Electrónica

Estructura del Universo

El Universo tal como lo conocemos, esta compuesto por elementos que constituyen las galaxias, entre otras cosas; estas galaxias se componen de variedad de cuerpos que conforma sistemas estelares, gases en forma de nubes, polvo, materia oscura, entre otros. El universo y todos sus elementos que se conocen, están compuestos por materia, la materia es la substancia de la que están hechos los cuerpos, los cuerpos son todo aquello que ocupa un lugar en el universo y tiene masa y peso. Si se toma un elemento al azar y se divide millones de veces, se llega hasta el punto donde dicho elemento perdería su propiedad básica; justo allí se manifiesta la constitución real de dicho material. Esta minúscula y pequeña partícula que resulta de la máxima división del elemento sin que pierda su propiedad básica se llama molécula, y esta compuesta por la unión de 2 o mas átomos de diferente naturaleza. Por lo que si se procede a dividir la molécula, se estará en presencia de los átomos que conforman de dicho material dividido. El Átomo, esa partícula que constituye los materiales habidos en el universo, a su vez esta compuesto por unas partículas llamadas subatómicas, estas partículas subatómicas se denominan “Protón, electrón y Neutrón” que se distribuyen en el Átomo como lo expresa la teoría electrónica; dicha teoría sentó las bases del conocimiento que se tiene del átomo y sus fenómenos eléctricos en la actualidad. Como todo material esta constituido intrínsecamente por Átomos, se dice que todo material es de naturaleza eléctrica.

El Misterioso Universo

Nunca antes se había controlado la electricidad de un modo tan amplio como se hace en estos tiempos, el descubrimiento de esta por el hombre no es nuevo, pues data del siglo VII a.c. Se tiene registros de que el Filosofo, Matemático, y Político Griego “Thales de Mileto” fue el primero en experimentar fenómenos eléctricos en lo materiales, este noto que al frotar un trozo de ámbar con un paño, este empezaba a atraer partículas pequeñas como hojas secas, plumas, entre otras cosas. Thales de Mileto creyó que esto se producía debido a un “espíritu” que se encontraba dentro del ámbar, al cual llamó elecktron (ámbar = elecktron en griego) y de ello se deriva la palabra electricidad. Dados los escasos recursos tecnológicos de aquellos días, ni Mileto ni otros contemporáneos pudieron hallar empleo para este descubrimiento.

La TEORÍA ELECTRÓNICA, es un conjunto de ideas y leyes que fue elaborada por grandes científicos de nuestra época, explica que es la electricidad y proporciona las bases para controlarla de manera practica y precisa. Recibe dicho nombre, por que describe la existencia de ciertas partículas sumamente pequeñas e invisibles llamadas electrones; que no son mas que la electricidad misma.

Con el propósito de analizar un material, este se va dividiendo hasta encontrar pedacitos tan pequeños de este que de seguirse dividiendo perderían las cualidades propias de la substancia a que pertenecen. Cuando a este pedazo más pequeño de la materia ya no se le puede dividir por que perdería sus propiedades sustanciales, se le llama MOLECULA.

Un clásico ejemplo puede ser dividir una gota de agua común, cada vez mas y mas, miles y miles de veces, se llegaría un momento en el que de seguirlo haciendo, la gotita microscópica de agua dejaría de serlo, y sus partes se convertirían en elementos simples, que en este caso, serían dos partes de hidrógeno por una de oxigeno. Antes de hacer la ruptura que separaría al hidrógeno del oxigeno, se estaría en presencia de una molécula de agua.
La molécula de agua es solo un ejemplo de lo que los átomos de los elementos simples pueden lograr al combinarse. Solamente existen en la naturaleza un total de 92 elementos simples, que combinando sus diferentes átomos entre si, constituyen las moléculas que forman todas las cosas que hay en el universo, animadas o inanimadas.

Para llegar a lo que hoy se tiene aceptado como ESTRUCTURA DEL ATOMO, se han pasado por una cantidad de teorías atómicas de varios de científicos de renombre a nivel mundial. Actualmente, el átomo es representado como se muestra en la siguiente imagen:

Átomos

En esta se aprecia un núcleo que tiene principalmente 2 tipos de partículas: Unas de electricidad positiva llamadas “protones” y otras sin electricidad llamadas “neutrones”, se dice que son estas las que le dan peso al átomo. En diferentes orbitas, giran muy velozmente y sin parar, al rededor del núcleo, partículas de electricidad negativa llamadas “electrones”.

---

Partículas en los Átomos

Partículas	Simbolos	Carga eléctrica	Ubicación en el Átomo
Proton	P          +	Positiva          +1	En el Núcleo
Neutrón	N          +/-	Neutra          0	En el Núcleo
Electrón	N          -1	Negativa          -1	En las Orbitas (Fuera del Núcleo)

Se piensa que los neutrones están formados por la unión de protones y electrones en iguales cantidades, como el electrón posee carga eléctrica negativa (-1) y el protón carga eléctrica positiva (+1), la electricidad de ambos se cancela y forman una partícula eléctricamente muerta.

Cuando un átomo tiene igual cantidad de protones y electrones este no posee carga eléctrica, o se dice que el átomo esta en equilibrio eléctrico, o eléctricamente equilibrado.

Ni protones, ni neutrones salen de su núcleo en ningún fenómeno o efecto eléctrico; en los fenómenos y efectos fisicoquímicos NORMALES, como ocupa la electricidad, solamente se desplazan de unos a otros átomos, lo electrones; y eso, solamente los correspondientes a las ultimas orbitas o capas finales de los átomos. Esta ultima capa se denomina CAPA DE VALENCIA y a los electrones que puedan entrar o salir de esta, se les llama Electrones de Valencia o Electrones Libre.

Cuando se habla de fenómenos y efectos fisicoquímicos, se refiere a las reacciones químicas, o cambios físicos, que experimenta la materia, en donde no intervienen reacciones nucleares.

Cuando se provoca el desequilibrio eléctrico de un átomo, es decir, bien sea que se le haga perder o que se le haga ganar electrones de valencia al átomo; por algún medio; este se convierte en un ION. Un ION es un átomo cargado eléctricamente, este puede ser de carga positiva (si ha perdido electrones de valencia) o de carga negativa (si por el contrario a ganado electrones de valencia).

ION

Los mejores conductores de electricidad son aquellos materiales en los que sus elementos constitutivos poseen en la orbita de valencia, un solo electrón. Los electrones de las orbitas mas cercanas al núcleo son fuertemente atraídos por los protones, por el contrario, los electrones de las ultimas orbitas son atraídos muy débilmente por el núcleo. Sin embargo la energía asociada a los electrones de valencia o de ultima orbita es mayor que la energía asociada a los electrones de las orbitas mas cercanos a núcleo.
Un átomo que posee 8 o 2 electrones de valencia es eléctrica y químicamente muy estable, es decir, que con el resulta muy difícil conseguir un fenómeno eléctrico. Los materiales en los cuales sus átomos tienden a ganar electrones en su orbita de valencia para formar una estructura electrónicamente estable, son denominados METALOIDES. Existen otros materiales en los que los átomos tienden a perder los electrones sobrantes para conseguir su equilibrio, estos son denominados METALES, y son los mas adecuados para producir fenómenos eléctricos.

Un alambre de cobre a temperatura ambiente (+/- 25grados celsius), tiene sus átomos lo suficientemente excitados como para movilizar millones de electrones de valencia. Un electrón de valencia, se escapa de su orbita y se convierte en electrón libre, dicho electrón es obligado a cambiar de dirección al entrar en la orbita de un átomo que ha perdido un electrón (ion positivo), al mismo tiempo el electrón de un segundo átomo se libera y se mueve hacia la ultima orbita de otro átomo. Muchos otros electrones libres de los demás átomos continúan este cambio de orbitas moviéndose desordenadamente y en todas las direcciones, dando como resultado un continuo paso de electrones dentro del alambre en cuestión. Todos los efectos eléctricos se producen entre electrones libres que son expulsados de sus orbitas externas. El átomo no sufre ningún cambio por la perdida de electrones, excepto que adquiere algún tipo de carga eléctrica.

Visto de esta manera, resulta sencillo pensar que el alambre de cobre tiene bastante electricidad negativa. Lo cierto es que, como los electrones se están moviendo en todas las direcciones, sus efectos se anulan, por lo tanto no hay carga eléctrica resultante, pero si hay millones de electrones libres listos para producir corriente eléctrica.

Imaginando la estructura molecular de un cable.

Electricidad Estática: Es un fenómeno que consiste en la acumulación o exceso de cargas eléctricas en determinado material. Dicho exceso puede dar lugar a una descarga, cuando el material eléctricamente cargado entra en contacto con otro.

Cargando Un material: Para cargar un material es necesario mover los electrones libre de un átomo a otro, de modo que haya déficit de electrones en los átomos de un material y un exceso de electrones en un punto al cual se han trasladado. La manera mas sencilla para cargar un material es por frotamiento; ejemplo de esto seria; tomando una varilla de vidrio y frotarla fuertemente con un pedazo de seda; al acercarla a unos pedacitos de papel, se notara que los atrae con facilidad.

La explicación al fenómeno anterior es de la siguiente forma: Antes del frotamiento la varilla tiene sus cargas eléctricas neutralizadas, pero cuando se le frota, sucede que en la superficie de frote, algunas orbitas de valencia se entre cruzan y uno de los materiales puede ceder electrones a otro.

Para este caso la varilla pierde electrones de valencia y se carga positivamente, mientras que la seda se carga negativamente. Todo material con carga positiva tiene en el escasez de electrones y todo material con carga negativa tiene exceso de electrones. Los materiales cargados tienden a volver a su equilibrio, para ello necesitan descargarse, al hacer esto lo hacen desprendiendo energía, que generalmente se manifiesta por acciones mecánicas o por chispas simples. En el caso de la varilla de vidrio cargada positivamente, y al acercarla a los pedacitos de papel se notara como los atrae fácilmente, debido que tiende a recuperar los electrones perdidos. Cuando a recuperado los electrones necesarios del papel, la varilla vuelve nuevamente a su esta neutral. Las cargas acumuladas en el vidrio y en la seda se llaman “cargas estáticas” y el efecto que producen se llama “Electricidad Estática”. En los materiales este tipo de carga se puede producir por simple contacto de dos metales diferentes o por un proceso llamado inducción. Pero en todos los casos los fenómenos de cargas y descarga serán los mismos.

Siempre que se acerquen entre si dos materiales con carga opuesta, el exceso de electrones de uno sera atraído por las cargas positivas del otro. Si se coloca un alambre entre los 2 materiales, se ofrece un vía que expresa para que los electrones pasen a la carga positiva de manera que ambas cargas se neutralicen. Entiéndase que el movimiento de electrones a través del alambre se realizara en una sola dirección “de negativo a positivo”, y esto sucede sin cambio alguno en el numero total de electrones presentes en el alambre, por que la misma cantidad que penetra en el, es la que sale.

Cuando se emplean materiales muy cargados, los electrones saltan de un material a otro antes de haberse establecido el contacto real. En este caso la descargase ve en forma de un “Arco Luminoso”. Si las cargas son mucho mas fuertes, como las que se producen en la nubes al frotar con las moléculas de aire, la electricidad puede descargarse a través de grandes espacios, provocando arcos de muchos metros de longitud, llamados rayos.

Campo Eléctrico

Es el espacio que rodea un material eléctricamente cargado y en el cual se realizan las atracciones y repulsiones entre cargas eléctricas. Michael Faraday, visualizo este campo como “haces de energía”, los cuales pueden representarse como innumerables lineas rectas que salen radial-mente en todas las direcciones desde el centro de la carga. A esas lineas las llamo “lineas de fuerza Eléctrica”. En realidad esas lineas tienen fuerza natural que actúan en un sentido determinado, pues son salientes en el protón y entrantes en el electrón.

Del estudio del Campo eléctrico se derivan las leyes de atracción y repulsión de cargas (Ley de Cargas) que se describe a continuación:

Ley de Cargas

La carga eléctrica es un propiedad características de algunas partículas subatómicas, la cual se manifiesta mediante atracciones y repulsiones, determinando las interacciones electromagnéticas entre ellas. Estas se presenta en la naturaleza en dos tipos: “cargas positivas y negativas”;nombre con las que Benjamín Franklin las denominó.

“Cargas de igual tipo se repelen o rechazan”, :

Un Protón (+) repele a otro Protón (+).
Un Electrón (-) repele a otro Electrón (-)

.
“Cargas Opuestas se Atraen”, :

Un Protón (+) atrae a un Electrón (-)

.

En consecuencia de estas leyes, se afirma que la acción mutua de fuerzas de atracción y repulsión producida por los electrones y protones que existen en el interior de un átomo, originan el llamado “Átomo en equilibrio eléctrico”.

De lo que se acaba de exponer surge un concepto moderno de Campo Eléctrico: “Es la fuerza de origen eléctrico ejercida sobre una carga capaz de orientarla y moverla de un átomo a otro”. Si mediante un proceso de carga se produce una acumulación de electrones sobre un objeto y de iones positivos sobre otro,cada cuerpo tendrá su propio campo eléctrico. Estos campos son el resultado de la suma de todos los campos individuales de las cargas acumuladas y por tanto tienen una fuerza muy grande. Suponiendo ahora que se coloca un electrón libre entre estos 2 campos, se notara entonces que ese electrón es rápidamente atraído por el campo eléctrico de iones positivos, a la vez que sera repelido o presionado por el campo creado por el material con exceso de electrones.

Clasificación de los elementos “Conductores, Aislantes y Semi-Conductores”

Se ha dicho que todos los materiales son de naturaleza eléctrica, cabe destacar que todos los materiales son capaces de transportar un flujo de electrones, pero unos con mayor facilidad que otros.

Conductores: Son aquellos en que el flujo de electrones (corriente eléctrica) los atraviesa con suma facilidad. Ejemplos de ellos son; El aire húmedo, el agua y los metales. Esta facilidad de conducción es debida que estos materiales (metales) poseen en abundancia electrones libres. Dentro de los metales hay elementos que conducen mejor el flujo de electrones que otros, como en el caso de la plata que es el mejor conductor, pero su uso resulta muy caro, y su trabajo se relega para aplicaciones especiales. Luego de la plata se tiene a el cobre, es eficiente y barato, eso lo hace el mas usado. Luego le siguen el aluminio, el hierro, tungsteno, y el estaño.
Estos metales descritos para ser usados como conductores, son adaptados a las necesidades de la industria, como hilos, barras, placas, entre otros.

Aislantes: Son los materiales que ofrecen una alta oposición al paso del flujo de electrones, estos son usados como cápsulas que encierran circuitos, forros de cables, entre otros. Estos materiales también son llamados “malos conductores” debido que poseen muy pocos electrones libres en sus átomos, es por esto que el flujo de electrones a su vez resulta tan pequeño y despreciable que se considera cero (0). Ejemplos de ellos son: La mica, el papel seco, la goma, madera seca, algodón, cerámica, plásticos, aceite mineral, entre otros.

En términos generales no existe el aislante perfecto y prácticamente tampoco el conductor perfecto.

Semiconductores: Se ha dicho que los elementos que posee un solo electrón libre en su ultima orbita (nivel de energía u orbital de valencia), tiene mayor disposición para conducir un flujo de electrones, estableciendo así una corriente eléctrica, esos materiales son los “Conductores”, por el contrario los que posee muchos electrones en su orbita de valencia, tiene poca disposición para conducir la electricidad, fueron llamados “Aislantes”. Existe un 3er grupo de materiales que no son ni conductores ni aislantes, y conducen la corriente bajo ciertas condiciones. En los materiales conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los materiales semiconductores mas usados son Silicio y Germanio, existiendo otros. A los materiales semiconductores se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales (conductores) y la de los aislantes.
Ejemplos de aplicaciones con materiales semiconductores se tiene: El diodo, Los Circuitos integrados, Los transistores, entre otros.

Formas de Obtener Energía Eléctrica

Ya se tiene una idea de lo que es la electricidad, se puede definir entonces como todos aquellos efectos producidos por los electrones al desplazarse por los materiales de uno a otro lugar, o al efecto o falta de ellos entre 2 puntos de un determinando material.

Actualmente se han descubierto seis (6) maneras de producir electricidad, y estas se aprovechan de muy variadas formas, estas son:

1. Fricción o Frotamiento;
2. Presion;
3. Calor;
4. Luz;
5. Reacciones Quimicas;
6. Magnetismo.

Por Fricción: Quizás la mas antigua conocida, su empleo es muy limitado, y se presenta circunstancialmente en muchos de los utensilios de la vida diaria. Se dice que fue Thales de Mileto, quien descubrió la electricidad estática al realizar un curioso experimento y le asigno a la electricidad el nombre con el que hasta la fecha se le conoce. Hoy se sabe que la propiedad que manifestó para aquel entonces el ámbar no es exclusiva de ella, puesto que hay una cantidad de substancias con las que se puede repetir dicho experimento.

Por Presión: Estos produce en algunos materiales que son sometidos a presión mecánica oscilante, tal es el caso de la TURMALINA, las SALES DE ROCHELLE y en CRISTALES DE CUARZO, pequeñas laminas de cristal de cuarzo, tienen variadas e importantes aplicaciones en muchos equipos electrónicos. Algunos ejemplos de uso de cristales de cuarzo están en el área de las telecomunicaciones y “Audio y Sonido”; Radiotransmisores, Ciertos micrófonos, Pastillas de Tocadiscos (agujas), y en relojes electrónicos.

Por Calor: Algunas clases de dispositivos e instrumentos eléctricos y electrónicos aprovechan el efecto “termoeléctrico” para convertir las variaciones de temperatura en electricidad y con ellas obtener mediciones de calor de cierta precisión. El aparato que convierte las variaciones de temperatura en electricidad se llama “termopar” y esta constituido por la unión de dos materiales diferentes; este no produce cantidades grandes de electricidad, por eso solo se usa como componente sensible de ciertos instrumentos, como los son sensores de temperatura.

Por Luz: Se puede obtener electricidad de la luz usando una célula fotoeléctrica, como las usadas en los satélites espaciales para obtener energía eléctrica del sol. El dispositivo fotovoltaico, es básicamente dispuesto como un “emparedado o sándwich” de tres capas: Una de material transparente, la otra contra-capa es de hierro y en medio una aleación de selenio o de silicio. Cuando la luz incide en la capa de materia transparente, aparece una pequeña carga eléctrica entre las capas de la célula fotoeléctrica.

Por Reacciones Químicas: Esta se aprovecha de la reacción química entre 2 metales diferentes y un electrolito, produciendo y desplazándose cargas de distinta polaridad. Por lo general esta reacción se produce en las baterías. El metal que tiene defecto de electrones se transforma en placa positiva (ánodo) y el que tiene exceso de electrones en la negativa (cátodo). La reacción química continua hasta que no se puedan transferir mas electrones.

Por Magnetismo: Esta se produce en el momento en que un conductor eléctrico (normalmente un alambre de cobre) o una bobina (alambre de cobre aislado y enrollado) mecánicamente se mueve dentro de la fuerza magnética de un imán, o bien en el momento en que la fuerza magnética se mueve atravesando transversalmente al conductor o la bobina. Resulta indispensable un movimiento oscilante o giratorio en el conductor, bobina o campo magnético para mantener constante la producción de este tipo de electricidad. Entre mas alambre haya enrollado y mas fuerza magnética tenga el imán, mas potente será la energía eléctrica.

De las seis fuentes de producción eléctrica, 3 de ellas producen actualmente una parte muy pequeña de la fuerza eléctrica que consumimos en nuestro hogar. Estas son : Por presión, Por calor y Por luz. Existen pilas solares con las que se pueden formar baterías y obtener resultados prácticos; pero su alto costo y las dificultades de instalación impiden su uso masivo. La electricidad por fricción resulta difícil producirla y manejarla.

Definición de Señales, y tipos de Señales.

En términos generales, una señal es un signo en forma de símbolo o gesto que informa acerca de algo. Eléctricamente una señal eléctrica es un tipo de señal generada por algún fenómeno electromagnético. Pueden ser analógicas, si varían de forma continua en el tiempo, o digitales si varían de forma discreta (con valores dados como 0 y 1).

Elementos de Una señal

Cresta o Pico: Es la parte mas elevada de una señal.
Valle: Es la parte mas baja de la señal.
Periodo: Es el tiempo transcurrido por una partícula en realizar una oscilación completa. O Es el tiempo que dura un ciclo. Viene dado por la ecuación T=1/F y su unidad se expresa en (S) segundos.
Frecuencia: Es el número de ondas que pasan por el mismo punto en una unidad de tiempo. O Es la cantidad ciclos por segundo. Y viene dada por la ecuación F=1/T y se expresa en Osc/s = 1Hertz (Hz).
Amplitud: Es el valor máximo que toma la señal desde el punto de equilibrio hasta la cresta o valle.

Definición de Magnitudes Eléctricas.

Voltaje: Es la fuerza o presión que obliga a los electrones a abandonar sus orbitas de valencia para establecer un corriente eléctrica en un determinado material, también se puede definir como la diferencia de potencia entre (2) puntos necesarias para llevar una carga de un (1) punto al otro. Su unidad de expresión es el “Voltio” y su representación simbólica esta dada por “V” o “Volts”. Si la señal de voltaje es variable en el tiempo y toma una gran cantidad de valores pasando por cero (0), se dice que es una señal Analógica Alterna; es decir, que intercambia sus valores de mas (+) a menos (-). Si la señal se mantiene fija en el tiempo o adopta valores predefinidos, se dice que la señal es Continua o Directa. El instrumento de medida para su magnitud es el Voltímetro.

Corriente: Es un flujo ordenado de electrones por un determinado material, los cuales abandonaron sus orbitas producto de una fuerza externa. Su unidad de expresión es el “Amper” y su representación simbólica es “A” o “amp”. Si la señal de corriente es variable en el tiempo y toma una cantidad de valores pasando por (0), se dice que es una señal analógica Alterna; es decir recorre el material en un sentido y luego en sentido contrario de (+) a (-). El instrumento de medida para su magnitud es el Amperímetro.

Resistencia: Es el fenómeno que ocurre en lo materiales que se opone al flujo de la corriente eléctrica. Su unidad esta dada en Ohm y se pueden hallar tanto de Carbón como de Metal, de valores fijos y Valores Ajustables. El instrumento usado para su medición es el Ohmetro.

Instrumentos eléctricos de Medición.

Las magnitudes eléctricas deben ser medidas y para ello se utilizan los siguiente instrumentos:

Amperímetro: Su función en medir la intensidad de corriente eléctrica que circula por un circuito. Estos deben ser conectados en serie con los elementos del circuito eléctrico de manera que toda la corriente circule a través de ellos. Poseen una resistencia interna de valor muy pequeño para que circule toda la corriente que se desea medir.

Voltímetro: Su función es medir la diferencia de potencial en los extremos de un elemento o de un circuito. Deben ser conectados en paralelo con los elementos del circuito. En los voltímetros de C.C se conecta el positivo del instrumento al polo positivo de la pila o batería y análogamente el terminal negativo del instrumento al polo negativo de la pila o batería. Estos poseen una resistencia interna muy alta de manera que la corriente que circule por ellos sea mínima.

Ohmetros: Su función es medir la resistencia de los conductores y elementos resistores directamente basados en una escala de medida. Para medir con el, se colocan los cable del aparato en los extremos del conductor o resistir a medir, deteniéndose la aguja en la cifra que posee la resistencia de dicho conductor.

Valor Absoluto y Valor RMS.

El Valor Absoluto de una señal va desde su origen hasta el valor máximo que alcanza la señal. También llamado Valor de Cresta o Valor Pico
Un valor en RMS de una corriente es el valor, que produce la misma disipación de calor que una corriente continua de la misma magnitud.

En otras palabras: El valor RMS es el valor del voltaje o corriente en C.A. que produce el mismo efecto de disipación de calor que su equivalente de voltaje o corriente directa.

Ejemplo: 1 amperio (Amper) de corriente alterna (c.a.) produce el mismo efecto térmico que un amperio (Amper) de corriente directa (c.d.) Por esta razón se utiliza el termino “efectivo”

El valor efectivo de una onda alterna se determina multiplicando su valor máximo por 0.707. Entonces VRMS = VPICO x 0.707

Ejemplo: Encontrar el voltaje RMS de una señal con VPICO = 130 voltios
130 Voltios x 0.707 = 91.9 Voltios RMS

Valor Pico

Si se tiene un voltaje RMS y se desea encontrar el voltaje pico:
VPICO = VRMS / 0.707

Ejemplo: encontrar el voltaje Pico de un voltaje RMS VRMS = 120Voltios
VPICO= 120 V / 0.707 = 169.7 Voltios Pico

Valor promedio

El valor promedio de un ciclo completo de voltaje o corriente es cero (0).

Si se toma en cuenta solo un semi-ciclo (supongamos el positivo) el valor promedio es:
VPR = VPICO x 0.636

La relación que existe entre los valores RMS y promedio es:

VRMS = VPR x 1.11
VPR = VRMS x 0.9

Resistencia de los Materiales

Existen alambres largos, cortos, gruesos y delgados; el por que de la existencia de cada uno de ellos es por que no existe en el conductor perfecto. Todos los conductores aun el mejor de ellos para el trabajo, como el cobre, ofrecen oposición o resistencia al paso de la corriente eléctrica; es así por que lo electrones aunque se mueven con un destino definido en un conductor que previamente se le a aplicado voltaje, lo hacen chocando con los átomos y electrones vecinos propios del mismo elemento conductor, ocasionando así dificultad para el paso de estos (los electrones). De lo anterior se puede deducir que la resistencia de un alambre (para este caso) varia según el largo y grueso de este. Este comportamiento es muy similar al de las tuberías de agua, el flujo hidráulico es de comportamiento muy similar al flujo de electrones.

Circuito Eléctrico y Elementos de Un Circuito Eléctrico.

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos interconectados entre si, que son indispensables para establecer, mantener y controlar una corriente eléctrica con su correspondiente utilización.

Un circuito eléctrico consta en su expresión mas elemental de los siguiente elementos mínimos:

Generador o Fuente,
Receptor, Carga o Actuador,
Conductor,
Accionador.

El Generador o Fuente, tiene como objetivo suministrar energía eléctrica permanente, es decir, renovar o impulsar la carga eléctrica a través del circuito. Puede ser una pila o batería.

Los Receptos, Cargas o Actuadores, son los encargados de tomar la energía eléctrica para luego transformarla en otras formas de energía. Estos pueden ser: Las lamparas, los timbres, los motores, las hornillas, los ventiladores, entre otros.

El Conductor, es el encargado de unir el Generador o Fuente con los Receptores, transportando la corriente desde los primeros hasta los segundos.

Los Accionadores, son los encargados de activar el funcionamiento del circuito eléctrico, estos pueden ser, interruptores, pulsadores, cuchillas entre otros.

Ley de Ohm

Historia y Enunciado

En 1827, George Simón Ohm, famoso científico alemán, analizó por primera vez el paso de la corriente eléctrica a través de una resistencia, obteniendo de sus experiencias 2 importantes conclusiones:

1. Que al aumentos el voltaje aplicado a una resistencia, la intensidad de corriente también aumenta.
2. Que al aumentar el valor de la resistencia, manteniendo el voltaje invariable, la intensidad de corriente disminuye.

Ohm relaciono estas conclusiones y las redujo a una forma matemática, la cual hoy en día es una de las leyes mas importantes de la electricidad. La ley de Ohm, llamada asi en Honor a su descubridor.

Esta tiene como enunciado: La corriente que pasa por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado en este e inversamente proporcional a la resistencia del mismo.
Lo que significa, “la que corriente en un circuito eléctrico es igual al voltaje dividido por la resistencia”.

I = V/R ————–> Amper = Voltios/ Ohmios

Definición de Energía

La Energía es la Capacidad que tiene un Cuerpo para Realizar un Trabajo. Se expresa en unidades de Joules y su simbología es la “J”.

Definición de Potencia Eléctrica.

Es la rapidez con que se realiza el trabajo de mover electrones de un lugar a otro. También puede definirse como la velocidad a la que se consume la energía o como la velocidad a la cual un elemento transforma la energía eléctrica en otras formas de energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se Representa con el Símbolo “P” o “p”.

Su unidad de medida es el watt o vatio (W). La potencia puede medirse de manera directa utilizando un instrumento llamado vatimetro, o indirectamente mediante cálculos.

Analíticamente la potencia es producto del voltaje (V) por la corriente (I) obteniendo asi la formula
P = V x I

Relación de la Potencia en las Resistencia.

En el caso de las cargas puramente resistivas, que transforman toda la energía suministradas a los mismos en calor, la potencia disipada puede también evaluarse mediante las siguientes formulas:

• P = I² x R
• P = V² /R

Elementos Pasivos Lineales

El Resistor y La Resistencia

El Resistor es un elemento eléctrico, el cual tiene un fenómeno llamado resistencia que se opone al paso de la corriente eléctrica y cuya ecuación de comportamiento se rige simplemente por la ley de ohm. Su Simbología es como una linea en zig-zag, y su unidad medida es el Ohm Ω.

Los resistores lineales son aquellos cuyo valor óhmico, es constante bien sea que pasen 1 o 10 amperios en su interior. Pero en los resistores lineales cabe hacer una distinción de segundo orden: Los fijos y Los Variables.

Los resistores fijos tiene un valor óhmico que no puede ser alterado por nadie, y que viene impuesto por el proceso de fabricación. En cambio los resistores variables se les puede alterar su valor óhmico con la ayuda de un mando situado en el componente, ajustando el valor de la resistencia en el punto que se desee. Un vez que este punto ha sido ajustado permanecerá inalterable hasta el siguiente ajuste por parte del usuario o del diseñador.

Es imprescindible conocer los parámetros básicos de este tipo de componentes para hacer un uso correcto; esto son:

Resistencia Nominal;
Tolerancia;
Potencia Nominal.

Resistencia Nominal: Es el valor esperado de su resistencia, tal y como lo indica el fabricante del componente, a la temperatura de 25 grados celsius ( o temperatura ambiente ). Este valor se registra en la superficie del componente de varias formas distintas, aunque las mas común es un código de colores que sigue unas determinadas normas para informar de dicho valor al diseñador.

Tolerancia: Todo producto que se fabrica se diseña para que se adapte a unas determinadas especificaciones. Estas especificaciones están sujetas a pequeños cambios producto de los margenes de error que tienen las maquinas que se emplean para la fabricación, e incluso aquellos de los propios materiales empleados en la fabricación.

Potencia Nominal: Todo componente dispone de un valor de potencia máxima admisible por encima de la cual el dispositivo puede destruirse. Esto es debido al concepto de generación de calor con el paso de la corriente eléctrica, también conocido como ley de joule. Este valor de potencia nominal de un Resistor es, por tanto, la potencia que se puede disipar sobre la resistencia nominal de forma continuada sin que el componente sufra deterioro, a una temperatura de trabajo y condiciones ambientales especificas.

TIPOS: Se pueden clasificar según la tecnología que se emplean para su fabricación, Dentro de estos tipos cabe realizar una primera selección por su geometría de fabricación: no bobinados y bobinados.

Los no bobinados disponen como elemento resistivo de una película que muestra el mismo comportamiento eléctrico a lo largo y ancho de sus dimensiones. Los no bobinados mas clásicos son los de composición o aglomerados, los pirolíticos y los de capa metálica, que pueden ser realizados con óxidos metálicos, película fina, capa gruesa y fotograbado.

Los bobinados se componen de una espira que muestra un comportamiento resistivo y que es precisamente lo que les impone el comportamiento de resistor. Para alta potencia se emplean los cementados, vitrificados, y los desnudos. Por ultimo y dentro del tipo de bobinados se encuentran los de precisión.

Código de Colores.

Los Resistores con 4 bandas de colores son del tipo No bobinadas o Aglomeradas, y las de 5 Bandas de Colores son Bobinadas.

Resistores Variables.
Este no es mas que un resistor tradicional que dispone de una toma intermedia de resistencia cuya posición puede ser alterada. En función de su posición u otra se tienen distintos valores. Este tipo de resistor tiene tres (3) terminales: Los extremos de la resistencia y un cursor, que será la parte móvil del componente.
Cuando el operador gira el eje del resistor variable lo que esta haciendo es desplazar el cursor sobre el cuerpo de la resistencia entre el cursos y cualquiera de los dos puntos de la parte fija del resistor.

Los Resistores Variables se pueden clasificar en REOSTATOS y POTENCIOMETROS, según se conecte el componente al resto del circuito.
Los reóstatos producen variaciones de corriente en el circuito. Cuando el valor óhmico del resistor variable se encuentra en un extremo la corriente es máxima, y es como si no estuviera el reóstato, mientras que en el otro extremo se suma la resistencia del circuito a la nominal del propio reóstato. En este caso la corriente que atraviesa el circuito es mínima.

Por el contrario , los potenciómetros se conectan en paralelo con la carga y producen variaciones de voltaje.

Resistencias en Serie, Paralelo y Serie-Paralelo. Calculo de “R” equivalente.

Resistencias en Serie.

Se dice que existe un arreglo de resistencias en serie, cuando los resistores que constituyen el arreglo resistivo estan unidos de tal forma que el final de uno empalma con el inicio del siguiente. El siguiente diagrama esquematico muestra lo antes expresado.

Arreglo en Serie

Al aplicar una diferencia de potencial en un circuito serie, los resistores que conforma dicho circuito seran recorridos por la misma corriente, y la suma de caidas de voltaje sobre los resistores seran equivalentes al total de la diferencia de potencial aplicada al circuito.

Tomando como referencia la imagen anterior se puede deducir que :

Is = Corriente en el circuito Serie.
Is = IR1 = IR2 = IR3
Vs = Voltaje total en el Circuito Serie
Vs= VR1 + VR2 + VR3
Res = Resistencia Equivalente Serie, Si varios resistores estan unidos en serie; estos pueden ser sustituidos por un resistor unico equivalente, que sera igual a la suma de los resistores parciales
Res = R1 + R2 + R3 … + Rn

Para de la imagen anterior “Arreglo en Serie”, la Resistencia equivalente es igual a : 65Ohm.

Resistencias en Paralelo.

Se dice que existe un arreglo de resistencias en Paralelo, cuando en los resistores que constituyen el arreglo resistivo tienen ambos terminales comunes entre si . El siguiente diagrama esquematico muestra lo antes expresado.

Arreglo en Paralelo

Al aplicar una diferencia de potencial en un circuito en Paralelo, los resistores que conforma dicho circuito tendran igual diferencia de potencial entre sus terminales, y la suma de las corrientes sobre los resistores seran equivalentes al total de la corriente total del circuito.

Tomando como referencia la imagen anterior se puede deducir que :

Is = Corriente en el circuito en Paralelo.
Is = IR1 + IR2 + IR3
Vs = Voltaje total en el Circuito en Paralelo
Vs= VR1 = VR2 = VR3
Res = Resistencia Equivalente en Paralelo, Si varios resistores estan unidos en Paralelo; estos pueden ser sustituidos por un resistor unico equivalente, que sera igual a la suma inversa de los resistores parciales
Res = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 …. + 1/Rn

Para de la imagen anterior “Arreglo en Serie”, la Resistencia equivalente es igual a : 3,12 Ohm.

Resistencias en Serie-Paralelo o Mixtas.

En una asociación mixta podemos encontrarnos conjuntos de resistencias en serie con conjuntos de resistencias en paralelo.En la siguiente figura se puede observar un arreglo de este tipo.

Arreglo en Serie Paralelo

A veces una asociación mixta es necesaria ponerla en modo texto. Para ello se utilizan los símbolos “+” y “//” para designar las asociaciones serie y paralelo respectivamente. Así con (R1 + R2) se indica que R1 y R2 están en serie mientras que con (R1//R2) que están en paralelo. El modo texto de la figura anterior queda asi: R1 || R2 || R3 || (R4+R5).

La resolución de Resistencia Equivalente para este circuito logícamente debe iniciarse de derecha a izquierda, resolviendo la unión serie de los resistores R4+R5 los cuales quedan en paralelo con el resto de elementos del circuito entre si.

Para de la imagen anterior “Arreglo Mixto”, la Resistencia equivalente es igual a : 2.93 Ohm.

Valores Comerciales de Resistencia

Es imposible para una fabrica tener todas las combinaciones posibles de valores en las resistencias, por este motivo existe una tabla de valores “estándar” de la cual siempre hay stocks constantes en las tiendas, a la hora de terminar los cálculos se acostumbra redondear el resultado al valor próximo mas cercano (superior o inferior según las necesidades del circuito)

Valores Comerciales

CAPACITORES

Un CAPACITOR, es un dispositivo electrónico pasivo, cuya función es almacenar cargas eléctricas para su posterior utilización. Este almacena energía en forma de campo eléctrico.

Frecuentemente se usan en variedad de circuitos eléctricos y electrónicos como lo son :

• Radio Receptores, para sintonizar una frecuencia;
• Eliminar chispazos en los sistemas de encendidos de los automóviles;
• En las fuentes de poder, para proporcionar una señal de salida con poco rizado;
• etc.

Un capacitor cuenta, generalmente de dos cuerpos conductores, con cargas de la misma magnitud pero con signos opuestos.

Proceso de Carga de un capacitor:

Se consideran dos placas planas, A y B paralelas como se muestran en la figura:

Capacitor Elemental

entre ellas se coloca un aislante que recibe el nombre de dieléctrico, el cual puede ser de aire, de vidrio, mica y papeles encerados especiales. Al conectarle una batería, los electrones del polo negativo de la batería se desplazan hasta llegar a una de las placas del capacitor, la cual adquiere una carga negativa. De igual forma sucede con el polo positivo de la batería, este atrae o saca a los electrones libres de la otra placa del capacitor, los cuales son ayudados por los electrones de la primera placa. De esta forma, se dice que el capacitor se ha cargado.

Durante este proceso de carga la corriente esta circulando por todo el circuito hasta tanto finalice el proceso. Se dice, que el capacitor a almacenado energía; la cual se puede perder por fugas en el dieléctrico o que sea descargado hacia otro circuito.

Símbolos: Fijos y Variables.

Estos se dividen en dos grandes grupos: Los Fijos y Los Variables.

Los capacitores fijos son los de papel, los cerámicos y los electrolíticos. En los de papel las placas están constituidas por laminas de aluminio de alta pureza, y su dieléctrico es un papel de alta calidad. En los de cerámica, las placas son de plata y usan cerámica como dieléctrico. En los electrolíticos las placas son de aluminio, y usan oxido de aluminio como dieléctrico.

Los capacitores variables, son aquellos en los cuales se varia la capacidad a través de medios mecánicos, usando aire o plástico como dieléctrico.

Tipos de Capacitores. Polarizados y No Polarizados

Polarizados:

En estos capacitores las placas son de diferentes materiales de fabricación; una de las placas (ánodo) es de un material metálico y la otra (cátodo) un electrolito conductor solido, como dieléctrico usa oxido aislante formado por métodos electroquímicos sobre la capa metálica.
Los capacitores polarizados deben conectarse de modo que el terminal positivo quede siempre a su potencial mas alto que el negativo. De lo contrario pueden sufrir daños irreversibles. Como capacitores polarizados se tienen: Los electrolíticos de aluminio y tántalo, etc.

No Polarizados:

En estos capacitores ambas placas son fabricadas con el mismo material, no existe un “ánodo” y “cátodo” denotado, por lo que su disposición en el circuito no esta sometida a las consideraciones que los capacitores polarizados. Como capacitores no polarizados se tienen : Los Cerámicos, y Los de película plástica.

Simbolos Básicos de los Capacitores

Unidades de Medida.

La unidad de medida de la capacidad es el “FARAD” (o FARADIO). Así se dice que : Un Farad es la capacidad de un capacitor cuando adquiere la carga de un coulomb cuando se le aplica la diferencia de potencial de un voltio.

El Farad es una unidad muy grande, pues, sería muy difícil obtenerse un capacitor, que cuando reciba un coulomb, entre sus armaduras adquiriese únicamente la diferencia de potencial de una voltio. Por esta razón se usan los submúltiplos del Farad.

• milifarad     ----------------->   mF

• microfarad  ----------------->   uF

• nanofarad   ----------------->   nF

• picofarad     ---------------->   pF

Equivalencias en Notación Cientifica:

• 1 mF =  10-3 F

• 1uF   =  10-6 F

• 1mF  =  10-9 F

• 1pF   =  10-12 F

Factores que determinan la capacidad del capacitor.

Volviendo a la primera figura del capacitor, donde este ha adquirido una carga “q” a través de una diferencia de potencial V suministrada por los polos de una batería.
Si el capacitor, se conectase a otra batería de mayor voltaje, la carga adquirida por las placas seria mayor. Se hace notar que para un capacitor determinado, la relación entre la carga “q” adquirida y la diferencia de potencial “V” establecida es constante. Esta magnitud constante es llamada “capacitancia o capacidad” del capacitor, por lo que se puede definir como: “La magnitud medida por la relación en la carga entre la carga en cualquiera de los dos conductores y la diferencia de potencial entre ellos”.

La expresión matemática de lo anterior es : C = q/V, donde :

C = La capacidad del capacitor y se expresa en Faradios;
q = La carga de cada una de las placas y se expresa en Coulomb;
V = Es la diferencia de potencial entre las placas y se expresa en Voltios.

Es importante tener en cuenta, que esa carga “q” no es la carga neta de las placas, puesto que la carga neta es cero (0). Esa carga corresponde a la magnitud de la carga de una de las placas.

Comportamiento del Capacitor en AC y DC.

En circuitos DC:

El capacitor en presencia de señales de corriente continua de régimen permanente (CC o DC) tiende a comportarse en tiempo cero (0) de trabajo, es decir, al momento de poner en marchar el circuito; como un corto circuito manteniendo un voltaje cero (0) entre sus terminales (tiempo en el cual las cargas se orientan en las placas y cargan el capacitor hasta el máximo voltaje que lo alimenta).

En circuitos AC:

Los capacitores presentan cierta oposición al paso de la corriente alterna, esta condición se denomina REACTANCIA, de aquí que los condensadores se conozcan como elementos reactivos. Específicamente el capacitor presenta una REACTANCIA CAPACITIVA, que se representa como XC. La reactancia capacitiva varia con la frecuencia y produce un desfasamiento de 90º entre el voltaje y la corriente. Cuando se aplica un voltaje sinusoidal (AC) aun capacitor, se produce una corriente también sinusoidal y de la misma frecuencia la cual, sin embargo, es adelantada 90º respecto al voltaje aplicado. Esto implica que la corriente alcanza su valor pico un cuarto (¼) de ciclo antes que lo ha hecho el voltaje; así mismo cuando el voltaje de entrada alcanza su valor pico (positivo o negativo) la corriente es cero (0.)

Método de Prueba de los Capacitores.

En realidad para probar un capacitor, no es suficiente el Multimetro, se requiere de un instrumento especial llamado capacimetro. Sin embargo, hay pruebas que pueden efectuarse con el Multimetro y que en muchos de los casos resultan suficientes para enterarse del estado del capacitor.

Con el Ohmetro.

Aun que con el Multimetro dispuesto como Ohmetro no se puede medir la cantidad de faradios de un capacitor, si se puede determinar en la mayoría de los casos si el capacitor esta en condiciones de almacenar energía eléctrica, si es que sirve o no.

Esto consiste en realizar pruebas de Corto circuito, Circuito Abierto, y Fugas sobre el dispositivo.

Para determinar si un capacitor esta en condiciones de almacenar energía eléctrica, utilizando el Ohmetro, deberán aplicarse las puntas de prueba de sus terminales y observar en el panel de medidas del instrumento que la aguja del medido se desplace primero de su posición infinito hasta una porción determinada del panel de medida (esto dependerá de la capacidad del capacitor y de la escala seleccionada en el Ohmetro) y luego una vez que la aguja alcance su máxima desviación, aun con las puntas de prueba en los terminales del capacitor, la aguja regrese a su posición de infinito.

Dependiendo de la capacidad del capacitor dependerán las escalas del Ohmetro seleccionadas para realizar dichas pruebas.

Arreglo de Capacitores en Serie, Paralelo y Calculo de Capacidad Equivalente “Ceq”

Arreglo en Serie

Se dice que existe un arreglo de capacidad en serie, cuando los capacitores que constituyen el arreglo capacitivo están unidos de tal forma que el final de uno empalma con el inicio del siguiente. El siguiente diagrama esquemático muestra lo antes expresado:

Arreglo en Serie

La Ceq del arreglo en serie esta dada por la sumatoria inversa de las capacidades en cuestión.

Ceqs = Capacidad Equivalente Serie
Ceqs = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 …. + 1/Cn

Para el ejemplo de la figura anterior la Ceqs seria 0,875pF

Arreglo de Capacitores en Paralelo

Se dice que existe un arreglo de capacidad en Paralelo, cuando en los capacitores que constituyen el arreglo capacitivo tienen ambos terminales comunes entre si . El siguiente diagrama esquematico muestra lo antes expresado.

Arreglo en Paralelo

La Ceq del arreglo en Paralelo esta dada por la sumatoria directa de las capacidades en cuestión.

Ceqp = Capacidad Equivalente Paralelo
Ceqp = C4 + C5 + C6 …. + Cn

Para el ejemplo de la figura anterior la Ceqs seria 14pF

Reactancia Capacitiva

Los capacitores e inductores son elementos REACTIVOS puesto que presentan cierta oposición al paso de señales alternas.

En Capacitores la oposición al paso de señales alternas se denomina REACTANCIA CAPACITIVA y viene dada por la formula XC = 1/2π.f.c

Cuando se aplica un voltaje AC senoidal a un capacitor se produce una corriente también senoidal de la misma frecuencia, sin embargo, esta se encuentra desfasada (adelantada 90º) con respecto al voltaje aplicado al capacitor. Esto implica que la corriente alcanza su valor máximo ¼ de ciclo antes que lo ha hecho el voltaje. De igual manera cuando el voltaje alcanza su valor máximo (positivo o negativo), la corriente es cero “0”. La magnitud rms de la corriente “I” producida es dada por la formula : I = V/XC.

Un capacitor ofrece una alta oposición al paso de señales de baja frecuencia y una baja oposición al paso de señales de alta frecuencia.

INDUCTORES

Un INDUCTOR, es un dispositivo electrónico pasivo, cuyo comportamiento consiste en almacenar energía de forma campo magnético.

Un inductor esta constituido por un hilo conductor enrollado circularmente en torno a un eje, guardando determinadas proporciones de altura y radio. Las aplicaciones de este componente se buscan directamente en aplicaciones relacionadas con la corriente alterna, pues que en corriente continua, no es mas que un cable con una resistencia que ofrece la longitud del cable empleado en la construcción de la bobina.

El inductor abre el libre flujo de electrones a través de si. Comportamiento opuesto al del capacitor. Este es el concepto básico que diferencia los unos de los otros.

Una característica interesante de los inductores 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 (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.

Símbolos y Unidad de Medida

Inductancia ——————>
Inductor con Núcleo de Hierro——————->
Inductor con Núcleo de Aire ————->
Inductor con Núcleo de Ferrita —————->
Inductor con Tomas Fijas —————–>
Inductor Blindado —————–>
Inductor Ajustable —————->
Inductor Variable —————->
Inductor Electroimán ————–>

La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se miden en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de MiliHenrios (mH). El valor depende de:

• El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios).
• El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios).
• La longitud del cable de que está hecha la bobina.
• El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.

Aplicaciones de una bobina

- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro

- En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida.

INDUCTORES VARIABLES
También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo.
Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma.

Arreglo de Inductores en Serie, Paralelo y Calculo de Inductancia Equivalente “Ceq”

Arreglo en Serie

Se dice que existe un arreglo de inductancia en serie, cuando los inductores que constituyen el arreglo inductivo están unidos de tal forma que el final de uno empalma con el inicio del siguiente. El siguiente diagrama esquemático muestra lo antes expresado:

Arreglo en Serie

El cálculo del inductor o bobina equivalente de inductores en serie es similar al método de cálculo del equivalente de resistencias en serie, sólo es necesario sumarlas.

Así que LEs= Inductancia Equivalente Serie
Para el caso de los inductores de la figura anterior LEs = L1 + L2 + L3 …. + Ln y LEs = 3nH

Arreglo en Paralelo

Se dice que existe un arreglo de Inductancia en Paralelo, cuando en lo Inductores que constituyen el arreglo inductivo tienen ambos terminales comunes entre si . El siguiente diagrama esquemático muestra lo antes expresado.

Arreglo en Paralelo

La Inductancia Equivalente del arreglo en Paralelo esta dada por la sumatoria Inversa de las Inductancias en cuestión.

LEp = Capacidad Equivalente Paralelo
LEp = 1/L4 + 1/L5 + 1/L6 …. + 1/Ln

Para el ejemplo de la figura anterior la LEp= seria 3nH

Inductores en AC / DC

En DC
Inicialmente, cuando se aplica una señal DC de régimen permanente a un inductor en un circuito, este se comporta como un circuito abierto, manteniendo una corriente de cero ampers (amp) a través de si. Al cabo de cierto tiempo y con una tensión mínima aplicada entre sus terminales, dicho inductor comienza su carga, hasta obtener el máximo de fuente a través de el, es decir, pasando a comportarse como un corto circuito.

En AC

Cuando se aplica un voltaje sinusoidal a un inductor, se produce una corriente también sinusoidal y de la misma frecuencia, la cual, sin embargo esta retrasada 90º con respecto al voltaje aplicado. Lo dicho implica que la corriente alcanza su valor pico ¼ de ciclo después que lo ha hecho el voltaje. Asi mismo cuando el voltaje de entrada alcanza su valor pico positivo o negativo, la corriente es cero (0) y viceversa.

La reactancia inductiva, es la oposición de un inductor al paso de la corriente eléctrica alterna y viene dada por la formula: XC = 2π.f.l

TRANSFORMADORES

Un transformador es un dispositivo que tiene como función principal la transferencia de energía entre sus devanados a través de la relación de espiras entre estos, teniendo como base la inducción electromagnética.

La Inductancia mutua existe entre 2 circuitos inductivos que comparten la energía de uno de ellos.

Simbolo Estandar

En un transformador no se transfiere energía mientras su bobina o devanado primario maneje corriente continua, la energía del devanado primario se transfiere (sin contacto eléctrico), a la bobina del devanado secundario en el momento en que por cualquier motivo varíe la intensidad de la corriente del devanado primario. Cuando la corriente del devanado primario aumenta o disminuye, sus lineas de fuerza (magnética) se ensanchan y contraen cortando simultáneamente los devanados de los primarios y secundarios. El voltaje inducido en estas condiciones en la bobina secundaria, tiene las mismas polaridades que el voltaje autoinducido en la bobina del primario. Esto provoca que la corriente en el secundario tenga el mismo sentido que la corriente autoinducida, es decir; la que corresponde la Fuerza Contra Electromotriz.

Tipos de Núcleos
En el diseño de transformadores se pretende que el aprovechamiento de la energía sea del 100%, por lo tanto se busca que todas las lineas de flujo magnético del primario atraviesen o corten las espiras del secundario (al tiempo en que obviamente atraviesan todas las espiras del mismo primario), esta condición se logra óptimamente, utilizando un núcleo blindado. El núcleo blindado ayuda a cerrar el circuito de las líneas de fuerza magnética; las lineas magnéticas aunque fluyen fácilmente por le núcleo, encuentran una gran oposición al atravesar el aire, esta situación disminuye la inductancia y dificulta la transferencia de energía entre primario y secundario. Un núcleo blindado concentra las líneas magnéticas a todo lo largo de su circuito y al darles una gran facilidad de flujo incrementan óptimamente la inductancia y la transferencia de energía.

Tipos de Transformadores

La relación de espiras (vueltas) que tenga un transformador entre el secundario y el primario, determina la forma en que se transforma la energia eléctrica que se transfiere entre los devanados, dando lugar a los principales tipos de transformador los cuales son: Reductores, Elevadores, Aislantes o Mixtos. Cuando el secundario tiene más vueltas que el primario, el transformador Eleva el voltaje (Transformador Elevador), cuando el secundario tiene menos vueltas que el Primario, el transformador Reduce el voltaje (Transformador Reductor), cuando ni eleva ni reduce, solamente acopla, se dice que es un transformador Aislante o de acoplamiento directo, ya que tanto primario como secundario tienen igual numero de espiras (vueltas).

Un Transformador que tiene 1000 vueltas en su secundario mientras en el primario solamente tiene 100, el voltaje inducido en el secundario será 10 veces el voltaje aplicado al primario (1000/100 = 10). Por otro lado, si el secundario tiene 10 vueltas mientras el primario tiene 100, el voltaje inducido en el secundario será igual a la décima parte del aplicado al primario (10/100 = 1/10).

Considerense:

• Ep = Voltaje en Primario
• Es = Voltaje en Secundario
• Ip = Corriente en Primario
• Is = Corriente en el Secundario
• Np = Número de vueltas del primario
• Ns = Número de vueltas en el Secundario
• RL = Resistencia de Carga

Si Ep es solo la Mitad de Es, Ip tendra que ser el doble de Is, por lo que un transformador que eleva el voltaje, reduce la intensidad de la corriente. Es importante considerar estos hechos, cuando se pretende identificar un transformador. Independientemente que un transformador sea Reductor, Elevador, o Aislante; este se Clasifica por su potencia en VA. Si al utilizarlo este no esta capacitado para suministrarla cantidad de potencia qeu exige una carga RL, se corre el riesgo de sobrecalentar al transformador, con lo que en poco tiempo de trabajo puede terminar quemando sus devanados.

Elevador

Aislante

Reductor

Los Transformadores no Amplifican.

Existen dispositivos especialmente diseñador para agrandar una señal electrica y por tanto la potencia. Pudiera pensarse que los transformadores por elevar una señal de corriente alterna, tambien la amplifican. Sencillamente se puede deducir que un transformador maneja potencia electrica, pero no la agranda. Se sabe que para hablar de potencia eléctrica, se debe considerar el voltaje asociado a la corriente, hay que recordar que volts por ampers da como resultado “watts” P= VxI, entonces se tiene que un transformador no amplifica potencia, sino que simplemente transfire la energia electrica de una devanado a otro mediante la inducción magnética. El rendimiento de un transformador nunca llega a ser del 100%, pero se aproxima mucho a esa cifra y ya en la practica se considera que su rendimiento si es del 100%, por lo tanto se puede definir al transformador como “UN DISPOSITIVO QUE TRASLADA POTENCIA DE SU CIRCUITO PRIMARIO AL SECUNDARIO SIN NINGUNA PERDIDA NI GANANCIA“.

SEMICONDUCTORES

Están basados en la propiedad de ciertos materiales como el silicio, el germanio,el sulfuro de cadmio y el arseniuro de galio entre otros; y tienen la particularidad de comportarse indistintamente como conductores o aislantes bajo determinadas condiciones externos o estímulos; de allí que se dice que sus características son dependientes de factores de la naturaleza, como la luz, la temperatura, campos magnéticos, etc.

En electrónica los semiconductores mas usados tocados por el hombre son los diodos, transistores, Tiristores, y los circuitos integrados; todos construidos principalmente a base de silicio.

La característica principal de los semiconductores que los distingue de los conductores y aislantes es su estructura atómica. Vale recordar los conceptos de la Estructura de la materia, para comprender bien los conceptos de “SEMICONDUCTORES”. Agregando un nuevo termino a la organización de la estructura del átomo y para resaltar su importancia, “a la región del átomo constituida por el núcleo y los electrones de las orbitas internas se denominan comúnmente parte central (core)”. Por tanto ahora se puede decir que un átomo consta de una parte central y un cierto número de electrones de valencia.

Los conductores como el cobre, la plata y el oro, tiene pocos electrones en la orbita de valencia, justamente 1, los cuales son atraídos débilmente por el núcleo del átomo. Entonces, bajo la influencia de fuerzas externas, dicho electrón de valencia puede escapar fácilmente del átomo, pasando así a ser un electrón libre que viaja a través del material y propicia junto a otros similares el establecimiento de corrientes eléctricas.
Por su parte los aislantes relativamente tienen muchos electrones de valencia, típicamente 8, y los mismo están fuertemente ligados al núcleo del átomo. Entonces resulta muy difícil convertirlos en electrones libres y obligarlos a participar en la creación de corrientes eléctricas.

Atomos de los Principales Materiales Conductores

El Silicio y el Germanio se caracterizan por ser tetravalentes, es decir, estos materiales semiconductores tienen 4 electrones de valencia. Los electrones de valencia de estos elementos forman enlaces con los electrones de valencia de los átomos vecinos produciendo así un patrón tridimensional regular llamado “RED CRISTALINA O CRISTAL.”

Atomo de Cristal Puro

En un cristal semiconductor puro, cada átomo comparte sus electrones de valencia con los átomos vecinos hasta quedar químicamente estable, es decir, quedar con electrones en su orbita mas externa.

Un cristal semiconductor puro, es un aislante perfecto a temperaturas cercanas al cero absoluto; pero a medida que aumenta la temperatura ambiente, la agitación térmica causa que algunos electrones de valencia rompan los enlaces que los mantiene ligados al cristal y se conviertan en electrones libres, permitiendo la circulación de corrientes eléctricas.

La salida de un electrón de la orbita de valencia deja siempre en la misma un espacio vacío de carga positiva, el cual es llamado “hueco”, este hueco es llenado por un electrón libre o por un electrón de valencia que perteneciente a un átomo vecino.

Dentro de un semiconductor por el que circula una corriente existe un movimiento constante tanto de electrones como de huecos en direcciones opuestas, el número de huecos es siempre igual a numero de electrones; la corriente (corriente real) de electrones, es siempre de la misma magnitud que la corriente de huecos (corriente convencional). A medida que aumenta la temperatura, también aumenta el número de pares “electrones-huecos” y, por tanto, aumenta la magnitud de ambas corrientes.

Los Semiconductores Puros (Intrínsecos) como los descritos anteriormente, son pocas veces empleados en electrónica; esto es debido a que en su estado natural poseen muy pocos electrones libres y necesitan de muy altas cantidades de energía para transportar corrientes apreciables.

Realmente los semiconductores utilizados en la fabricación de “Dispositivos Electrónicos” como “Diodos”, “Transistores”, “Tiristores”, “Circuitos Integrados”, Etc. Llevan un proceso de dopaje, es decir; contienen cantidades muy pequeñas y controladas de impurezas llamadas “Dopantes”, dichos dopantes determinan sus nuevas características eléctricas. Generalmente a este tipo de Semiconductores se les denominan “SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS”.

Los dopantes usados en estos semiconductores (extrínsecos) son invariablemente átomos de elementos químicos pentavalentes o trivalentes, esto quiere decir, que poseen o 5 o 3 electrones de valencia. Puesto que la concentración de dopantes es extremadamente pequeña, del orden de 1 átomo de impureza por cada dos cientos millones de átomos de semiconductor intrínseco, estos últimos siempre redondean a los primeros y comparten sus electrones de valencia como en el cristal original, excepto que ahora un átomo de semiconductor intrínseco ha sido sustituido por un átomo de impureza.

Sustratos: El material semiconductor puro (semiconductor intrínseco) sobre el cual se realiza el proceso de dopado para obtener un semiconductor extrínseco se conoce como “SUSTRATO”. La gran mayoría de los dispositivos electrónicos prácticos utilizan el silicio como sustrato por ser un elemento estable.

Los Sustratos dopados con impurezas pentavalentes se denominan SEMICONDUCTORES TIPO N.

SemiConductor Tipo N

En los mismos , 4 de los cinco electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con los 4 átomos vecinos. El electrón restante no queda ligado a ningún átomo y es libre de moverse a través del cristal, convirtiéndose en un portador potencial de corriente. Entonces , un semiconductor Tipo N es un donador de electrones. El principal elemento utilizado como donador en cristales de Silicio es el FÓSFORO y para cristales de Germanio se utiliza el ANTIMONIO y ARSÉNICO.

Los Sustratos dopados con impurezas trivalentes se denominan SEMICONDUCTORES TIPO P.

SemiConductor Tipo P

En los mismos , los 3 electrones de valencia del átomo dopante forman enlaces covalentes con tres átomos vecinos de silicio. El electrón faltante origina un hueco, el cual se comporta como una carga positiva libre, capaz de atraer un electrón externo. Entonces un semiconductor Tipo P es un aceptor de electrones. Los principales elementos utilizados como impurezas aceptoras en cristales de silicio son el ALUMINIO y el BORO. Para cristales de germanio, se utilizan el INDIO y el GALIO.

Un Semiconductor Tipo N tiene más electrones libres que huecos y un semiconductor Tipo P más huecos que electrones. Las cargas en exceso se denominan portadores mayoritarios y las cargas en deficiencia portadores minoritarios.

Al aplicar un voltaje a un semiconductor tipo N o tipo P, el resultado es la circulación a través del mismo de una corriente relativamente grande debido a los portadores mayoritarios y una corriente relativamente pequeña debida a los portadores minoritarios. Esta ultima, que es del orden de los microamperios (uA), se denomina corriente de fuga y depende principalmente de la temperatura.

Uniones PN

En la practica los materiales Tipo N y Tipo P, no tienen mayor utilidad por si mismos, excepto cuando sus niveles de dopaje son excesivamente altos, en ese caso se les emplea como resistores dependientes de la temperatura.
En realidad un elemento semiconductor útil esta constituido por una unión PN, que se obtiene al dopar un cristal de silicio o germanio (sustratos) con impurezas pentavalentes o trivalentes de modo que una mitad sea de tipo N y la otra sea tipo P.

Todos los dispositivos electrónicos semiconductores, están basados en la combinación de 2 o mas capas alternadas de materiales de materiales tipos N y P, es decir; posee una o mas uniones PN. Un diodo, por ejemplo, es una unión PN.

En una unión PN hay inicialmente un exceso de electrones libres en el lado N y de huecos en el lado P. Entonces, algunos electrones del lado N serán atraídos por algunos huecos del lado P, y viceversa.

Formación de la Barrera de Potencial

El proceso de intercambio de cargas, que es extremadamente rápido, continuará hasta que en la frontera de los 2 materiales llamada “zona de agotamiento”, se forma una barrera eléctrica de voltaje, la cual impide el paso de un número mayor de portadores mayoritarios de una lado al otro.

Barrera de Potencial Formada

La zona de agotamiento es la que hace útil una unión PN, ya que sus características se pueden controlar externamente para lograr que la misma se comporte como un conductor, un aislante, una resistencia, un condensador, una referencia de voltaje, etc. Típicamente el potencial de barrera es del orden de 0.6v para uniones PN de silicio y 0.3v para uniones PN de germanio.

Polarizando una Unión PN.

Aplicando un voltaje externo con la polaridad indicada en la siguiente figura:

Polarización Inversa

El efecto de la barrera se acentúa. Bajo esta condición, llamada POLARIZACIÓN INVERSA, el polo positivo de la batería atrae a los electrones libres del material tipo N y el polo negativo de la batería los hueco del material tipo P, dando como resultado que la zona de agotamiento se ensanche y la unión PN presente una resistencia muy alta al paso de la corriente, comportándose así el semiconductor como un Aislante. Sólo unos pocos portadores minoritarios (algunos huecos en N y algunos electrones en P) logran atravesar la barrera, permitiendo que circule una corriente de fuga muy débil.

Aplicando un voltaje externo con la polarización indicada en la siguiente figura:

Polarización Directa

El efecto de la barrera se atenúa. Bajo esta condición, llamada POLARIZACIÓN DIRECTA, el polo positivo de la batería repele los huecos de del material P y el polo negativo de la batería repele los electrones del material N, permitiendo que atraviesen la unión, dando como resultado que la zona de agotamiento se estreche y la unión PN presente una resistencia muy baja al paso de la corriente, comportándose el semiconductor como un Conductor.

DIODOS

Son dispositivos semiconductores, formados por una unión PN, que permiten el paso de corriente en un sentido, ofreciendo una resistencia muy baja y bloqueando el flujo de esta en el sentido contrario presentando una resistencia muy alta; actuando como válvulas de paso en una sola dirección (unidireccionales); para distinguir los DIODOS SEMICONDUCTORES de los DIODOS AL VACÍO, se les llaman “DIODOS DE ESTADO SOLIDO”, en la actualidad la mayoría de los diodos se fabrican en base al silicio.

Diodo

Existen diferentes tipos de diodos semiconductores, dependiendo de sus características constructivas particulares. Estas características son las que determinan su aplicación, estos diodos son:

1. Diodos Rectificadores,
2. Diodos Zener,
3. Diodos LEDs,
4. Diodos Varicap,
5. FotoDiodos,
6. Diodos Schottky,
7. Diodos Tunel,
8. Diodos Laser;

y Muchos otros, siendo mas comúnmente encontrado en los circuitos el Diodo Rectificador.

EL DIODO RECTIFICADOR
Son diodos especialmente diseñados para convertir corrientes alternas AC o bidireccionales en corrientes directas DC o unidireccionales, dicho proceso se denomina RECTIFICACIÓN muy usado en el diseño de fuentes de alimentación y poder AC/DC.

En general los terminales de un diodo se denominan ANODO (A) siendo el terminal positivo conectado al lado P y CATODO (K) correspondiente al terminal negativo conectado al lado N.

Simboligia de Diodo Rectificador

Dependiendo de la conectividad en que un diodo se encuentre en un circuito electrico, sera susceptible a polarización Directa e Inversa.

Para la Polarización Directa; el ánodo sera pósitivo respecto al cátodo y por tanto circula una corriente convencional en el sentido de + a - como lo indica la siguiente figura:

Polarización Directa

Visto lo anterior, se puede decir que el diodo está en polarización directa o directamente polarizado, y el cual en estas condiciones adopta un comportamiento de Conductor Eléctrico.

En Cuanto a la polarización inversa; el ánodo es negativo con respecto al cátodo y por tanto no circula corriente, y el diodo pasa a comportarse como un Aislante Eléctrico. En dichas condiciones se dice que el diodo esta polarizado inversamente o inversamente polarizado. La siguiente figura detalla loanterior:

Polarización Inversa

Comportamiento Ideal

Un Diodo idealmente se comporta como un interruptor perfecto, presenta una resistencia cero (0) cuando se polariza directamente y una resistencia infinita cuando se polariza inversamente. La caída de tensión entre sus terminales para el caso de polarización directa debe de ser cero voltios (0 voltios) independientemente de la corriente a través suyo, y para el caso de la polarización inversa la corriente debe ser de cero amperes (0 amperes), independientemente del voltaje aplicado. Lo anterior se expresa en detalla en la siguiente Curva Característica.

Curva Caracteristica del Diodo Rectificador Ideal

Comportamiento Real

Realmente los diodos rectificadores tienen un comportamiento levemente diferente del ideal, esto se demuestra en la siguiente curva característica:

Comportamiendo Real del Diodo Rectificador

Teniendo en cuenta las curvas anteriores se pueden denotar las siguientes características de interés que son claves para comprender cómo trabajan los diodos reales, estas características son:

• En polarización directa la conducción del diodo no empieza en 0V, esta empieza a partir del momento en que el voltaje externo (voltaje de polarización) supera un valor mínimo de umbral “VD“. Este es prácticamente igual al potencial de barrera de la unión PN.
• La caída de tensión en un diodo en polarización no es 0 voltios, esta tiene un valor definido y que es ligeramente superior al valor de la barrera de potencial y su magnitud depende de la magnitud de la corriente IF conducida. Esta caida se denomina “VOLTAJE DE CONDUCCIÓN DIRECTA“
• La corriente de polarización inversa no es 0 Amp, esta tiene un valor llamado II (I inversa) el cual es muy bajo del orden de los uA o nA, esta magnitud (II) depende directamente de la magnitud del voltaje VI (Voltaje Inverso). Esta corriente (II) es denominada corriente de fugas y es generada por los portadores minoritarios del cristal.
• En rectificación inversa un diodo puede llegar a conducir cuando el voltaje aplicado alcanza cierto valor. Este valor es llamado “Voltaje de Ruptura o Voltaje de Avalancha“. En la situación en que un diodo entra en la región de avalancha o alcanza el voltaje de avalancha, la corriente inversa de fuga se incrementa rápidamente y puede llegar a dañar el dispositivo si no es limitada correctamente. En los diodos rectificadores el voltaje de avalancha es por lo general muy alto, del orden de los 80, 90, 100 Voltios o más.

Como la mayoria de los dispositivos semiconductores y electronicos, se identifican a traves de una referencia. El sistema de referencias puede ser Americano, Europeo o Japones. En el Sistema Americano la referencia viene dada por un prefijo “1N” quien va seguido de una número de serie, por ejemplo 1N4007. 1N implica el número de uniones y el resto del numero las caracteristicas del dispositivo. En el sistema Europeo, se utilizan tambien prefijos de dos letras, asi las referencias serian por ejemplo: BY254. La B indica el material de construcción (silicio en este caso) y la “Y” el tipo (en este caso se trata de un diodo Rectificador).

En Conclusión se puede decir que: Los diodos rectificadores se especifican por la corriente máxima promedio que pueden conducir en polarización directa sin llegar a romperse por efecto de la temperatura generada; tambien por el máximo voltaje de polarización inversa sin entrar en avalancha. Datos como estos y otros de interes general se consiguen en la hojas de datos de los fabricantes de los dispositivos.

Diodo Zener

Es un dispositivo electronico similar al diodo rectificador, pero este tiene la particularidad que trabaja en polarización inversa especificamente en la zona de ruptura; este dispositivo suele usarse como referencia de tension. Si se polariza un diodo zener Directamente, este se comporta como un diodo rectificador; polarizado inversamente la corriente inversa “II” es insignificante (tal como sucede en los diodos rectificadores) hasta que el voltaje inverso (VI) alcanza un valor llamado VZ (Voltaje Zener) o de referencia, llegados a ese punto, el diodo entra en conducción, permitiendo así la circulación de una considerable corriente eletrica. Entonces, el voltaje entre sus terminales permanece practicamente constante e igual a VZ para un amplio rango de variaciones de la corriente “II“. Esta ultima característica es la que permite utilizarlo como regulador de voltaje o referencia de tensión en muchas aplicaciones.

A continuación imágenes que detallan Simbología, Curva Característica, Aspecto Físico y Equivalencia:

Simbolos y Equivalencias del Diodo Zener

Los Diodos Zener se especifican principalmente por su voltaje zener (Vz) y la potencia máxima que pueden absorver en forma segura sin llegar a destruirse (Pz). Tambien se identifican por referencias, estas pueden ser : 1N3828, BZX85, etc. Los diodos zener se consiguen en valores estandar que van desde Vz = 2.0v hasta Vz = 200v, y con valores máximo de Pz de 0.25W, 0.5W, 1W, 5W, 10W, 50W, etc. Los valores comerciales de diodos zener mas cercanos a 5voltios son 4.7 V y 5.1 V, esto puede aplicarse analogamente a valores multiplos de estos.

Diodos Emisores de Luz (LEDs)

Estos diodos son hechos especialmente con “Arseniuro de Galio Fosfatado” GaAsP, emiten luz en forma continua o intermitente cuando se polarizan directamente. Se utilizan principalmente como señalizadores de activación en eventos o como visualizadores. En determinadas situaciones se pueden usar como detectores de luz, pues la luz que emite un diodo LED puede ser, ANARANJADA, AMARILLA, ROJA, VERDE o AZUL, dependiendo de su constitución.

Tambien existen un tipo de diodo que emite luz infraroja, esta es una luz invisible para el ojo humano; dicho diodos son llamados LEDs Infrarojos o IREDs. Los diodos laser emiten una luz altamente concentrada y coherente, este es otra variante de los diodos LEDs.

Simbolo e Imagen Física

Los Diodos LEDs emiten luz, debido a la combinación electrón-hueco que ocurre al pasar de un nivel energico superior a otro mas bajo. En los diodos de silico comunes, este cambio de energia se manifiesta en calor.

Estos diodos se especifican por color, longitud de onda (de la luz emitida), el voltaje máximo inverso (VI), caida de voltaje directa (VD), máxima corriente en polarización directa (ID) y la intensidad luminosa (en milicandelas tipicamente). Por lo general los valores para VD son del orden de 1.6 a 2.8 voltios y para VI de 4 a 5 voltios. Los valores de corriente en directo comunes en estos dispositivos van desde menos de 20 miliamperios hasta 100ma y con intensidades desde menos de 0.5 mcd (milicandelas) hasta 4000 mcd; y entre mayor sea la corriente aplicada, mayor sera el brillo. Los valores de voltajes para la polarización directa dependen del color, siendo minimo para diodos LEDs rojos y máximo para diodos LEDs azules.

En la practica los diodos LEDs deben ser protegidos por un resistor en serie (bien sea al ánodo o al cátodo), esto para limitar la corriente a través de el a un valor seguro, inferior a ID máxima. Los LEDs deben ser protegidos igualmente contra grandes voltajes inversos, ya que un voltaje inverso superior a 5 voltios puede causar su destrucción inmediata.

Diodo Varicap
Son también llamados diodos de sintonía, o VARACTORES, trabajan polarizados de forma inversa y actúan como condensadores variables controlados por voltaje. Esta ultima característica los hace útiles para la sintonía de frecuencias en receptores de radio y televisión; también se les usa en circuitos OSCILADORES, MULTIPLICADORES, AMPLIFICADORES, GENERADORES DE FM, entre otros circuitos de alta frecuencia. Los Diodos Varactores han sido diseñados de manera que su funcionamiento sea similar al de un capacitor y tenga una característica capacitancia-tensión dentro de los límites razonables.

Simbolo y Aspecto Fisico

La siguiente imagen muestra la equivalencia Diodo-Capacitor que se da en un VARACTOR

Diodo Varicap

Debido a la recombinación de los portadores en el diodo, una zona de agotamiento se forma en la juntura. Esta zona de agotamiento actúa como un dieléctrico (aislante), ya que no hay ninguna carga y flujo de corriente. Las áreas exteriores a la zona de agotamiento si tienen portadores de carga (área semiconductor). Se puede visualizar sin dificultad la formación de un capacitor en el diodo (dos materiales semiconductores deparados por un aislante).

La amplitud de la zona de agotamiento se puede ampliar incrementando la tensión inversa aplicada al diodo con una fuente externa. Esto causa que se aumente la separación (aislante) y separa más las áreas semiconductoras. Este último disminuye la capacitancia. Entonces la capacitancia es función de la tensión aplicada al diodo.

Si la tensión aplicada al diodo aumenta la capacitancia disminuye
Si la tensión disminuye la capacitancia aumenta

FOTODIODOS
Son dispositivos semiconductores provisto de una ventana transparente en su encapsulado por donde inciden justo a la unión PN del dispositivo los rayos de luz que finalmente controlaran la corriente inversa en un amplio rango. A mayor cantidad de luz incidente, mayor es la corriente inversa producida por que se genera un mayor número de portadores minoritarios, y viceversa. Son muy utilizados como sensores de luz en fotografia, contadores de objetos, sistemas de seguridad, sistemas de iluminación, receptores de comunicaciones opticas, entre otros.

En la siguiente imagen se puede detallar la simbologia electrica, el aspecto físico tipico, la estructura interna y la unión PN del Dispositivo:

Simbologia y Aspecto

Diodo Schottky
Estos dispositivos tienen como sustrato el silicio, y se caracterizan por poseer una caida de tension directa (VD) bastante reducida, del orden de los 0.25V hasta menos, y por ofrecer un respuesta rapida de conducción. Tambien son llamados Diodos de Recuparación Rapida o de portadores calientes. Se utilizan frecuentemente en sistema digitales, fuentes de potencia y equipos de alta frecuencia.

En frecuencias bajas un diodo cambia facilmente de estado activo a desactivo (conducción - no conducción), cuando se aumenta la frecuencia de trabajo el tiempo de activación (pasar de no conducción a conducción) puede ser relevante poniendo en peligro la integridad del dispositivo.
Su alta velocidad de puesta en conducción lo hace ideal para rectificar señales alternas de alta frecuencia.

Simbolo Electrico y Aspecto Fisico

Diodo Tunel
Tambien llamados diodos Esaki; estos se caracterizan por tener una zona de agotamiento sumamente delgada y por reflejar en su curva caracterisitca V-I una región de resistencia negativa donde la corriente disminuye a medida que aumenta el voltaje. Esta propiedad (resistencia negativa) los hace utiles en circuitos de alta frecuencia como detectores, amplificadores, interruptores, osciladores, multiplicadores, entre otros.

Simbologia Electrica

Aspecto Físico

Diodo Laser
Son LEDs que emiten una luz monocromática, generalmente roja o infraroja, sumamente concentrada, potente y coherente. Su aplicación esta orientada principalemente al campo de audio y video, en equipos de discos compactos o unidades de CD que contienen datos, etc. Asi como tambien en sistemas de comunicaciones para enviar información a través de cables de fibra optica. Tambien se les emplea como lectores de codigo de barras, marcadores luminosos entre otras aplicaciones. Tambien son conocidos como Láseres de Inyección o ILDs.

Simbolo Diodo Láser

Aspecto Físico

Existen tambien otros diodos como los “Microondas” que trabajan a frecuencias elevadas, los Detectores (tambien llamados diodos de señal), que se explicaran posteriormente.

TRANSISTORES

Transistor es un termino derivado de la palabra “transfer resistor” (algo como Resistencia de Transferencia); el termino designa de manera genérica, a un componente electrónico de 3 terminales cuya resistencia es una función del nivel de corriente o voltaje aplicado a uno de sus terminales. Gracias a esta propiedad los transistores se utilizan como fuentes controladas de corriente en amplificadores, osciladores, mezcladores, interruptores y otras aplicaciones. El transistor es sin duda uno de los adelantos más significativos de nuestra era y uno de los componentes mas versátiles e importantes de la electrónica. Todos los circuitos integrados se fabrican con transistores.

Apariencia Física

Familias:

Existen 2 grandes familias de transistores: La Bipolar y los de Efecto de Campo

Bipolares:

Son dispositivos semiconductores formados por una capa de material tipo P la cual se encuentra entre dos capas de material tipo N, o viceversa (1 tipo N entre 2 tipo P) formando de esta manera las llamadas uniones NPN para el primer caso y PNP para el segundo. La capa central se ha denominado como Base (B) y las de los extremos se han denominado Emisor (E) y Colector (C). La Base es de reducidas dimensiones y con poco nivel de dopaje respecto al Emisor y Colector; en conclusión posee una concentración muy baja de portadores.

Uniones en un Transistor

Simbologia del Transistor BJT

El emisor esta fuertemente dopado y la concentración de portadores mayoritarios disponibles supera en gran medida a la base. El colector tiene una alta concentración de portadores minoritarios en relación a la base y muy pocos portadores mayoritarios en comparación con el emisor. Para el caso del un transistor NPN, significa que la base no posee la suficiente cantidad de huecos para combinarse con todos los electrones que puede suministrar el emisor. Como resultado la mayoría de estos electrones atraviesan la base en dirección del colector.

Polarización:

En un Transistor existen 2 uniones PN: estas son Emisor-Base (EB) y Colector-Base (CB). Estas uniones debidamente polarizadas causan que el transistor entre en conducción y dependiendo de la configuración aplicada se podrá utilizar como Amplificador o Switch.

En las figuras anteriores se puede observar que la juntura Base-Emisor están directamente polarizadas y la juntura Colector-Base lo están a la inversa. Para ese caso, el voltaje de polarización de la unión Base-Emisor la provee VBB y la de la unión Colector-Emisor es proveída por VCC. Entonces en un transistor NPN, la base debe ser positiva respecto al emisor y negativa respecto al colector.

Como resultado de la polarización en un transistor se producen tres corrientes: la de Base (IB), la de emisor (IE) y la de colector (IC). Debido a que la Unión BE está polarizada en forma directa, los portadores mayoritarios de ambas regiones son obligados por el voltaje de VBB a cruzar la unión y combinarse mutuamente. En el caso de una transistor NPN, esto significa que una parte de los electrones suministrada por el emisor (del 1% al 5%) se combinan con los pocos huecos disponibles en la base; originando así una corriente de Base (IB) relativamente pequeña.

Los electrones restantes (del 95% al 99%) son atraídos hacia el colector por la fuente de tensión inversa de polarización VCC de la unión BC. Estos electrones cruzan la unión BC, pasan a través de la extensa región del colector y se dirigen hacia el polo positivo de la batería de VCC, creando una corriente de colector (IC) muy intensa.

Las corrientes de colector (IC) y base (IB) están relacionadas con la corriente de emisor (IE) mediante la siguiente formula “IE = IB + IC”.

La capacidad de amplificación de un transistor se mide observando el efecto de la corriente de base (IB) sobre la corriente de colector (IC) para un determinado valor de VCE. La relación incremental de ambas cantidades se denomina “ganancia de corriente beta” y se representa mediante el símbolo ß o hFE. Lo cual seria: hFE= ∆IC/∆IB.

El transistor Bipolar como Amplificador

En la siguiente figura, se muestra un circuito practico de un transistor bipolar como amplificador de señales.

BJT como Amplificador

Para este caso, la señal a ser amplificada (VIN) se superpone a la tensión de polarización, variando la IB por encima y por debajo de su valor de reposo, pasando igual con el valor de IC, excepto que cada cambio se refleja amplificado por ß veces. Esto quiere decir, colocando una valor de ß = 50, un cambio de 1 uA en la corriente de base IB, corresponderá a un cambio de 50uA en IC. Esta corriente al circular por el resistor de carga (RL) hace obtener un voltaje de salida variable (Vout) que es una replica ampliada de la señal de entrada (VIN). Lo anterior muestra en esencia el proceso de amplificación.

Tipos de Encapsulados:

Los transistores se hospedan en cápsulas plásticas o metálicas, como se muestra en la siguiente figura:

Encapsulados

La cápsula los protege de la humedad y los contaminantes, sirve como disipador de calor, proporciona los pines de acceso, facilita su manipulación e identificación.

Identificación: Estos al igual que los demás semiconductores se identifican mediante un código de referencia, el cual tiene implícito sus características exactas. Existen básicamente 3 sistemas de identificación, estos son: el Americano, El europeo, y El japones. En el sistema Americano la referencia empieza por 2N (2N3055), en el europeo por BC, BS o BF (BC108) y en el japones por 2SA, 2SB, 2SC, o 2SD (2SC458).

Existen otros fabricantes que utilizan sus propias referencias normalizadas como por ejemplo NTE (NTE123AP).

Especificaciones:

Estos dispositivos (los transistores) se especifican principalmente por la máxima corriente de colector (IC) que pueden manejar en forma segura, el máximo voltaje de polarización inversa que puede ser aplicado entre colector y emisor sin entrar en avalancha (VCEO), la ganancia de corriente beta (hFE). Otros Parámetros especificados en las hojas de datos de los transistores son: el máximo voltaje entre emisor-base (VEBO), la potencia máxima total (PTOT), la frecuencia de transición (fT), y la figura de ruido (NF), existiendo otros.

FETs Transistores de Efecto de Campo

Son Dispositivos semiconductores de 3 terminales que a diferencia de los BJT que son controlador por corrientes, estos son controlados por voltaje y estas constituidos por un material de base tipo N o tipo P, llamado sustrato, dentro del cual se forma una región de tipo opuesto, en forma de U, llamada canal, ligeramente dopada. Este sustrato actúa como una compuerta (también llamada GATE y se abrevia “G”), uno de los extremos del canal como Fuente o Source (S) y el otro como drenador o Drain (D). Entonces entre la compuerta y el canal se forma una unión PN. Los FETs con esta estructura se denominan FETs de Unión o JFETs.

En la mayoría de los casos, el diseño del canal es simétrico y, por tanto, cualquiera de los extremos se puede utilizar como drenador o como fuente. Sin embargo,existen casos especiales en los cuales el canal es asimétrico y, por consiguiente, no se pueden intercambiar los terminales Source (S) y Drenador (D). Los JFETs pueden ser de canal N o de canal P, dependiendo del dopado del canal.

Simbolo Electrico

Polarización y Funcionamiento.

Los JFETs operan correctamente polarizandolos con dos voltajes externos como en la siguiente figura:

En la figura anterior, la tensión VDD dirige el paso de los portadores de corriente por el canal y la tensión VGS regula su cantidad. Esta ultima debe polarizar inversamente la unión PN entre el canal y el sustrato. Por lo tanto en un JFETs de canal N, la fuente debe ser positiva con respecto a la compuerta y negativa con respecto al drenador.

El efecto de la polarización es la creación, entre drenador y fuente, de una corriente de drenaje (ID), la cual circula a lo largo del canal y depende del voltaje VGS. Entonces, el canal actual como una resistencia variable. En el caso de un JFETs de canal N, la tensión VGS crea en las proximidades de la unión sustrato-canal una zona de agotamiento, libre de electrones. Esta región se forma por completo dentro del canal debido a que existe una fuerte concentración de huecos en el sustrato y una baja concentración de electrones en el canal.

El espesor de la zona de agotamiento determina el área útil efectiva del canal y, por lo tanto, su capacidad de dejar pasar más o menos electrones. La región de agotamiento se extiende a lo largo de las paredes del canal, siendo más amplia en el lado del drenador que en el de la fuente. Esto es así por que, desde el punto de vista de la compuerta, el drenador está sometido a una tensión inversa de polarización más alta (VDS + VGS) que la fuente (VGS).

Al aumentar VGS, la región de agotamiento se ensancha y, por lo tanto, se estrecha el canal. En consecuencia, pasan menos electrones entre la fuente y el drenador, disminuyendo así la corriente de drenado (ID). Al disminuir VGS, la región de agotamiento se estrecha y por lo tanto, se amplia el canal. En consecuencia, pasan mas electrones entre la fuente y el drenador, aumentando así la corriente de drenado (ID). De este modo, VGS varia la resistencia del canal y controla (modula) la corriente del drenador (ID). En ambos casos, la corriente de la compuerta (IG) es insignificante, lo cual implica que la resistencia de entrada de un FET es extremadamente alta.

La capacidad de amplificación de un FET se mide observando el efecto de VGS sobre la corriente de drenador (ID) para un determinado valor de VDS. Esta relación incremental entre ambas cantidades se denomina “transconductancia” y se designa por el símbolo “gm” o “gfs”, y se expresa con la formula : gm=∆ID/∆VGS

La transconductancia se expresa en “mhos” o siemens, umhos (es el valor típico), un cambio de 200 mV en VGS provocan un cambio de 100uA en ID. En la siguiente figura se muestra la configuración de un FETs como amplificador de Señales.

JFET como Amplificador

Para este caso la señal de entrada VIN causa que VGS varíe por encima y por debajo de su valor de reposo. Como resultado de esta variación, cambia también ID. Al circular esta corriente a través de RL, se obtiene un voltaje de salida (VOUT) que es una replica ampliada de VIN.

Especificaciones:

Al igual que los BJT, los JFETs tienen valores de expresión para referencias estos son : transconductancia (gm o gfs), voltaje máximo entre compuerta y fuente (VGS), la corriente de drenaje con VGS=0v (IDSS), el voltaje de ruptura entre compuerta y fuente (BVGSS) y la corriente de drenaje (ID). Otros parámetros en que también se especifican en las hojas de datos de los jFETs son : Capacitancia de Entrada (Ciss), la capacitancia de transferencia (Crss), la potencia máxima (PD) y la resistencia entre drenador y fuente (rDSS).

NOTAS: El transistor FET es sencible a los efectos de la Corriente Estatica, con lo cual pudiera resultar dañado. Cuando se compran vienen con sus pines en corto (obligados a tener el mismo potencial a todos) con un alambre para evitar daños. No debe quitarse este alambre hasta montar estos transistores en el circuito impreso o Protoboard.

El transistor de efecto de campo no puede probarse como se prueban los transistores bipolares NPN y PNP, la forma de probar los FETs es polarizando el transistor de forma que todos sus elementos reciban los voltajes respectivos.

TIRISTORES

Son dispositivos construidos con 4 capas de material semiconductor dispuestas de tal forma que producen un efecto de enclavamiento o enganche (latching). Esta característica les permite actuar como interruptores electrónicos de potencia. Sus principales aplicaciones son en el campo del control y manejo de potencia. Los dos principales tipos de Tiristores son el rectificador controlado de silicio o SCR, y el triodo de corriente alterna o TRIAC, también existen otros Tiristores para aplicaciones especiales como los Diacs, los GTOs, etc.

SCR
Es un diodo rectificador de 4 capas que, además de ánodo (A) y un cátodo (K) posee un terminal extra para fines de control llamado “compuerta” o gate (G). Estos son esencialmente diodos rectificadores y se comportan de la misma forma, excepto que, cuando están directamente polarizados, requieren la aplicación de una corriente en la compuerta (IG) para realizar su acción básica (deben ser disparados por una señal de control). Una vez activados (disparados), un SCR entra en conducción, comportándose como un interruptor cerrado. Bajo esta condición, la compuerta deja de tener control sobre el estado del dispositivo. La única forma de bloquearlo es interrumpiendo la corriente de ánodo (IA) o reduciéndola por debajo de un valor mínimo llamado “corriente de sostenimiento” (IH).

Para que se produzca el disparo de un SCR, la IA debe ser superior a un valor mínimo llamado “corriente de enganche” (IL).

Simbologia, Representación Fisica y en Capas

De lo anterior se puede concluir, que un SCR no entrará en conducción si se suprime la IG antes que la IA alcance el valor IL. En general, IL>IA. El disparo tampoco será efectivo si IG y VG son inferiores a unos valores mínimos VGT e IGT especificados. También pueden entrar en conducción con una corriente de compuerta cero, estando en directa o inversamente polarizados, cual el voltaje entre ánodo y cátodo VAC es superior a un valor critico VDRM (directo) o VRRM (inverso), respectivamente, llamado voltaje de ruptura. Otro forma en que un SCR entre en conducción y con IG=0 cuando la velocidad de cambio de VAC (dv/dt) es superior a la especificada. Estos métodos de disparo no son usados en la practica y hay que evitarlos.

Identificación: Al igual que otros semiconductores se identifican por una referencia impresa en su cuerpo por ejemplo “C106”, “2N6170”, “ECG5582” y se especifican principalmente por la máxima corriente de ánodo (ITRMS), el voltaje de ruptura directo (VDRM) y el voltaje de ruptura inverso (VRRM). Se consiguen con capacidades de corriente desde menos de 500mA hasta más de 300A y voltajes de ruptura desde menos de 25V hasta más de 2000V.

TRIACS
Es un dispositivo de 3 terminales diseñado para conmutar corrientes AC. Un TRIAC resulta equivalente a la asociación de dos SCRs en antiparalelo. Este requiere al igual que un SRC de un pulso en la compuerta para entrar en conducción y se bloquea cuando la corriente de ánodo cae por debajo de su valor de sostenimiento. Los TRIACs son utilizados en el manejo de cargas de potencia que trabajan con corriente alterna (AC), estos pueden ser: Motores, Lámparas, Hornos, entre otros muchos.

Los terminales de un TRIAC son llamados MT1 (terminal principal 1), MT2 (terminal principal 2) y compuerta o gate (G). La compuerta realiza la misma función que en un SCR. Durante un semiciclo, uno de los terminales principales (MTs) actúa como ánodo, dependiendo del sentido de la corriente. Estos dispositivos (TRIACs) se identifican igual que los SCRs y se consiguen en los mismos rangos de Valores de ITRMS y VDRM.

Simbolo Electrico y Apariencia Física Típica

DIAC
Es un diodo de disparo bidireccional, especialmente diseñado para disparar TRIACs y Tiristores (es un dispositivo disparado por tensión).

Tiene dos terminales: MT1 y MT2

Simbolo Electrico

El DIAC se comporta como dos diodos zener conectados en serie, pero orientados en formas opuesta. La conducción se da cuando se ha superado el valor de tensión del zener que está conectado en sentido opuesto.

El DIAC normalmente no conduce, sino que tiene una pequeña corriente de fuga. La conducción aparece cuando la tensión de disparo se alcanza.

Cuando la tensión de disparo se alcanza, la tensión en el DIAC se reduce y entra en conducción dejando pasar la corriente necesaria para el disparo del SCR o TRIAC. Se utiliza principalmente en aplicaciones de control de potencia mediante control de fase.

Sus principales características son:

• Tensión de disparo;
• Corriente de disparo;
• Tensión de simetría;
• Tensión de recuperación;
• Disipación de potencia (Los DIACs se fabrican con capacidad de disipar potencia de 0.5 a 1 watt.)