuente conmutada, aparecen cuatro bloques básicos (fig. 19.29): • Rectificador y filtro de entrada • Inversor (c.c./c.a) • Controlador (PWM) • Rectificación-filtro de salida En primer lugar se rectifica y filtra la tensión alterna de entrada (230 V 50 Hz), convirtiéndola en una tensión continua (con cierto rizado). El inversor (conmutador electrónico) convierte la tensión continua que entrega el rectificador en una onda tipo cuadrada de una frecuencia entre unos 10 kHz a 200 kHz, que excita una bobina o transformador. El ciclo de trabajo de la onda de salida del inversor se controla por un circuito de control relativamente complejo. La tensión de salida del inversor es rectificada y filtrada, de manera que se obtiene en la salida una tensión continua estable. En el filtro de salida, además de condensadores, suele ponerse alguna bobina. El circuito de control se basa en un generador de onda cuadrada de frecuencia fija (clock), una tensión de referencia, un comparador de tensión y el modulador de ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulation). El PWM recibe una onda cuadrada (clock) y la tensión continua (variable) del comparador; en función de la comparación de estas dos señales, el PWM produce una onda de ciclo de trabajo variable, dependiente de la tensión del comparador. A la vez, la tensión del comparador reci-

379

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas be una muestra de la tensión de salida; existe por tanto una realimentación, ya que la tensión de salida (VO) actúa sobre el circuito de control; así se efectúa la regulación de la tensión de salida. A diferencia de las fuentes lineales, que funcionan partiendo de la tensión de 230 V de frecuencia f = 50 Hz, las fuentes conmutadas funcionan a una frecuencia propia, de entre unos 10 a 200 kHz.

Recficador y filtro de entrada

Conmutador electrónico Inversor cc/ca

Recficador y filtro de salida

Opera en conmutación

VO

230 V 50 Hz

Comparador +

PWM VRef. Clock Circuito de control Figura 19.29. Estructura de bloques básicos de una fuente conmutada.

19.9.4 Circuitos prácticos de fuentes conmutadas Los circuitos de fuentes conmutadas suelen ser relativamente complejos, en especial si se basan sólo transistores. Y su diseño y análisis también puede ser complejo. Pero también se puede ver todo más o menos sencillo, y al menos así debe hacerse al principio, gracias a los circuitos integrados específicos diseñados para este fin.

19.9.4.1 Regulador conmutado con el CI 78S40 El circuito integrado 78S40, de National Semiconductor, permite realizar de forma sencilla reguladores de tensión conmutados de baja potencia (añadiéndole transistores externos se pueden lograr mayores potencias). Como es característico en las fuentes conmutadas, se pueden obtener también tensiones de salida más altas que la de entrada, incluso tensión negativa. El CI 78S40 es un regulador conmutado, pero no una fuente conmutada completa; se necesita el transformador y rectificador típico. Características básicas • Tensión de salida ajustable: 1,25 a 40 V • Corriente (máxima) de salida: 1,5 A • Tensión de entrada: 2,5 a 40 V Estructura interna y patillaje La estructura interna del 78S40 se representa en la figura 19.30; se basa en unos comparadores (operacionales), una tensión de referencia de 1,25 V, un generador de impulsos (oscillator), un biestable SR y unos transistores de salida.

380


Figura 19.30. Estructura interna del CI regulador conmutado 78S40.

El circuito integrado es del tipo DIL de 16 patillas, el cual se representa en la figura 19.31.

Figura 19.31. Patillaje del CI 78S40.

Actividades de evaluación 1. ¿En qué cuatro bloques básicos se fundamenta una fuente conmutada? Representarlos y explicar resumidamente el funcionamiento general. 2. ¿Qué es un PWM?, ¿qué función realiza?, ¿qué significan las siglas PWM? 3. ¿En qué margen de frecuencias funciona la parte de conmutación de una fuente conmutada? 4. Si la tensión continua que entrega el rectificador es de 50 V y el ciclo de trabajo de la onda de salida del conmutador electrónico es de 0,8. ¿De qué valor es la tensión media de salida? 5. Indicar las características básicas del CI regulador conmutado 78S40.

19.9.4.2 Aplicaciones prácticas con el regulador conmutado 78S40 Fuente de 10 V 500 mA Un ejemplo de aplicación práctica (propuesta por National Semiconductor) del CI 78S40 se representa en la figura 19.32. Se obtiene una tensión de salida de 10 V con una intensidad (máxima) de 500 mA. Se puede aplicar una tensión de entrada de hasta 25 V, que procedería del circuito rectificador y filtro. Como se puede observar, sólo se necesitan unos pocos componentes pasivos. El filtro de salida se basa en una bobina de 300 μH y un condensador de 500 μF.

381


Tensión de entrada

Tensión de salida VO = 10V

Figura 19.32. Ejemplo de aplicación del 78S40.

Según datos del fabricante, se obtiene una tensión de salida de 10 V con una corriente de 200 mA. Con una carga de 500 mA, la tensión de salida bajaría a unos 9,5 V. La eficiencia del regulador, para IO = 200 mA, es del 74 %. El rendimiento, eficiencia de una fuente de alimentación, viene dado por la relación entre la potencia de salida (la obtenida) y la de entrada:

Fuente de 25 V 160 mA En esta aplicación, se muestra una de las funciones que permiten las fuentes conmutadas, y que no se puede realizar con las fuentes lineales; obtener una tensión de salida mayor que la tensión de entrada. En este circuito, con una tensión de 10 V se obtiene una tensión de salida de 25 V con una corriente de salida de 50 mA. El circuito práctico se representa en la figura 19.33.

Figura 19.33. Aplicación del 78S40 para obtener 25 V con una entrada de 10 V.

Al igual que el circuito de aplicación anterior, sólo se necesitan unos pocos componentes pasivos. Los valores nominales de salida son: VO = 25 V y IO = 50 mA. Para una corriente de salida de IO = 160 mA, la tensión de salida disminuye a VO = 23,75 V. La eficiencia del circuito es del 79 %.

19.9.4.3 Circuito integrado regulador conmutado LM2575 Este circuito integrado regulador conmutado, también de National Semiconductor, se fabrica para obtener unas ciertas tensiones fijas y también existe un modelo de 382

Unidad 19 · Fuentes de alimentación reguladas tensión de salida ajustable. Es también un regulador conmutado de baja potencia (permite realizar fuentes conmutadas de mayor potencia añadiéndole transistores a la salida). Para obtener una fuente de alimentación completa se necesita el típico transformador y rectificador. Estos CI reguladores conmutados son el equivalente a los reguladores lineales de la serie 78XX o LM317, pero funcionando de forma conmutada. Modelos de tensión de salida fija: LM2575T-3.3 VO = 3,3 V LM2575T-5.0 VO = 5 V LM2575T-12 VO = 12 V LM2575T-15 VO = 15 V Tensión de salida ajustable: LM2575-ADJ VO = 1,23 a 37 V El modelo de tensión de salida ajustable, es similar al LM317 en modo conmutado. Permite ajustar una tensión de salida entre 1,23 V y 37 V, con una corriente de salida de 1 A. La tensión de entrada puede llegar hasta 40 V. El generador interno (internal oscillator) funciona a la frecuencia de 52 kHz. Tiene protección frente a sobrecargas. Y su aplicación práctica básica sólo necesita 4 componentes pasivos externos. En la figura 19.34 se representa su encapsulado TO-220; tiene sólo 5 patillas. GND

Figura 19.34. CI regulador conmutado LM2575.

5 - ON / OFF 4 - Feedback 3 - Ground 2 - Output 1 - VIN

19.9.4.3.1 Esquema básico de aplicación práctica con el LM2575-5.0 El LM2575-5.0 entrega una tensión de salida prefijada de 5 V con una corriente de 1 A. El circuito de aplicación (propuesto por National Semiconductor) se representa en la figura 19.35. Se parte de la tensión del rectificador, que puede ir de 7 a 40 V (en el modelo LM2575HV puede llegar a 60 V). El filtro de salida se compone de una bobina de 330 μH y un condensador de 330 μF. El diodo D1 (1N5819) es de tipo Schottky.

Figura 19.35. Aplicación del LM2575-5.0. Proporciona una tensión de salida de 5 V con 1 A.

383


Estructura interna del LM2575 La estructura interna del LM2575 (fig. 19.36) tiene dos comparadores de tensión; uno de ellos compara una muestra de la tensión de salida (obtenida mediante el divisor resistivo R2 y R1) con la tensión de referencia de 1,23 V. Y otro comparador compara la tensión de salida del otro comparador con la señal del generador de 52 kHz (oscillator). Un amplificador de corriente, con salida por transistor NPN proporciona la tensión de salida. Existe circuitería de protección térmica y de sobre carga de corriente.

Figura 19.36. Estructura interna y de aplicación básica del LM2575.

19.9.4.3.2 Circuito de aplicación práctica con el LM2575HV-ADJ En la figura 19.37 se representa la aplicación general del LM2575HV-ADJ (propuesta por National Semiconductor). La tensión de entrada (Input) puede ser de 7 a 40 V. Los valores de los componentes pasivos son: CIN = 100 μF COUT = 330 μF L1 = 330 μH D1 = Diodo Schottky, 11DQ06 o también 1N5822. El valor de las resistencias R1 y R2 determinan el valor de la tensión de salida:

El valor de R1 debe estar entre 1 k y 5 kΩ. Así, estableciendo una determinada tensión de salida y tomando un valor de R1, el valor de R2 es:

Figura 19.37. Circuito de aplicación básica del LM2575.

384


Ejemplo Si interesa una tensión de salida de VO = 9,5 V, tomando R1 = 2k2, como Vref = 1,23, tenemos:

La fuente tendrá las características: VO = 9,5 V IO(máx.) = 1 A VI(máx.) = 25 V f = 52 kHz El circuito práctico se muestra en la figura 19.38.

5 - ON / OFF 4 - Feedback 3 - Ground 2 - Output 1 - VIN

GND

< 25 V 9,5 V = 330 μH = 15k 100 μF

11DQ06

330 μF

= 2k2

Figura 19.38. Aplicación del LM2575-ADJ para obtener 9,5 V de salida.

Actividades propuestas Calcular los valores de las resistencias R1 y R2 para obtener las tensiones de salida: 5V, 10 V, 15 V y 20 V Poner los valores comerciales más aproximados. La fórmula de base es:

19.9.4.3.3 Fuente de tensión ajustable También podemos poner como R2 un potenciómetro, y así podremos ajustar la tensión de salida del LM2575-ADJ dentro de un determinado margen.

385


Ejemplo Con R1 = 1k5 y R2 = potenciómetro de 22 k, tendremos una tensión de salida (VO) que se podría ajustar entre 1,23 V y casi 20 V. Potenciómetro al mínimo (R2 = 0 Ω):

Potenciómetro al máximo (R2 = 22 k):

El circuito práctico se muestra en la figura 19.39.

25 V 1,2 a 20 V 330 μH

22k Figura 19.39. Aplicación del LM2575-ADJ para obtener una tensión de salida ajustable entre unos 1,2 y 20 V.

100 μF

11DQ06

330 μF 1k5

19.9.5 Fuente conmutada sin transformador de entrada Un ejemplo de estructura de circuito de fuente de alimentación conmutada sin el transformador típico de entrada de las fuentes lineales se representa en la figura 19.40. Es una estructura de circuito relativamente sencilla, para que se entienda de una forma práctica el porqué no se utiliza el típico transformador de entrada típico de las fuentes lineales. Como se observa, se parte de la tensión alterna de la red eléctrica (230 V, 50 Hz); dicha tensión se rectifica y filtra, de manera que se obtiene una tensión continua (con un cierto rizado). Esta tensión se aplica, de forma conmutada, a un transformador, mediante un transistor de potencia (BJT o MOSFET) que opera en conmutación a una frecuencia entre 10 y 200 kHz. El ciclo de trabajo lo controla el PWM. El transformador puede ser bastante pequeño y con un núcleo de ferrita en vez de hierro, debido a la frecuencia que trabaja; cuanto más alta es la frecuencia, más pequeños pueden ser los componentes inductivos. Además, el tipo de núcleo también le quita peso; la ferrita peso menos que el hierro (el hierro no es buen núcleo para frecuencias altas).

386


Transformador (pequeño) Connua Alterna + VOUT

PWM

f = 10 a 200 kHz

Optoacoplador

Vref. (Para aislamiento galvánico)

Figura 19.40. Ejemplo de estructura fuente de alimentación conmutada, sin el típico transformador de entrada de las fuentes lineales.

0V

La etapa de salida es otro rectificador con filtro, donde también suele ponerse una bobina. Al ser la frecuencia elevada, los condensadores de filtro de salida pueden ser de más baja capacidad que en las fuentes lineales. En las fuentes lineales la frecuencia de rizado está basada en la red eléctrica, 50 Hz; y en las conmutadas puede ser hasta de unos 200 kHz. El circuito de control de ancho de los pulsos (PWM) se basa en un comparador (amplificador operacional) que recibe en una entrada una muestra de la tensión de salida (por medio de un divisor resistivo) y en la otra entrada una tensión de referencia muy estable (zener). La tensión de salida del comparador es por tanto función de la tensión de salida; dicha tensión es la que controla, a través de un optoacoplador, el PWM. El optoacoplador es necesario para conseguir aislamiento galvánico (eléctrico) entre la salida y la entrada, lo cual es necesario fundamentalmente por cuestiones de seguridad. El transformador produce en el secundario una cierta magnitud de tensión de alterna, de ciclo de trabajo variable, una onda de tipo cuadrada; el ciclo de trabajo es controlado por la tensión de salida del comparador, que depende asimismo de la tensión de salida (existe realimentación). Si la tensión de salida tiende a disminuir, la tensión de salida del comparador aumenta y hace que el modulador de ancho de impulso (PWM) ensanche la onda, lo cual hace que aumente el ciclo de trabajo y en consecuencia aumente la tensión de salida; se compensa así la variación de tensión de salida, se autorregula. Y si la tensión de salida tendiera a aumentar, la tensión de salida del comparador haría que el PWM disminuyera el ciclo de trabajo y por tanto de la tensión en la salida. Una cosa que también hay que tener en cuenta en las fuentes conmutadas es que producen interferencias; debido a que trabajan en conmutación y ha frecuencias que pueden ser hasta de 200 Khz, como las ondas tipo cuadrada son muy ricas en armónicos, ciertas frecuencias pueden afectar a otros aparatos electrónicos. Por ello, se puede precisar cierto apantallamiento de los circuitos.

Actividades finales 1. Calcular los valores de R1 y R2 del LM2575 para conseguir una tensión de salida de VO = 12 V, tomando R1 = 1k. Dibujar el circuito práctico del regulador conmutado. 2. Hallar el valor necesario del potenciómetro (R2) del LM2575 para poder obtener una tensión de salida ajustable entre unos 1,2 V y 15 V.

387


Actividades finales 3. En la estructura de fuente conmutada representada en la figura 19.40, razonar la función del optoacoplador. ¿Qué pasaría si no se utilizara el optoacoplador, si el comparador se conectara directamente al PWM? 4. Explicar el porqué el transformador de las fuentes conmutadas puede ser de pequeñas dimensiones. 5. ¿Por qué las fuentes conmutadas pueden producir interferencias a otros aparatos electrónicos? 6. Realizar el montaje de regulador conmutador siguiente (fig. 19.41), y comprobar su funcionamiento. a) Poner una resistencia de 10 Ω como carga de salida, y medir el margen de variación de la tensión de salida. b) Conectar un LED a la entrada del LM2575 y calcular la resistencia para que la corriente sea de 10 mA. c) Medir la corriente y tensión de salida para una resistencia de carga de 10 Ω y para otra de 15 Ω. Con los valores de las variaciones de tensión y corriente medidas, deducir la resistencia de salida del regulador.

25 V 1,2 a 20 V 330 μH

22k 100 μF

11DQ06

330 μF 1k5

Figura 19.41.

388

Unidad 20

Componentes optoelectrónicos básicos

Objetivos: Conocer los componentes básicos de tipo optoelectrónico, sus características principales y ejemplos prácticos de aplicación: Diodos LED bicolor e intermitentes, displays de 7 segmentos, fotodiodos, fototransistores y optoacopladores.


Diodos LED. Montaje práctico: Simulador de alarma de coche. Displays de 7 segmentos.

20.4 20.5 20.6

El fotodiodo. El Fototransistor. Optoacopladores.

Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos

Recuerda • • • Todos los diodos se fabrican en base a la unión de los materiales semiconductores N y P; unión P-N. Sus terminales se llaman ánodo (A) y cátodo (K).

Figura 20.1. Símbolo de un diodo LED.

20.1 Diodos LED Por medio de aplicación de corriente a ciertos componentes semiconductores se obtiene emisión de luz, siendo el componente resultante más representativo de esta característica el diodo emisor de luz, que se conoce por LED. Aunque ya se hizo una introducción a este muy utilizado componente, ahora se repasa y amplían conceptos; el LED es el componente de introducción a la denominada opto electrónica. LED = Light Emitting Diode ⇒ Diodo emisor de luz En la figura 20.1 se muestra su simbología esquemática típica. A

K La intensidad luminosa que emite el LED aumenta en función de la intensidad directa que circula por el diodo (hasta un cierto límite, a partir del cual del cual se produce una saturación; la luz empieza a cambiar de color y se avería). Se obtienen valores normales de luz con una intensidad entre unos 5 a 20 mA, siendo la tensión típica (caída directa) de unos 1,8 V en los de color rojo y de unos 2 V en los verdes. En otros colores, la caída directa puede ser hasta de unos 4 V. Es el componente normalmente utilizado (en sustitución de las lamparitas de filamento) para indicar la puesta en marcha de aparatos de electrónica (TV, equipos de sonido, ordenadores, etc.), así como para la emisión de luz (no visible por el ojo humano) de control en los mandos a distancia. El aspecto práctico de los tipos de LED más típicos se muestra en la figura 20.2.

Figura 20.2. Aspecto de los diodos LED más usuales.

20.1.1 Aspectos prácticos sobre los LED Los terminales de ánodo y cátodo se pueden diferenciar fácilmente porque de fábrica aparecen con el terminal del cátodo (K) algo más corto que el del ánodo. Además, en la parte del cuerpo donde está el terminal cátodo aparece un achaflanado; mediante este achaflanado es como mejor se puede identificar el terminal cátodo, porque si el LED ha sido utilizado nos podemos encontrar que los terminales hayan sido cortados. (fig. 20.3).

Figura 20.3. En el lado del cuerpo donde está el terminal cátodo (K) hay un achaflanado.

390

Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos En su fabricación se utilizan materiales semiconductores cuya base es el Arseniuro de Galio (ArGa) combinado con otros materiales. El color y rendimiento luminoso depende del material base y sus añadidos utilizado en su construcción. La intensidad luminosa que irradia depende, hasta cierto punto, de la intensidad eléctrica que se le hace circular; la luz aumenta conforme aumenta la intensidad, hasta que se produce la saturación (la luz deja de aumentar, empieza a cambiar de color y el diodo se avería).

20.1.2 Ejemplo de aplicación práctica del LED Cuando se utiliza un diodo LED, puesto que normalmente se alimenta con una fuente de tensión mayor a la de su caída directa (típicamente, unos 2 V), se precisa siempre poner un resistencia en serie con el LED para que éste reciba la tensión e intensidad adecuada. Supongamos que se tiene que utilizar un LED de color rojo en un coche para simular una alarma o simplemente para indicar la activación de algo. Como la batería del coche es de 12 V, considerando la tensión típica de 2 V del LED y una intensidad de 10 mA, el valor de la resistencia deberá ser de:

Una representación práctica del montaje del circuito se muestra en la figura 20.4.

1 kΩ LED BATERIA 12 V Figura 20.4. Representación práctica del montaje de un LED con 12 V.

Actividades propuestas Supongamos que queremos que al poner en marcha el ordenador se encienda un LED rojo y uno verde. Dentro del ordenador disponemos de una fuente de alimentación de 5 V (además de otras). Calcular el valor de las resistencias necesarias para que se enciendan los dos LED; el verde con 20 mA y el rojo con 10 mA.

20.1.3 Diodos LED intermitentes

Figura 20.5. Ejemplo de aplicación típica del diodo LED intermitente; simulador de alarma en un coche. Este tipo de LED se puede alimentar directamente con los 12 V de la batería.

BATERIA 12 V LED intermitente

También hay LEDS que dan luz de forma intermitente. Estos se pueden alimentar directamente con 12 V, no precisando resistencia en serie. Este tipo de LED lleva

391

Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos internamente un chip controlador, que es un generador de impulsos y limitador de la corriente del LED. Su aplicación típica es como simulador de alarma en los coches (alarma disuasoria), y en general como elementos de señalización óptica. En la figura 20.5 se muestra un ejemplo de montaje práctico.

20.1.4 LED bicolor El LED bicolor es un doble LED en un mismo encapsulado; tiene 3 patillas, siendo una de ellas la común. Cada LED es de un color, por lo cual según la patilla activada el LED producirá un color u otro; y se activan las dos a la vez, aparece un color mezcla. En la figura 20.6 se representa un LED bicolor de cátodo común. Es un encapsulado que se llama water clear. Tiene una patilla común (K) y dos patillas de ánodos (A1 y A2). La patilla común es el negativo (podría ir a masa); al aplicar positivo a las otras patillas se encenderán los LEDs. Los colores pueden ser rojo-verde o rojo-azul. La tensión de polarización directa es de unos 1,8 V a 2,4 V. Y la corriente puede llegar a 100 mA. LED bicolor Cátodo común

Figura 20.6. LED bicolor (de cátodo común)

A1 K A2

En la figura 20.7 se muestra un ejemplo de montaje para su experimentación; se puede montar o bien experimentar mediante el programa Multisim. Como es fácil deducir, en un estado del conmutador se encenderá de un color y en el otro estado del otro color.

Figura 20.7. Ejemplo de utilización del LED bicolor (de cátodo común)

20.2 Montaje práctico: Simulador de alarma de coche

En base al LED intermitente se puede hacer un circuito más elaborado; de manera que cuando se apague el motor del coche, automáticamente, se encienda el LED

392

Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos de color rojo intermitente. Y al poner en marcha el coche, automáticamente, se apague el LED rojo intermitente y se encienda un LED verde. Una forma de realizar este circuito es mediante un pequeño relé, tal como se muestra en el circuito de la figura 20.8.

Figura 20.8. Esquema del circuito simulador de alarma para coche. El positivo (+12 V) para la activación del relé se tiene que tomar de un punto donde aparezcan los 12 V cuando se ponga en marcha el motor del coche.

Con el coche a motor parado, aparcado, el relé estará desactivado y entonces el conmutador del relé alimentará al LED rojo intermitente. Y cuando se active la llave de contacto para arrancar el coche, el relé recibirá tensión, se activará, y cambiará de posición los contactos; esto hará que se apague el LED intermitente rojo y se encienda el LED verde. El valor de la resistencia limitadora para el LED verde, debe ser:

El LED intermitente no necesita resistencia, porque incluye internamente un circuito electrónico de control que permite su alimentación con 12 V.

Actividades propuestas 1. En el circuito simulador de alarma de coche de la figura 20.8, hacer el esquema sustituyendo los dos LED por un LED bicolor. Calcular las resistencias para que la corriente sea de unos 15 mA. Experimentar el funcionamiento mediante Multisim, y medir la corriente y tensión del LED. 2. Hacer el montaje de un LED bicolor como el mostrado en la figura 20.7, pero de manera que el rojo se encienda con una corriente de 10 mA y el verde con 20 mA. En los cálculos tomar como tensión de caída directa 2 V. 3. Realizar el montaje de 3 diodos LED en serie, de manera que se pueda alimentar con 12 V y circule una corriente de 20 mA.

20.3 Displays de 7 segmentos Como aplicación del efecto de emisión de luz (LED) se obtienen también lo que se conoce por displays. En su versión básica, son una especie de pantallitas en las cuales pueden aparecer números, algunas letras y algún símbolo; se conocen por displays de 7 segmentos. En la figura 20.9 se muestra el aspecto de algunos modelos de displays de este tipo.

393


Figura 20.9. Aspecto de displays.

Este tipo de visualizadores tiene aplicación para representar valores numéricos en sistemas digitales como relojes, voltímetros, termómetros, aparatos de medida, etc. Otras versiones de visualizadores basados en diversos elementos LED dispuestos en forma matricial dan lugar pantallas de información como las que se ven en el metro, autopistas, tiendas, etc. En la figura 20.10 se representa el aspecto práctico junto el circuito interno de un display de estos. Es un modelo de ánodo común (existe también el modelo de cátodo común). Se basa en 7 segmentos emisores de luz; de ahí la denominación de 7 segmentos. Cada segmento, interiormente, se basa en la emisión de luz de un LED; cuando se enciende, aparece el segmento iluminado. Así, los diferentes dígitos aparecen según los segmentos que se enciendan. Se pueden representar los dígitos del 0 al 9, y las letras A a la F (y algún que otro símbolo). Cada segmento se representa por una letra, que se corresponde con un terminal para aplicar la tensión de activación. Los diferentes dígitos aparecen activando adecuadamente los segmentos. Así, por ejemplo, activando sólo los segmentos a, b y c se visualizará el digito 7. Común

Común

+V

a f

b g c

e

g

f

e

d

c

b

a

d

Figura 20.10. Visualizador de 7 segmentos (Display). El circuito interno se basa en diodos LED.

g

f e

d

c

b a

Aspecto prácco

Circuito interno (modelo de ánodo común)

Un ejemplo de modelo práctico y popular de display de ánodo común es el TDSR 5150. También está el TDSR 5160, que es el mismo tipo en versión de cátodo común. En la figura 20.11 se representa información del fabricante (Vishay) sobre su patillaje, necesario conocer para hacer el conexionado.

Figura 20.11. Aspecto práctico-patillaje (vista frontal) del visualizador de 7 segmentos TDSR 5150 (ánodo común) y TDSR 5160 (cátodo común).

394


20.3.1 Montaje práctico de un display Para que se visualice, por ejemplo, el dígito 7 se montaría el circuito que se representa en la figura 20.12. Considerando una tensión de 2 V y una intensidad de 20 mA para los segmentos, si la alimentación es de 5 V, el valor de la resistencia deberá ser:

+5V

+5V

Común

a

P

c

f

g

d

e

Común

b

Común

c

b

a

(Vista trasera) Figura 20.12. Representación del montaje del display de ánodo común TDSR 5150, para visualizar el dígito 7.

150 Ω

150 Ω

20.3.2 Display de cátodo común El display de tipo cátodo común, se diferencia únicamente en que el terminal común se corresponde con la unión de todos los cátodos (fig. 20.13). Para que se visualicen los diferentes símbolos es cuestión de activar, encender, adecuadamente los diferentes diodos LED; que se hará conectando el terminal común al positivo de la alimentación, y conectando los terminales de los segmentos a masa a través de resistencias (para limitar la intensidad). Las reglas de utilización son las mismas que para los diodos LED; como base, podemos partir de unos 2 V y una intensidad de 5 a 20 mA para cada segmento. Común

g

f

e

d

c

b

a

Figura 20.13. Display del tipo cátodo común.

Un modelo práctico y popular es el TDSR 5160, cuya información de patillaje es la misma que la del modelo de ánodo común TDSR 5150. Un ejemplo de cómo sería el montaje del display de cátodo común TDSR 5160 para visualizar el dígito 7 se representa en la figura 20.14.

395


Común

TDSR 5160 (cátodo común)

c

Figura 20.14. Representación del montaje de un display del tipo cátodo común para visualizar el dígito 7.

b a 150 Ω +5 V

Actividades propuestas 1. ¿Cuántas patillas tiene un display de 7 segmentos, como el TDSR 5160? Teniendo en cuenta que cada segmento internamente es un LED, explicar cómo se podría comprobar su estado mediante el tester. 2. ¿Qué segmentos se tienen que encender para que aparezcan los números 3, 5 y 9? 3. Representar el aspecto de un display de ánodo común y otro de cátodo común, con sus esquemas de los circuitos internos de diodos LED. ¿Qué modelos comerciales son de este tipo? 4. Dibujar el esquema práctico para que en un display de cátodo común aparezca el número 5. Alimentarlo con 5 V, y que la corriente por los segmentos sea de 10 mA.

20.4 El fotodiodo El fotodiodo es un tipo de diodo fabricado como sensor de luz; al recibir luz, aumenta notablemente su corriente inversa. En la figura 20.15 se representa su simbología y el aspecto práctico de un modelo comercial; el BPW43, de Vishay, cuyo encapsulado es como un LED.

Figura 20.15. Simbología y aspecto práctico de un fotodiodo comercial (BPW43). Es un sensor de luz; su corriente inversa varía en función de la intensidad luminosa recibida.

K

A

En la figura 20.16 se representa la estructura interna de un fotodiodo. Al igual que el diodo LED, dispone de una estructura óptica externa; pero en este caso, en vez de para permitir la emisión luz, es para favorecer la incidencia de luz sobre la unión semiconductora. Para ello dispone de una especie de ventanita óptica, que es por donde recibe la luz la unión PN. Figura 20.16. Estructura interna de un fotodiodo. A través de una ventanita, la luz puede incidir en la unión PN, lo cual hace que la corriente inversa aumente en función de la intensidad luminosa.

396

Ánodo P Luz Cátodo

N


20.4.1 Funcionamiento y características La curva característica de la corriente inversa en función de la iluminación se muestra en la figura 20.17. La corriente inversa (IR) aumenta aproximadamente de forma proporcional a la intensidad luminosa recibida. +V

IR (mA)

Luz

IR

Figura 20.17. La corriente inversa del fotodiodo aumenta en función de la intensidad luminosa recibida.

Iluminación Así, un fotodiodo es un tipo de foto detector; proporciona corriente eléctrica en función de una magnitud luminosa.

20.4.2 Circuito básico de aplicación práctica del fotodiodo El fotodiodo se utiliza polarizado de forma inversa, de forma que circulará una pequeña corriente inversa, pero que aumentará en función de la magnitud luminosa que reciba. El circuito práctico de aplicación básico es el representado en la figura 20.18. + VB

Luz Fotodiodo VO Figura 20.18. El fotodiodo se utiliza en polarización inversa; la corriente inversa aumenta conforme lo hace la intensidad luminosa.

Tensión de salida Proporcional a la luz.

R 0V

En oscuridad, sólo circulará una pequeña corriente, de orden de pocos nA. Y cuando reciba luz, dicha corriente aumentará proporcionalmente a la potencia luminosa recibida (mW/cm2). Se puede obtener así una tensión que será proporcional a la potencia luminosa. Hay que tener en cuenta que el valor de la corriente inversa es del orden de pocos μA. La intensidad que circulará por el circuito viene dada por:

Así, en la resistencia se tendrá una caída de tensión que vendrá dada por: Siendo IR la corriente inversa del diodo. Y dicha caída de tensión aumentará en función de la intensidad luminosa recibida. Así, la detección de la luz se puede obtener por medio de la variación de tensión en la resistencia. Si el fotodiodo se polariza de forma directa, se comporta como un diodo normal; aparece una tensión directa de unos 0,7 V. 397

Unidad 20 · Componentes optoelectrónicos básicos Si al fotodiodo no se le aplica polarización alguna, genera un pequeña tensión cuando recibe energía luminosa; o sea, se comporta como una célula fotovoltaica. Dicha tensión se llama potencial fotovoltaico, y es de unos 0,5 V.

20.5 El fototransistor El fototransistor es un componente fotodetector, similar al fotodiodo pero con mayor sensibilidad. El fototransistor proporciona, al igual que el fotodiodo, una corriente proporcional a la luz recibida. Internamente se basa en el efecto del fotodiodo amplificado mediante un transistor. La sensibilidad del fototransistor es por tanto superior a la de un fotodiodo, ya que la pequeña corriente foto generada es multiplicada por la ganancia del transistor. Aunque los transistores tienen tres terminales, en los fototransistores sólo suelen disponerse de dos, aunque también los hay de tres terminales. En la figura 20.19 se muestra la simbología y aspecto práctico de un modelo muy comercial; el BPW40, cuyo encapsulado es igual que un LED de 5 mm. C

Figura 20.19. Simbología del fototransistor y aspecto práctico de un tipo comercial (BPW40).

E C

E

El funcionamiento del fototransistor se basa en la generación de una corriente de base cuando reciben luz. El circuito equivalente es como el presentado en la figura 20.20; la corriente de base es proporcionada por una unión PN sensible a la luz, o sea, un fotodiodo, y dicha corriente es amplificada por el transistor. Se obtiene así entre los terminales colector (C) y emisor (E) una corriente proporcional a la luz recibida. C

Figura 20.20. Circuito equivalente de un fototransistor.

E

20.5.1 Fototransistor BPW40 Algunas de las características del fototransistor BPW40 son: • Tensión máxima Colector-emisor (VCEO): 32 V • Corriente máxima de colector (Collector Current): 100 mA • Intensidad es oscuridad (Collector Dark Current): 10 nA (valor típico, para una VCEO = 20 V) • Intensidad con iluminación (Collector Light Current): 2 mA, para VCEO = 5 V y una potencia luminosa de E = 1 mW/cm2 (a una longitud de onda λ = 950 nm)

20.5.2 Ejemplo de aplicación práctica del fototransistor En la figura 20.21 se muestra un ejemplo de aplicación práctica, con el fototransistor BPW40.

398


+10 V Fototransistor BPW40 Luz

C

E VO Según medidas: Oscuridad: VO ≅ 0 V Luz intensa (ambiente): VO ≅ 9,8 V

470k Figura 20.21. Aplicación del fototransistor BPW40.

0V

En oscuridad relativa, la tensión de salida que se ha medido es aproximadamente 0 V. En teoría, considerando la corriente típica de unos 10 nA en oscuridad que indica el fabricante, la tensión en la resistencia sería: O sea, menos de 5 mV; un valor que se puede considerar prácticamente cero. Y en iluminación normal, como la tensión medida es de aproximadamente 10 V, la intensidad a través del fototransistor y por la resistencia es:

En estas condiciones se dice que el transistor se encuentra saturado, porque ya no puede circular más intensidad aunque se le aplique mayor potencia luminosa; la corriente queda limitada por el valor de la resistencia. Entre las patillas colector y emisor (VCE) la tensión es aproximadamente cero: Para obtener mayor corriente con mayor iluminación, se tendría que aumentar la tensión de alimentación o disminuir el valor de la resistencia.

Actividades propuestas 1. ¿Qué función básica realiza un fotodiodo? Dibujar su simbología. 2. Representar su curva representativa (IR en función de la luz), y el montaje que permite su utilización. Explicar el circuito de aplicación. 3. ¿Qué es potencial fotovoltaico?, ¿de qué valor es aproximadamente? 4. Indicar un modelo comercial de fotodiodo. 5. ¿Qué función realiza un fototransistor? Dibujar su simbología. ¿En qué se diferencia con el fotodiodo? 6. Indicar un modelo comercial de fototransistor. 7. Dibujar el esquema interno funcional de un fototransistor. ¿En qué componentes básicos se fundamenta? 8. ¿Qué significa Collector Dark Current y Collector Light Current? 9. Dibujar el circuito base de aplicación del fototransistor, y explicar cómo funciona.

399


20.6 Optoacopladores Los optoacopladores son dispositivos cuyo acoplamiento entre la entrada y la salida es de tipo fotónico; o sea, por medio de emisión luminosa; existe, por tanto, aislamiento eléctrico entre la entrada y la salida. Estos dispositivos se basan en un elemento emisor de luz y un elemento detector de luz (figura 20.22).

+ Luz Emisor de luz Figura 20.22. Estructura interna general de un optoacoplador.

Detector de luz

Entrada (señal eléctrica)

Salida (Señal eléctrica)

Esto permite el control, transmisión, de señales entre dos sistemas con un total aislamiento eléctrico, lo cual es muy utilizado en, por ejemplo, el acoplamiento de señales de entrada-salida en autómatas programables, ordenadores y en general el control de potencia en corriente alterna.

20.6.1 Estructura interna y funcionamiento En la figura 20.23 se muestra el esquema interno general típico de un elemento opto acoplador. Se basa en un diodo LED (elemento emisor de luz) y un fototransistor (elemento detector de luz). Al polarizar el LED, éste emite una radiación fotónica (luz) que activa al fototransistor y ello da lugar a una corriente colector – emisor. Mediante la corriente emisor – colector se pueden controlar elementos como pequeños relés, entradas de ordenadores ó autómatas, etc. IC

ID

+

+

Salida

Entrada Figura 20.23. Circuito interno básico de un optoacoplador.

20.6.2 El optoacoplador 4N26 Un ejemplo de optoacoplador comercial, con salida por fototransistor, es el 4N26, cuya estructura interna y patillaje se muestra en la figura 20.24. Sus características básicas a tener en cuenta son: Corriente de entrada (LED): IF(máx.) = 60 mA Tensión de entrada (LED): VF ≈ 1,5 V Tensión colector emisor: VCEO(máx.) = 70 V Corriente de colector IC(máx.) = 50 mA

4N26 1

6

2

5

6 3

Figura 20.24. Optoacoplador 4N26.

400

4

1


20.6.3 Circuito de aplicación práctica En la figura 20.25 se muestra un ejemplo práctico de circuito de control entre dos sistemas de forma opto acoplada. Se trata de una señal procedente del contacto de un final de carrera, que tiene que activar una entrada de un sistema digital (ordenador, PLC, etc.). Podría tratarse, por ejemplo, de una máquina que tuviera que enviar una señal de control de presencia de pieza a un sistema digital de control. La utilización de un optoacoplador permite que las masas de la máquina y el sistema digital sean diferentes, no existe conexión eléctrica alguna entre ambos sistemas; esto se llama, aislamiento galvánico.

+ 5V 24 V S1

IC 1k2

Entrada (24 V)

5 μF

Figura 20.25. El sistema de control eléctrico de una máquina (tensión de mando de 24 V) se comunica con un sistema digital de forma óptica; no hay conexión eléctrica entre los dos sistemas.

4N26

1k2 1

5

2

4

Aislamiento galvánico

Masa de la máquina

4k7

Sistema digital

Masa del sistema digital

En este caso se ha supuesto una tensión continua de control de 24 V, aunque, adecuando el circuito de entrada al diodo, puede ser de cualquier valor y también alterna; lo que debe lograrse es la correcta excitación del diodo emisor. La señal de salida del sistema digital es la después podría ser la entrada de control de un circuito interruptor electrónico como los presentados anteriormente.

Actividades prácticas Objetivos: Realizar un montaje con dos displays de ánodo común (TDSR 5150) para que se visualicen las letras A y H. El circuito se alimentará con 12 V, y mediante un interruptor se podrá apagar y encender el display.

Proceso: Es cuestión de conectar debidamente las patillas de los displays. El terminal común (ánodos) se conectará al positivo (+ 12 V) y las otras patillas a masa (0 V) a través de resistencias del valor adecuado. Al ser la alimentación de 12 V, para una corriente de 20 mA, el valor de las resistencias deberá ser:

El montaje del display se muestra en la figura 2.25.

401


+ 12 V

b

a

f

g

470 Ω

c

a

P

c

(Vista trasera)

d

e

470 Ω

Figura 2.26.

Actividades finales 1. ¿Qué es un optoacoplador? Representar los componentes básicos que lo componen. 2. ¿Qué significa aislamiento galvánico? 3. Explicar y representar el optoacoplador 4N26. 4. Explicar el circuito de la figura 20.25, en especial la función que realiza el optoacoplador.

402

f

g

d

e

Común

Común

P

b

Unidad 21

Tiristores

Objetivos: Saber la teoría y práctica básica relativa a los circuitos de control de potencia en continua y alterna. En especial, se trata de una forma sencilla y práctica, el tiristor (SCR), ya que es el componente esencial en electrónica de regulación de potencia. Se explican las funciones del Tiristor (SCR), el Triac y el Diac, con aplicaciones prácticas.

En este capítulo: 21.1 21.2 21.3 21.4

El tiristor (SCR). Curvas características del tiristor. Regulación de potencia por ángulo de fase. Rectificación controlada.

21.5 21.6 21.7

Circuito práctico regulador de potencia (en continua). El Triac y Diac. Circuito prácticos reguladores en alterna con Triac - Diac.

Unidad 21 · Tiristores

Recuerda • • • La fabricación de los componentes electrónicos, desde un diodo hasta un CI complejo, se basa en el semiconductor silicio. En los emisores de luz, LED, displays, se utiliza el semiconductor Arseniuro de Galio (ArGa), combinado con otros materiales.

21.1 El tiristor (SCR) El tiristor (SCR) se comporta como un diodo pero que solo conduce cuando a través de una patilla de control (G) se le aplica una pequeña corriente de disparo. Es un componente de 3 patillas, que se llaman ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G). En la figura 21.1 se muestra su simbología general típica y aspecto práctico de un tiristor de mediana potencia. SCR, significa rectificador controlado de silicio (Silicon Controller Rectifier). Es un componente de la familia de componentes llamados tiristores, entre los cuales está también el triac, GTO, MCT, etc., siendo el más representativo y popular el SCR; por eso se conoce, en general, por tiristor. Se utilizan en electrónica general, pero se puede decir que es el componente fundamental en electrónica de potencia. Es importante saber que, aunque se dispone en versiones de baja y mediana potencia, también existen modelos para elevadas potencias que se utilizan en aplicaciones de control de motores de alta potencia (para la tracción en trenes, por ejemplo). Ánodo (A)

Puerta (G) Figura 21.1. Símbolo del tiristor (SCR) y aspecto real de un modelo muy utilizado (BT151).

Cátodo (K)

21.1.1 Función básica del SCR Un tiristor (SCR) se comporta como un diodo rectificador normal, con la diferencia en que sólo conduce cuando está polarizado de forma directa y además se le aplica un pequeño impulso de corriente (mA) en la patilla llamada puerta (G). La patilla puerta y la patilla cátodo internamente es como un diodo; de manera que cuando se le aplica corriente aparece una caída directa como en los diodos: VG-K ≅ 0,7 V. Y en estado de conducción, entre los terminales ánodo y cátodo aparece una tensión también como en los diodos (algo mayor, dependiendo de la intensidad que circule): VA-K ≅ 1 V. Una vez el tiristor entra en conducción (esto también se llama cebado), aunque desaparezca la corriente de puerta sigue conduciendo; tiene efecto de memoria. Sólo deja de conducir (pasa al estado de bloqueo), si la corriente de ánodo se corta o se hace inferior a un valor mínimo (que se llama corriente de mantenimiento).

Actividades prácticas Experimentación del tiristor En la figura 21.2 se muestra un montaje práctico que permite experimentar el comportamiento del tiristor SCR, y medir sus valores característicos básicos. El LED permanecerá apagado hasta que no se active el pulsador de cebado; al hacerlo, se aplica una pequeña corriente de puerta (IG) que hace que el tiristor se ponga a conducir, con lo cual se encenderá el LED (es la carga de ejemplo). En dicho estado, aunque el pulsador de cebado este abierto, o sea, no haya corriente de puerta, el tiristor seguirá conduciendo y el LED encendido. Únicamente se puede hacer que el tiristor deje de conducir, o sea, que pase al estado de bloqueo, si la corriente de ánodo se interrumpe

404


Actividades prácticas (o bien disminuye por debajo de un cierto valor). Esto se consigue al pulsar el pulsador de descebado, ya que se corta el circuito y deja de circular corriente a través del ánodo y de la carga (LED). Para que vuelva a conducir, se tiene que activar otra vez el pulsador de cebado.

LED

R1 600 Ω

Descebado Cebado 12 V R2 2k7

Figura 21.2. Circuito que permite experimentar el comportamiento del tiristor.

BT151

R1 100 k

La resistencia de R3 (100 k) se pone para que la puerta del tiristor no quede al aire, sin conectar, cuando el pulsador de cebado se encuentra abierto; si quedará al aire, el tiristor estaría muy sensible a cualquier señal eléctrica ambiental y podrían aparecer cebados no deseados. De hecho, se puede comprobar cómo con sólo tocar con el dedo en la patilla puerta podría cebarse el tiristor. Los valores de corriente de puerta (G) y de ánodo se calculan fácilmente: Considerando una tensión de puerta (VG-K) de unos 0,7 V y la tensión típica del LED de 2 V (no consideramos la resistencia R3), la corriente de puerta es:

Y la corriente ánodo-cátodo (IA-K), suponiendo una tensión de VA-K ≅ 1 V, tenemos:

Así pues, el tiristor tiene un efecto de memoria. Y este circuito se comporta como el popular circuito de marcha-paro utilizado en automatismos eléctricos. El pulsador de cebado equivale al de “marcha” y el pulsador de descebado al de “paro”. El tiristor es por tanto un dispositivo con dos estados estables; conducción y bloqueo. Y debe quedar claro que a través de la corriente de puerta sólo lo puede poner en conducción, pero no se puede bloquear. Existe un tipo de tiristor que sí permite cortar la conducción también a través de la puerta (aplicando un impulso negativo); se llama GTO, y es de uso exclusivo en electrónica de potencia, típicamente en trenes. La función básica del SCR permite, entre otras, una aplicación básica que se llama rectificador controlado (de ahí la denominación de SCR); el valor de la corriente continua de salida se puede regular en función de los impulsos aplicados en la patilla puerta (figura 21.3).

405


Recficador controlado (c.a ⇒ c.c)

Tensión connua (controlada)

Tensión alterna (red eléctrica) Impulsos de control

Figura 21.3. Estructura conceptual de los rectificadores controlados. Por medio de impulsos, se controlan los tiristores y se hace así que varíe la tensión continua media de salida.

Ajuste manual

Unidad de control

Actividades de evaluación Preguntas 1. Dibujar el símbolo de un tiristor SCR y explicar sus patillas. ¿Qué significa SCR? 2. De forma resumida, ¿qué función básica realiza un SCR? Indicar 4 modelos comerciales de SCR (buscar información en Internet) y anotar sus características básicas. 3. ¿De qué orden de valores son VA-K, VGK y IGK?

Actividad práctica Experimentar el circuito de la figura 21.2, y hacer un resumen sobre el funcionamiento.

21.2 Curvas características del tiristor En la figura 21.4 se muestra la curva característica típica de un tiristor. Aparece la zona de polarización directa, que es cuando una pequeña corriente de puerta lo puede cebar, poner en conducción. Polarización directa

IF

IG = Intensidad de Gate IG0 = 0 IG1 > IG0 IG2 > IG1 IG3

IG2

IG1

IG0

Tensión de ruptura ≅1V

VR

Polarización inversa

Figura 21.4. Curvas características del tiristor.

406

VBO

Tensión que podría cebar el ristor aunque IG0 = 0

VF

Unidad 21 · Tiristores Normalmente con una pequeña corriente de puerta (mA), lo cual da lugar a una pequeña tensión entre puerta y cátodo (VG ≅ 1 V), el tiristor se ceba; y seguirá cebado mientras no se interrumpa la corriente de ánodo o ésta disminuya por debajo de una valor que se llama corriente de mantenimiento y se representa por IH (holding current). Conforme la IG es mayor se necesita menos tensión ánodo-cátodo para el cebado, es lo que representa los valores IG0 = 0, IG1 > IG0, IG2 > IG1 en el gráfico de la figura 21.4. Aunque para que se cebe el tiristor se necesita que esté polarizado de forma directa y además se aplique una corriente en la puerta (Gate), si la tensión ánodo-cátodo es muy elevada (VBO) se puede producir un cebado no deseado, aunque la corriente de puerta sea cero (IG = 0). La tensión máxima que se puede aplicar entre ánodo-cátodo sin que se cebe, para IG = 0, se indica por VDSM. En la figura 21.5 se representa un resumen de los estados básicos del tiristor. BLOQUEO INVERSO: No conduce aunque se le aplique corriente de puerta.

BLOQUEO DIRECTO: No conduce porque no ene corriente de puerta.

CONDUCCIÓN NORMAL: Está poralizado de forma directa y además se le aplica corriente de puerta.

Figura 21.5. Estados básicos del tiristor.

21.2.1 Datos característicos básicos del tiristor VF = Tensión directa entre ánodo-cátodo. El límite es VDSM. IF = Intensidad directa (conducción normal). VR = Tensión inversa ánodo-cátodo. El límite debe ser menor a VRB. VDSM = Es el valor máximo de tensión directa de pico sin que el tiristor entre en conducción. IH = Corriente de mantenimiento. Es la mínima corriente que puede mantener al tiristor cebado; por debajo de este valor, se puede descebar. (IH = Holding current). Este valor puede estar entre 0,5 mA a unos 0,5 A, dependiendo del tiristor.

407

Unidad 21 · Tiristores IL = Corriente de enganche; es la mínima corriente que debe estar circulando por ánodo-cátodo para que cuando se aplique el impulso de puerta el tiristor se quede cebado. dV / dt = Velocidad máxima de aumento de la tensión ánodo-cátodo, sin que se llegue a cebar el tiristor sin corriente de puerta. dI / dt = Velocidad máxima de aumento de la corriente ánodo-cátodo. A partir de este valor se puede dañar la unión semiconductora del tiristor, ya que la corriente no se reparte uniformemente por el bloque semiconductor y se producen calentamientos puntuales.

21.3 Regulación de potencia por ángulo de fase

La denominada regulación de potencia por ángulo de fase es un sistema de regulación que se basa en entregar a la carga una tensión continua (pulsatoria) o alterna, cuya magnitud se varía controlando el ángulo de la onda que recibe la carga; o sea, la carga puede recibir la onda completa de entrada (máxima potencia) o sólo una porción de ésta (pequeña potencia). Esto se consigue haciendo que el circuito de control de potencia (tiristores) sólo conduzca durante ciertos intervalos del ciclo de la onda de entrada. La carga puede recibir tensión continua o tensión alterna, dependiendo del tipo de circuito realizado. En la figura 21.6 se ilustra esto en base a un circuito regulador en alterna. Este sistema de regulación tiene la ventaja frente a los sistemas tradicionales de regulación (por reóstato) de que sólo se consume (aproximadamente) la energía que consume la carga; o sea, tiene un alto rendimiento, casi no se desperdicia potencia eléctrica en el sistema de regulación. El circuito de control de potencia trabaja en conmutación (conducción-corte), se comporta como un interruptor que se abre y se cierra automáticamente en función de los impulsos que le entrega la unidad de control. Elemento regulador (Trabaja en conmutación)

Se pierde baja potencia: P = 5 × 2 = 10 W

≅2V I=5A

El valor de tensión en la carga depende del ángulo de conducción del elemento regulador.

Impulsos de control

M

P = 10 + 500 = 510 W Figura 21.6. Regulación de potencia por control del ángulo de fase. Casi no tiene pérdidas de potencia.

100 V (500 W)

230 V I=5A

La carga recibe partes de la onda, según sea el ángulo de conducción del circuito de control; si conduce durante todo el ciclo de la onda de entrada, la carga recibe la onda completa, toda la tensión de entrada; y si conduce, por ejemplo, sólo a partir de un ángulo de 90° (1/4 de ciclo), es el caso del circuito de la figura 21.6, la carga recibe sólo la mitad de los semiciclos de la onda de entrada, lo que supone la mitad de la tensión de entrada.

408

Unidad 21 · Tiristores A nivel comparativo, en la figura 21.7 se muestra un circuito de regulación clásico basado en potenciómetro de potencia (reostato). Es un sistema que se caracteriza por sus elevadas pérdidas de potencia en el sistema de control, aunque aun se sigue utilizando en ciertas aplicaciones de control de velocidad de motores de tracción (ferrocarriles). La pérdida de potencia puede ser mayor en el reostato que la utilizada en el motor.

I=5A

Elemento regulador (Reostato) 130 V

Se pierde alta potencia: P = 5 × 130 = 650 W

El valor de tensión en la carga depende de la caída de tensión en el elemento regulador.

Figura 21.7. Regulación de potencia por el sistema de potenciómetro de potencia (reostato). Las pérdidas de potencia pueden ser mayores que la energía consumida en la carga.

M

650 + 500 = 1150 W

100 V (500 W)

I=5A

230 V

21.4 Rectificación controlada El circuito más simple de regulación por ángulo de fase es el rectificador en media (figura 21.8). Se basa en un solo tiristor y el correspondiente circuito de mando. α = 90°

Carga (RL)

Unidad de control Figura 21.8. Principio de la regulación de potencia por ángulo de fase.

Durante el semiciclo positivo de la onda de entrada, el ánodo es positivo, de manera que el tiristor queda predispuesto para conducir; pero no lo hace hasta que no reciba el impulso de disparo en la puerta. Una vez cebado el tiristor, en conducción, éste seguirá conduciendo hasta que la corriente de ánodo sea menor que el valor de la corriente de mantenimiento (IH) del tiristor, lo cual ocurrirá automáticamente cuando la onda de entrada pase por cero; en ese instante, el tiristor se bloquea y permanece así hasta que no le llegue otro impulso de disparo. En un circuito de este tipo, rectificador de media onda controlado, el valor medio de la tensión continua en la carga se obtiene por:

409

Unidad 21 · Tiristores En la figura 21.9 se representa el diagrama de ondas para un ángulo de disparo de α = 90°. Tensión de entrada

VP

0

90

90

90

360°

-VP Impulsos de disparo (α = 90°)

Tensión de salida

VP

Figura 21.9. Ondas de entrada y salida para un ángulo de disparo de 90º.

0 T = 0,02 s (f = 50 Hz) El impulso de disparo al tiristor se aplica justo cuando la onda de entrada se encuentra en su valor máximo (VP), que coincide con α = 90°. A partir de ese instante el tiristor se pone a conducir y la carga recibe corriente, y no se bloquea hasta que la onda de entrada pasa por cero (180°). Después, hasta que no le llegue otro impulso de disparo, no volverá a conducir, y así sucesivamente. Para un ángulo de disparo α = 90° la tensión de salida, como se puede hasta deducir por simple observación, es la mitad del máximo valor que se podría obtener (α = 0°).

21.4.1 Cálculo de la tensión de salida Suponiendo la tensión alterna de entrada normalizada de 230 V, la tensión de pico es: Así pues, para el ángulo de disparo de 90°, la tensión media continua en la carga será:

Es la mitad de la tensión máxima que se podría obtener, que se consigue si el ángulo de disparo es 0°:

Y para α = 45°, se obtendría una tensión mayor que para α = 90°:

Y, como se deduce, para un ángulo de disparo de 180° la tensión de salida es cero:

En resumen, para ángulos de disparo entre unos 0° y 180°, la tensión de salida puede variar entre unos 103 V (el máximo) y 0 V (el mínimo). En la figura 21.10 se muestra de una forma más detallada la onda de salida del circuito para α = 90°. Se observa el tiempo de conducción y bloqueo del tiristor. 410

Unidad 21 · Tiristores Es una onda de tensión continua pulsatoria, cuyo valor medio puede variar en función del ángulo de disparo del tiristor; es un circuito rectificador controlado de media onda, el circuito más sencillo de regulación por ángulo de fase. Tensión de salida para α = 90°: (cos 90° = 0)

Ángulo de conducción del SCR

Vm =

VP 1 + cos α VP 1 = = 51,2 V π π 2 2

VP

230 2 ≅ 325V

Vm

Vm ≅ 51,7 V α = 90°

180°

360° SCR bloqueado

T (20 ms) Figura 21.10. La tensión continua media de salida es 51,7 V para un ángulo de disparo de α = 90º.

Actividades de evaluación 1. Explicar la información que aporta el gráfico de la figura 21.4. 2. Explicar, con datos prácticos, las siguientes características de un SCR: VF , IF ,VR ,VDSM , IH , IL. 3. Explicar y representar los estados del SCR: • Bloqueo inverso • Bloqueo directo • Conducción normal 4. ¿En qué consiste la regulación de potencia por ángulo de fase? Explicar los principios y características esenciales. ¿Puede realizarse en continua y alterna? 5. ¿A qué se denomina rectificación controlada? 6. Representar un circuito elemental de rectificación controlada y explicar sus principios: a) Dibujar el diagrama de ondas de la tensión de entrada, tensión de salida (para α = 45°). b) Si la tensión de entrada es 230 V, ¿qué valor de tensión media recibirá la carga?

21.5 Circuito práctico regulador de potencia (en continua)

El circuito siguiente (figura 21.11) es un rectificador controlado en doble onda. El tiristor recibe, a través de la carga, la tensión continua pulsatoria que sale del rectificador de doble onda (puente de diodos). Y dependiendo del ángulo con se le apliquen los impulsos de disparo al tiristor, la carga podrá recibir una tensión desde 0 V hasta casi el máximo. Los impulsos de disparo son proporcionados por un generador de impulsos basado en un transistor UJT; este tipo de circuito se llama oscilador de relajación. Dicho circuito se alimenta de la tensión que proporciona el puente de diodos, limitada a 12 V por medio de un zener y la correspondiente resistencia limitadora.

411

Unidad 21 · Tiristores La misma corriente del zener se aprovecha para encender un LED indicador, y de paso se aumenta unos 2 V la tensión del oscilador de relajación. La potencia máxima de la carga (motor) depende de la potencia del puente de diodos y del tiristor; como los diodos 1N4007 permiten una corriente máxima de 1A, aunque el tiristor BT151 permite una corriente de 4 A, el circuito regulador es para una carga de máximo 1 A.

VP = 230 2 12 V 10 k 4 W

1N4007 230 V

47 Ω

100 k

Ajuste Vel.

M 1k α = 90° LED

2N 2646 BT 151

100 Ω 150 Ω

Figura 21.11. Circuito práctico que permite regular la potencia en una carga de C.C. En este caso, como ejemplo se regula un motor.

150 nF

Zener 12 V

La carga, un motor de continua en este caso, recibe un valor medio de tensión continua en forma de porciones de semiciclo positivo de la red eléctrica. Esto se consigue haciendo que el tiristor sólo conduzca (se cebe) un cierto ángulo del semiciclo, lo cual se logra aplicándole el impulso de disparo en el instante adecuado. Si el ángulo de disparo del tiristor es α = 90°, se aplica el impulso al cabo de 5 ms de inicio del ciclo positivo, el tiristor permanecerá en conducción durante el resto del semiciclo; hasta que la tensión llega casi a cero. En este sistema de regulación sólo se consume energía de la red eléctrica durante el ángulo que el tiristor conduce; por ello, prácticamente no se desperdicia potencia eléctrica.

21.5.1 Cálculo de la tensión de salida En un circuito como este, la tensión media continua en la carga se obtiene aplicando la fórmula:

Así, en teoría, para un ángulo de disparo de α = 0°, como que cos 0° = 1, la tensión en la carga sería el máximo:

Como en la red de 230 V la tensión de pico es:

La tensión máxima en continua en la carga sería:

En la práctica, el ángulo de disparo tiene que ser un poco mayor que 0°, porque para 0° la tensión es cero y el tiristor no se puede cebar; cuando se aplica el impulso de

412

Unidad 21 · Tiristores disparo, para que el tiristor se cebe, la corriente de ánodo tiene que ser mayor a una corriente que se llama corriente de enganche. Para un ángulo de disparo de α = 90° la tensión sería la mitad:

Para un ángulo de disparo de disparo de α = 180°, como cos 180° = – 1, la tensión de salida es cero:

Así pues, la carga recibiría una tensión continua que podría variarse entre 0 V y unos 207 V. Así, en la práctica, no se puede conseguir la potencia máxima teórica, debido a la característica corriente de enganche del tiristor. El tiristor sólo se puede cebar si, cuando recibe el impulso de disparo, la tensión de ánodo es lo suficientemente alta para que la corriente en conducción sea superior a la de enganche del tiristor. Por otra parte, debido a la característica corriente de mantenimiento (IH), la conducción no se mantiene hasta el final del semiciclo; el tiristor deja de conducir un poco antes, porque la corriente por la carga es más baja que la de mantenimiento. Así, es obvio, que no se puede conseguir que la carga reciba la onda completa de entrada.

Actividades prácticas Montaje de un Regulador por ángulo de fase Un circuito práctico enfocado para experimentar y analizar en clase se muestra en la figura 21.12. En este caso, por cuestiones de seguridad, la alimentación es de 24 V en vez de directamente con la red eléctrica de 230 V. Los 24 V se consiguen fácilmente con un transformador. También, la carga puede ser una lamparita de 24 V (o dos de 12 V en serie); de esta manera, podemos observar visualmente la graduación de la potencia en la carga. Hacerlo así también nos facilita la observación y análisis de señales mediante el osciloscopio.

560 Ω 1 W

1N4007

24 V 47 Ω

100 k

Ajuste Vel.

24 V 1k LED

2N 2646 BT 151

100 Ω 150 Ω

150 nF

Zener 12 V

Figura 21.12. Circuito práctico de experimentación del circuito regulador por variación de ángulo de fase. Se alimenta con 24 V (de un transformador).

413


Actividades prácticas La resistencia que alimenta al circuito de control del tiristor (generador de impulsos basado en el transistor UJT) ahora es de 560 Ω 1 W en vez de 10k 4 W, ya que la caída de tensión que debe proporcionar es mucho menor. De hecho, la única diferencia entre el circuito alimentado con 230 V o con 24 V es dicha resistencia. Una foto del circuito montado en placa de topos, tal como se ha experimentado en clase, se muestra en la figura 21.13. Para un ángulo de disparo próximo a α = 0°, la tensión en la carga será el máximo. Como la entrada son 24 V, la tensión máxima (valor medio en continua) de salida será:

En el montaje práctico se ha utilizado como carga una lamparita de 24 V en paralelo con un motorcito de 12 V de los que se utilizan para refrigerar la CPU o F.A. de los ordenadores. De esta manera, mediante ajuste del potenciómetro, se observa la variación luminosa de la lamparita y también de la velocidad del motor. Aunque el motor sea de 12 V no pasa nada, no se estropea, porque es con fines experimentales y sabemos que no es bueno que reciba la tensión máxima continuamente. Los 24 V de alimentación se consiguen mediante un transformador. Con un montaje como este se puede experimentar y analizar mediante osciloscopio, fácilmente y sin demasiados riesgos, las señales que genera el UJT, los impulsos de disparo del tiristor, la forma de onda en la carga, etc.

Entrada 230 V Ajuste potencia Transformador 230 V/24 V UJT Lamparita de 24 V

Figura 21.13. Montaje de circuito regulador para su experimentación.

Tiristor

21.6 El triac y diac El triac es un componente similar al tiristor SCR, pero que permite la circulación de corriente de una forma bidireccional, lo cual lo hace especialmente interesante para el control y regulación de aparatos alimentados con corriente alterna. Con un triac se puede realizar por tanto la función de un relé de una forma electrónica. En la figura 21.14 se muestra su simbología y aspecto real de un modelo comercial (BT137).

21.6.1 Función básica del triac Al no tener polaridad ya no se conservan los términos ánodo y cátodo como en el tiristor SCR; sus patillas se denominan T1, T2 y puerta (G). No tiene polaridad, la corriente puede circular tanto en el sentido T1 a T2 como de T2 T1; se comporta como si fuera un interruptor. Al igual que el SCR, para que conduzca es necesario aplicar un

414

Unidad 21 · Tiristores impulso de corriente (uno pocos mA) en la patilla puerta. Dicho impulso tampoco tiene polaridad, puede ser negativo (–) o positivo (+), aunque la sensibilidad no es la misma en todos los casos.

Figura 21.14. Símbolo de un triac. Un modelo comercial muy utilizado es el BT137.

21.6.2 Estados de polarización En la figura 21.15 se representan las diferentes polaridades que se pueden dar, en todos los casos puede conducir, pero con más o menos sensibilidad en la corriente de puerta. La máxima sensibilidad en el disparo, o sea, la mínima corriente de puerta necesaria para cebarlo, se da cuando la polaridad en la puerta (G) es diferente a la del terminal T1; dicho de otra manera, la sensibilidad es buena cuando la polaridad en la puerta (G) es la misma que la de T2. Máxima sensibilidad

Mínima sensibilidad

Figura 21.15. Estados de polarización del triac. La sensibilidad es buena cuando la polaridad en la puerta (G) es la misma que la de T2.

21.6.3 Interruptor electrónico con triac Un circuito práctico con triac se muestra en la figura 21.16. Se trata de un interruptor electrónico. El triac se comporta como si fuera un relé o contactor; por medio de una pequeña corriente de mando (la corriente de puerta) se alimenta una carga en alterna, que puede ser un motor o una lámpara. La potencia de la carga dependerá de la potencia que pueda controlar el triac. Por ejemplo, el triac comercial BT137 puede soportar una intensidad de 8 A y una tensión de 600 V. Obviamente, en circuitos prácticos profesionales se deben adoptar medidas de protección frente a sobre cargas y tensiones transitorias que se pueden dar especial-

415

Unidad 21 · Tiristores mente si la carga es inductiva (motores). Pero, para hacerse una idea del triac, es un componente que se puede comportar como un contactor, o como un tiristor SCR que puede conducir en ambos sentidos. De la misma manera que mediante un SCR se puede regular la potencia en la carga aplicando impulsos en la puerta de forma adecuada (control por ángulo de fase), con el triac se puede hacer lo mismo; con la diferencia de que se puede controlar una carga en alterna.

Figura 21.16. Circuito interruptor en alterna mediante triac.

21.6.4 El diac Existe un componente complementario al triac, que se llama diac, cuya simbología y un modelo comercial se muestra en la figura 21.17. Su aspecto es como el de un diodo de pequeña potencia (tipo 1N4148). Un ejemplo de modelo comercial muy utilizado es el BR100.

Figura 21.17. Símbolo y aspecto real de un diac.

21.6.4.1 Función básica del diac Como se puede observar, es un componente de dos patillas. Se comporta de forma similar a dos diodos zener en serie en contraposición; cuando la tensión alcance un cierto valor (típicamente, entre unos 28 y 32 V), que se llama tensión de ruptura (BR), permite la circulación de corriente entre sus terminales. No tiene polaridad. Por debajo de la tensión de ruptura, su resistencia es muy elevada. Se comporta como un triac que entra en conducción cuando se sobre pasa una cierta tensión de ruptura (se produce un efecto de avalancha), sin que haya corriente de puerta. Su gráfico característico se muestra en la figura 21.18.

416


I

-VB +VB

Figura 21.18. Curva característica típica del diac.

Un modelo comercial es el BR100 (figura 21.19). Según experimentos (por el autor), la tensión de ruptura está alrededor de 34 V; al llegar a dicha tensión, permite la circulación de corriente y su tensión se queda en unos 20 V. Una vez conduciendo, si aumenta la corriente disminuye algo la tensión. Para que deje de conducir, se tiene que hacer que la corriente disminuya por debajo de unos 5 mA (esto es la corriente de mantenimiento, IH ). I BR100

Figura 21.19. Curva característica experimental del diac BR100

20 V

34 V

El diac permite realizar circuitos sencillos para generar impulsos de control en alterna, que resulta muy útil especialmente en el control de los triacs.

21.7 Circuito prácticos reguladores en alterna con triac-diac

Existen ciertas aplicaciones donde la función de regulación de potencia en alterna es muy interesante, entre las que destacan los reguladores de luz (dimmer), control de velocidad en pequeños motores (máquinas de taladrar), la potencia en estufas eléctricas, soldadores, etc. En estos montajes se suelen encontrar aparejados los componentes triac y diac.

21.7.1 Regulador en alterna con triac y diac En la figura 21.20 se muestra un circuito práctico que permite la regulación de la tensión alterna en la carga; el control se basa en la regulación por variación de ángulo de fase. El triac realiza la función de control de la tensión en la carga mediante los impulsos que le va aplicando el diac. Según el valor total de resistencia (R2 + RP) el tiempo de carga del condensador (C1) es diferente, de manera que se puede regular el tiempo que tarda el condensador en llegar a la tensión de disparo del diac. Cuando la tensión en el diac llegue a unos

417

Unidad 21 · Tiristores 32 V éste conducirá y se producirá una corriente en la patilla puerta del triac que hará que éste se cebe (conduzca); la carga recibirá entonces tensión. Y la onda de tensión en la carga podrá una muy pequeña parte de los semiciclos de la alterna de entrada o casi toda la onda senoidal. Cuando el ángulo de disparo sea próximo a 180°, la tensión en la carga será 0 V; y cuando el ángulo de disparo sea lo más próximo a 0° la tensión será máxima (casi los 230 V). La potencia máxima de la carga dependerá del triac utilizado; el BT137 permite una corriente máxima eficaz de 8 A y soporta una tensión de hasta 600 V. Aunque hay que saber el triac, como todos los componentes, se puede calentar; según la potencia a controlar, puede ser necesario ponerle algún disipador, para que no alcance temperaturas excesivas. Otra cosa ha tener en cuenta en este tipo de controladores de potencia es que, al trocear la onda, se producen lo que se llaman armónicos (componentes frecuenciales múltiplos de 50 Hz), que se propagan por la red eléctrica y también por el aire (en forma de ondas electromagnéticas); esto supone una fuente de interferencias hacia otro tipo de aparatos (TV, equipos informáticos, etc.) y también alteraciones en la tensión de la red eléctrica. Cuando es necesario, para minimizar esto, se utilizan filtros de red (circuitos basados en bobinas y condensadores).

Figura 21.20. Circuito regulador de potencia basado en triacdiac.

21.7.2 Circuito de luz crepuscular Este circuito (figura 21.21) permite el encendido-apagado de una luz (bombilla) de forma automática en función de la luz ambiente. Cuando la LDR es activada con la suficiente luz, su resistencia es baja, el divisor de tensión que forma la LDR y RP + R2 hace que la tensión en el condensador no llegue a la tensión de disparo del diac, por lo cual el triac no se ceba y la bombilla estará apagada. En cambio, si la iluminación es baja, la LDR tendrá un valor de resistencia elevado y el condensador podrá cargarse hasta la tensión de disparo y la bombilla se encenderá. Mediante el potenciómetro de ajuste RP se puede ajustar los niveles de luz de apagado-encendido.

418


Figura 21.21. Circuito regulador de potencia automático en función de la luz ambiente.

Actividades finales 1. Hacer el montaje del regulador de la figura 21.12 y experimentar su funcionamiento. Realizar las operaciones que se explican en el apartado 21.5.2. 2. Representar la simbología de un triac y un diac, y explicar sus características básicas. 3. Indicar los estados de máxima y mínima sensibilidad de un triac. 4. Buscar en Internet la documentación técnica (datasheet) de los triac BT137 y BT139; anotar sus características básicas, y razonar cual es el más indicado para controlar una carga de 3 kW. 5. Explicar el funcionamiento del circuito de la figura 21.16. Si la carga fuera de 1kW ¿sería valido el triac BT137? 6. Hacer el montaje de la figura 21.20 y experimentar su funcionamiento. Medir y analizar con osciloscopio la tensión en la carga y en los terminales T1 y T2 del triac. Se aconseja alimentar el circuito a través de un transformador de aislamiento (230 V/ 230 V), por cuestiones de seguridad. 7. Explicar el funcionamiento del circuito de la figura 21.21. Hacer el montaje y experimentar su funcionamiento.

419

Unidad 22

Electrónica de potencia

Objetivos: En esta unidad se explican los conceptos, principios básicos, tipo de aplicaciones y componentes básicos de la electrónica de potencia. En un principio, se hace una diferencia entre la electrónica normal de consumo y la electrónica de potencia. Seguidamente se ven los circuitos rectificadores trifásicos no controlados y controlados, con aplicaciones prácticas, el control de potencia (en continua y alterna) por variación de ángulo de fase, los reguladores de potencia chopper, etc. Asimismo se explican los componentes básicos en electrónica de potencia, como los tiristores SCR, GTO, MCT y el transistor IGBT.


Introducción. Rectificadores trifásicos no controlados.

22.6 22.7

Cicloconvertidores. Interruptores estáticos.

22.3 22.4

Rectificadores trifásicos controlados. Inversores - Onduladores.

22.8 22.9

22.5

Control de potencia en alterna.

Convertidores cc/cc. Choppers. Componentes electrónicos de potencia básicos.

Unidad 22 · Electrónica de potencia

Recuerda • • • El tiristor (SCR) sólo conduce cuando está polarizado de forma directa y además se le aplica un impulso de corriente en el terminal puerta (G). Al desaparecer el impulso en la puerta, sigue conduciendo; tiene memoria.

22.1 Introducción La denominada electrónica de potencia, es una especialidad de la electrónica en la que se tratan circuitos (o sistemas) en los que las magnitudes de tensión y corriente son considerablemente mayor que en los circuitos electrónicos de tipo general, y su aplicación característica es la modificación de la tensión y frecuencia de la energía eléctrica, con fines de alimentación y control. Por ejemplo, un sistema típico de electrónica de potencia es un equipo de control de motores de un ferrocarril. Los motores pueden ser de corriente continua o de alterna. Si el motor es de corriente continua, la energía de alimentación del motor se aplica de forma controlada mediante variaciones de la tensión, y el equipo electrónico de control se llama Chopper. Si el motor es de corriente alterna, el control se realiza básicamente variando la frecuencia de la tensión alterna aplicada, y estos equipos se pueden llamar variadores de frecuencia. Hay diversas aplicaciones de este tipo, y en todos los casos aparece como factor común que las magnitudes de tensión y corrientes que se tratan pueden ser del orden de miles de voltios y cientos de amperios, y los componentes electrónicos fundamentales de los circuitos son: • Diodos de potencia • Tiristores (SCR, GTO, Triac, etc.) • Transistores de potencia (BJT, MOSFET, IGBT) En cambio, en la electrónica que se conoce por general, la básica, las magnitudes de voltaje y amperaje pueden ser de mV hasta unos 100 V, con intensidades de mA a menos de 10 A. En estas aplicaciones se encuentran los amplificadores de sonido de megafonía, equipos de música, radio y TV, ordenadores, sistemas de alarma, etc. Incluso en aplicaciones industriales se encuentran aparatos de regulación y control que no se pueden clasificar por electrónica de potencia, porque sus magnitudes de potencia son más bien bajas.

Son aplicaciones electrónicas domésticas (equipos de consumo) • • • • •

Radio y TV Equipos de sonido, música, instrumentos musicales, etc. Equipos informáticos Telefonía (fija y móvil) Sistemas domóticos

Las magnitudes de tensión y corriente típicas son normalmente bajas: Tensiones: 3 mV, 50 mV, 5 V, 12 V,… 150 V… Intensidades: 50 μA, 3 mA, 10 mA, 200 mA, 0.5 A, 2 A … 10 A… Son aplicaciones de baja potencia, para tener una idea; bastante menores a 10 kW.

Electrónica de potencia Aquí nos encontramos con componentes de cierta potencia, que a la vez pueden combinarse, ser controlados, por circuitos de baja potencia. La electrónica de potencia se encuentra típicamente en la industria, pero también se encuentra en aplicaciones de equipamiento informático, por ejemplo, los sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI), sistemas de alimentación mediante baterías, convertidores de cc/ca, etc. En las siguientes ilustraciones se muestran algunas aplicaciones representativas de la electrónica de consumo y de la electrónica de potencia (fig. 22.1).

421


Ejemplo de aplicaciones de la electrónica básica (equipos de consumo)

Aplicaciones de la electrónica de potencia

Figura 22.1. Ejemplo de aplicaciones de electrónica de consumo y de electrónica de potencia.

En las aplicaciones de media potencia (regulación y control en la industria) se tratan con potencias que pueden ir de unos 10 kW hasta unos 1000 kW Y si las aplicaciones son de elevada potencia, como es caso de la tracción de motores en ferrocarriles, las potencias pueden ser de más de 1000 kW.

22.2 Rectificadores trifásicos no controlados

En general, los circuitos rectificadores convierten la tensión alterna en tensión continua, para poder alimentar aplicaciones que requieran tensión continua. En general, en todas las aplicaciones electrónicas alimentadas a través de la red eléctrica, existen circuitos rectificadores. Por ejemplo, circuitos digitales de control, autómatas programables, cargadores de baterías, alimentación de motores, etc. Los rectificadores pueden ser controlados o no controlados. Además de los rectificadores básicos que son los que normalmente se encuentran en los equipos electrónicos para alimentar los circuitos de electrónica de baja potencia (circuitos de mando, etc.), también están los circuitos rectificadores de cierta potencia para rectificar la tensión trifásica de la red; en este caso, son más bien utilizados para alimentar cargas de cierta potencia de forma controlada (por ejemplo, motores). Cuando los rectificadores no son controlados, simplemente convierten la tensión alterna de la red eléctrica en tensión continua (pulsatoria), sin posibilidad de poder variarla (figura 22.2.). Y los circuitos se basan en diodos normales rectificadores, o puentes rectificadores, de la potencia adecuada. Los rectificadores pueden ser monofásicos o bifásicos, de media o doble onda; pero en electrónica de potencia son normalmente trifásicos.

422


Recficador (c.a ⇒ c.c)

Figura 22.2. Estructura conceptual de un rectificador general (no controlado).

Tensión connua (pulsatoria)

Tensión alterna

En la red trifásica, como se sabe, aparecen 3 fases desfasadas entre sí 120°, como se representa en la figura 22.3. L3

VL1 = VP senω

G

120°

VL2 = VP sen (ωt − 2π 3 )

L1

120°

3

120° (2π/3)

VL3 = VP sen (ωt − 4π 3 ) L2 Figura 22.3. Tensiones en un sistema trifásico.

Dichas tensiones, representadas gráficamente en forma de ondas, tal como las podríamos ver en un osciloscopio, se muestran en la figura 22.4. Cada fase va desplazada 120° con respecto a otra. Aparecen así lo que se llaman tensiones entre fase y tensiones entre fase y neutro. +V

L2

L1

L3

VP 0V

π

2π

ωt

−V

Figura 22.4. Diagrama de ondas de la tensión trifásica.

120° (2π/3)

120°

22.2.1 Tensión de fase y tensión de línea Tensión de fase, es la tensión entre cualquiera de las fases y el neutro. Y tensión de línea es la tensión existente entre cualquiera de las fases entre sí. Aparecen unas expresiones básicas muy importantes: Tensión de fase:

Tensión de línea:

423


Ejemplo En la red eléctrica normalizada y representada por 400/230 V, tenemos las siguientes tensiones de fase y de línea:

Esto indica que la tensión entre fase y neutro es 230 V y la tensión entre fases 400 V. Esto es en teoría, según las normas; pero, en la práctica, las medidas son más próximas a 380 V y 220 V. Normalmente la instalación trifásica consta de 4 hilos; las tres fases y el neutro. En este caso, las bobinas del generador están conectadas en estrella. De esta manera, se disponen de tensiones entre fases o tensiones entre fase y neutro, como se representa en la figura 22.5. L1 L2 L3 U

N

X

N S Z W

Y V

Monofásica 230 V

Trifásica 400 V

Bobinas en conexionado estrella Figura 22.5. Producción de la red eléctrica trifásica.

22.2.2 Circuito rectificador trifásico de media onda El circuito básico rectificador trifásico de media onda se representa en la figura 22.6. Se basa en tres diodos de la potencia adecuada, que reciben las tres fases de alterna y proporcionan una tensión continua pulsatoria. La tensión continua de salida es pulsatoria, pero menos que si el rectificador fuera monofásico; en este caso, tenemos 3 pulsos por cada ciclo de la red. Y si el rectificador trifásico fuera de doble onda, aun sería mejor; tendríamos 6 pulsos por cada ciclo de la red. Así pues, con los rectificadores trifásicos se obtiene un mejor rendimiento y una tensión continua que, aun siendo pulsatoria, se aproxima bastante a una tensión continua ideal (plana). Cada diodo conduce durante 120° y está bloqueado durante los 240° restantes. De los tres diodos, siempre conduce el que tenga la tensión más alta respecto al neutro. Las características básicas de este rectificador son: Tensión continua media de salida Factor de rizado

424

Unidad 22 · Electrónica de potencia Corriente media por cada diodo Su rendimiento de conversión, que es la relación entre la potencia (continua) de salida y la potencia (alterna) de entrada, es:

Figura 22.6. Rectificador trifásico de media onda.

Actividades prácticas Rectificador trifásico de media onda En la figura 22.7 se representa un circuito práctico rectificador trifásico de media onda, con los resultados de las mediciones de sus valores de tensiones (análisis realizado mediante el programa Multisim). Como se puede observar, la tensión alterna de entrada tiene unos valores que son prácticamente los normalizados de 230 V y 400 V, y la tensión continua de salida rectificada tiene un valor medio de casi 269 V, que es valor teórico:

Figura 22.7. Circuito práctico rectificador de media onda, con sus valores de tensiones (simulación mediante el programa Multisim).

425


Actividades prácticas También podemos visualizar las ondas de alterna de entrada y tensión continua pulsatoria de salida mediante un osciloscopio de 4 canales, como se representa en la figura 22.8. La pantalla muestra los resultados que se representan en la figura 22.9. Aparecen las tres ondas de alterna (L1, L2 y L3) y también la tensión continua de salida; aunque no se distingue casi, cada onda es de un color diferente, y la continua de salida se corresponde con todos los pulsos positivos a partir del punto donde se cruzan las ondas. Más detalladamente, la tensión continua media de salida se ha representado en la figura 22.10; es una tensión continua pulsatoria, con 3 pulsos por cada ciclo de la red (20 ms). El valor medio de la tensión continua de salida (Vm), sabiendo el valor de pico de la tensión de fase, se calcula por:

Figura 22.8. Conexión de un osciloscopio de 4 canales para poder visualizar y medir las fases de entrada y la tensión continua de salida.

325 V

Figura 22.9. Tensión continua de salida; 3 pulsos por cada ciclo de la red. La tensión de pico es 325 V, y el valor medio unos 269 V.

426

Vm ≅ 0,827 × 325 ≅ 269 V

0V T (20 ms)


Actividades prácticas

Figura 22.10. Resultados que muestra el osciloscopio; aparecen las tres fases y la tensión continua de salida.

22.2.3 Rectificador trifásico de doble onda En la figura 22.11 se representa un circuito rectificador de doble onda trifásico con puente de diodos; es el rectificador trifásico más utilizado en electrónica de potencia. Se aplican las tres fases de la red eléctrica a un transformador (con entrada en triangulo y salida estrella) y proporciona una tensión continua con muy poca ondulación (6 pulsos por cada ciclo de la red eléctrica) y con un elevado valor medio de tensión continua. Cada pulso de la tensión de salida dura 60°; los 6 pulsos dan lugar a los 360° del ciclo (20 ms). 6 pulsos por ciclo de red

T (20 ms)

Vm ≅ 2,34 Vf

+ D3

Transformador

D6

D9

L1 Red trifásica

L2

RL (Carga)

L3 Vf

D1

D4

D7

Figura 22.11. Circuito rectificador trifásico de doble onda.

427

Unidad 22 · Electrónica de potencia Las características básicas de este rectificador son: Tensión continua media de salida Factor de rizado

Corriente media por cada diodo Rendimiento de conversión

En la figura 22.12 se muestra un ejemplo de circuito práctico, con los resultados de las medidas de la tensión alterna (entre fases) de entrada y la tensión e intensidad continua de salida; valores que coinciden con los cálculos:

Figura 22.12. Valores medidos en un circuito rectificador trifásico de doble onda.

Actividades de evaluación 1. Indicar algunos ejemplos de aplicaciones electrónica de consumo y de electrónica de potencia. 2. Qué es un circuito rectificador no controlado. Poner un ejemplo práctico. 3. ¿Cuál es el ángulo de desfase entre líneas de la red trifásica? 4. Si en una red trifásica medimos una tensión de 220 V entre una fase y neutro, ¿de qué valor será la tensión de línea? 5. Dibujar una red trifásica 440 V/230 V y poner los valores típicos que se obtienen; tensión de fase y tensión de línea. 6. Dibujar un circuito rectificador trifásico de media onda. Si la tensión de fase es de 220 V, ¿de qué valor será la tensión media continua de salida? Cuantos pulsos tendrá la tensión de salida cada 20 ms (f = 50 Hz). 7. Representar un circuito rectificador trifásico de doble onda y calcular la tensión media continua de salida si la tensión de entrada entre fases es de 400 V. ¿Cuántos pulsos tendrá la tensión de salida?

428


22.3 Rectificadores trifásicos controlados Son circuitos, basados en diodos y tiristores, que convierten la tensión alterna de la red de energía en tensión continua regulable para la alimentación de normalmente motores (figura 22.13). Al ser rectificadores controlados, la tensión continua de salida se puede variar, de manera que en el caso de alimentar motores es posible así controlar su velocidad.

Recficador controlado (c.a ⇒ c.c)

Figura 22.13. Estructura conceptual de los rectificadores controlados. Su realización se basa en los tiristores. Por medio de impulsos, se controlan los tiristores y se hace que varíe la tensión continua media de salida.

Tensión connua (controlada)

Tensión alterna (red eléctrica) Impulsos de control Unidad de control

Control manual

El control de la tensión de salida es por el método de ángulo de fase, (según ya se explicó en el capítulo sobre Tiristores), por lo cual la tensión continua de salida es de tipo pulsatoria y su valor medio se controla variando el ángulo de conducción de los tiristores (o triac, según el caso).

22.3.1 Rectificador controlado bifásico Un ejemplo de circuito rectificador controlado se muestra en la figura 22.14. La tensión alterna de entrada a los tiristores se obtiene a través de un transformador con toma media; se obtienen dos tensiones desfasadas entre sí 180°. Cada tiristor recibe una fase. Es como un rectificador de doble onda bifásico sin controlar, en el cual los diodos se han sustituido por tiristores; esto permite, por el método de ángulo de fase, conseguir una tensión continua de salida cuyo valor medio se puede variar.

T1

Alterna entrada

Impulsos control

V1

V2

Figura 22.14. Circuito rectificador controlado bifásico.

RL (carga)

T2

Impulsos control Si los impulsos de mando se aplicaran al principio de cada semiciclo positivo, los tiristores conducirían prácticamente durante todo el tiempo de duración de los semiciclos positivos y la tensión de salida sería la máxima. Pero, por medio de la uni-

429

Unidad 22 · Electrónica de potencia dad de mando, variando el ángulo de disparo de los tiristores se varía el ángulo de conducción de los tiristores y en consecuencia la porción del semiciclo positivo que recibe la carga (RL). En la figura 22.15 se muestra el diagrama de ondas, donde aparecen las fases de alterna de entrada y la tensión continua de salida, para impulsos de disparo de los tiristores de α = 90°. La tensión continua de salida, si las fases de alterna son de 230 V, sería de unos 103,4 V:

Tensión de entrada V1

VP

90

0

90 ωt

360°

VP

Tensión de entrada V2

0

ωt

T1

T2

T1

T2

Impulsos de disparo (α = 90°)

α Tensión de disparo VP

Vm = T1

Figura 22.15. Diagrama de ondas del circuito rectificador controlado, para α = 90º.

0

T = 0,02 s (f = 50 Hz)

T2

T1

T2

2VP 1 + cos α π 2 t

22.3.2 Puentes rectificadores semicontrolados También se podría realizar el circuito sin utilizar el transformador de toma media; basta realizar el circuito que se muestra en la figura 22.16. Es el típico puente de diodos, donde dos diodos se han sustituido por tiristores; lo cual permite realizar un control de la tensión continua de salida variando el ángulo de conducción de los tiristores.

430


Diodo de protección

M

(picos de f.c.e.m)

+

M

Figura 22.16. Tipos de estructura de puentes de rectificadores semicontrolados.

+ Si los dos diodos se sustituyen por tiristores, se obtiene un mayor control de la tensión de salida. El puente rectificador estaría constituido únicamente por tiristores; un circuito así se llama rectificador totalmente controlado. Pero con dos tiristores y dos diodos se obtienen resultados prácticos satisfactorios.

Diodo volante El diodo conectado a la salida (en paralelo con la carga), en polarización inversa, se llama diodo volante; es para eliminar tensiones transitorias que pueden tomar valores elevados, que pueden aparecer por el efecto inductivo de la carga (f.c.e.m.). Como se observa, el diodo está conectado de manera que no conduzca con la tensión de salida normal. Sólo puede llegar a conducir si en la salida se producen tensiones (picos instantáneos) de polaridad contraria; de esta manera, estas sobre tensiones se disiparían a través del diodo.

22.3.3 Rectificador trifásico con puente semicontrolado En la figura 22.17 se muestra un ejemplo de rectificador trifásico semicontrolado. Se basa en 3 tiristores y 3 diodos. También se podrían sustituir los 3 diodos por tiristores; en este caso se llamaría rectificador trifásico totalmente controlado (se podría así controlar el ángulo de conducción de los 6 tiristores). Pero con sólo 3 tiristores y 3 diodos, ya se obtienen resultados satisfactorios.

431


D3

D6

D9

L1 L2

M

L3 T1

T2

T3

+

Figura 22.17. Ejemplo de circuito rectificador trifásico controlado.

Actividades de evaluación 1. Representar la estructura y funciones básicas de un rectificador controlado. 2. ¿Qué componente electrónico es fundamental en los rectificadores controlados? 3. Dibujar el esquema de un rectificador bifásico controlado, y explicar resumidamente sus características. Si el ángulo de disparo es de α = 45°, ¿de qué valor seria la tensión continua media de salida? 4. Cuál es la diferencia en los puentes rectificadores semicontrolados y totalmente controlados. Poner circuitos de ejemplo. 5. ¿Qué función realiza el denominado diodo volante? 6. Representar el circuito de un rectificador trifásico con puente semicontrolado. Si la carga fuese totalmente resistiva, ¿se necesitaría en diodo volante?

22.4 Inversores - Onduladores Los inversores realizan la conversión de tensión continua a tensión alterna (figura 22.18). Y básicamente tienen la finalidad de poder alimentar cargas de corriente alterna (bombillas, TV, motores, etc.) mediante la energía procedente de una fuente de tensión continua (baterías). Para alimentar según qué tipo de cargas, no es imprescindible que la tensión alterna de salida sea del todo senoidal, y la onda de salida del inversor es sólo una aproximación (onda senoidal escalonada). Para algunas aplicaciones, aunque la onda no sea una senoide como la obtenida en la red de suministro de energía eléctrica, se pueden hacer funcionar muchos aparatos, como luces, estufas eléctricas, etc. Tensión alterna Inversor (cc/ca) Tensión connua Figura 22.18. Estructura de un inversor (no senoidal); convierte c.c. en c.a.

Pero cuando se precisa que la onda de la corriente alterna sea senoidal, lo cual es preciso para alimentar aparatos que lleven transformadores y sobre todo motores de alterna, entonces los inversores son más perfeccionados y complejos para que la onda generada sea muy aproximadamente de forma senoidal; los inversores de este tipo se llaman onduladores (figura 22.19).

432


Tensión alterna Figura 22.19. Estructura conceptual de un inversor senoidal (ondulador). Convierte la c.c. en c.a. de forma senoidal (a semejanza de la onda de la red eléctrica).

Ondulador (cc/ca) Tensión connua

Los onduladores son los equipos necesarios en, por ejemplo, instalaciones de energía solar fotovoltaica, para convertir la tensión continua generada por los paneles solares (almacenada en baterías) en energía alterna de 230 V, para alimentar los aparatos de una casa.

22.5 Control de potencia en alterna En muchos casos se precisa el poder alimentar cargas de alterna de forma controlada y regulada, de forma automática o manual. Si se parte de la fuente de energía de la red eléctrica, es cuestión de realizar un circuito variador de potencia, que de una forma sencilla se puede realizar mediante Triac, o diodos y tiristores. En la figura 22.20 se representa su estructura. En cualquier caso, se obtiene una onda de salida de corriente alterna que no es senoidal; son porciones del ciclo de la onda alterna de la red. El triac o tiristor se hace conductor sólo ciertas partes del ciclo de la red (control por del ángulo de fase). Esto tiene como consecuencia que genera muchos armónicos en la red eléctrica, que incluso puede producir interferencias y hasta perturbar el funcionamiento de otros equipos electrónicos. Por ello, este tipo de sistema de control, aunque comparativamente es de bajo precio, tiene sus limitaciones.

Variador de potencia (control por ángulo de fase)

Tensión alterna (no senoidal)

Tensión alterna (red eléctrica) Angulo (α) de conducción = 90° Figura 22.20. Estructura conceptual de un variador de potencia en alterna controlando el ángulo de conducción de un triac o tiristor. La tensión de salida no es senoidal.

Unidad de control

Ajuste manual

En el caso que se requiera que la onda de salida sea senoidal (figura 22.21) lo cual es preciso si las cargas se basan en bobinados (transformadores y motores, especialmente), entonces el variador de potencia se basa en un inversor – ondulador controlado (automática o manualmente).

433


Variador de potencia senoidal (Ondulador)

Tensión alterna senoidal

Tensión alterna (red eléctrica)

Figura 22.21. Estructura conceptual de un variador de potencia en alterna basado en un inversor-ondulador. La tensión de salida es senoidal.

Control por sistemas digitales (PLC, PIC)

Unidad de control

Ajuste manual

22.6 Cicloconvertidores Los denominados cicloconvertidores, son convertidores directos, que realizan la función de convertir corriente alterna en también corriente alterna pero de diferente frecuencia; son básicamente variadores de frecuencia (figura 22.22). Permiten obtener una tensión alterna monofásica o trifásica regulable en amplitud y especialmente frecuencia, partiendo de la red alterna. La frecuencia de la tensión de salida, típicamente, como máximo puede llegar a 1/3 de la frecuencia de entrada. Son utilizados para el control y regulación de motores de corriente alterna, en los cuales su velocidad depende básicamente de la frecuencia de la tensión alterna aplicada. Su realización electrónica, como todos los sistemas de electrónica de potencia, se basa en los tiristores.

Cicloconverdor

Figura 22.22. Estructura conceptual de un cicloconvertidor; es un convertidor directo de alterna en alterna de frecuencia regulable.

Tensión alterna senoidal, de frecuencia regulable.

Tensión alterna (red eléctrica f = 50 Hz) Control

22.7 Interruptores estáticos Los interruptores estáticos son el equivalente electrónico a la función de un contactor; básicamente, permiten la conexión–desconexión de una carga cómo lo haría un contactor, con la diferencia de que es totalmente electrónico (figura 22.23). Este sistema de interruptores al no ser mecánico, carece de ruidos, chispas, etc., por lo cual también su duración es mucho mayor. En principio, cualquiera de los sistemas convertidores controlados puede realizar la función de interruptor si se hace trabajar en todo-nada. Pero muy sencillamente un interruptor estático se puede realiza mediante tiristores o triac. Los interruptores estáticos, se pueden realizar de diferentes maneras, dependiendo de la carga a controlar, del tipo de activación (manual, tensión continua o alterna).

434


Interruptor estáco

Carga: Tensión de entrada

Motor Lámpara Electroválvula Etc.

Control

Figura 22.23. Estructura de un interruptor estático, basado en triac.

22.8 Convertidores cc/cc. Choppers Los convertidores de tensión continua a tensión continua permiten diversas aplicaciones, entre las que destaca la regulación de motores de continua. Estos sistemas convertidores también se conocen por choppers, en base a que la carga (motor) recibe la tensión en forma de “rebanadas” (de ahí Chopper, en inglés). Su aplicación se encuentra también en las fuentes de alimentación conmutadas; partiendo de una tensión continua no estable, o pulsatoria, permiten obtener una tensión continua con diferente valor y estable, con la característica de un alto rendimiento; se desperdicia poca potencia en la conversión, debido a que el elemento de control trabaja en conmutación, como un interruptor que se abre y cierra a intervalos regulares. Esta es la característica de funcionamiento de los choppers. También se pueden alimentar con corriente alterna, y después de hacer una rectificación (conversión de la alterna a continua), hacer la regulación de forma conmutada; así, mediante una tensión alterna, se obtiene una tensión continua controlada y regulada, y con muy pocas pérdidas en la conversión. Estos convertidores, Chopper, son uno de los equipos electrónicos de mayor importancia en los ferrocarriles (metro, trenes), ya que permiten el accionamiento de los motores.

22.8.1 Características principales Conmutador estáco (Se puede realizar con transistores o ristores)

Chopper

Fuente de tensión connua Figura 22.24. Estructura conceptual de un Chopper. Permite el control y regulación de motores de continua aplicando la tensión a impulsos. Este sistema de control de motores es uno de los equipos fundamentales en la tracción de motores en trenes.

Unidad de control

Motor de connua

M

435

Unidad 22 · Electrónica de potencia En la figura 22.24 se representa la estructura conceptual de un Chopper. La tensión de la fuente de alimentación continua se aplica al motor a intervalos periódicos, de manera que se pueden variar los tiempos que la carga (motor) recibe la tensión. Esto permite variar el valor medio de tensión que recibe la carga, y no se desperdicia casi energía como ocurriría si el regulador se basa en una resistencia de valor variable (regulador serie). En este caso, como el elemento de control (conmutador estático) actúa en conmutación, siempre circula la máxima corriente (interruptor cerrado) o la corriente es cero (interruptor abierto). Así pues, el control de la velocidad se hace variando el ciclo de trabajo de la onda de tensión que alimenta al motor.

22.8.2 Regulador de potencia conmutado basado en MOSFET El circuito que se presenta aquí constituye una forma sencilla y práctica de experimentar el principio de los reguladores conmutados, Chopper. La carga, en este caso, una bombilla, recibe la corriente a impulsos de anchura variable (fig. 22.25). Como ya se explico, los circuitos de regulación lineal (elemento de control en serie con la carga) tienen el inconveniente de que se pierde una potencia considerable en el elemento de control. Una forma de regulación que no tiene este inconveniente es haciendo el control en conmutación, por modulación de anchura de impulsos. La carga recibe la energía a impulsos; es el principio de funcionamiento de los choppers.

Potencia alta

Figura 22.25.

Potencia media

Potencia baja

La tensión media en la carga varía en función del ciclo de trabajo de la onda:

Un circuito práctico regulador que opera según esta técnica se muestra en la figura 22.26. Se basa en un generador de pulsos realizado con el circuito integrado CD4011 (tecnología CMOS), que controla un transistor MOSFET modelo BUZ71. A modo de ejemplo, la carga es una lámpara de 12 V 20 W, aunque puede ser un motor de continua. De esta manera, puesto que el transistor trabaja en conmutación, la disipación en él es mínima independientemente de la potencia en la carga; el transistor se comporta como un interruptor (abierto o cerrado). La regulación de potencia en la carga se realiza por medio del potenciómetro P1, mediante el cual se varía el ancho de los pulsos y en consecuencia la tensión media en la carga.

Actividades de evaluación 1. ¿Qué función realiza un inversor? Representar su estructura básica y enumerar algunas de sus aplicaciones prácticas. 2. ¿Cuál es la diferencia entre un inversor y un ondulador? 3. ¿Qué es un cicloconvertidor? 4. Si tuviéramos que controlar la velocidad de un motor de alterna por variación de frecuencia, qué equipo electrónico (de los nombrados anteriormente) utilizaríamos? 5. ¿Qué función realiza un interruptor estático?, ¿qué componente principal permite su realización? Poner algún ejemplo de aplicación.

436


Actividades de evaluación 6. ¿En qué se basa la regulación de potencia en un chopper? ¿Cuál es la principal ventaja frente a los reguladores clásicos lineales? ¿Cómo es la tensión de salida, continua o alterna?

+ 12 V Circuito integrado 4011 (CMOS) 1

&

3

5

12 V 20 W &

BUZ71 4

6

2

D

1N4148 G 47 k

100 k Figura 22.26. Circuito regulador en conmutación (se controla el ciclo de trabajo).

P1

S

MOSFET BUZ71

G D

S

1 nF

22.8.3 Resumen de los tipos básicos de convertidores Según el tipo de energía eléctrica de entrada-salida de los diferentes tipos de convertidores estáticos básicos, se puede hacer la siguiente clasificación resumida, representada gráficamente en la figura 22.27. Recficadores

Alterna

Connua

Variadores de alterna, Cicloconverdores.

Choppers

Alterna Figura 22.27. Relaciones entre los diferentes tipos de convertidores, en función de la energía eléctrica de entrada-salida.

Connua

Inversores - Onduladores

Actividades prácticas Realizar el montaje del circuito regulador conmutado de la figura 22.26. Observar y medir con osciloscopio la señal de salida del generador de impulsos, para el valor mínimo y máximo de encendido de la lamparita.

437


Actividades prácticas Para el valor mínimo de encendido: Frecuencia = ?

Ciclo de trabajo = ? Tensión media= ?

Para el valor máximo de encendido: Frecuencia = ?

Ciclo de trabajo = ? Tensión media= ?

Razonar el funcionamiento, el principio de regulación.

22.9 Componentes electrónicos de potencia básicos

22.9.1 Diodos de potencia Los diodos de potencia son básicamente igual que los diodos llamados normales en cuanto a funciones básicas; son rectificadores, pero de mayores dimensiones y pudiendo soportar mayores tensiones y corrientes, de manera que pueden requerir elementos disipadores de potencia para evitar sobrecalentamientos. Por ejemplo, pueden llegar a soportar corrientes de más 1000 A y tensiones (inversas) de unos 2000 V. Un ejemplo comercial de diodo de una cierta potencia, es el SKN 60F17 (puede aguantar una tensión de 1500 V y una corriente de 75 A). En la figura 22.28 se muestra el aspecto de algunos diodos de cierta relativa potencia (los hay de bastante más potencia). En general, son más robustos, de mayor tamaño, que los diodos conocidos por normales. Ánodo (A)

Figura 22.28. Ejemplo de diodos de potencia.

Cátodo (K)

Diodo de potencia

Como se sabe, el diodo presenta dos estados muy diferentes, que se llaman corte (o bloqueo) y conducción. En estado de corte se comporta como un interruptor abierto (no circula corriente, y tiene que soportar un valor de tensión inversa (que puede ser del orden de kV en electrónica de potencia). Y en estado de conducción se comporta como un interruptor cerrado, circula una corriente (que puede ser de kA) y aparece una pequeña de tensión entre los terminales (caída directa). El diodo permite la circulación de corriente sólo cuando se encuentra polarizado en forma directa, que es cuando el terminal ánodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal cátodo; el diodo se comporta entonces como un conductor, y permite la circulación de corriente. En polarización inversa, el terminal cátodo tiene polaridad positiva con respecto al terminal ánodo, no permite el paso de la corriente y se comporta como un aislante. Pero si se supera un cierto valor de tensión, entonces se produce un efecto de conducción brusca que puede deteriorar el diodo. Estas sobre tensiones o sobre

438

Unidad 22 · Electrónica de potencia intensidades son más propensas, como es obvio, en los sistemas donde se trabaja con elevadas potencias; por ello, en general, todos los componentes semiconductores requieren ciertas precauciones y medidas de seguridad (limitación de picos de tensión, refrigeración, etc.).

22.9.1.1 Datos de características del diodo VR: Es la tensión máxima continua que puede soportar el diodo cuando está en polarización inversa. VRWM : Es la tensión máxima de pico (inversa) a la que puede trabajar. VRRM : Es la tensión máxima de picos que se pueden repetir; se refiere a los impulsos, picos transitorios, que pueden aparecer durante el ciclo de trabajo. Esto se da normalmente en la red eléctrica, debido especialmente a la desconexión y conexión de cargas inductivas (motores, transformadores, etc.). VRSM : Esto se refiere a los picos de tensión transitorios que puede soportar pero sin que se repitan, siendo la duración máxima normal de < 10 ms. Estos datos, que no se deben sobrepasar, se pueden representar en una escala de valores, según se muestra en la figura 22.29. VF

t VRWM VRRM VRSM Figura 22.29. Representación de los valores máximos de tensión inversa.

VR IF : Es el valor de intensidad directa continua, que tiene un valor máximo (especificado por el fabricante) que no se tiene que superar. La intensidad directa también se puede especificar como: IF(AV) , que significa el valor medio de la corriente rectificada, que en las hojas de datos también puede aparecer como IO. Y también: IF(RMS) , que se refiere al valor eficaz de la corriente rectificada. Hay que tener en cuenta que la aplicación principal del diodo es como rectificador, y la corriente rectificada son pulsos, no es un valor constante, y eso tiene un valor medio y valor eficaz. En el caso de una rectificación en media onda (figura 22.30) tenemos:

Y si la rectificación fuera de doble onda (lo más normal), entonces:

IM es el valor máximo de la onda (también se llama valor de pico, IP). IFRM : Esto se refiere a valores de intensidad de pico que puede aguantar de forma repetitiva. IFSM : Es como el caso anterior, pero con valores de intensidad de pico que no pueden repetirse; son transitorios de un cierto valor máximo que se pueden dar, y el diodo puede soportar, pero no de forma repetitiva. 439


Pico no repevo

IF

Picos repevos

Onda de salida (corriente recficada)

IFSM IFRM IM IF(RMS) Figura 22.30. Representación de los valores de intensidad del diodo (rectificación de media onda).

IF(AV)

T = 0,01 S (f = 50 Hz)

empo

22.9.2 El tiristor (SCR) El tiristor es el componente fundamental de la electrónica de potencia, más exactamente lo que se representa por SCR, que significa rectificador controlado de silicio (Silicon Controller Rectifier). Pero el SCR sólo es un componente más de la familia de los tiristores, aunque el más representativo y popular; por eso se conoce, en general, por tiristor. Los tiristores pueden ser de baja, mediana y alta potencia. Aunque su modo de operar es el mismo, entre unos y otros existen diferencias, especialmente en cuanto a sus valores eléctricos además de su tamaño. En la figura 22.31 se muestra un ejemplo de tiristor de una cierta potencia; los hay mucho mayores. Un ejemplo de SCR comercial de una cierta potencia es el SKN 50 (de fabricante Semikron); puede aguantar una tensión de casi 2000 V y una corriente de 40 A. En los tiristores de una cierta potencia, además de los contactos metálicos gruesos del ánodo y cátodo, suele haber dos hilos finos; uno es el electrodo puerta (G) y el otro es una referencia de la tensión cátodo.

Figura 22.31. Aspecto de un tiristor (SCR) de una cierta potencia.

En los modelos de potencia, como ya es de suponer, los tiristores necesitan de sistemas de refrigeración para que no tomen valores de temperatura prohibitivos.

22.9.3 El tiristor GTO El GTO es un tipo de tiristor que presenta la ventaja, frente al tiristor SCR, de poder pasar del estado de conducción al de bloqueo mediante la aplicación de un impulso de polaridad negativa (respecto al cátodo) a la patilla puerta (gate). Aunque no resulta tan sencillo como puede parecer en un principio, porque se necesita un impulso de bastante energía para que el tiristor se bloquee mediante la puerta. Las siglas GTO significa Gate – Turn – Off Thyristor, que viene a decir que la puerta puede poner el tiristor en conducción o bloqueo. El símbolo del GTO es similar al del tiristor convencional (SCR), como se representa en la figura 22.32, junto a un modelo práctico (encapsulamiento de disco). Este componente es un componente fundamental en electrónica de potencia, muy utilizado en ferrocarriles.

440


Ánodo (A)

Figura 22.32. Símbolo del GTO y aspecto de un modelo (encapsulamiento tipo disco).

Puerta (gate) Permite el cebado y descebado

Cátodo (K)

22.9.4 El tiristor MCT El MCT es un tiristor GTO y dos transistores Mosfet integrados en un sólo encapsulado. El GTO es controlado por dichos transistores; uno de ellos es para poner en conducción al GTO y el otro para pasarlo del estado de conducción al de bloqueo. El tiristor MCT es un dispositivo rápido en la conmutación, pudiendo operar a frecuencias de unos 20 Khz. En la figura 22.33 se muestra un símbolo representativo del MCT. G

Figura 22.33. Símbolo del tiristor MCT.

A

K

22.9.5 El transistor MOSFET de potencia Los transistores MOSFET son una variante del transistor FET, en el cual el electrodo de control (graduador) internamente se encuentra aislado eléctricamente; su acción es por efecto capacitivo. La características esencial que diferencia los transistores bipolares (BJT) de los MOSFET consiste en que los MOSFET son controlados por tensión (aplicada en la puerta, G) y casi no requieren corriente de entrada; en cambo, los transistores bipolares son controlados por una corriente que (aplicada a la base, B). Las aplicaciones más típicas de los transistores de los MOSFET de potencia se encuentran en la conmutación de cargas, chopeado, sistemas inversores, control de motores, etc. Los MOSFET también presentan algunos inconvenientes frente a los bipolares; son bastante sensibles a las descargas electrostáticas, pueden requerir ciertas protecciones especiales, tienen mayores pérdidas de potencia debido a que la resistencia estática drenador - surtidor es más grande que la de colector - emisor de los bipolares.

22.9.5.1 Ejemplos de MOSFET de potencia comerciales • IRF540N, encapsulado en TO-220, que soporta una intensidad máxima ID = 27 A y tensión máxima VD = 100 V. • SKM 111 AR. En la figura 22.34. se representa su aspecto; este tipo de encapsulado se llama Semitrans M1. Soporta una tensión de 100 V y una corriente de 200 A. La tensión de control de puerta puede llegar a 20 V. Un resumen de sus datos, tal como los presenta el fabricante (Semikron) es:

Absolute Maximum Ratings Symbol

Conditions 1)

VDS VDGR

RGS = 20 kΩ

Values

Units

100

V

100

V

ID

200

A

IDM

600

A

441


Absolute Maximum Ratings Symbol

Conditions 1)

Values

Units

VGS

± 20

V

PD

700

W

– 40 ... + 150 (125)

°C

Tj, (Tstg)

Figura 22.34. Transistor MOSFET de potencia SKM11 1AR (del fabricante Semikron).

El diodo interno que el fabricante pone entre drenador y surtidor (figura 22.35) es para evitar picos de tensiones de polaridad contraria que podrían dañar el transistor (esto se produce especialmente en la conmutación de cargas inductivas, como motores).

22.9.6 Transistor IGBT El transistor IGBT es un tipo de transistor que combina las características del transistor bipolar (BJT) y las de un MOSFET; es un transistor híbrido. Las siglas IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), significa transistor bipolar de puerta aislada. Los IGBT son transistores de potencia, muy utilizados en electrónica de regulación y control en la industria. Posee las características de entrada de los transistores MOSFET y características de salida de los bipolares. Se puede ver pues como el conjunto de dos transistores; un MOS que controla a un BJT. La impedancia de entrada de un IGBT es por lo tanto sumamente elevada, prácticamente casi no hay corriente de entrada (nA), su control es por tensión. Y su salida es con las características colector emisor, lo que le confiere bajas perdidas cuando trabaja en conmutación. Puede operar a altas velocidades y controlando altas intensidades. Para tener una idea, los transistores IGBT pueden soportar tensiones del orden de 1500 V y controlar corrientes de 300A. Como es obvio, es un componente fundamental en electrónica de potencia, muy utilizado en control de motores. La simbología de este tipo de transistor es como se muestra en la figura 22.35. Como ya se deduce, la entrada (gate) es como un MOSFET y la salida como un BJT (colector-emisor). D (drain) ID G (Gate)

G (Gate) Figura 22.35. Simbología y aspecto práctico de un transistor IGBT.

C (Collector)

S (source)

E (Emier)

Actividades finales 1. Básicamente, ¿en qué se diferencian los diodos de potencia respecto a los considerados diodos normales? ¿Cómo suelen ser los encapsulados y por qué son así? Hallar la documentación técnica del diodo SKN 60F17 y hacer un resumen de sus características básicas. 2. Con respecto a los tiristores SCR considerados normales, ¿qué diferencias tienen los SCR de potencia? Buscar la documentación técnica del tiristor SCR modelo SKT 50 y obtener los datos principales.

442


Actividades finales 3. Explicar las diferencias esenciales del tiristor GTO respecto al SCR. Dibujar su símbolo. ¿Qué significa GTO? 4. Representar la simbología y resumir las características básicas del componente MCT. ¿Es un tiristor? 5. Representar el símbolo de un MOSFET. Indicar aplicaciones donde se pueden encontrar transistores MOSFET de potencia. 6. Hallar la documentación técnica (Internet) del MOSFET IRF540N y hacer un resumen de sus características básicas. ¿Por qué internamente llevan un diodo en paralelo con los terminales drenador-surtidor? 7. Buscar información técnica del MOSFET de potencia SKM 111 AR y hacer un resumen de datos prácticos. Indicar las diferencias entre el MOSFET IRF540N. 8. Dibujar la simbología del transistor IGBT y explicar resumidamente sus características principales. ¿En qué tipo de aplicaciones se puede encontrar? ¿Qué significa IGBT? Buscar en Internet un transistor IGBT comercial y hacer un resumen de sus características.

443

Unidad 23 Introducción

a la electrónica digital

Objetivos: Proporcionar los principios básicos fundamentales de la electrónica digital, de una forma sencilla y práctica. Se empieza con una introducción general conceptual sobre la técnica digital, sus aplicaciones, funciones que nos aporta, etc., y después se trata el tema del sistema binario con una cierta profundidad. Se termina con una explicación resumida y práctica sobre los circuitos integrados digitales básicos, las puertas lógicas, y los principios del álgebra de Boole (el soporte matemático de la electrónica digital).

En este capítulo: 23.1

Introducción a la electrónica digital.

23.8

Datos en formato serie.

23.2

Señales analógicas y señales digitales.

23.9

23.3 23.4

Procesos digitales. Sistemas cableados y sistemas programables. El sistema binario. Codificación-decodificación. Datos en formato paralelo.

Operaciones aritméticas básicas en binario.

23.10 23.11 23.12 23.13 23.14

Introducción a los circuitos digitales. Puertas lógicas. Simbología lógica. Circuitos integrados digitales. Principios del álgebra de Boole.

23.5 23.6 23.7

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital

Recuerda • • • En la electrónica que se ha explicado hasta aquí, los circuitos básicamente realizan la función amplificación con señales variables; son circuitos que operan de forma lineal; esto es electrónica analógica.

Figura 23.1. Antiguos aparatos de radio y TV; representativos de electrónica analógica pura.

Figura 23.2. El ordenador y la calculadora; aparatos representativos de electrónica digital.

23.1 Introducción a la electrónica digital Básicamente, la electrónica se puede estructurar en dos ramas o especialidades: • Electrónica analógica • Electrónica digital La electrónica analógica es la típica de los aparatos de radio-TV básicos (los de hace años, sin la sofisticación actual …); son aparatos muy representativos de la electrónica básica, también denominada analógica (fig. 23.1). La electrónica analógica se basa en los circuitos amplificadores de tipo lineal, generadores de señal senoidal, circuitos de filtro, etc.

Y la electrónica digital, es la típica de los ordenadores y calculadoras; los aparatos más representativos de la técnica digital (fig. 23.2). Y que su incesante avance ha dado lugar a nuevas aplicaciones y grandes mejoras en prácticamente todas las aplicaciones electrónicas.

La electrónica digital es la rama de la electrónica más moderna y que evoluciona más rápidamente, contando cada vez con un mayor número de aplicaciones. Es la electrónica fundamental, de los ordenadores, calculadoras, teléfonos móviles, automatismos industriales, etc., pero que su aplicación en aparatos típicos de electrónica analógica ha permitido la sofisticación actual de los equipos radio y TV, equipos de música, telefonía, etc. Actualmente todos los aparatos electrónicos o están basados en la electrónica digital o utilizan gran parte de ella. Hasta los aparatos más típicos de la electrónica básica (analógica) como, por ejemplo, los televisores y equipos de sonido, tienen gran parte de electrónica digital.

23.1.1 Funciones características que aporta la técnica digital La electrónica digital, básicamente, proporciona: • Funciones de control, programación, memoria, procesos automáticos; es lo que nos aportado la sofisticación de los teléfonos móviles, fotografía digital, reproductores MP3, cámaras de vídeo, televisión digital, etc. • Mayor estabilidad de las señales, al ser mucho menos inmunes a las señales de ruido eléctrico, interferencias, etc.; lo cual da lugar a una mayor calidad de las señales (sonido e imagen). Un ejemplo, es la televisión digital (TDT). Antes, con la TV analógica, se producían fácilmente efectos de doble imagen, ruido (efecto de nieve), mala sintonización, etc. Y ahora, con la TDT, la imagen (y sonido) tiene una calidad estable, sin intermedios, y sobre todo no se

445

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital produce la doble imagen. Si puede pasar que la imagen se pixele, o desaparezca, si la señal de antena es demasiado baja (o alta). La calidad que aporta la técnica digital se fundamente en que las señales digitales son básicamente datos, información numérica, en sistema binario; las señales sólo toman dos estados diferenciados (se llaman 1 y 0) de tensión. Entonces, dentro de una margen, pueden existir variaciones de tensión de la señal, alguna distorsión; pero la información que aporta no varía. Sin las técnicas digitales electrónicas todavía nos encontraríamos en la era de los equipos con relés, no contaríamos con los autómatas programables, robots, equipos de control numérico, la sofisticación de la electrónica del automóvil, los modernos equipos de electromedicina (TAC, resonancia magnética, etc.), los MP3, video digital, etc. Y no hay que decir sobre las telecomunicaciones…; no tendríamos ni Internet. Pero hay que tener muy en cuenta que en todos los aparatos, hasta los más digitales, necesitan de la electrónica analógica, y hasta de circuitos eléctricos de los más sencillos. O sea, toda la complejidad, sofisticación y modernas funciones de los aparatos electrónicos actuales se consiguen gracias a la aplicación combinada de la electrónica analógica y electrónica digital. En un simple reproductor MP3 nos encontramos con toda la potencia digital de los procesadores programables (como el de un ordenador), memoria RAM, convertidores digitales – analógicos; pero también tiene un amplificador lineal (electrónica analógica) para amplificar el sonido (para el auricular), y otros circuitos de tipo analógico. Pero se puede decir que la mayoría de electrónica de un MP3 es de tipo digital. Por ello, hay muchas aplicaciones que son más bien digitales, como un ordenador, calculadora, etc. En otras aplicaciones, como es la radio, TV, equipos de música, la electrónica analógica es de más peso que la digital (de hecho, sin la digital, seguirían existiendo, aunque sin la sofisticación que aporta la técnica digital.

23.1.2 Microprocesador: CPU La mayoría de aplicaciones están basadas en un componente denominado Microprocesador (fig. 23.3), que a su vez ha dado lugar al microntrolador; estos componentes son sistemas digitales programables integrados en un sólo chip (un circuito integrado digital). En el caso de un ordenador, constituyen la CPU (Central processing United); la base operativa y de control del sistema. En el caso de un ratón de ordenador, teléfonos móviles, etc., también se encuentran procesadores digitales programables de este tipo, pero más simplificados; son los microcontroladores PIC.

Figura 23.3. Aspecto de un chip microprocesador; CPU de los ordenadores.

Así, resumiendo, todo el amplio y variado tema de las aplicaciones de la electrónica es una combinación de la electrónica analógica (la básica general) y la electrónica digital. La electrónica analógica es la que proporciona las funciones básicas, como amplificación, y la electrónica digital proporciona la sofisticación, funciones programables de los sistemas. Además de la amplia representación de las aplicaciones electrónicas que se muestra en la figura 23.4, existen otras… y las que pueden ir apareciendo, como consecuencia de los continuos avances en la técnica digital (que se basa en los incesantes avances de los fabricantes de circuitos integrados).

446


Imagen y sonido

Industria Electrónica analógica + Electrónica digital

Informáca y Telecomunicaciones

Electromedicina

Figura 23.4. En las aplicaciones electrónicas se combina la electrónica analógica y la digital.

Actividades propuestas 1. Indicar características, funciones, que aporta la técnica digital a las aplicaciones electrónicas, en comparación con los sistemas analógicos. 2. Indicar tres aparatos electrónicos básicamente de electrónica analógica. 3. Indicar tres aparatos básicamente de electrónica digital. 4. ¿Existen actualmente aplicaciones electrónicas realizadas únicamente con electrónica analógica o digital?

447


23.2 Señales analógicas y señales digitales

Las señales físicas con que nos encontramos en la naturaleza son señales analógicas, señales variables en el tiempo que, dentro de un margen, pueden tomar cualquier valor. Son así, por ejemplo; la temperatura, velocidad, fuerza, corriente eléctrica, ondas sonoras, etc. Pero las señales que procesan los circuitos digitales no son así; son de tipo escalonado, los cambios son siempre entre dos niveles determinados; por ello, para que los sistemas digitales puedan procesar señales analógicas (por ejemplo, de sonido) antes las tienen que convertir a formato digital.

23.2.1 Señales analógicas Un ejemplo de señal analógica fácil de comprender, es la señal que podemos generar mediante un potenciómetro (fig. 23.5). Variando la posición del cursor podemos hacer que en la salida tengamos cualquier valor de voltaje, por ejemplo, en el margen de 0 a 12 V. Según la posición del cursor y la velocidad de cómo los variemos, la señal puede tomar diversas formas y valores; esto es una señal analógica pura.

+

10 k

V

12 V Figura 23.5. Con este simple circuito, se pueden generar señales analógicas de diversas formas.

t

23.2.2 Onda senoidal En la onda senoidal, el nivel de señal puede ser cualquier valor, dentro de su nivel de amplitud máxima. Si la tensión máxima es 10VP, puede tomar cualquier valor en 0 V y 10 V (3 mV, 2 V, 2.3 V, 4.9 V, 9.3 V, ...), con valores positivos o negativos (figura 23.6). + 10

0 Figura 23.6. La onda senoidal es un ejemplo básico de señal analógica.

ν = 10senωt

t

10

23.2.3 Ondas sonoras Las ondas sonoras son señales analógicas, y se producen debido a la vibración de las moléculas del aire. Son variaciones de la presión del aire, que pueden tomar cualquier valor dentro de un cierto margen. Estas variaciones presión del aire (pascales), mediante una fórmula, se expresan en dBSPL (unidad de medida de los sonómetros). Así, las ondas sonoras (voz, música, ruido, etc.) son señales analógicas (fig. 23.7).

448


Señal amplificada (V) Ondas acúscas (variaciones de presión del aire)

Señal eléctrica (mV)

Amplificador

Micrófono

Figura 23.7. Señales analógicas de audio. El micrófono convierte las variaciones de presión del aire (ondas acústicas) en una débil señal eléctrica (mV); mediante el amplificador se consigue una señal eléctrica de audio de mayor magnitud (V).

Un circuito básico que opera de forma analógica es, por ejemplo, una etapa amplificadora basada en un transistor (fig. 23.8). Las débiles variaciones de señal eléctrica en su entrada (de un micrófono, por ejemplo) aparecen en la salida con una magnitud mucho mayor; es una etapa amplificadora de señal analógica. El transistor opera en su zona lineal.

VCC = 12 V

R1 100 k

RC 5k1

IC C2

IR1 C1

IB

BC547

1 VPP Señal de entrada (VEnt) Figura 23.8. Circuito analógico típico; etapa amplificadora de señales de audio.

10 VPP

RE 510 Ω

R2 10 k

Señal de salida (VSal)

IE

IR2

0V

23.2.4 Señales bioeléctricas (cerebrales) Otro ejemplo de señales analógicas, menos conocido, son las señales eléctricas que se pueden detectar en el cerebro, y que se pueden observar, analizar, mediante equipos electrónicos como el electroencelógrafo (fig. 23.9). En el cerebro se encuentra actividad eléctrica; las neuronas se comunican entre sí de forma bioeléctrica. También se encuentra actividad bioeléctrica en el corazón; y las señales analógicas se pueden observar, analizar, mediante el aparato llamado electrocardiógrafo. Las neuronas se comunican entre si de forma bioeléctrica En el cerebro se generan ciertas señales eléctricas analógicas.

Figura 23.9. En el cerebro se generan señales eléctricas analógicas.

Señal pica de electroencefalograma

449


23.2.6 Señales digitales Las señales digitales son señales cuantificadas, sólo varían a intervalos (escalones) determinados; entre un intervalo y el siguiente no pueden tomar valores intermedios. Cuando la señal digital sólo puede tomar dos estados diferentes, se denomina señal binaria; este es el tipo de señal digital, ó información, con que operan los sistemas digitales (fig. 23.10). Onda senoidal digitalizada

Señal digital binaria 1

Estado alto (1)

0

Figura 23.10. Señales digitales.

Estado bajo (0)

El término digital viene de dígito; eso quiere decir que los sistemas digitales operan con información numérica, datos, señales digitales. Y los datos digitales, físicamente son señales eléctricas binarias; señales que sólo toman dos estados diferenciados, denominados 0 y 1, y también por estado bajo y estado alto respectivamente. Las señales binarias también se conocen por bits. El término bit significa dígito binario (BInary digiT), es la unidad mínima de información binaria. Una señal digital física, tal como se encuentra en la electrónica digital, tiene dos niveles de tensión a los cuales se les asigna los estados 0 y 1. Los niveles de voltaje usuales son:

Nivel alto: 1 ⇒ 2 a 5 V Nivel bajo: 0 ⇒ 0 V a 0,8 V Los valores prácticos que se suelen medir son; unos 3,5 V para el 1 y unos pocos mV para el 0 (fig. 23.11). Señal digital niveles TTL 1

Figura 23.11. Señal digital binaria, de niveles TTL.

≈5V

0

≈0V

Una señal binaria de estas características, que es un estándar, se denomina de niveles TTL, debido a que es la que producen los circuitos integrados digitales de tecnología TTL. La razón por la cual los sistemas digitales operan con señales binarias es debido a razones tecnológicas, ya que los circuitos electrónicos resultan así más sencillos.

450

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital Obtener circuitos electrónicos que funcionen de forma binaria, es decir, que tomen sólo dos estados es relativamente sencillo; haciendo trabajar los transistores en conmutación ya se consigue una electrónica binaria. El circuito básico que ilustra este funcionamiento es el típico circuito para encender un LED (fig. 23.12). Los circuitos electrónicos digitales, normalmente integrados, están realizados de esta manera. + VCC = 5 V 330 Ω RB

RC

10 kΩ

LED

BC 547

Figura 23.12. Circuito elemental que opera de forma binaria (encendido, apagado).

0V En la figura 23.13 se muestra un ejemplo de circuitos que operan de esta manera, es decir, binariamente. De hecho, para conseguir materializar circuitos binarios basta cualquier componente que fácilmente puede operar entre dos estados, por ejemplo: relés, diodos, tiristores, transistores, válvulas neumáticas ó hidráulicas, etc. Por esta razón no sólo existen sistemas digitales electrónicos, sino que también los hay eléctricos, neumáticos e hidráulicos.

Actividades propuestas 1. Definir el concepto de señal analógica. Indicar tres ejemplos de señales analógicas. 2. Indicar las características de una señal digital binaria. ¿Cuál es el significado de bit? 3. Dibujar una señal digital binaria de niveles TTL y explicarla. 4. ¿Por qué los circuitos digitales operan en binario y no en decimal?

+ VCC t1 10 k

RA

4

3

t0

555

RB

5

6 2

C 10 nF

0

8

7

10 k

+ VCC

1

100 nF

451


Figura 23.13. Ejemplo de circuitos típicos que operan de forma binaria.

23.3 Procesos Digitales El funcionamiento operativo de los sistemas digitales también es diferente al de los sistemas analógicos (básicamente, circuitos de amplificación lineal). Al ser las señales de tipo numérico, las operaciones que hace el sistema digital con ellas son básicamente de tipo aritmético y lógico; sumas, restas, comparaciones, operaciones lógicas, memorización, etc. Finalmente, el resultado de todo este tipo de operaciones puede actuar, a través de circuitos de acoplamiento adecuados, sobre dispositivos de salida como: motores, electroválvulas, visualizadores numéricos, etc.

23.3.1 Convertidores A/D y D/A Cuando se tienen que procesar señales analógicas mediante sistemas digitales se precisan de unos circuitos denominados convertidores A/D (fig. 23.14).

0 1 0 1 0 1 1

Converdor D/A Señales analógicas

Datos digitales

0 1 0 1 0 1 1

Converdor A/D Datos digitales Figura 23.14. Convertidores entre señales digitales y analógicas.

Señales analógicas Con el convertidor analógico-digital, que se representa por ADC (Analog Digital Converter) o también por A/D, se obtiene una información digital correspondiente a una señal analógica de entrada. Este tipo de circuito es necesario para la conversión de señales, por ejemplo, un micrófono o guitarra eléctrica para ser tratadas digitalmente en un ordenador (fig. 23.15).

452


Señales analógicas

Datos digitales

Converdor A/D

Figura 23.15. Ejemplo de aplicación del convertidor analógico-digital (A/D).

Procesador digital

Y, como es obvio, el convertidor ADC se encuentra también en los aparatos de telefónica, para la conversión de las señales del micrófono. El convertidor digital-analógico, DAC (Digital Analogue Converter), produce una señal analógica correspondiente a datos digitales. Por ejemplo, es el sistema electrónico que permite que las señales digitales de un equipo de CD o en un ordenador den lugar a las señales de sonido que producen los altavoces (fig. 23.16).

Datos digitales

Figura 23.16. Ejemplo de aplicación del convertidor analógico-digital (D/A).

Converdor D/A

Aplificador Señales analógicas

Así, ejemplos muy representativos de la aplicación de los convertidores A/D y D/A son: equipos de sonido, ordenadores, equipos de telecomunicaciones, telefonía.

23.3.2 Procesador digital de temperatura En la figura 23.17 se muestra un ejemplo de sistema digital, que procesa una temperatura. Se parte de un sensor de temperatura (termopar) que genera una débil señal eléctrica (μV) proporcional a la temperatura; es una señal analógica. Dentro de un determinado margen, la señal puede tomar infinitos valores en función de la temperatura. La señal que entrega directamente el termopar es de muy baja magnitud (μV), por lo cual se precisa un amplificador lineal de alta ganancia y estabilidad; un amplificador de instrumentación. La señal, debidamente amplificada y acondicionada, es convertida a formato digital mediante un convertidor A/D para que el procesador digital la pueda procesar (memorizar, hacer operaciones aritméticas, hacer medias, etc.).

453


Representación analógica

Representación digital

Sensor de temperatura Amplificador lineal

Señal analógica

Termopar

Converdor A/D

Señales digitales (bits)

Figura 23.17. Sistema de proceso digital de temperatura. Se necesitan convertidores A/D y D/A.

Procesador digital

Señales digitales

Converdor D/A

Señal analógica

Los resultados del procesador digital se pueden representar mediante visualizadores numéricos (display) y, también, mediante un convertidor D/A de forma analógica. La actuación del procesador digital puede proporcionarnos, por ejemplo: la memorización de temperaturas, cálculos de los valores medios, activación de algún dispositivo de salida (relé, LED, …) al llegar a ciertas temperaturas, etc.

23.3.3 Equipos de sonido con proceso digital Otro caso puede ser el de un equipo de sonido con proceso digital. Las señales eléctricas procedentes del micrófono, debidamente amplificadas, son convertidas a datos digitales mediante el convertidor A/D. Finalmente, los resultados del proceso digital son convertidos nuevamente a señales analógicas mediante el convertidor D/A, que el amplificador de potencia y altavoz se encargan de transformar en sonidos. Las prestaciones que nos puede reportar el procesador digital en el equipo de sonido son innumerables; efectos sonoros, recorte de partes de sonido, modificación del tono y amplitud, reducción de ruidos, ecualización, etc. Procesando señales digitales en vez de señales analógicas se pueden minimizar los errores y se obtienen unas posibilidades de control que no permiten los sistemas analógicos. De hecho, las técnicas digitales se están aplicando tanto en los equipos de grabación profesionales como en los de consumo.

23.4 Sistemas cableados y sistemas programables

23.4.1 Sistemas cableados Los sistemas denominados cableados, se caracterizan porque las funciones a realizar quedan exclusivamente determinadas por el diseño de electrónico; modificar las funciones supone modificar también el diseño de la circuitería electrónica.

23.4.2 Sistemas programables En los sistemas programables, se dispone de una estructura electrónica programable, cuyas funciones a realizar dependen por tanto de un cierto programa; modificar las funciones no supone por tanto modificar el diseño de la circuitería electrónica. En la figura 23.18 se representa la estructura (partes básicas) de un sistema digital programable, que puede ser hasta la de un ordenador.

454

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital Un programa consiste en un determinado conjunto de instrucciones. Y una instrucción es una determinada combinación binaria (paquetes de bits), es lo que se conoce por lenguaje máquina.

Clock Generador de impulsos Figura 23.18. Estructura general (simplificada) de un sistema digital programable; se basa en un dispositivo programable (CPU), que realiza las operaciones que le indique un programa.

CPU

Interface (E/S)

Periféricos (Disposivos externos)

Instrucciones (código máquina) Memoria de Programa (grupos de bits)

Se disponen, en forma integrada, de potentes sistemas digitales programables denominados microprocesadores (μP). Y en base al μP se disponen los autómatas programables, muy utilizados en la industria. Mediante estos compactos y potentes sistemas las funciones de control lógico a realizar son programadas en vez cableadas, lo cual permite simplificar y sistematizar enormemente los proyectos de automatización industrial. Actualmente, casi todas las aplicaciones electrónicas suelen tener dispositivos integrados programables; los microcontroladores PIC.

Actividades propuestas 1. Explicar la función realizada por los convertidores A/D y D/A. Indicar dos aplicaciones relacionadas con el sonido donde resultan imprescindibles. 2. Explicar el funcionamiento básico del procesador de temperatura representado en la figura 23.17. 3. Explicar en qué se diferencian básicamente los denominados sistemas cableados y sistemas programables. 4. ¿Qué es una CPU y en qué tipo de aplicación resulta fundamental, imprescindible? 5. Explicar el concepto de programa, instrucción y código máquina.

23.5 El sistema binario El sistema binario es un sistema numérico lo mismo que lo es nuestro conocido sistema decimal. En el sistema binario sólo se utilizan dos símbolos para representar cualquier cantidad, de ahí su denominación de binario, también conocido por sistema de base 2. Dichos símbolos son los dígitos 0 y 1. Es muy usual que el cero se represente de forma barrada, especialmente en el mundo informático, para diferenciarlo de la letra o. En el sistema numérico decimal se utilizan los familiares 10 símbolos (0, 1, 2, 3,..., 9) para referirse a las cantidades, por lo cual se denomina decimal (y también de base 10). Las señales binarias son bits, dígitos binarios, que es la unidad mínima de información binaria.

23.5.1 Expresiones de información digital A los grupos de 8 bits se les denomina bytes, lo cual es un término muy usual; las capacidades de las memorias RAM, de los discos duros, etc. se expresan en unidades bytes. Se puede decir, que el byte es el paquete de información binaria estándar básico.

455


BIT = Dígito binario BYTE = Grupo de 8 bits

Ejemplo 1. Un archivo de 1 minuto de música MP3 ocupa aproximadamente 1 Mbyte; aproximadamente es 1 millón de bytes. Se expresa por 1 MB, y su valor exacto es: 2. Otra unidad que ya es muy normal es el GB: En la práctica, el GB se ve como 1000 MB. Un disco duro de 500 GB, significa pues que pueden guardar 500.000 MB.

Resumen de unidades y expresiones de información digital • BIT = unidad mínima de información digital (variable binaria, puede tomar los estados 0 y 1) • BYTE = grupo de 8 bits • Palabra (Word) = paquetes de bits que se procesan (pueden ser 16 bits, 32, 64, etc. Por ejemplo, hay versiones de Windows que operan con palabras de 32 y 64 bits.

Normalmente se opera con la unidad base byte (grupo de 8 bits) como unidad básica de datos, por ello son expresiones normales:

A efectos de redondeo, en la práctica se toma el 1024 como 1000; por lo cual se ve 1 GB como 1000 MB, 1 TB como 1000 GB, etc.

23.5.2 Representación de cantidades en binario Como es obvio, para representar las cantidades en binario se precisan un mayor número de dígitos que en el sistema decimal, ya que sólo se disponen de dos dígitos diferentes. Con los dígitos base 0 y 1 sólo se pueden representar dos cantidades; otras cantidades se representan utilizando, combinadamente, más dígitos. Las cantidades cero al quince en decimal y en binario se representan en la siguiente tabla:

Decimal 0 1 2 3 4 5

Decimal

456

Binario 0 1 10 11 100 101

Binario


6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Según puede observarse, las dos primeras cantidades se representan igual en los dos sistemas, por 0 y 1. Para representar la cantidad dos hacen falta ya dos dígitos, que se lee “uno cero” (10), pudiéndose también representar la cantidad tres (11, se lee “uno uno”). Con 4 variables binarias, bits, se pueden codificar las cantidades cero al 15; la cantidad 16 requiere ya 5 bits (10000). A cada cantidad decimal le corresponde una determinada combinación binaria. El número de combinaciones que se pueden hacer con n bits es 2n; por tanto, el número de cantidades que se pueden representar con n bits será N = 2n. Así, con 1 bit se pueden representar sólo dos cantidades, ya que sólo son posibles dos combinaciones (21 = 2), con 2 bits se podrán obtener 4 cantidades (22 = 4), con 3 bits 8 cantidades (23 = 8), etc. Cada vez que se añade un bit, se dobla la cantidad de combinaciones que se pueden hacer, como se muestra en la tabla siguiente:

1 bit

2 bits

3 bits

4 bits

O sea, que: Número de combinaciones que se puede hacer con n bits = 2n

457


23.5.3 Valor posicional de los dígitos Cada dígito tiene un peso, valor posicional, según la posición que ocupa. Por ejemplo, en la cantidad 1980, el dígito 1 tiene más peso que el dígito 0 porque por cada unidad que varíe éste la cantidad se ve afectada en 1000; en cambio, las variaciones del dígito 0 sólo afectan a la cantidad en una unidad. En general, los dígitos tienen más peso cuanto más están hacia la izquierda. Así, en la cantidad anterior, 1980, el digito 1 es el de más peso (porque es el que está más a la izquierda) y digito 0 es el de menos peso (porque es el que está más a la derecha). El dígito de más peso se puede expresar por MSB (most significant bit), y el de menos peso con LSB (least significant bit).

23.5.4 Sistema decimal En el sistema decimal, los pesos asociados a los dígitos, son: 10n … 104 n

a …a

4

103 a

102

3

a

101

2

a

1

100 a

0

⇐ Valor posicional de los dígitos ⇐ Dígito decimal

Y como: 100 = 1, 101 = 10, 102 = 100, 103 = 1000, ... se puede poner: … 10000

1000

100

10

1

⇐ Valor posicional

… a4

a3

a2

a1

a0

⇐ Dígitos

Como se deduce, el valor posicional aumenta de derecha a izquierda en potencias de 10; el valor de cada posición es siempre 10 veces mayor que el que está a su derecha. La representación de toda cantidad se basa en tomar ciertas veces los correspondientes valores posicionales. Podríamos pensar en que cada valor posicional representa a un cierto grupo de cosas (cantidad), y cualquier cantidad entonces se puede obtener tomando grupos de estos. Por ejemplo, la expresión 132 significa que se toma un grupo de 100 (1 × 100), tres grupos de diez cosas (3 × 10) y dos unidades (2 × 1), lo cual matemáticamente se puede representar: 100

10

100

1

3

2

= (1 × 100) + (3 × 10) + (2 × 1) = 132

Y representando los valores posicionales de forma exponencial: Cualquier cantidad entera N representada por un grupo de dígitos an an-1 an-2 ... a1 a0 se puede expresar por medio de una serie de sumas, forma polinómica:

Siendo: N = cantidad decimal b = base del sistema numérico a = dígitos del sistema; an es el dígito de mayor peso y a0 es el de menor peso

Ejemplo En la cantidad 1992, tenemos: N = 1992 b = 10 a0 = 2 a1 = 9 a2 = 9 a3 = 1

458


Ejemplo En este caso, an = a3 = 1 (digito de más peso) y a0 = 2 (dígito de menos peso). Haciendo la serie de sumas correspondiente (forma polinómica), se obtiene:

23.5.5 Sistema binario En el sistema numérico binario (también conocido de base 2), se aplican los mismos conceptos que en el decimal (base 10). En este caso, al ser de base 2, el valor posicional de los dígitos en vez de ser potencias de 10 éstas son de 2: 2n … 24 n

a …a

4

23

22

21

20

3

2

1

0

a

a

a

a

⇐ Valor posicional de los dígitos ⇐ Dígito binarios

Y como: 20 = 1, 21 = 2, 22 = 4, 23 = 8, 24 = 16, 25 = 32, …2n. El valor posicional de los dígitos en el sistema binario es: … 256

128

64

32

16

8

4

2

1

⇐ Valor posicional

… a8

a7

a6

a5

a4

a3

a2

a1

a0

⇐ Número binario

Como se observa, el valor posicional de cada dígito aumenta de derecha a izquierda y siempre es el doble del que está a su derecha (es como multiplicar por 2).

Ejemplo La expresión binaria 1101 significa que se toma una cantidad de 8, otra de 4, ninguna de 2 y una unidad; o sea, expresa la cantidad decimal 12. 8 4 2 1 (pesos de los dígitos) 1 1 0 1 ⇒ cantidad = 8 + 4 + 0 + 1 = 12 Y en base a este concepto se puede pasar muy fácilmente de cantidades expresadas en binario al sistema decimal; basta sumar los valores posicionales de los dígitos binarios que estén a 1.

23.5.6 Conversión binario-decimal El trabajo con aparatos que incorporen técnicas digitales puede requerir a veces tener que hacer conversiones entre números binarios a decimales y viceversa. La conversión binario-decimal resulta especialmente sencilla, teniendo en cuenta los pesos de los dígitos; basta con sumar todos los pesos asociados a los bits que estén a "1" (uno lógico).

Ejemplo 1. Conversión a decimal del número binario 10100: Aplicando el polinomio general, sumando los pesos de los bits a 1: Los bits a 0 se pueden omitir en el desarrollo, y así se simplifica: Y se deduce así otra forma aun más simple; consiste en escribir los pesos correspondientes a los bits y situar los estados del bit debajo; el resultado será la suma de los pesos de los bits a 1:

459


Ejemplo 16

8

4

2

1

⇐ Pesos

1

0

1

0

0

= 16 + 4 = 20

2. Conversión a decimal de 10101111: 128

64

1 128

32

0 +

0

16

1 +

8

0

32

+

0

4

1 +

8

2

1 +

4

1 +

2

+

1

⇐ Pesos

1

= Número binario

1

= 175 ⇐ Valor decimal

23.5.7 Conversión decimal-binario Lo mismo que muchas veces en la práctica se requiere tener que pasar a decimal números binarios, también ocurre el caso inverso; tener que pasar a binario números decimales. El método sistemático para hacer esto es mediante divisiones: consiste en dividir el número decimal N por 2, y el cociente que dé volver a dividirlo por 2, y así hasta llegar a un cociente menor que 2; el número binario será el conjunto de los restos de las divisiones y el último cociente, tomados en orden inverso al de aparición.

Ejemplo 1. Conversión a binario del número decimal 37:

Si pasamos a decimal el número binario obtenido, 100101, podremos comprobar el resultado: 32

16

1 32

8

0 +

0

4

0 +

0

2

1 +

4

0 +

0

+

1

⇐ Pesos

1

= Número binario

1

= 37 ⇐ Valor decimal

Otra forma de hacer la conversión decimal-binario, que no precisa hacer las divisiones, es un método práctico, por deducción ("a ojo"): Consiste en ir poniendo bits a "0" ó "1" debajo de los pesos, de manera que la suma de los pesos nos dé el número decimal que nos interese. 2. La conversión del número decimal 25 a binario se haría así: 16

8

4

2

1

⇐ Pesos binarios

1

1

0

0

1

⇐ Se ponen de manera que el valor decimal = 25

1

= 25

16

+

8

+

0

+

0

+

Aunque hay que saber que actualmente la mayoría de calculadoras pueden realizar operaciones de conversión entre binario y decimal, y también entre otros sistemas numéricos; o sea, es la forma más fácil y práctica, aunque se tienen que saber los principios de estas operaciones.

460


Actividades propuestas 1. Definir los conceptos de bit, byte y word. 2. ¿Cuál es el número de máximo de combinaciones binarias que se pueden hacer con 4 bits, 8 bits y 10 bits? 3. Pasar a binario los números decimales: 9, 37 y 129. 4. Indicar los valores correspondientes a: 1k= 1 Mega = 1 Giga = 1 Tera = 5. En un disco duro de 1 TB, ¿cuántos MB se pueden guardar? 6. Un archivo de video en formato MPG2 de 4,2 GB. ¿Cuántos MB de disco duro ocupará?

23.6 Codificación-decodificación Un código binario es cualquier sistema de representación de información mediante variables binarias. El sistema binario explicado se denomina binario natural, y se puede considerar el código más simple; se basa en representar binariamente la información numérica decimal.

23.6.1 Código binario BCD En muchas aplicaciones se hace necesario mostrar los datos binarios en formato decimal. Un ejemplo de ello son las calculadoras y relojes digitales. En este tipo de aplicaciones resultan especialmente interesantes códigos que representen la información de cada uno de los dígitos decimales por separado; son los denominados códigos BCD, que significa decimal codificado en binario (Binary Coded Decimal). Entre los diferentes códigos BCD que existen, el de mayor interés práctico es el denominado BCD natural, que se basa en representar cada uno de los dígitos decimales con su correspondiente binario natural. O sea, a cada digito decimal le corresponde un grupo de 4 bits. En los sistemas que operen con este código se requiere por tanto que los datos de entrada decimales sean convertidos internamente a BCD: es la codificación. Por otra parte, para sacar los datos al exterior, se requiere una conversión inversa; pasar de BCD a decimal; es la decodificación. Para lograr esto, se utilizan circuitos integrados codificadores y decodificadores que, junto con las unidades de visualización (display), permiten al usuario operar en el sistema decimal, aunque el aparato lo haga internamente en binario. Como se ha indicado, el código BCD se basa en codificar cada digito decimal en binario. Un número decimal de varios dígitos se representa por tanto mediante la codificación individual de cada uno de sus dígitos. Puesto que en el sistema decimal existen diez símbolos diferentes, dígitos del 0 al 9, hacen falta 4 variables binarias (bits) para poder codificar todas las cifras. Y como que con 4 bits se pueden hacer 24 = 16 combinaciones, aparecen 6 combinaciones que no son utilizadas (las correspondientes a los números 10 al 15). La tabla de los códigos BCD correspondientes a los números 1 al 15 se muestra en la figura 23.19.

461

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital El código BCD es un código ponderado; a cada bit le corresponde un valor, un peso, de acuerdo con la posición que ocupa, igual que en binario natural. La representación de los números 0 al 9 coincide con el binario natural. Pero a partir del número decimal 10 ya se precisan dos grupos de 4 bits; hace falta un grupo de 4 bits por digito decimal.

Ejemplo 1. La codificación del número 15 en código BCD se realiza agrupando un grupo de cuatro bits para cada dígito:

Decimal Código BCD

Figura 23.19. Tabla de los números BCD del 0 al 15.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0001 0000 0001 0001 0001 0010 0001 0011 0001 0100 0001 0101

Así pues, para codificar un número decimal de N dígitos se requieren N grupos de 4 bits. 2. La conversión a BCD del número decimal 1983 es:

23.6.2 Codificadores y decodificadores Los números decimales se convierten a binario BCD mediante circuitos codificadores. Existen circuitos integrados que realizan dicha función (fig. 23.20). Tienen 10 entradas (0 al 9) y 4 salidas para el código binario BCD. La entrada activada hace que salga el código binario correspondiente. Ejemplo, si se activa la entrada 9 el código binario de salida es 1001 (9 en binario), como se muestra en la figura 23.20.

462


CODIFICADOR (Decimal-BCD) 0 1 2

Entradas (decimal)

3

+5V

1

1

2

0

4

0

8

1

Salidas (binario)

9

9 en binario Entrada 9 acvada

Figura 23.20. Circuito codificador.

Y mediante los circuitos decodificadores y unidades de visualización (display) se puede hacer la representación en decimal de los códigos binarios BCD (figura 23.21). Estos circuitos integrados se llaman decodificadores BCD- 7 segmentos. Convierten el código binario BCD de entrada al código de 7 segmentos, para encender los displays de 7 segmentos. Ejemplo, si la entrada BCD es 1000, el dígito que aparecería en el display sería el 8. Un CI decodificador muy utilizado es el 4511, de tecnología CMOS. DECODIFICADOR (BCD-7seg)

Display 7 seg.

1

Binario (BCD) Figura 23.21. Decodificador. Pasa de binario BCD al código de 7 segmentos.

2 4 8

23.6.3 El sistema hexadecimal Este sistema numérico utiliza 16 símbolos para expresar las cantidades, de ahí su denominación de base 16. Es necesario conocerlo porque aparece mucho para representar datos binarios; así es, por ejemplo, en la programación de microcontroladores; los archivos en código máquina (binario) se representan en hexadecimal (en binario sería demasiado complicado). O sea, aunque el hexadecimal es un sistema numérico se utiliza mucho en informática para representar datos binarios de una forma resumida; ya que cada uno de los 16 caracteres hexadecimales equivalen a un grupo de 4 bits. Los 16 símbolos que emplea son: los dígitos decimales 0 al 9 y las letras A a la F. Así pues, las cantidades se expresan de la forma: FF, A1, 3C, 9F,… En la tabla de la figura 23.22 se muestra la correspondencia entre decimal, binario y hexadecimal. Una característica importante que tiene este sistema es que con 4 bits se pueden codificar los 16 símbolos. La información binaria puede representarse entonces de una forma más resumida. Por ejemplo, un dato de 16 bits (2 bytes) pueden representarse mediante 4 símbolos. Esta la principal razón por la cual el sistema hexadecimal se emplea mucho en electrónica digital y en informática; se puede ver como una representación abreviada del binario.

463


Decimal 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Figura 23.22. Tabla de la equivalencia entre decimal, binario y hexadecimal.

Binario

Hexadecimal

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

Conversión de binario a hexadecimal Se hacen agrupaciones de 4 bits, y a cada agrupación se le asigna el símbolo hexadecimal correspondiente.

Ejemplo La combinación binaria 11110001 en hexadecimal es:

Conversión de binario a hexadecimal A cada símbolo hexadecimal se le asigna su correspondiente combinación binaria.

Ejemplo 1. El número hexadecimal A9 en binario es:

2. El número hexadecimal FA en binario, es:

23.6.4 Código alfanumérico Los códigos alfanuméricos en general son los que permiten la codificación también de letras y signos especiales. Las letras y diferentes signos que aparecen, por ejemplo, en la pantalla de un ordenador también internamente se operan en binario. Esto indica que existe también una codificación binaria de la información alfanumérica. Así, a símbolos como A, 3, B, =, *, +, /, &,… también les corresponden ciertas combinaciones binarias. A todo este tipo de simbología codificada se le denomina carácter.

464

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital El código alfanumérico más popular es el conocido por ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Es un código de 7 bits, aunque se utiliza un bit más para funciones de control. A modo de ejemplo, en la tabla de la figura 23.23 se muestran los códigos correspondientes a algunos caracteres.

Carácter ASCII 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Figura 23.23. Algunos caracteres en código ASCII.

Carácter ASCII

110000 110001 110010 110011 110100 110101 110110 110111 111000 111001

A B C D E % * + ( )

1000001 1000010 1000011 1000100 1000101 100101 101010 101011 101000 101001

El código ASCII es el usualmente utilizado en los ordenadores. Así, cuando pulsamos la tecla A en el teclado le estamos enviando al procesador el código binario 1000001. Y cuando por la impresora aparece el signo * es porque el ordenador le ha enviado a la impresora el código 0101010.

Actividades propuestas 1. ¿Qué función aporta el código binario BCD? Indicar algunas aplicaciones donde se utiliza. 2. Poner la tabla de los números decimales 0 al 15 con sus correspondientes códigos BCD. ¿Qué valores de la tabla no son utilizados? 3. Pasar a código binario BCD los números decimales: 59 = ? 87 = ?

2011 = ?

4. Pasar a decimal los números binarios BCD: 00010101 = ?

0001100110001000 = ?

10010011 = ?

5. Representar el número decimal 59 en binario natural y BCD natural. 6. ¿Qué función realizan los circuitos codificadores y decodificadores BCD? 7. ¿Cuál es la función básica que nos aporta el sistema hexadecimal? 8. Pasar al sistema hexadecimal los números binarios: 11110001 = ?

10011010 = ?

10101111 = ?

9. Pasar a binario los números hexadecimales: FF = ? A3 = ? 1FC = ? 10. ¿Cuál es la función de un codificador ASCII en un ordenador? ¿Cuál es el código ASCII correspondiente a la letra A y al signo *?

23.7 Datos en formato paralelo En los datos de tipo paralelo, se utiliza una línea (cable) por bit del dato. Así, por ejemplo, dos sistemas que se comuniquen mediante datos de 8 bits (bytes) requieren 8 líneas para la comunicación, como se representa en la estructura de sistema digital programable de la figura 23.24. Los datos son de un byte, y circulan a través de un grupo de 8 líneas (bits). Cada bit requiere una línea. Al conjunto de todas las líneas de datos se llama bus de datos. En general, los buses son conjuntos, grupos de hilos, a través de los cuales se comunican las diferentes partes del sistema.

465


Memoria RESET

- Programas - Datos

Interface

Disposivos de E/S

(Circuitos adaptadores para los disposivos externos)

CPU (μP) BUS DATOS 8 bits

Datos en paralelo; un hilo por bit.

Circuito de clock Figura 23.24. Datos en paralelo; una línea por bit.

Figura 23.25. Estructura de bloques básicos de un sistema digital programable (puede ser un ordenador). Los buses son conjuntos, grupos de hilos, a través de los cuales se comunican las diferentes partes del sistema.

En un sistema ordenador, además del bus de datos está el bus de direcciones y un bus de control. A través del bus de direcciones (que es direccional), el procesador envía las direcciones de memoria y también sirve para seleccionar dispositivos externos de entrada-salida (E/S). El bus de control es un conjunto reducido de líneas, unas direccionales y alguna bidireccional; a través de estas señales, por ejemplo, el procesador selecciona si la memoria la quiere leer o escribir datos en ella (es la señal R/W). También se encuentra otras señales, como el clock, reset, interrupciones, etc. Una estructura más detallada de los buses de un sistema así, un ordenador, se muestra en la figura 23.25. Se basa en un microprocesador de 32 bits; los datos de los diferentes componentes básicos del sistema (μP, memoria e interface) transitan a través de un grupo de 32 líneas (bus de datos). Si se tratara de un microprocesador de 64 bits, se necesitarían 64 líneas para la comunicación.

Memoria - Programas - Datos RESET

BUS DIRECCIONES

Interface BUS CONTROL

CPU (μP)

BUS DATOS 32 bits

Circuito de clock

466

Datos en paralelo; un hilo por bit.

(Circuitos adaptadores para los disposivos externos)

Disposivos de E/S


23.8 Datos en formato serie En los datos en formato serie, los bits del dato se trasmiten secuencialmente, un bit tras otro, a través de una sola línea, como se representa en la figura 23.26. Obviamente, existe un protocolo de transmisión-recepción de los datos; hay un bit indicador de inicio de dato (start), un bit indicador de fin del dato (stop), etc. Aunque los bits de datos circulan a través de una sola línea no significa que con un sólo cable es suficiente; al menos hace falta otro cable de masa (0 V), y puede ser necesario alguna línea más de control. Un sistema muy conocido y utilizado de transmisión serie es el RS232. En general, el sistema de comunicación serie simplifica y facilita la vía de comunicación, especialmente a largas distancias. En formato serie es como se comunican los ordenadores entre sí o con algunos dispositivos de entrada-salida (periféricos) como, por ejemplo, un router. Datos 1 1 0 0 1

Figura 23.26. Datos en formato serie.

stop

start

Procesador

Impresora, ratón, teclado, modem, etc.

Datos en serie: Todos los bits del dato circulan (uno tras otro) por la misma línea.

23.8.1 Puerto USB (Universal Serial Bus) Actualmente el puerto serie normalmente utilizado es el conocido por USB, que significa bus serie universal. Es una conexión a través de 4 hilos, cuyo formato de conector es el representado en la figura 23.27. Está el USB tipo A, el USB tipo B y el mini USB.

Conectores USB Disposivo

Cable USB A

USB B USB mini

Figura 23.27. Puerto USB.

Las señales del conector son: Pin: 1 : VCC (+ 5 V) 2 : Data – 3 : Data + 4 : GND (0 V) O sea, tiene una alimentación de 5 V más dos señales de datos. La corriente que puede proporcionar la tensión de salida de 5 V es de unos 500 mA; mediante esta

467

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital alimentación es como se pueden cargar la batería de un MP3, un móvil, cámara de fotos, etc. A través del puerto USB es como se hace la comunicación en los pendrive (memoria flash), cámaras de fotos y de video, discos duros SATA (internos o externos), el ratón, etc. (figura 23.28).

Figura 23.28. Dispositivos típicos que se comunican con el ordenador a través del puerto serie USB.

La comunicación de datos en formato serie es, en general, la forma normalmente utilizada en las comunicaciones con los dispositivos externos, y de especial importancia en las comunicaciones a larga distancia por medio de fibra óptica (FO), telefonía, Internet, etc. Y el formato paralelo es como normalmente se comunican los componentes en el sistema interno (memoria RAM, BIOS, procesador, etc.) del ordenador; a través del bus de datos, que puede ser hasta de 64 líneas.

23.9 Operaciones aritméticas básicas en binario

La operación aritmética fundamental es la suma, puesto que a partir de ella se pueden realizar el resto de operaciones. Los procesadores digitales programables (microprocesadores) disponen de lo que se denomina Unidad lógico-aritmética (ALU), que es la parte del microprocesador que se encarga de realizar todo lo que son operaciones aritméticas y lógicas. Para ello la ALU se basa en una unidad sumadora, que permite también hacer restas utilizando números binarios negativos. El resto de operaciones se hacen basándose en las sumas y restas. De esta manera, un mismo circuito, puede permitir la realización de diferentes tipos de operaciones, con lo cual se simplifica notablemente la circuitería electrónica.

23.9.1 Suma binaria La suma binaria se basa en: Suma binaria 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1 + 1 = 0 y se lleva 1 (acarreo) Como se puede observar, cuando se suma 1 + 1 aparece el concepto de acarreo (carry, en inglés). Que consiste en sumar un 1 a la siguiente columna de suma. Es equivalente a cuando en el sistema decimal se suma, por ejemplo, 9 + 1= 10; se lleva un 1 que se suma a la siguiente cifra.

23.9.2 Resta binaria La resta binaria natural se basa en la tabla siguiente:

468


Resta binaria 0—0=0 0 — 1 = 1 ⇒ y se presta 1 (borrow) 1—0=1 1—1=0 En el caso de 0 – 1, ocurre algo similar al acarreo en las sumas; se genera un 1 que se lleva a la resta de la siguiente columna. Este bit que se genera se conoce por borrow. La operación de resta, aunque puede hacerse con circuitos restadores específicos operando de la forma indicada, normalmente se realiza mediante circuitos sumadores operando con números con signo, o sea, con números positivos y negativos (notación en complemento a dos). De esta manera, las restas se puede realizar mediante circuitos sumadores; es cuestión de que uno de los operandos sea negativo. Esto simplifica las unidades de cálculo, que forman parte del microprocesador (CPU) y se llaman ALU (Arithmetic Logic Unit).

Actividades propuestas 1. Explicar el principio básico de comunicaciones de datos en formato paralelo. 2. Explicar el sistema básico de comunicaciones de datos en formato serie. Representar esquemáticamente algún ejemplo. 3. Indicar el nombre de dos sistema de comunicación serie. 4. Indicar 3 dispositivos informáticos que se comunican en formato serie. 5. ¿Qué significan SATA, USB, Firewire? ¿Qué sistema de comunicación utilizan? 6. Internamente, en la placa base del ordenador ¿Cómo es la comunicación de datos entre la CPU y la memoria RAM, en formato paralelo o serie? 7. ¿Mediante qué formato se comunican al ordenador las máquinas de fotos, video, pendrive, discos duros portátiles, en formato serie o paralelo? 8. Representar el patillaje de un conector USB con las señales que utiliza. 9. ¿Qué significa ALU? ¿Qué función realiza? 10. Realizar las siguientes operaciones en binario: 1001 + 0110 = ?

10001110 + 01101010 = ?

0110 – 0010 = ?

10001111 – 00010010 = ?

23.10 Introducción a los circuitos digitales 23.10.1 Operaciones básicas El soporte matemático de la electrónica digital es el álgebra de Boole; es un conjunto de reglas que trata con variables binarias y se basa en tres operaciones lógicas fundamentales: • Suma lógica • Producto lógico • Complementación

23.10.2 Variable binaria Es cualquier cosa que sólo puede tomar dos estados, que normalmente se expresan por 1 y 0. Un interruptor es, por ejemplo, una variable binaria, ya que sólo puede tomar dos estados. Se suelen expresar por una letra (A, B, C, etc.). 469


23.10.3 Función lógica Una función lógica es también una variable binaria, cuyo estado depende a su vez de otras variables binarias relacionadas por medio de operaciones lógicas. Por ejemplo, el estado de una lámpara activada por tres interruptores en serie constituye una función lógica; la lámpara puede estar encendida o apagada (variable binaria) en función del estado de los interruptores (variables binarias); en este caso, es una función lógica que se llama Y (AND), que se puede expresar por:

23.10.4 Expresión lógica Es la representación de una función lógica de forma matemática (álgebra de Boole); aparecen las variables binarias relacionadas mediante operaciones lógicas. Como por ejemplo:

23.10.5 Tabla de verdad Una tabla de verdad expresa, gráficamente, el estado lógico que toma una función para cada una de las combinaciones de las variables, como resultado de todas las operaciones lógicas que intervengan. A diferencia de las expresiones matemáticas clásicas, en el álgebra de Boole las expresiones representan circuitos físicos. En la figura 23.29 se muestra un circuito de ejemplo en el cual aparecen estos conceptos. El estado de la lámpara, L, constituye la variable binaria correspondiente a la función lógica, f, realizada por el circuito, cuya expresión lógica algebraica es: A su vez, la tabla de verdad indica el estado que toma la función (lámpara encendida o apagada) para todas las posibles combinaciones entre los tres interruptores (variables binarias).

L = A (B + C ) B A C

L

470


Variables de entrada

Figura 23.29. Circuito lógico realizado con contactos (interruptores), que realiza la función lógica que se representa en la tabla de verdad.

Variable de salida

C

B

A

f

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

1

Expresión lógica algebraica:

L = A (B + C )

23.11 Puertas lógicas Las puertas lógicas constituyen los circuitos digitales fundamentales; realizan las funciones lógicas básicas. Y la realización de funciones más complejas se puede obtener por medio de la interconexión entre varias puertas lógicas; de hecho, los circuitos internos de los bloques lógicos complejos también están realizados en base a las puertas lógicas.

23.11.1 Operaciones lógicas fundamentales Se puede decir, que los sistemas digitales en general, con toda su complejidad y potencia operativa que puedan tener, internamente se fundamentan en sólo tres tipos de operaciones lógicas: • Suma lógica • Producto lógico • Complementación

23.11.2 Función lógica OR: Suma lógica La función OR realiza la operación suma lógica. Su expresión lógica (álgebra de Boole) es: El símbolo lógico (típico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas OR (7432) se muestra en la figura 23.30.

471


Función OR Símbolo lógico

Tabla de verdad

Circuito integrado

7432

A

f = A+B

B

B

A

f

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

+VCC 1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

GND

Figura 23.30. Función OR.

A y B son las binarias de entrada; sólo pueden tomar los estados 1 y 0. El resultado de la suma lógica vale 1 cuando las variables A o B valen 1, o bien las dos a la vez estén a 1. A diferencia de la suma binaria aritmética, cuando A y B valen 1 el resultado es 1; en cambio en la suma aritmética el resultado es 0 (y se produce un acarreo). La suma lógica y suma aritmética no son por tanto lo mismo.

23.11.3 Función lógica AND: Producto lógico La función AND realiza la operación producto lógico. Su expresión lógica (álgebra de Boole) es: El símbolo lógico (típico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas AND se muestra en la figura 23.31. Como es fácil comprender, el resultado vale 1 sólo cuando las dos variables están a 1; basta que una de las variables sea 0 para que el resultado también sea 0. Un ejemplo de CI con puertas AND es el 7408.

Función AND Símbolo lógico

Tabla de verdad

Circuito integrado

7408

A B

f =AB

B

A

f

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

+VCC 1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

GND

Figura 23.31. Función AND.

472


23.11.4 Función lógica NOT: Complementación Esta operación se aplica sobre una sola variable y su expresión lógica es igual a la variable en cuestión con una rayita encima. La complementación también denomina inversión o negación. La salida siempre toma el estado contrario de la entrada; si la entrada es 0, la salida 1. El símbolo lógico (típico), la tabla de verdad y un circuito integrado con inversores (7404) se muestra en la figura 23.32.

Función NOT (Inversor) Símbolo lógico

Tabla de verdad

Circuito integrado

7404 +V VCC

f=A

A

A

f

0

1

1

0

1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

GND

Figura 23.32. Función NOT. Inversor.

Una tabla resumen sobre las puertas lógicas fundamentales se muestra en la figura 23.33. Aparece la simbología de las puertas (en su forma típica y en la normalizada IEC), la expresión lógica y la tabla de verdad.

Puerta OR A

Puerta AND

f = A+B

≥1

A

Puerta NOT

f =AB

&

A

f=A

1

B

B Símbolo IEC

Símbolo IEC

f = A+B

A

Símbolo IEC

f =AB

A

f=A

A

B

B B

A

f

B

A

f

0

0

0

0

0

0

A

f

0

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

1

1

1

1

Figura 23.33. Resumen de las tres funciones lógicas fundamentales.

473

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital Otras funciones, derivadas de las anteriores son: • Función NOR • Función NAND

23.11.5 Función NOR La función NOR es la función OR con negación; se obtiene mediante la puerta OR con un inversor en la salida, por ello su expresión es: La salida sólo es 1 cuando las dos entradas están a 0; la activación de cualquiera de las entradas hace que la salida sea 0. El símbolo lógico (típico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas NOR (7402) se muestra en la figura 23.34.

Función NOR Símbolo lógico

Tabla de verdad

Circuito integrado

7402

A

f = A+B

B

B

A

f

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

VCC 1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

GND

23.11.6 Función NAND

Figura 23.34. Función NOR.

La función lógica NAND es la función AND con negación; se obtiene mediante la puerta AND con un inversor en la salida, por ello su expresión es: Si las dos entradas están a 1 la salida es 0; y si alguna entrada este a 0, la salida es 1. El símbolo lógico (típico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas NAND (7400) se muestra en la figura 23.35.

Figura 23.35. Función NAND.

Función NAND Símbolo lógico

Tabla de verdad

Circuito integrado

7400 B A B

f =AB

A

+VCC

f

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

GND

474


23.11.6 Función EXOR Esta función se conoce por OR exclusiva. La salida es 1 si el número de entradas a 1 es impar; por eso también se dice que la función EXOR es un detector de imparidad. En el caso de 2 entradas, la salida es 1 sólo cuando una de las entradas está a 1, como se muestra en su tabla de verdad. Si las dos entradas están activadas (1), el estado de la salida es 0. El símbolo lógico (típico) de la puerta, la tabla de verdad y un circuito integrado con puertas lógicas EXOR (7486) se muestra en la figura 23.36.

Función EXOR Símbolo lógico

Tabla de verdad

Circuito integrado

7486 B A

f = A⊕B

B

A

+VCC

f

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

GND

Figura 23.36. Función EXOR.

Actividades propuestas 1. Si a una puerta OR le conectamos a la salida una puerta NOT, ¿qué función se obtiene? Dibujar el esquema, tabla de verdad y expresión lógica. 2. A una puerta del CI 7486 le conectamos a la salida una puerta del CI 7404. Dibujar el circuito lógico y deducir la tabla de verdad y la expresión lógica. ¿Qué función lógica se obtiene? 3. ¿Qué función lógica se obtiene si a una puerta NAND (CI 7400) le unimos las dos entradas? 4. Utilizando el CI 7432, deducir una función lógica OR de 4 entradas. Poner la expresión lógica, la tabla de verdad y dibujar el circuito basado en el CI 7432. Una tabla resumen de estas últimas funciones lógicas se muestra en la figura 23.37; se muestra la simbología normalizada (IEC) y también la simbología típica, las expresiones lógicas y las tablas de verdad. Los símbolos de tipo cuadrado son los normalizados (IEC). Los otros símbolos son los más populares, aunque no son los normalizados. Es conveniente conocer los dos tipos de simbología lógica.

475


Puerta NOR A

Puerta NAND

f = A+B

≥1

A

f =AB

&

B

B Símbolo IEC A

A

f = A⊕B

=1

B Símbolo IEC

f = A+B

A

Símbolo IEC

f =AB

B

B

Figura 23.37.

Puerta EXOR

A

f = A⊕B

B

B

A

f

B

A

f

B

A

f

0

0

1

0

0

1

0

0

0

0

1

0

0

1

1

0

1

1

1

0

0

1

0

1

1

0

1

1

1

0

1

1

0

1

1

0

23.12 Simbología lógica La simbología lógica clásica, la que normalmente se encuentra, se conoce por simbología estándar americana, y también por normas MIL (Military standard graphics symbols for logic diagrams). Esta simbología fue desarrollándose de una forma paralela a la evolución de los circuitos digitales, y es la que usualmente se encuentra en la documentación técnica. Pero dado el espectacular desarrollo de las técnicas digitales en los últimos años dicha simbología fue dejando de ser adecuada para la representación de las funciones cada vez más complejas que van apareciendo. Por esta razón, se desarrollo una nueva simbología lógica normalizada, adoptada por la International Electrotechnical Commission (IEC) y que se conoce por simbología IEC. Esta nueva simbología ya la están utilizando, desde hace años normalmente los fabricantes de circuitos integrados en sus databook, (aunque también siguen utilizando la simbología estándar clásica).

23.13 Circuitos integrados digitales Para la realización de las operaciones lógicas se puede utilizar cualquier dispositivo que pueda operar en binario, o sea, que se le pueda hacer funcionar en dos estados bien diferenciados: interruptores, relés, transistores, tiristores, válvulas hidráulicas, etc. Aunque, gracias a los avances en las técnicas electrónicas integradas, los operadores lógicos son normalmente dispositivos electrónicos; de ahí la denominación de electrónica digital. Los dispositivos electrónicos que realizan las operaciones lógicas básicas se denominan puertas lógicas; físicamente son circuitos integrados digitales. Mediante los dispositivos lógicos básicos, puertas lógicas, se pueden realizar otros circuitos más complejos como pueden ser: Decodificadores, multiplexores, contadores, etc. Y mediante estos otros circuitos lógicos se pueden realizar otros aún más complejos, como las unidades lógico-aritméticas (ALU). En la práctica, se dispone de diversos CI que realizan desde funciones básicas (puertas lógicas) hasta funciones complejas como son los microcontroladores y muchos otros CI digitales. Por ejemplo, las me-

476

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital morias RAM, convertidores A/D y D/A y los microprocesadores (CPU) son CI digitales de cierta complejidad. También disponemos de CI que realizan funciones no tan complejas que son muy utilizados, como son los decodificadores de display, multiplexores, comparadores, contadores, etc.

23.13.1 Tecnología TTL Las primeras experiencias con los CI digitales es conveniente que se hagan con tecnología TTL, ya que requieren menos precauciones que los CMOS. Internamente, los circuitos TTL están realizados con transistores bipolares (BJT), por lo cual TTL es una tecnología bipolar. La serie 74LS (Low power Shottky), es de bajo consumo y alta velocidad; son los circuitos integrados TTL más utilizados. Un ejemplo es el 74LS00 (puertas NAND), que en la versión básica TTL sería 7400.

Alimentación Una característica muy representativa de TTL es que su alimentación es de 5 V. Es preciso, pues, una fuente de alimentación de 5 V, que puede conseguirse fácilmente mediante un CI regulador de tensión 7805.

Niveles de salida En el estado lógico 1 de salida, el fabricante garantiza un mínimo de 2,4 V, siendo el valor típico unos 3,6 V. Este nivel se expresa por VOH. La corriente de salida máxima garantizada en este nivel (IOH) es de 0,4 mA, manteniéndose el valor de voltaje alrededor de los 3,5 V. Se pueden obtener corrientes mayores, pero entonces baja el voltaje de salida. La corriente de salida en el nivel alto se expresa por IOH. En el estado lógico de salida 0, el fabricante garantiza un máximo de VOL = 0,4 V (en la práctica, es muy próxima a 0 V). La corriente máxima de salida garantizada para el nivel 0 de salida es 16 mA, y se expresa por IOL.

Consumo En cuanto a consumo, la potencia típica disipada por puerta TTL es unos 10 mW en la serie estándar (74). En la serie 74LS, la potencia se reduce a 2 mW.

23.13.2 Tecnología CMOS La tecnología CMOS se caracteriza por un muy bajo consumo y flexibilidad en la tensión de alimentación. A diferencia de la TTL, los circuitos internos están realizados con transistores de tipo de efecto de campo MOS, con un tipo de montaje (complementario) que le confiere la característica de muy bajo consumo. El voltaje de alimentación no es fijo como ocurre en TTL, sino que puede variar en un amplio margen (en la serie estándar CMOS 4000B). Normalmente, pueden alimentarse con una tensión entre 3 y 15 V. Pero no es así en todas las series CMOS; en la serie 74HC la alimentación sólo puede variar entre 2 y 6 V.

Tensiones y corrientes de entrada-salida En cuanto a las tensiones de salida de los niveles lógicos, la tensión de salida en el nivel alto (1) es casi igual a la tensión de alimentación (VOH = VDD); y en el nivel bajo de salida (0), la tensión es casi 0 V. Según datos del fabricante (Fairchild, serie CMOS F4000), a 25 °C de temperatura y sin carga (IO = 0 mA) las tensiones de salida en los niveles alto y bajo son: VOH = 4,99V y VOL = 0,01 V Y respecto a las corrientes de salida, se garantiza una corriente de 0,4 mA tanto para el nivel alto como el nivel bajo de salida.

477


Serie 74HC Los circuitos integrados de la serie 74HC pertenecen a una variante mejorada de CMOS, que se conoce por HCMOS (CMOS de alta velocidad); en estos CI hay que saber que la tensión de alimentación sólo puede ir de 2 a 6 V. Los CI más populares TTL y CMOS (serie 4000B) se encuentran también en esta serie, con el mismo patillaje. Por ejemplo, el TTL 7400 aparece como 74HC00 y el CMOS 4511B aparece como 74HC4511. La potencia disipada típica por puerta es muy baja; unos 2,5 nW (en estático), para una alimentación de 5 V y capacidad de carga de 15 pF. Permiten una corriente de salida de 4 mA en los circuitos estándar, con niveles correctos de tensión de salida. Los CI 74HC son circuitos comparables a la serie TTL 74LS, pero con un menor consumo. Para empezar a experimentar con la electrónica digital, se recomienda hacerlo con circuitos integrados de tecnología TTL. En la figura 23.38 se muestra el patillaje de los CI de puertas lógicas TTL más populares, que son los normalmente utilizados para realizar las primeras prácticas de electrónica digital.

Circuitos integrados necesarios 74LS32, 74LS08, 74LS04, 74LS02, 74LS00, 74LS86

74LS00

74LS04

74LS02 +VCC

+V VCC

VCC

1

14

1

14

1

14

2

13

2

13

2

13

3

12

3

12

3

12

4

11

4

11

4

11

5

10

5

10

5

10

6

9

6

9

6

9

7

8

7

8

7

8

GND

GND

GND

74LS08

74LS32 +VCC

74LS86 +VCC

+VCC

1

14

1

14

1

14

2

13

2

13

2

13

3

12

3

12

3

12

4

11

4

11

4

11

5

10

5

10

5

10

6

9

6

9

6

9

7

8

7

8

7

8

GND

GND

GND

Figura 23.38. Patillaje de circuitos integrados con puertas lógicas, de tecnología TTL.

478


Actividades prácticas Objetivo Experimentar las funciones lógicas básicas (OR, AND, NOT, NOR, NAND, EXOR) y familiarizarse con los circuitos integrados digitales. Se utilizaran para ello circuitos integrados digitales de tecnología TTL, por ser la tecnología más conveniente para iniciarse en la práctica digital y, demás, ser una de las más extendidas comercialmente. Un ejemplo de montaje práctico, que debe servir de referencia para los demás, es el mostrado en la figura 2.39. Además de la experimentación de la función lógica, se deben medir las tensiones de salida en el estado alto (VOH) y en el estado bajo (VOL). Aunque no es conveniente conectar directamente un LED a la salida de la puerta, debido a que se puede sobre cargar la salida en el nivel alto (VOH), para fines didácticos de experimentación se puede hacer. En base a lo anterior, realizar y experimentar: 1. Las funciones lógicas básicas de dos entradas (OR, AND, NOT, NOR, NAND, EXOR). 2. Deducir y montar los siguientes circuitos: a) Una función OR de 4 entradas, utilizando sólo puertas OR. b) Una función NAND de 3 entradas, utilizando sólo puertas NAND. c) Una función EXOR de 5 entradas, utilizando sólo puertas EXOR.

+5V

4k7

4k7

7432 Abierto ⇒ 1 Cerrado ⇒ 0

0 1

A

VO

B 470 Ω

Medidas de VO

1

14

2

13

3

12

4

11

5

10

6

9

7

8

LED

V +

f = A+B

Figura 23.39. Montaje para la experimentación de la puerta OR (CI 74LS32).

479

Unidad 23 · Introducción a la electrónica digital En base a este circuito, se realizará la experimentación de las demás puertas lógicas básicas (prestar atención al patillaje del CI utilizado). Hallar prácticamente la tabla de verdad de cada puerta, y medir la tensión de los niveles lógicos de salida 0 y 1.

Medidas de tensión de los niveles lógicos VOH = ?

VOL = ?

(LED encendido)

(LED apagado)

Tabla de verdad A

B

0

0

0

1

1

0

1

1

f

23.14 Principios del álgebra de Boole 23.14.1 Postulados fundamentales Las siguientes sencillas operaciones constituyen los principios fundamentales del álgebra de Boole y son la base de la simplificación de las funciones, como se verá más adelante; se deben de saber con claridad.

23.14.2 Principio de dualidad Dada una cierta expresión lógica, cambiando el tipo de operación lógica (suma por producto o viceversa) y complementando los 0 o 1 que aparezcan, aparece otra expresión lógica correcta; es el principio de dualidad. En base a esto, se pueden deducir relaciones lógicas partiendo de otras.

Ejemplo Dados unos postulados se deducen otros:

480


23.14.3 Propiedad conmutativa Esta propiedad, como su nombre indica, permite conmutar los términos y las variables:

23.14.4 Propiedad asociativa Esta propiedad, permite asociar variables. Tiene aplicación, por ejemplo, para deducir circuitos basados en puertas de dos entradas:

23.14.5 Propiedad distributiva

En el primer caso su demostración es obvia. Y en el segundo caso, aplicando postulados se demuestra fácilmente:

Las propiedades distributivas pueden dar lugar a simplificaciones.

Ejemplo

23.14.6 Ley de absorción Se basa en las expresiones:

Cuya demostración algebraica es: Generalizando esta ley, una expresión compuesta por la suma de varios términos productos queda simplificada al término más simple (si el estado de sus variables se encuentra en los demás términos).

Ejemplo

Puesto que el término más simple es C B y éste se encuentra contenido en los demás términos, tenemos: Esto se puede demostrar sacando factor común C B:

481


23.14.7 Teorema de Shannon Sirve para hallar el complemento de una función; se complementan las variables y se cambia el tipo de operación (suma por producto o viceversa).

Ejemplo

Su demostración por tablas de verdad es:

B

A

0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 0

23.14.8 Teoremas de De Morgan Permiten transformar funciones producto en funciones suma y viceversa, cuya principal aplicación práctica es realizar circuitos utilizando un sólo tipo de puerta. Es uno de los principios más importantes del álgebra de Boole, y de utilización práctica. Se basa en las siguientes expresiones:

En la primera expresión, se deduce que una función suma lógica se puede realizar mediante una función producto; cambiando el tipo de operación, negando las variables y negando toda la expresión. La otra expresión indica que una operación producto se puede realizar mediante una suma lógica, aplicando los mismos principios. La demostración por tablas de verdad es muy sencilla:

B

A

0 0 1 1

0 1 0 1

1 0 0 0

1 0 0 0

1 1 1 0

Ejemplo

Su aplicación también puede dar lugar a simplificaciones:

Ejemplo

Aplicando el teorema a las tres primeras variables:

482

1 1 1 0


Actividades prácticas Experimentación del teorema de De Morgan Mediante los circuitos de la figura 23.40, experimentar los teoremas de De Morgan. Realizar las tablas de verdad de cada función y razonarlas.

+ 5V

4k7

A + B = A⋅B 74LS02

4k7 2

1

470 Ω

f = A+B

3

A

B

5

4

74LS08

6 1

3

2

8

10

470 Ω

f = A⋅B

470 Ω

f = A⋅B

9

+5V

A⋅B = A + B 4k7

4k7 1 3 2

A

B

4

4

74LS32

5

1

3

2

13

11

470 Ω

f = A+B

12

74LS00

Figura 23.40. Circuitos prácticos para la experimentación de los teoremas de De Morgan. Obtener la tabla de verdad de cada expresión lógica, y razonar las equivalencias.

483


Actividades finales 1. Dibujar el símbolo lógico típico y normalizado (IEC) de las puertas lógicas: OR, AND, EXOR, NOT y NAND Poner también las tablas de verdad y expresión lógica . 2. ¿Qué circuitos integrados de tecnología TTL son de puertas OR, AND y EXOR? 3. En una puerta lógica de tecnología TTL, de qué valores de tensión son (aproximadamente) los niveles lógicos 0 y 1 de salida? ¿Y los valores máximos de corriente de salida en el 0 y el 1? ¿Qué significa: VOL, VOH, IOH e IOL? 4. ¿Qué dos diferencias fundamentales hay entre la tecnología TTL y CMOS? 5. En un puerta de tecnología CMOS, ¿de qué valores de tensión son, aproximadamente, los niveles lógicos 0 y 1 de salida? ¿Es igual que en TTL? 6. El CI 74LS86, ¿qué funciones realiza?, ¿de qué tecnología es? 7. El CI 74HC00 es equivalente funcionalmente al 74LS00, ¿cuál es su diferencia? 8. Dibujar el esquema de una puerta del 74LS08 con una puerta del 74LS04 en la salida. ¿Qué función realiza el circuito obtenido? Poner la expresión lógica y tabla de verdad. 9. Demostrar la siguiente propiedad del álgebra de Boole por medio de tablas de verdad y de forma algebraica. A + (B C) = (A + B) (A + C) 10. Por deducción, o mediante reglas de álgebra de Boole, obtener las funciones lógicas básicas OR, AND, NOT utilizando únicamente puertas del 74LS00. En la Web del autor se dispone de amplio material complementario sobre electrónica digital, que permite ampliar notablemente el contenido de esta materia. Se puede descargar en las direcciones de Internet: http://www.etpc-hermosa.tk http://llibreriaha.com/blogs/antonio-hermosa/ http://www.hermosa-electronica.blogspot.com/

484

Electronica aplicada. Antonio Hermosa Donate 2013.pdf

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