Electrónica Básica - Transistores (VII)

Continuando con la publicación anterior, vamos a ver una más componentes activos, los cuales, amplían el rango de posibilidades de la electrónica. Estos se basan en los semiconductores. Con ellos, podremos modificar, procesar o tratar una señal, a nuestro antojo, de acuerdo a nuestras necesidades.

Componentes

Ya dijimos, que los componentes pasivos, nos permiten ciertos tratamientos de la corriente eléctrica. A continuación, veremos cómo combinando los componentes pasivos, a los nuevos activos, como diodos, transistores o circuitos integrados, el abanico de posibilidades que se puede abarcar, es casi infinito.
El motivo de llamarse activos, es por que requieren una fuente de alimentación para entregar la señal de entrada procesada o tratada. Es decir, son capaces de excitar los circuitos, o aplicar ganancias o de controlar el mismo. Se suele decir que su comportamiento no es lineal, lo que significa que la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada, no es lineal.
Estos componentes activos, engloba a los semiconductores, materiales que se comportan como conductores solo en determinadas condiciones, y en otras condiciones se comportan como aislantes. Actualmente hay una inmensa variedad de componentes activos, muchos de ellos fabricados para aplicaciones muy concretas. En estas secciones, veremos los más genéricos y utilizados para aprender electrónica básica.

Transistores

El transistor, cuyo nombre proviene del inglés: transfer resistor, “resistencia de transferencia”, es un componente electrónico semiconductor, capaz de modificar una señal eléctrica de salida con respecto a una de entrada, usándose como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la misma.
Su predecesor, como se menciono anteriormente, fueron las válvulas de vacío, cono el tríodo. Pero los que conocemos actualmente, provienen del descubrimiento de los elementos semiconductores, en 1940. Actualmente se construyen con materiales como germanio (Ge), silicio (Si), arseniuro de galio (GaAs) o aleaciones de silicio y germanio o silicio y aluminio. Dependiendo del material, el transistor podrá resistir una cantidad determinada de tensión eléctrica o temperatura.

La estructura de un transistor, y lo que lo diferencia de un diodo, es que lo compone, al menos tres cristales semiconductores dopados. En algunos libros, hacen la analogía de unir dos diodos, ya sea por en ánodo o el cátodo. Y existen dos posibilidades combinaciones: N-P-N y P-N-P.
De esto se deriva que tiene tres conexiones o patillas, que son denominadas Base (b), Colector (c) y Emisor (e). La Base es la que media entre el Emisor (por donde entra el caudal de corriente) y el Colector (por donde sale el caudal de corriente). Y lo hace, a su vez, activada por una corriente eléctrica menor, distinta de la que es modulada por el transistor.

A continuación la representación de las uniones NPN y PNP y el símbolo que representa a cada tipo de transistor.

Los transistores operan sobre un flujo de corriente, funcionando como amplificadores (recibiendo una señal débil y generando una fuerte) o como interruptores (recibiendo una señal y cortándole el paso). Esto ocurre dependiendo de cuál de las tres posiciones ocupe un transistor en un determinado momento, y que son:
Activa. Se permite el paso de un nivel de corriente variable.
Corte. No deja pasar la corriente eléctrica.
Saturación. Deja pasar el máximo caudal de corriente eléctrica.
Así pues, si la base recibe una corriente intermedia, la base abrirá el flujo en determinada cantidad. Si en la base no existe corriente, el transistor está en posición de corte. Y si la base recibe la suficiente corriente, entonces se abrirá del todo el dique y pasará el total de la corriente modulada. De este modo, es posible hacer una analogía con una válvula o llave de paso, para que quede aun más claro:

Para polarizar un transistor NPN, en general podemos decir que la unión base - emisor (b-e), se polariza directamente y la unión base – colector (b-c) inversamente.

i	Los transistores están formados por cristales NPN y PNP. La denominación de los terminales es Base, Colector y Emisor. Las funciones principales de este componente son para usar como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la señal de entrada.

Tipos de Transistores

Existen muchos tipos de transistores, pero la clasificación más aceptada consiste en dividirlos en transistores bipolares o BJT (Bipolar Junction Transistor) y transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor). Esta última a su vez es bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc.

Transistor bipolar

Los transistores bipolares son semiconductor con tres cristales con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN.
El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés Bipolar Junction Transistor, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de galio.
Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas), como el Arsénico (As) o Fósforo (P), y la zona P de aceptadores o “huecos” (cargas positivas), como el Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga).

Transistor de Unión Unipolar

También llamado de efecto de campo de unión (JFET, o Field Effect Transistor), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Dentro de este grupo entran también los transistores tipo MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET), y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET), etc.
Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, obteniendo así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta.
Este tipo tienen tres terminales denominadas puerta (o gate), equivalente a la base del BJT, y que regula el paso de corriente por los otros dos terminales, llamados drenador (drain) y fuente (source). Aplicando tensión positiva entre el drenador y la fuente y conectando la puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenado con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

En la siguiente imagen ejemplo de un transistor JFET y sus posibles representaciones simbólicas:

Fototransistor

Los fototransistores son sensibles a frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:
Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común).
Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (Modo de iluminación).

Configuraciones de transistores

La construcción interna de un transistor como todo circuito necesita de dos terminales de entrada y dos de salida. Como se ha visto, en su fabricación, estos solo disponen de tres terminales, por lo, a la hora de montar los transistores en los circuitos, es necesario adoptar una de las siguientes configuraciones: Emisor común, Base común, Colector común.

Emisor Común

La señal de entrada se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida.
En esta configuración se tiene ganancia tanto de tensión como de corriente y alta impedancia de entrada. Como la base está conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos suponer una tensión constante, Vg. También supondremos que β es constante. Entonces tenemos que la tensión de emisor es: VE = VB – Vg El parámetro β (Beta) de un transistor bipolar o BJT nos indica la eficiencia del transistor, relacionando la corriente de colector con la corriente de base.

Base Común

conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor a 1, debido a que parte de la corriente de emisor, sale por la base.

Colector Común

La señal de entrada se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuración multiplica la impedancia de salida por 1/β.

Encapsulados

Los encapsulados en los transistores dependen de la función que realicen y la potencia que disipen. Así nos encontramos con que los transistores de pequeña señal tienen un encapsulado de plástico y normalmente son los más pequeños (TO- 18, TO-39, TO-92, TO-226 ... ).

Los de mediana potencia, son algo mayores y tienen en la parte trasera una chapa metálica que sirve para disipar el calor convenientemente refrigerado mediante radiador (TO-220, TO-218, TO-247...).
Los de gran potencia, son los que poseen una mayor dimensión siendo el encapsulado enteramente metálico. Esto, favorece, en gran medida, la evacuación del calor a través del mismo y un radiador (TO-3, TO-66, TO-123, TO-213...).

En la próxima publicación, continuaremos con los Circuitos Integrados.

Y aquí tienes la publicaciones anteriores, por si os perdisteis alguna:

Electrónica Básica, Conceptos Básicos (I)  
Electrónica Básica, Circuitos Básicos (II)
Electrónica Básica, Resistencias (III)
Electrónica Básica, Condensadores (IV)
Electrónica Básica, Inductores (V)
Electrónica Básica, Diodos (VI)

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© Se permite reproducción total o parcial de este contenido, siempre y cuando se reconozca la fuente de información utilizada y se incluya el enlace a este artículo.

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Electrónica Básica -Diodo (VI)

Una vez conocidos los componentes pasivos, vamos a ver una serie de elementos, los cuales, amplían el rango de posibilidades de la electrónica. Estos se basan en los semiconductores. Con ellos, podremos modificar, procesar o tratar una señal, a nuestro antojo, de acuerdo a nuestras necesidades.

Componentes

Ya dijimos, que los componentes pasivos, nos permiten ciertos tratamientos de la corriente eléctrica. A continuación, veremos cómo combinando los componentes pasivos, a los nuevos activos, como diodos, transistores o circuitos integrados, el abanico de posibilidades que se puede abarcar, es casi infinito.
El motivo de llamarse activos, es por que requieren una fuente de alimentación para entregar la señal de entrada procesada o tratada. Es decir, son capaces de excitar los circuitos, o aplicar ganancias o de controlar el mismo. Se suele decir que su comportamiento no es lineal, lo que significa que la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada, no es lineal.
Estos componentes activos, engloba a los semiconductores, materiales que se comportan como conductores solo en determinadas condiciones, y en otras condiciones se comportan como aislantes. Actualmente hay una inmensa variedad de componentes activos, muchos de ellos fabricados para aplicaciones muy concretas. En estas secciones, veremos los más genéricos y utilizados para aprender electrónica básica.

Semiconductores

Pero antes veamos que es un semiconductor. Como la propia palabra que los define indica, son materiales que se comportan como conductores eléctricos en determinadas condiciones, y en otras condiciones se comportan como aislantes.
Por ejemplo, hay materiales que a partir de una cierta temperatura son conductores, pero por debajo de esa temperatura, son aislantes. Otros factores que pueden influir en la conductividad de los semiconductores son la presión, campos magnéticos o eléctricos, o una radiación sobre el semiconductor.
Originalmente, los primeros tipos de semiconductores, se construían dentro de ampollas de cristal al vacío, llamadas Válvulas de Vacío. Resumiéndolo mucho, eran como una lámpara, en la que un filamento, calentaba el cátodo, de forma que emitía electrones. Al estar en un entorno vacío (o con gases especiales), estos se movían hacia el ánodo, generando un paso de corriente. Este era el diodo de Fleming (1904).
Más tarde sobre esta idea, se aplico una rejilla intermedia, entre cátodo y ánodo, de forma que esta, podía controlar o modular el paso de electrones, acelerándolos o frenándolos. Se invento el tríodo de Lee de Forest (1906), antecesor del transistor. Luego, se fueron añadiendo rejillas, creando tetrodos, pentodos, etc. según el número de estas.

Esto cambio radicalmente, cuando el 1940 Rusell Ohl, descubrió que las propiedades eléctricas de ciertos cristales, cambiaban al aplicarles pequeñas cantidades de impurezas. En 1947 William Shockley y Walter Houser Brattain, junto a John Bardeen, desarrollaron el primer dispositivo semiconductor de germanio (Ge), al que denominaron “transistor” y que se convertiría en la base del desarrollo de la electrónica moderna.
Hoy día se han convertido en componentes muy importantes, debido a su fiabilidad, eficiencia y bajo coste, además de su alta miniaturización. De todas maneras, se siguen utilizando válvulas de vacío, en amplificadores que proporcionan sonidos más “cálidos”. La física de su funcionamiento atómico, es algo compleja. Por ello, tan solo nos interesa saber, que estos, suelen construirse con Silicio y Germanio, generalmente dopados (o mezclados con pequeñas “impurezas” de otro material), que les convierte semiconductores de tipo N o tipo P.
Los de tipo N, son a los que en la red cristalina de Si o Ge se introducen elementos del grupo 15 (Arsenio, Antimonio, Fosforo,…), que aportan un electrón más en su capa de valencia, y se comportan como impurezas donadoras de electrones o portadores negativos.
Los de tipo P, son los que se introducen en su red cristalina, elementos del grupo 13 (Aluminio, Boro, Galio,…), que presentan un electrón menos en su capa de valencia, por lo que se comportan como captadores de electrones. A partir de las uniones de varios cristales de tipo N y P, es cuando obtenemos los diodos, transistores y circuitos integrados usados hoy día.

Diodo

Diodo Un diodo es un dispositivo semiconductor, que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. De forma simplificada, la curva característica de un diodo consta de dos regiones, por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con muy pequeña resistencia eléctrica. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua.

Los diodos también se conocen como rectificadores porque cambian corriente alterna (CA) a corriente continua (CC) pulsante. Los diodos se clasifican según su tipo, tensión y capacidad de corriente.
La estructura de un diodo, lo compone un cristal semiconductor tipo P y uno tipo N, de forma que el exceso de cargas negativas en la zona P dificultará progresivamente el traslado de huecos a la N y análogamente el exceso de cargas positivas en la zona N hará cada vez más difícil el paso de electrones a la P.
Al conectar una batería polarizada directamente (positivo al P y negativo al N), disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión, es decir, el diodo conduce la electricidad. En el caso contrario, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería.

i	Los Diodo en un circuito, se montan para limitar el paso de la corriente en un sentido, o para rectificar la corriente alterna. Lo constituye un elemento tipo N y uno tipo P. Polarizado directamente, conduce la corriente, mientras que polarizado inversamente, no deja pasar a esta.

En los esquemas, el símbolo para representar Diodos es el siguiente:

En la representación, no se suele marcar la A y la K, que representan en Ánodo (A o terminal positivo) y el Cátodo (K o terminal negativo). Para que un diodo conduzca la corriente, como ya se ha apuntado, se tiene que polarizar. Es decir, conectar el positivo al Ánodo (+, o cristal tipo P), y el negativo al Cátodo (-, o cristal tipo N).
Cuando un diodo permite un flujo de corriente, tiene polarización directa.
Cuando un diodo tiene polarización inversa, actúa como un aislante y no permite que fluya la corriente. En este gráfico se muestran ambas configuraciones de los diodos:

Tipos de Diodos

Según la función que realizan los diodos, existen diversos tipos. Estos pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de electrodos, o que tienen características eléctricas particulares usados para una aplicación especial en un circuito. Vamos a conocer algunos de ellos.

DIODOS RECTIFICADORES

Los diodos rectificadores son los que facilitan el paso de la corriente continua en un sólo sentido (polarización directa), de modo que si hacemos circular corriente alterna a través de un diodo rectificador esta solo lo hará en la mitad de los semiciclos positivos, por lo que a la salida del mismo obtenemos una señal de tipo pulsatoria pero continua.
La caída de voltaje para este tipo de diodos de Silicio es de 0.7 voltios aproximadamente, y para los diodos de Germanio es de 0.3 voltios.

DIODOS ZENER

Si polarizamos inversamente un diodo estándar y aumentamos la tensión llega un momento en que la corriente es tan alta que destruye el diodo a. Este punto se da por la tensión de ruptura.
Se puede conseguir controlar este fenómeno y aprovecharlo. De manera que este fenómeno se dé dentro de márgenes que se puedan controlar. El diodo zener se comporta como un diodo normal, a no ser que alcance la tensión zener para la que ha sido fabricado, momento en que dejará pasar a través de él una cantidad determinada de corriente. Este tipo de diodo se suele usaren reguladores, limitadores y recortadores de tensión.

DIODOS DE TRATAMIENTO DE SEÑAL (RF)

Los diodos de tratamiento de señal necesitan algo más de calidad de fabricación que los rectificadores. Estos diodos están destinados a formar parte de etapas moduladoras, demoduladoras, mezcla y limitación de señales, etc.
los diodos más preparados para lidiar con las altas frecuencias destaca el diodo denominado Schottky. Este diodo fue desarrollado a principio de los sesenta por la firma Hewletty, deriva de los diodos de punta de contacto y de los de unión PN de los que han heredado el procedimiento de fabricación.
Un Diodo de señal de silicio tiene una caída de voltaje alta en el acoplamiento de aproximadamente 0.6 a 0.7 voltios y el de germanio de entre 0,2 y 0,3 voltios

DIODOS DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP)

Actúa como condensador variable por voltaje. Como el diodo zener, principalmente actúan en el estado de polarización inversa. Estos diodos son muy famosos debido a su capacidad de cambiar los rangos de capacitancia dentro del circuito en presencia de flujo de voltaje constante.
Pueden variar la capacidad hasta valores altos. Cambiando la tensión de polarización inversa podemos disminuir o aumentar la, por lo que se suelen aplicar como oscilador controlado por voltaje para teléfonos móviles, módulos sintonizadores de TV, prefiltros satelitales, etc.

FOTODIODOS

La característica particular de este diodo es que es muy sensible a la luz. La forma correcta de utilizarlo es conectarlo de manera inversa, permitiendo el flujo de corriente en este mismo sentido, ya que al incidir la luz en el diodo, este aumentará la intensidad de corriente.
Las aplicaciones de este tipo de diodo son similares a la de un LDR o un fototransistor, ya que va a responder a los cambios de oscuridad a luz muy rápidamente

DIODOS LED (LUMINISCENTES)

los LED (Light Emmiting Diode )Este es, tal vez, el tipo de diodos más popular. Está prácticamente montado en cualquier equipo electrónico. Podemos encontrarlos en diferentes formas, tamaños y colores diferentes. Estos diodos convierte la energía eléctrica en energía luminosa. Se somete a un proceso de electroluminiscencia en el que los huecos y los electrones se recombinan para producir energía en forma de luz en condiciones de polarización directa.
Un diodo LED tiene una caída de voltaje entre 1.5 a 2.5 volts y una intensidad de corriente entre 20 y 40 mA. Por lo que si se exceden estos valores, el diodo no funcionará. Además existen otros diodos con diferente emisión, como la infrarroja, denominados IRED (Diodo emisor de Infra-rojos).
Anteriormente se usaban tan solo como indicadores de encendido, pero ahora se están usando en aplicaciones de iluminación doméstica o de aviación, señales de tráfico, flashes de cámara etc.

DIODOS LÁSER

Similar al LED en el que la región activa está formada por la unión p-n. En los diodos láser, la generación de luz láser, el cristal semiconductor del diodo tiene la forma de una lámina delgada con un lado totalmente reflectante y otro solo reflectante de forma parcial, lográndose así una unión PN, con las caras exteriores perfectamente paralelas y reflectantes, muy similar a los láseres de rubí.
Este tipo son muy utilizados en comunicaciones de fibra óptica, lectores de códigos de barras, punteros láser, lectura y grabación de discos ópticos, impresión láser, etc.

OPTOACOPLADORES

Por último, hemos de hacer mención de un tipo especial, el cual combina en su interior un diodo LED, que emite luz y satura un componente optoelectrónico, que suele ser un fototransistor. De este modo se combinan en un solo dispositivo semiconductor, un fotoemisor y un fotorreceptor, cuya conexión entre ambos es óptica.
Además de para aislar o separar circuitos, se pueden utilizar optoacopladores para, Interfaces en circuitos lógicos, Interfaces entre señales de corriente alterna y circuitos lógicos, en sistemas de telefonía, control de motores, control de potencia, a modo de relé, etc.

Aplicación de los Diodos

Ahora que sabemos qué es un diodo y cómo funciona. Pasemos a ver algunas de sus aplicaciones principales.

Rectificador

La aplicación más común e importante de un diodo es la rectificación de la alimentación de CA a CC. Usando los diodos, podemos construir diferentes tipos de circuitos rectificadores. Los tipos básicos de estos circuitos rectificadores son rectificadores de puente de media onda, de onda completa central y puente completo. Se usa una sola o combinación de cuatro diodos en la mayoría de las aplicaciones de conversión de energía. La figura siguiente muestra el funcionamiento del diodo en un rectificador.

-Durante el medio ciclo positivo del suministro de entrada, el diodo se polariza directamente. Esto hace fluir una corriente en la carga. Como la carga es resistiva, la tensión en la resistencia de carga será la misma que la tensión de alimentación, lo que significa que la tensión sinusoidal de entrada aparecerá en la carga. Y el flujo de corriente de carga es proporcional al voltaje aplicado.
-Durante el semiciclo negativo de la onda sinusoidal de entrada, el ánodo se vuelve negativo con respecto al cátodo, por lo que el diodo se polariza inversamente. Por lo tanto, no fluye corriente a la carga. El circuito se convierte en circuito abierto y no aparece voltaje en la carga.
-Tanto el voltaje como la corriente en el lado de la carga son de una polaridad, lo que significa que la tensión de salida es de CC pulsante. Muy a menudo, este circuito de rectificación tiene un condensador en paralelo a la carga para suprimir el rizado y producir corrientes continuas constantes.

Si combinamos cuatro diodos, formando un puente rectificador, obtendremos en la salida una señal positiva continua. Esta es la configuración del puente de diodos.

-Durante el medio ciclo positivo de entrada, los diodos D1 y D3 se polarizan directamente y fluye una corriente a la carga Rl (flechas verdes). La tensión sinusoidal de entrada aparecerá en la carga. Y el flujo de corriente de carga es proporcional al voltaje aplicado.
-Durante el semiciclo negativo de entrada, se polarizan directamente los diodos D2y D4 y fluye la corriente a la carga (flechas azules). La tensión sinusoidal de entrada aparecerá en la carga, pero de signo positivo.
-Tanto el voltaje como la corriente en el lado de la carga son de una polaridad, teniendo una señal rizada positiva de CC. Este circuito de rectificación, se monta con un condensador en paralelo a la carga para suprimir el rizado y producir corrientes continuas constantes.

En el mercado, existen puentes de diodos, con los cuatro diodos encapsulados, y que dependiendo de la potencia requerida, varían su tamaño, como los de la siguiente imagen:

Multiplicador de tensión

El multiplicador de tensión consta de dos o más circuitos rectificadores de diodos que se conectan en cascada para producir una tensión de salida de CC igual a multiplicar del voltaje de entrada aplicado. Estos circuitos multiplicadores son de diferentes tipos, como duplicador de voltaje, triplicador, cuádruplicador, etc. Mediante el uso de combinación de diodos con condensadores, obtenemos el múltiplo de la tensión de pico de entrada en la salida.

La figura superior muestra un circuito duplicador de voltaje de media onda cuya tensión de salida de CC es dos veces la tensión de entrada CA máxima.
-Durante el semiciclo positivo de la entrada de CA, el diodo D1 está polarizado directamente y D2 está polarizado en sentido inverso. Entonces, el condensador C1 carga hasta el voltaje máximo Vin de entrada a través del diodo D1.
- Durante el semiciclo negativo de la entrada de CA, D1 tiene polarización inversa y D2 está polarizado directamente. Entonces, el condensador C2 comienza a cargarse a treves de D2 y C1. Por lo tanto, la tensión total en el C2 es igual a 2xVin.
-Durante el siguiente semiciclo positivo, el diodo D2 está polarizado inversamente, por lo que el condensador C2 se descargará a través de la carga.

Este tipo de circuitos, se pueden conectar en cascada, obteniendo diferentes múltiplos del valor de voltaje de entrada en la salida. La aplicación de este circuito es para generar altas tensiones en tubos de rayos catódicos, detectores de rayos gamma e incluso para trampas de insectos.

Protección de corriente inversa

La polaridad inversa o la protección de corriente, son usados para evitar el daño que se produce al conectar la batería de forma incorrecta o al invertir la polaridad de la batería.
Si se produce accidentalmente, fluye una gran cantidad de corriente, a través del circuito con el posible daño de estos. Por lo tanto, un diodo de protección o bloqueo se conecta en serie con el lado positivo de la entrada para evitar el problema de conexión inversa.

Supresión de picos de voltaje

En el caso de un inductor o cargas inductivas, la eliminación repentina de la alimentación, produce un voltaje más alto debido a la energía almacenada en el campo magnético. Estos picos inesperados en el voltaje pueden causar un daño considerable a los componentes del circuito. Para evitarlo, se conecta un diodo en paralelo al inductor o cargas inductivas para limitar los grandes picos de voltaje. Un lugar muy común donde se montan, es en bornes de la bobina de un relé.

Puertas lógicas

Los diodos también pueden realizar operaciones de lógica digital. Los estados de baja y alta impedancia del interruptor lógico son análogos a las condiciones de polarización directa e inversa del diodo, respectivamente. Por lo tanto, el diodo puede realizar operaciones lógicas como Y, O, etc. Aunque la lógica de diodos es un método anterior con algunas limitaciones, estas se utilizan en algunas aplicaciones. E la siguiente figura, los dos diodos, componen una puerta lógica OR, ya que si hay una señal positiva en la entrada A, Ó en la entrada B, las salida será positiva.

En la próxima publicación, continuaremos con los componente activos, viendo el Transistor.

Y aquí tienes la publicaciones anteriores, por si os perdisteis alguna:
Electrónica Básica, Conceptos Básicos (I)  
Electrónica Básica, Circuitos Básicos (II)
Electrónica Básica, Resistencias (III)
Electrónica Básica, Condensadores (IV)
Electrónica Básica, Inductores (V)

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Electrónica Básica - Inductores (V)

Con esta publicación, terminamos con los componentes pasivos, que pueden constituir un circuito. Dentro de los elementos pasivos, con los cuales podremos modificar, procesar o tratar una señal eléctrica, acorde a nuestras necesidades, hoy veremos los Inductores.

Componentes

En la electrónica se usa una amplia gama de elementos para modificar, procesar y tratar señales eléctricas. Estos elementos se pueden dividir en dos tipos: auxiliares y electrónicos. Los primeros son piezas que ayudan a crear el circuito, con los componentes electrónicos. Por ejemplo, cables, conectores, disipadores, interruptores, etc. Los segundos son los que cumplen funciones eléctricas, como por ejemplo, resistencias, condensadores, diodos, transistores, transformadores, circuitos integrados, etc.
Los componentes electrónicos, a su vez se pueden clasificar en dos tipos principales: Pasivos y Activos.
Los componentes pasivos, son los que no requieren polarización, o de fuente de alimentación para procesar o tratar una señal. En este grupo tenemos las Resistencias, Condensadores e Inductores.
Los componentes activos, por el contrario necesitan de una fuente de alimentación para entregar la señal de entrada procesada o tratada. En este grupo tenemos los diodos, transistores y circuitos integrados. Una vez expuesto esto, empecemos por el principio.

Inductores

Los inductores tienen la característica de almacenamiento de energía en forma de campo magnético. El inductor al estar construido a base de espiras o arrollamientos de cable que tiene un aislamiento exterior, generalmente, alrededor de un núcleo, en el que campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior y que tiene tendencia a mantener su campo magnético una vez establecido.

Una característica interesante del inductor es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellos. Esto significa que, a la hora de modificar la corriente que circula por ellos, ésta intentará mantener su condición anterior, como por ejemplo, ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación.

La unidad de medida de los inductores es el Henrio, y se representa con la letra H. Al igual que otros componentes, tiene submúltiplos, y los valores típicos van de 100mH (10^-3=0,001) a 1μH (10^-6=0,000001).

i

Los inductores o bobinas, se montan en circuitos para oponerse a los cambios en la corriente eléctrica, evitando o controlando fluctuaciones de esta. Este componente, por sus características tiene aplicaciones en radio, tv, transmisores, antenas, relés, motores,y hasta en el arranque de un automóvil. .

Aunque algunos fabricantes tienen sus propios sistemas de codificación, no hay un método estándar. Algunos tienen un código de colores similar al de resistencias, pero lo más habitual es que se imprima directamente el valor en el dispositivo, en mH o μH.
Su representación en los esquemas, como ya vimos en la sección de condensadores, es la siguiente:

Inductancia

La inductancia es la oposición o resistencia al cambio de corriente que fluye por el inductor, y su valor depende de las dimensiones físicas del inductor y de la permeabilidad del material con que está hecho el núcleo. Es importante a tener en cuenta los motores, relés, solenoides, algunas fuentes de alimentación y circuitos de alta frecuencia. La inductancia se calcula de la siguiente manera:

Donde, N corresponde al número de vueltas, ℓ es la longitud, A es el área de la sección transversal y µ es la permeabilidad del núcleo.
Por tanto el valor de la inductancia puede variar por tres factores; Una mayor área de la sección transversal o menor longitud de la bobina, un mayor número de vueltas de la bobina o bien una mayor permeabilidad del material del núcleo.

Montaje de inductores o bobinas

Las inductancias o bobinas, al igual que cualquier otro componente, se pueden montar en serie, paralelo o una combinación de ambas. Pero este caso es más complejo, ya que se ha de tener en cuenta también el campo magnético que se genera. Si se montan con el flujo del campo magnético en la misma dirección, la inductancia aumentará. En cambio si se montan con flujos inversos, la inductancia disminuirá.
Pero, aparte del campo magnético, si colocamos en serie dos bobinas, se suma la inductancia:

En paralelo, de forma similar a las resistencias, la inductancia total es algo menor que la inductancia más pequeña de un inductor en esa conexión:

Tipos de inductores o bobinas

Las inductancias o bobinas, pueden ser de varios tipos, dependiendo de su construcción, dimensiones físicas y permeabilidad del núcleo.
Por ejemplo, dependiendo del material del núcleo; Si el este se ha hecho de ferrita, hierro o aire, e incluso la forma del núcleo, como los toroidales.

Si su recubrimiento es plástico, resina o metal.
Si se han diseñado para Altas frecuencias o Bajas frecuencias.
Si son de valor fijo o se pueden ajustar, etc.

Aplicación

Las inductancias es uno de los componentes electrónicos que se pueden usar para montar filtros, sintonizadores, sensores inductivos, chokes, relés, motores, transformadores, etc.
En los circuitos de sintonización, se utilizan para seleccionar la frecuencia deseada, como se vio en la sección de condensadores.

Sensores inductivos, son elementos, en los que se usa una bobina, en la cual, las variaciones del campo magnético generado, resultan en un cambio de la señal de salida.
En el mercado ya se vende, construidos, y son empleados en tráfico rodado o ferroviario, alarmas, etc.

Una de las formas de montaje de las bobinas, es mediante dos devanados con núcleo compartido, también llamados transformadores. La característica principal de estos es que, normalmente una bobina es la primaria, por la que se aplica una corriente, y en la segunda o secundario, y a través del campo magnético generado por el primario, se obtiene una corriente proporcional a la segunda bobina. Ampliamente utilizados en fuentes de alimentación o como aislamientos galvánicos

Otro elemento interesante son los Relés. Estos son, básicamente una bobina, que al ser excitada, genera un campo magnético en su núcleo metálico, el cual atrae a una leva que acciona un interruptor, conmutador, o una combinación de estos. Muy usado en aplicaciones de domótica, robótica, o electrónica industrial.

Los motores, son una combinación de inductores e imanes, que forman un estator y un rotor. Al alimentarlo, se excitan dichas bobinas, las cuales son repelidas por el campo magnético de los imanes, haciendo que cambie de posición, excitando la siguiente bobina, y así sucesivamente.

En la próxima publicación, iniciaremos los componente activos.
Y aquí tienes la publicaciones anteriores "Electrónica Básica, Conceptos Básicos (I)" , "Electrónica Básica, Circuitos Básicos (II)" , "Electrónica Básica, Resistencias (III), " y "Electrónica Básica, Condensadores (IV)" , por si os perdisteis alguno.

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Electrónica Básica - Condensadores (IV)

Continuamos ampliando los elementos que pueden constituir un circuito. Dentro de los elementos pasivos, con los cuales podremos modificar, procesar o tratar una señal eléctrica, acorde a nuestras necesidades, vamos a ver el Condesador.

Componentes

En la electrónica se usa una amplia gama de elementos para modificar, procesar y tratar señales eléctricas. Estos elementos se pueden dividir en dos tipos: auxiliares y electrónicos. Los primeros son piezas que ayudan a crear el circuito, con los componentes electrónicos. Por ejemplo, cables, conectores, disipadores, interruptores, etc. Los segundos son los que cumplen funciones eléctricas, como por ejemplo, resistencias, condensadores, diodos, transistores, transformadores, circuitos integrados, etc.
Los componentes electrónicos, a su vez se pueden clasificar en dos tipos principales: Pasivos y Activos.
Los componentes pasivos, son los que no requieren polarización, o de fuente de alimentación para procesar o tratar una señal. En este grupo tenemos las Resistencias, Condensadores e Inductores.
Los componentes activos, por el contrario necesitan de una fuente de alimentación para entregar la señal de entrada procesada o tratada. En este grupo tenemos los diodos, transistores y circuitos integrados. Una vez expuesto esto, empecemos por el principio.

Condensador

Los condensadores, o capacitores, son componentes electrónicos, capaces de almacenar pequeñas cantidades de energía eléctrica, para liberarla posteriormente. En cierto modo, son como pequeñas baterías recargables, de poca capacidad.

La construcción de los Condensadores es bastante simple. Consiste en dos placas o láminas conductoras como las del dibujo, separadas por aislantes entre ellas, también conocido como dieléctrico.

La unidad de capacidad de un condensador, es el Faradio o Farad, representado con la letra F. Por lo general, cuanto más grande es un condensador, mayor capacidad tiene. Un Faradio tendría el tamaño aproximado de una lata de refresco. En la práctica, se usan capacidades menores, por lo que se usan submúltiplos del Faradio, como el milifaradio (mF), el microfaradio (μF), el nanofaradio (nF) o el picofaradio (pF).

i	Los condensadores en un circuito, se montan para cargarse de energía eléctrica, para descargarla después, como filtros de señales eléctricas, como el rizado de fuentes de alimentación, como acoplador de etapas, temporizador, oscilador o generador de frecuencias.

En los esquemas, el símbolo para representar un condensador es el siguiente:

Códigos de los condensadores

Cada tipo de condensadores, tiene inscrito su valor de varias posibles formas. Algunos tienen un código de colores, similar al de las resistencias, para calcular el valor de su capacidad, pero el valor se obtiene en picofaradios (10^-12 F).

Otros tienen una inscripción numérica, para determinar su valor en picofaradios, conocido como Código Japonés o Código 101, como este:

Otro tipo lleva, además del valor en pF como el anterior, un Código de Letras, en el cual, según cada fabricante, puede aparecer también la tensión de trabajo codificada:

Y hay otros, como los condensadores electrolíticos, que tienen el valor directamente inscrito ademas de tensión, o temperatura de trabajo,

Condensador en Serie y Paralelo

La capacidad de los condensadores en asociación serie o paralelo, se comportan de forma inversa a las resistencias. Tiene sentido, ya que los condensadores en paralelo, es como si ampliásemos la superficie de las placas conductoras, por lo tanto, ampliamos su capacidad.
Así pués, si las colocamos en serie, se reparte su capacidad. La forma de calcularlo es como en las resistencias:

Igualmente en paralelo, como se ha mencionado, se suma su capacidad y se calcula como en las resistencias:

Carga y descarga (CC)

Un condensador no se carga o descarga instantáneamente, sino que hay un periodo transitorio. Habitualmente, en un circuito se suele colocar resistencias para controlar su carga o descarga.
Si aplicamos un voltaje a un condensador, con corriente continua, al circular la corriente, aumenta la diferencia de potencial o voltaje entre las placas del condensador y se mantiene hasta que esa diferencia de potencial, iguala a la que existe entre los terminales de la fuente de alimentación.

Si desconectamos la alimentación, el condensador mantiene la carga durante mucho tiempo, perdiendo carga poco a poco, por fuga del dieléctrico o iones del aire. Cuando pierda la carga, tendremos el condensador completamente descargado.
La capacidad del condensador depende de varios factores: Superficie de las placas. A mayor superficie, mayor capacidad. Distancia entre las placas. Cuanto más próximas, mayor capacidad. Constante dieléctrica del material aislante. Por ejemplo, el papel seco aumenta la capacidad.

Condensador en CA

Cuando se aplica corriente alterna, el capacitor se carga y descarga alternativamente dependiendo de su frecuencia. Y por lo tanto, continuará permitiendo que la corriente fluya a través de él indefinidamente, a diferencia de la corriente continua, donde el condensador bloquea la corriente después de un período de tiempo.
El voltaje inicial será mínimo y en este instante la corriente de carga será máxima. Cuando el voltaje alcance su valor máximo, la corriente de carga será cero. Después de alcanzar el valor máximo, el voltaje comenzará a disminuir y la corriente de descarga también comenzará a fluir desde el condensador.
Cuando el voltaje alcanza valor cero, completando el semiciclo positivo de la señal, la corriente de descarga será máxima. Una vez que la señal comienza con un ciclo negativo, la corriente de descarga comienza a reducirse gradualmente y llega a cero una vez que el voltaje alcanza el máximo en medio ciclo negativo.
Por lo tanto, podemos concluir que la corriente adelanta al voltaje en 90° o el voltaje se retrasa en 90° a la corriente. El voltaje y la corriente están fuera de fase.

Tipos de condensadores

Al igual que las resistencias, hay diferentes tipos de condensadores. Vamos a enumerar los más comunes. La primera clasificación que se puede hacer es, si son de capacidad fija o variable.
Dentro de la primera, están los condensadores cerámicos, en los que, según el material con los que se fabrica, se pueden encontrar, de film, plásticos, mica, etc.

Tenemos también los de poliéster:

Otro tipo importante son los condensadores electrolíticos, los cuales tienen polaridad, y dentro de estos, se pueden dividir básicamente en, electrolíticos de aluminio y de Tántalo.

Y para no extendernos mucho, tenemos los variables, en los que podemos encontrar los de mica o aire.

Aplicación

Ahora que sabemos qué es un condensador y cómo funciona, pasemos a ver sus posibles aplicaciones.

Desacopladores

Este montaje es muy importante al utilizar circuitos digitales, ya que los circuitos integrados o chips digitales necesitan idealmente un voltaje estable para funcionar. Cualquier fluctuación o pico, puede provocar que no funcione o, incluso destruirlo.
Para eso se montan estos condensadores, que generalmente se montan cerca de los chips, en sus pines VCC y GND.

En esencia, al encender el circuito, el condensador se carga. Si hubiera una fluctuación en el voltaje, el condensador proporcionará energía durante un corto período de tiempo y mantendría estable el voltaje. Y en caso de picos, el condensador comienza a cargarse a su nueva tensión de alimentación, “absorbiendo el pico”.

Acopladores

La función del condensador de acoplamiento, es la de bloquea la señal de CC mientras permite que la señal de CA pase. En otras palabras, estos condensadores se utilizan para acoplar o vincular la señal de entrada de CA a la siguiente etapa del circuito bloqueando las señales de CC no deseadas

Normalmente se encuentras en aplicaciones de amplificación y audio donde nuestro punto de interés es solo señales de CA.

Filtros

Estos son bloques de circuitos que se utilizan para filtrar frecuencias no deseadas de la señal de entrada. Los condensadores forman una parte integral en la construcción de filtros junto con resistencias e inductores. Básicamente, hay tres tipos diferentes de filtros que debe conocer.

FILTRO PASA BAJO

Los filtros de paso bajo se utilizan para permitir frecuencias inferiores a la frecuencia de corte y bloquean las señales de frecuencia superiores. El condensador presenta una reactancia alta (alta resistencia) en comparación con la resistencia. Por lo tanto, obtendremos la señal entrante sin o con baja atenuación. Mientras, cuando la señal entrante sea de alta frecuencia, la reactancia del condensador será baja y la caída de voltaje en la resistencia será muy alta, evitando su paso

FILTRO PASA ALTO

Son filtros que permiten solo señales de frecuencias superiores a la frecuencia de corte y bloquean la señal de frecuencias más bajas. Cuando la señal entrante es de baja frecuencia, el condensador tendrá una alta reactancia y actúa como un circuito abierto a la señal. En cambio, cuando la señal de entrada es de alta frecuencia, el condensador tiene una reactancia baja, que en comparación con la resistencia, permitirá la salida de señal de alta frecuencia sin o con baja atenuación.

FILTRO PASA BANDA

Este tipo, es una combinación de los filtro paso alto y paso bajo. Po lo que solo permitirá que pase la señal de una banda de frecuencias particular y bloquea la señal fuera de este rango de frecuencia. Este tipo de filtro idealmente tendrá dos frecuencias de corte superior e inferior.

CIRCUITOS TEMPORIZADORES:

Como hemos visto, cuándo se usa un condensador con CC, se necesita tiempo para su carga. Estos circuitos de temporización aprovechan esta característica de un condensador y la utilizan para generar retrasos de tiempo. Junto con el condensador, se utiliza una resistencia para controlar la velocidad de carga del condensador.

El circuito que se muestra arriba es un circuito de temporización RC donde el condensador C1 se alimenta con una fuente CC constante de 9v. El retardo de tiempo generado usando este circuito viene dado por medio de la constante de tiempo T. La constante de tiempo se puede calcular usando la fórmula:

Un condensador necesita 5T o 5 veces de constante de tiempo para cargarse por completo. Por lo tanto, la aplicación del valor de resistencia y condensador anterior en esta ecuación producirá 5 segundos de retardo.

SINTONIZADORES:

Este tipo de circuito se puede encontrar principalmente en transmisores de radio, receptores y aplicaciones de selección de frecuencia. El condensador funciona junto con el inductor en estos circuitos para hacer el trabajo y se utilizarán cuando necesitemos generar una señal o recibir una señal de frecuencia particular a partir de una señal compleja con múltiples componentes de frecuencia. Los elementos de este circuito C y L se pueden ajustar según nuestras necesidades.
El funcionamiento del circuito anterior se basa en la reactancia tanto del condensador como del inductor. Al igual que el condensador, el inductor muestra reactancia. Pero a diferencia del capacitor, el inductor exhibe una alta reactancia a las señales de alta frecuencia, mientras que el capacitor exhibe una alta reactancia a las señales de baja frecuencia. Este circuito se calcula de manera que la reactancia de ambos elementos, sea igual a una frecuencia, logrando así la resonancia. En resonancia, este circuito tanque es capaz de generar señales de frecuencia asignada o recibir señales de esa frecuencia.





En la próxima publicación, continuaremos con otro componente pasivo; Inductores.
Y aquí tienes la publicaciones anteriores "Electrónica Básica, Conceptos Básicos (I)" , "Electrónica Básica (II), Circuitos Básicos" , y "Electrónica Básica, Resistencias (III)" , por si os la perdisteis.

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