Libro Electronica Analogica

Electrónica Analógica

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SEAS, Estudios Superiores Abiertos

Imprime:

El depositario, con autorización expresa de SEAS, S.A.

ISBN:

978-84-15545-48-4

Depósito Legal:

Z-1356-2012

ÍNDICE ASIGNATURA

UNIDAD 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD 1.1. La energía y sus transformaciones 1.1.1. Concepto de energía 1.2. Principios básicos de electricidad 1.2.1. La electricidad 1.2.2. Origen de la electricidad 1.3. Materias conductoras y aislantes 1.3.1. Enlace metálico 1.3.2. Enlace iónico 1.3.3. Enlace covalente 1.3.4. Materiales conductores 1.3.5. Materiales aislantes


UNIDAD 2. CIRCUITO ELÉCTRICO 2.1. Teoría electrónica 2.2. Corriente eléctrica 2.3. Circuito eléctrico 2.4. Circuito hidráulico 2.5. Circuito eléctrico cerrado y circuito eléctrico 2.6. Símil entre ambos circuitos 2.7. Magnitudes eléctricas 2.7.1. Fuerza electromotriz (F.E.M.) 2.7.2. Diferencia de potencial (D.D.P.) 2.7.3. Cantidad de electricidad (Q) 2.7.4. Intensidad 2.7.5. Densidad de corriente eléctrica ( ) 2.7.6. Resistencia (R) 2.7.7. Resistencias en serie 2.7.8. Resistencias en paralelo 2.7.9. Resistencias en mixto 2.8. Ley de Ohm 2.8.1. Potencia eléctrica (P) 2.8.2. Energía eléctrica (E) 2.9. Efecto Joule 2.9.1. Influencia de la temperatura en la resistencia de un conductor 2.10. Circuito equivalente 2.11. Circuito equivalente en baterías

UNIDAD 3. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA 3.1. Sentido de la corriente eléctrica 3.2. Corriente continua 3.2.1. Corriente continua constante 3.2.2. Corriente continua decreciente 3.2.3. Corriente continua pulsante 3.3. Corriente alterna 3.3.1. Corriente alterna senoidal 3.3.2. Corriente alterna cuadrada y rectangular 3.3.3. Corriente alterna triangular 3.3.4. Corriente alterna en diente de sierra 3.3.5. Corriente alterna de impulso de aguja 3.3.6. Corriente alterna asimétrica, periódica y aperiódica 3.3.7. Parámetros fundamentales de la corriente alterna


UNIDAD 4. COMPONENTES ELECTRÓNICOS PASIVOS 4.1. Resistencias lineales 4.1.1. Valores y tolerancias 4.1.2. Potencia máxima y disipación 4.1.3. Tipos de resistencias 4.2. Potenciómetros - Resistencias variables 4.2.1. Clases de potenciómetros 4.2.2. Tipos de conexión 4.3. Resistencias especiales – no lineales 4.4. NTC - PTC 4.5. LDR 4.6. VDR 4.7. Condensadores 4.7.1. Características de los condensadores 4.7.2. Carga y descarga de condensadores 4.7.3. Tipos de condensadores 4.7.4. Identificación de Condensadores 4.7.5. Asociación de condensadores 4.7.6. Circuitos con condensadores

UNIDAD 5. POLÍMETROS 5.1. Generalidades 5.1.1. Características del polímetro 5.2. Polímetros analógicos 5.2.1. Principios básicos de funcionamiento 5.2.2. Índices y escalas 5.3. Polímetro digital 5.3.1. Principios básicos de funcionamiento 5.3.2. Descripción del polímetro digital 5.4. Medidas con polímetro digital 5.4.1. Continuidad 5.4.2. Resistencia 5.4.3. Comprobación de diodos 5.4.4. Tensiones en corriente continua y alterna 5.4.5. Intensidades en corriente continua y lterna 5.4.6. Condensadores 5.4.7. Transistores 5.5. Recomendaciones para el uso del polímetro 5.5.1. Precauciones 5.6. Medidas con polímetros


UNIDAD 6. COMPONENTES ELECTRÓNICOS ACTIVOS I 6.1. Estructura de los semiconductores 6.2. El enlace iónico 6.3. El enlace covalente 6.4. Conductores y semiconductores 6.4.1. Semiconductores 6.4.2. Semiconductores intrínsecos 6.5. La unión PN 6.5.1. Los portadores de carga 6.5.2. ¿Qué ocurre en la unión? 6.5.3. La barrera de potencial 6.5.4. Polarización de la unión PN 6.6. El diodo semiconductor 6.6.1. Curvas características 6.6.2. Parámetros importantes 6.6.3. Tipos de diodos 6.6.4. Algunas aplicaciones y circuitos 6.7. El transistor 6.7.1. El interior de un transistor 6.7.2. Polarización de un transistor 6.7.3. Polarización en emisor común 6.7.4. Efecto transistor y ganancia de corriente 6.7.5. Curvas características de un transistor en emisor común 6.7.6. Recta de carga de un transistor 6.7.7. Punto de reposo de un transistor 6.7.8. Zonas de funcionamiento de un transistor 6.7.9. Presentación del transistor 6.7.10. Varios circuitos de polarización 6.8. El transistor en conmutación 6.8.1. Zonas de trabajo del transistor en conmutación 6.8.2. Tiempos de conmutación 6.8.3. Polarización del transistor en conmutación para NPN y PNP 6.8.4. Montaje en Darlington 6.9. Montajes con transistores 6.9.1. Relé en colector 6.9.2. Montaje en Darlington 6.9.3. Mando relé con dos transistores NPN 6.9.4. Circuito con doble mando 6.9.5. Temporización al cierre de un relé UNIDAD 7. FUENTES DE ALIMENTACIÓN 7.1. Etapas básicas de una fuente de alimentación 7.1.1. El transformador 7.1.2. El rectificador 7.1.3. El filtrado 7.2. Reguladores integrados 7.2.1. Reguladores comerciales


UNIDAD 8. ELECTRÓNICA DE POTENCIA 8.1. Introducción a sistemas de potencia 8.1.1. El dispositivo de potencia ideal 8.1.2. El problema de la conmutación 8.1.3. La necesidad de conmutación 8.1.4. Clasificación de semiconductores de potencia 8.2. TIRISTOR 8.2.1. Estructura del tiristor 8.2.2. Aplicaciones con tiristores 8.3. TRIAC 8.3.1. Estructura cristalina, símbolo y terminales 8.3.2. Estructura equivalente a tiristores 8.4. DIAC 8.4.1. Estructura cristalina. Símbolos 8.4.2. Curva característica 8.5. Transistores IGBT 8.6. Transistor de efecto CAMPO - FET 8.7. Distorsion armonica 8.7.1. Descomposición Serie de Fourier 8.7.2. Teorema de Superposición 8.7.3. Cálculo de distorsión armónica THD 8.8. Puente en H 8.8.1. Sentido de giro de los motores 8.8.2. Conversión DC/AC 8.8.3. El puente H trifásico 8.9. SAI (Sistema Alimentación Ininterrumpida) 8.9.1. Parámetros más importantes de los SAI 8.10. Variador de frecuencia 8.11. Cargas inductivas 8.12. Calor y disipadores de calor 8.12.1. ¿Qué es el calor? 8.12.2. Radiación, convección, conducción 8.12.3. Equivalencia calor-potencia 8.12.4. Potencia disipada en un diodo 8.12.5. Potencia disipada en un transistor 8.12.6. Potencia disipada en un triac 8.12.7. Circuito térmico 8.12.8. Resistencia térmica unión-cápsula Rthj-c 8.12.9. Resistencia térmica cápsula-radiador Rthc-r 8.12.10. Resistencia térmica radiador-ambiente Rth 8.12.11. Cálculo de Rth 8.12.12. Uso de catálogos


UNIDAD 9. OPTOELECTRÓNICA 9.1. Teoría fotoeléctrica 9.1.1. Conocimientos previos 9.1.2. Radiación 9.1.3. Magnitudes fundamentales 9.1.4. Teoría fotoeléctrica 9.1.5. Fotoemisividad 9.1.6. Fotoconductividad 9.2. Fotosemiconductores 9.2.1. Fotodiodos 9.2.2. Fototransistores 9.2.3. Fototiristores 9.3. Diodos emisores de luz 9.4. Fotoacopladores 9.4.1. Optotransistores 9.4.2. Optotriac 9.5. Visualizadores 9.5.1. Indicadores luminiscentes 9.5.2. Indicadores de cristal líquido

UNIDAD 10. AMPLIFICADORES OPERACIONALES 10.1. Amplificadores operacionales. El amplificador diferencial 10.2. La fuente de corriente constante 10.3. El amplificador diferencial 10.4. Etapa de potencia 10.5. Principales características de los amplificadores operacionales 10.6. Tipos de amplificadores operacionales 10.6.1. De uso general 10.6.2. De bajo consumo 10.6.3. De alta corriente de salida 10.6.4. De instrumentación 10.7. Diferencias de los parámetros reales 10.7.1. Ajuste de la tensión de compensación 10.7.2. Corrientes de entrada 10.8. Circuitos prácticos con amplificadores operacionales 10.8.1. Configuraciones básicas 10.8.2. Generadores de señal (osciladores) 10.8.3. Filtros activos con amplificadores operacionales 10.8.4. Las fuentes de alimentación utilizando amplificadores operacionales


01


Conceptos básicos de electricidad


01

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 1.1. La energía y sus transformaciones........................................................... 5 1.1.1. Concepto de energía............................................................................. 5 1.2. Principios básicos de electricidad ............................................................ 7 1.2.1. La electricidad ....................................................................................... 7 1.2.2. Origen de la electricidad ....................................................................... 7 1.3. Materias conductoras y aislantes............................................................ 10 1.3.1. Enlace metálico................................................................................... 10 1.3.2. Enlace iónico....................................................................................... 11 1.3.3. Enlace covalente................................................................................. 11 1.3.4. Materiales conductores ....................................................................... 12 1.3.4.1. Propiedades físicas ...................................................................... 13 1.3.4.2. Propiedades químicas .................................................................. 13 1.3.4.3. Propiedades mecánicas ............................................................... 13 1.3.4.4. Propiedades eléctricas ................................................................. 14 1.3.5. Materiales aislantes ............................................................................ 14 1.3.5.1. Características físicas................................................................... 14 1.3.5.2. Características químicas .............................................................. 15 1.3.5.3. Características eléctricas.............................................................. 15 • RESUMEN .......................................................................................................... 17


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Electrónica analógica

• Objetivos •

Comprender los principios básicos de la electricidad y analizar qué es, cómo se transmite, las leyes fundamentales que la rigen, sus magnitudes y sus unidades.


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01

Formación Abierta

• Introducción La electricidad, ¿qué es?, ¿de dónde viene? Son preguntas que en algún momento nos hemos planteado, y si no es así, continuamente la estamos empleando, en casa, en el lugar de trabajo, etc. En nuestros días, ¿qué ocurriría si nos faltara?, ¿seríamos capaces de seguir viviendo como si no la hubiéramos conocido? Indudablemente no, estaríamos desorientados, tendríamos que renunciar a muchas comodidades y aumentarían muchas de nuestras necesidades. En nuestra casa o taller, cuando se produce un apagón, ¿cómo nos sentimos? Una sensación desagradable sin duda. Con estas interrogaciones, sólo se pretende exponer la importancia que ella tiene, ser conscientes de su existencia y alimentar la necesidad de conocerla, dominarla.

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01

1.1. La energía y sus transformaciones El estudio de los orígenes de la electricidad, nos obliga a situarla dentro de su ámbito general, como forma de energía. Para la mejor comprensión veremos primeramente una serie de definiciones y conceptos generales necesarios, como son los tipos de energía, formas en que se manifiesta, transformaciones y rendimientos.

1.1.1.

Concepto de energía

Energía: es eficacia, poder, capacidad para producir un efecto, llevar a término un trabajo, un esfuerzo. En Física, el concepto más empleado la define como: “La capacidad para desarrollar trabajo, tanto asociado con agentes materiales, como en forma libre independiente de la materia”. Nosotros nos quedaremos con la idea de que: “Energía es toda causa capaz de producir trabajo”. En el Universo, la energía existe bajo dos conceptos o formas: 1. Potencial: se considera aquella que está almacenada, la que tienen todos los cuerpos que permanecen en reposo; un claro ejemplo, lo podemos tener, en una cerilla que permanece sin encender. 2. Cinética: es aquella que se está manifestando, que desarrolla una función o trabajo, aprovechando el ejemplo anterior, sería la misma cerilla, pero encendida. De lo que en potencia era capaz de realizar dicha cerilla, en este caso lo está manifestando. De aquí debemos deducir que la energía cinética, puede manifestarse de diferentes formas:

Mecánica. (Turbina, giro de un motor).

Calorífica. (Máquina de vapor, lámpara incandescente)

Química. (Batería, proceso de combustión en un motor).

Eléctrica. (Lámpara incandescente, motor eléctrico).

Nuclear. (Submarino atómico).

Podemos observar que algunos elementos pueden manifestar diferentes formas de energía, en cualquier caso, en todos ellos se producen transformaciones.


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Formación Abierta

Al hablar de estas manifestaciones, sin duda, deberemos tener en cuenta el Principio de Conservación de la Energía, que dice: “La energía total de un sistema aislado, permanece constante, independientemente de cualquier cambio interno que pueda tener lugar, ya que la energía que desaparece de una forma, reaparece bajo otras formas”. Resumiendo, podemos decir, que la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma. Aunque en toda transformación se considera la energía absorbida como la empleada en realizar un trabajo, a la energía aprovechada, se le llama útil, y la no aprovechada, pero que es necesaria, se le llama perdida. Siempre se debe cumplir que la energía absorbida sea la suma de la útil más la perdida. EA =

EU + EP

De todas formas, cuando hablamos del trabajo realizado por una máquina, motor, etc., hablamos del rendimiento. Este dato, es la relación existente entre la energía útil y la energía absorbida: η = EU / EA El resultado de dicha operación siempre tendrá un valor inferior a 1. De lo contrario estaríamos diciendo que una máquina aprovecha más energía de la que consume, y no tiene ningún tipo de pérdida, ni tan siquiera por rozamientos. Esto hoy por hoy es imposible, no existe la máquina perfecta. Generalmente el rendimiento se suele dar en tanto por ciento.

La energía se define como la capacidad para desarrollar trabajo, tanto asociado con agentes materiales como en forma libre independiente de la materia.

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01

1.2. Principios básicos de electricidad Aclarados los conceptos generales sobre energía, pasaremos a estudiar concretamente lo concerniente a la energía eléctrica, siendo ésta, uno de los principales temas que nos ocupa para poder entender mejor los circuitos electrónicos. Para una mejor comprensión del funcionamiento de los circuitos eléctricos y electrónicos, así como la función que desarrollan los componentes en los mismos, estudiaremos el origen de la electricidad.

1.2.1.

La electricidad

Es una de las formas en que se manifiesta la energía, como ya hemos visto. Principalmente deberemos de destacar dos tipos de electricidad, la llamada estática y la dinámica. La estática, se produce por frotamiento y como consecuencia captación o pérdida de un electrón, y la dinámica es el paso continuo de electrones. Es el tipo dinámico el que nos interesa y sobre el que realizaremos nuestro análisis.

1.2.2.

Origen de la electricidad

La electricidad, la podemos definir como el paso de electrones a través de un cuerpo. A continuación lo detallaremos, empezaremos analizando qué es un cuerpo y de cómo está formado. Cuerpo Es todo lo que ocupa un lugar en el espacio, todos los cuerpos están formados por materia. Materia Son las substancias que componen un cuerpo, que pueden presentarse en la naturaleza en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. En definitiva, la materia es una agrupación de moléculas. Molécula Es la parte más indivisible de la materia, sin que ésta pierda sus propiedades. A su vez la molécula, la podemos dividir en partes más pequeñas, pero que ya no conservan sus propiedades, a estas partes se les denominan átomos.


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Formación Abierta

Átomos Están formados por una parte central, llamada núcleo, donde se encuentran los Protones (+) que son partículas que poseen carga positiva y los Neutrones (n), partículas que no tienen carga, pero que determinan la masa del átomo. Una parte externa al núcleo y que lo rodea, es la corteza, formada por unas capas u órbitas donde se encuentran los Electrones (-) que posen cargas negativas, que giran alrededor del núcleo.

Figura 2.1.

Átomo.

Los electrones giran alrededor del núcleo a gran velocidad, dispuestos en las capas en un número determinado, según la fórmula 2n2, donde “n” es el número de orden que ocupa la capa, así por ejemplo: 1ª capa

2 x 12 = 2

=

2 electrones 8 electrones

2ª capa

2x2

3ª capa

2 x 32 = 18 electrones

Tomemos como ejemplo un átomo de aluminio, el cual posee 13 electrones:

En su primera capa, se alojarán solamente 2 electrones.

En la segunda capa estarán 8 electrones.

En la tercera capa los 3 restantes.

Figura 2.2.

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Átomo de Aluminio.


01

Los electrones que se encuentran en la última capa se llaman libres. Los átomos en estado neutro, poseen el mismo número de protones que de neutrones y de electrones, al ser sus signos opuestos, entre ellos existe una fuerza de atracción, cosa que no ocurre entre cargas del mismo signo. Retomando el ejemplo del átomo de aluminio, en su núcleo se encontrarán un número de 13 neutrones y 13 protones.

Figura 2.3.

Átomo de Aluminio.

Bajo ciertas circunstancias, un átomo, para su última capa, puede captar un electrón de otro átomo, teniendo un número de cargas negativas mayor que positivas, denominándose ion negativo o anión, y al átomo que ha perdido un electrón, y queda ahora con mayor número de cargas positivas, se le llama ion positivo o catión.

Ión positivo Figura 2.4.

Ión negativo Iones.

Cuando se trata de un cuerpo, el que tiene exceso de cargas negativas, entonces se le denomina cátodo, y cuando tiene falta de estas cargas, se le llama ánodo. Como ya hemos comentado, los electrones de la última capa, se les llama “libres”, por la facilidad con que pueden escaparse del átomo, y precisamente el paso de estos electrones de un átomo a otro, es lo que llamamos fluido eléctrico o electricidad. El movimiento que se comunica de un átomo a otro, se realiza a una velocidad de 300.000 Km. por segundo, que coincide con la velocidad de la luz.


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Formación Abierta

1.3. Materias conductoras y aislantes Si la corriente eléctrica es el paso de electrones a través de un cuerpo, deberemos tener en cuenta las siguientes consideraciones para determinar su facilidad o dificultad al paso de los mismos:

•

Cuerpos formados por distintos tipos de átomos.

•

Cuerpos formados por el mismo tipo de átomos.

En cualquiera de los casos la unión de los átomos se puede realizar de tres formas, por:

•

Enlace metálico.

•

Enlace iónico.

•

Enlace covalente.

1.3.1.

Enlace metálico

Es producido por la proximidad de sus últimas capas, donde están situados los electrones libres. Los átomos ceden total o parcialmente sus electrones libres, convirtiéndose en iones positivos. Estos iones se sitúan en los puntos notables de una red cúbica cristalina.

Figura 3.5.

Estructura cúbica cristalina.

El conjunto de los electrones cedidos por los átomos forman una especie de nube electrónica que envuelve a los iones, estos electrones comunes a todos los átomos, gozan de una gran libertad de movimiento, lo que explica que los metales sean buenos conductores del calor y de la electricidad. La estabilidad del conjunto se logra por la atracción existente entre los iones positivos del cristal y de los electrones negativos de la nube electrónica.

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1.3.2.

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Enlace iónico

Es generado por átomos de distinta naturaleza a base de que uno de ellos pierda electrones, ion positivo, y otro los capte, ion negativo. Entre ambos iones existe una atracción electrostática o fuerza que los mantiene unidos, debido a que sus cargas son de distinto signo. Son materiales malos conductores de la electricidad.

Figura 3.6.

1.3.3.

Enlace Iónico del Cloruro Sódico.

Enlace covalente

Se produce por la compartición de los electrones libres, de modo que giran dentro de los orbitales comunes a todos los átomos vecinos.

Figura 3.7.

Enlace Covalente de Silicio.


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Formación Abierta

El efecto es como si los electrones formaran parte de dos o más núcleos distintos que van alternando a medida que giran alrededor de su órbita. Como se observa en la figura que muestra la estructura del silicio (material muy utilizado en electrónica) Cada átomo dispone de 4 electrones en su última capa que son compartidos por 4 átomos más de manera que aparentemente cada átomo dispone de su última capa completa, 8 electrones. Esta configuración es especialmente interesante porque por un lado tenemos una estructura atómica con su última capa de electrones completa y fuertemente unida a su núcleo lo que permite que el material pueda ser considerado como aislante. Por otro lado existe una fuerte dependencia con la temperatura lo que hará que puedan liberarse algunos de esos electrones convirtiéndose entonces en un material conductor. Esta característica hace que este tipo de material se denomine semiconductor, en temas posteriores profundizaremos sobre ello por tratarse de uno de los elementos que revolucionó los conceptos de la electrónica.

Los materiales dispuestos con enlaces covalentes tienen propiedades semiconductoras. Por un lado tienen un comportamiento aislante y por otro lado en función de la temperatura permiten la circulación de electrones libres.

1.3.4.

Materiales conductores

Los mejores materiales conductores, son los metales, cuya principal característica eléctrica, es que poseen pocos electrones libres en su última capa, así que son capaces de cederlos con facilidad, forman enlace metálico, cuyas características acabamos de exponer anteriormente. Los materiales conductores, tienen la finalidad de conducir la corriente eléctrica, al igual que todas las materias, poseen una serie de propiedades, que a continuación vamos a enumerar.

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1.3.4.1.

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Propiedades físicas

Las propiedades físicas de la electricidad son: Densidad Cantidad de masa por unidad de volumen. Deben tener una densidad alta, a más densidad, mejores conductores son. Punto de fusión Temperatura a la cual funde, pasa a estado líquido. Deben tener alto punto de fusión, exceptuando los fusibles, que debe ser muy bajo. Dilatación Es el aumento de volumen, “dimensiones”, por efecto de la temperatura. En determinados casos, el coeficiente de dilatación, debe ser bajo, para que no ceda el material en exceso, como en el caso de las instalaciones de alta tensión entre torres. También hay que tener en cuenta, que si el material no puede dilatarse libremente, puede partir. En determinados casos, como los termocontactos, se aprovecha precisamente el exceso de dilatación del material.

1.3.4.2.

Propiedades químicas

Envejecimiento Generalmente debido a condiciones atmosféricas. Oxidación y corrosión Recombinación con el oxígeno, potenciado por el calor, humedad y salitre. Aumentan la resistencia al paso de la corriente, movimiento de los electrones, produciéndose malos contactos y caídas de tensión.

1.3.4.3.

Propiedades mecánicas

Tracción Es el alargamiento y como consecuencia reducción de la sección. Esto puede llevar a su rotura. Tenacidad Capacidad de soportar esfuerzos sin romperse.


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Formación Abierta

Dureza Aguante del material a ser rayado. Ductilidad Facilidad a la deformación hasta quedar en forma de hilos. Resistencia Determina la fragilidad ante un esfuerzo brusco. Todas estas propiedades siempre estarán en función del tipo de instalación y en función de ello, se elegirá el conductor a emplear.

1.3.4.4.

Propiedades eléctricas

Resistividad Resistencia eléctrica que depende de la naturaleza del material, longitud y sección del elemento. Cuanto menor sea su coeficiente de resistividad, mejor dejará circular los electrones. Curiosamente, el elemento de más baja resistividad, es la Plata (Ag), pero su adquisición tiene un coste muy elevado para tal fin. Como elementos conductores y cables se emplean básicamente el cobre y el aluminio, pues tienen una resistividad y coste adecuado. Para contactos de interruptores y relés, se emplean aleaciones de metales, generalmente con base de aluminio. Para fusibles, que también deber de ser elementos conductores, de bajo punto de fusión, se emplean aleaciones de plata, plomo y estaño.

1.3.5.

Materiales aislantes

Los materiales aislantes, son aquellos que no permiten en absoluto el paso de la corriente eléctrica. A continuación, vamos a enumerar las principales características que deben tener los aislantes de acuerdo a sus propiedades.

1.3.5.1.

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Características físicas

Deben tener una densidad baja.

Disipar bien el calor.

Impermeable a la humedad.



1.3.5.2.

Características químicas

Resistentes al envejecimiento y a agentes atmosféricos.

Soportar ataques ácidos, bases y disolventes.

Resistente a la oxidación.

Propiedades innifugas.

1.3.5.3.

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Características eléctricas

De resistividad elevada.

Tensión máxima que soporta sin perforarse, en función lógicamente del espesor.

Espesor del aislante.

Su coeficiente de seguridad, determinado por la tensión de trabajo y la de perforación.

Básicamente, los aislantes los podemos clasificar en función de su estado físico, su naturaleza o características térmicas. Según su estado físico

Sólido, como siliconas, para cables de horno

Líquido, como aceite para los transformadores

Gaseoso, para evitar arcos voltaicos.

Por su naturaleza

Minerales, como porcelana para bases de enchufe.

Orgánicos, como papel para condensadores.

Sintéticos, como plásticos para cables.

Por sus características térmicas

Definen la temperatura máxima de utilización.

En toda instalación o circuito eléctrico, es necesario el empleo de conductores, elementos que faciliten el paso de los electrones. Es necesario que exista un conductor por el que salgan y otro por el que retornen.


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Formación Abierta

Los mejores materiales conductores son los metales, por la facilidad que tiene la corriente para atravesarlos.

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01

• Resumen •

La energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

•

Los diferentes tipos de energía se pueden expresar en forma cinética o potencial.

•

Los cuerpos están formados por átomos que tienden a estar eléctricamente neutros.

•

Cuando un átomo tiene menos cargas negativas que positivas se le llama catión, en caso contrario, se le denomina anión.

•

Los mejores materiales conductores son aquellos que poseen menos electrones en la última órbita de los átomos.

•

Los materiales aislantes son aquellos que no permiten el paso de la corriente eléctrica.

•

Los diferentes materiales (líquidos, sólidos o gaseosos), tienen diferentes propiedades físicas, químicas y eléctricas así como características térmicas.


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02


Circuito eléctrico


02

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 2.1. Teoría electrónica ....................................................................................... 5 2.2. Corriente eléctrica....................................................................................... 6 2.3. Circuito eléctrico......................................................................................... 7 2.4. Circuito hidráulico ...................................................................................... 8 2.5. Circuito eléctrico cerrado y circuito eléctrico .......................................... 9 2.6. Símil entre ambos circuitos ..................................................................... 10 2.7. Magnitudes eléctricas............................................................................... 11 2.7.1. Fuerza electromotriz (F.E.M.) ............................................................. 11 2.7.2. Diferencia de potencial (D.D.P.).......................................................... 11 2.7.3. Cantidad de electricidad (Q) ............................................................... 11 2.7.4. Intensidad............................................................................................ 11 2.7.5. Densidad de corriente eléctrica (δ)...................................................... 12 2.7.6. Resistencia (R).................................................................................... 12 2.7.7. Resistencias en serie .......................................................................... 13 2.7.8. Resistencias en paralelo ..................................................................... 16 2.7.9. Resistencias en mixto ......................................................................... 22 2.8. Ley de Ohm................................................................................................ 24 2.8.1. Potencia eléctrica (P) .......................................................................... 24 2.8.2. Energía eléctrica (E) ........................................................................... 25 2.9. Efecto Joule............................................................................................... 26 2.9.1. Influencia de la temperatura en la resistencia de un conductor .......... 26 2.10. Circuito equivalente.................................................................................. 28 2.11. Circuito equivalente en baterías.............................................................. 32 • RESUMEN .......................................................................................................... 35

Circuito eléctrico

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02

• Objetivos •

Revisar los conceptos elementales de la teoría eléctrica y de las leyes fundamentales que intervienen en la electricidad.

•

Recordar cada una de las magnitudes eléctricas y sus unidades.

•

Aplicar correctamente los conceptos y magnitudes eléctricas al circuito eléctrico.

Circuito eléctrico

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Formación Abierta

• Introducción Prácticamente en todos los aspectos de la vida interviene de una u otra forma la energía eléctrica, siendo cada día más frecuente el uso que de ella se hace. Desde que suena el despertador por la mañana, encendemos la luz, conectamos la radio, la televisión, el frigorífico, la lavadora, el ordenador, etc., todo un sinfín de aparatos electrodomésticos, medios de transporte, comunicación y maquinaria funcionan con electricidad. Es pues de especial interés adquirir conceptos claros y concisos acerca de esta parte de la ciencia para poder aplicarlos práctica y correctamente a lo largo de la asignatura. Para poder interpretar y explicar los fenómenos eléctricos se han enunciado varias teorías, pero sólo la teoría electrónica lo ha hecho de una manera clara y completa dando explicación a todos ellos.

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Circuito eléctrico


02

2.1. Teoría electrónica En la unidad anterior vimos que cualquier átomo está constituido por un núcleo subdividido, a su vez, en protones y neutrones; en torno a dicho núcleo giran los electrones. El protón tiene carga positiva y el electrón carga negativa. En un átomo eléctricamente neutro, el número de protones es igual al número de electrones, como muestra la figura 2.1.

Electrón Protón Núcleo

Figura 2.1.

Neutrón

Átomo eléctricamente neutro.

Si un átomo pierde electrones queda electrizado positivamente; si, por el contrario, los adquiere queda electrizado negativamente. De todos es conocido el fenómeno de electrización de los cuerpos por frotamiento. El electrón es la parte más importante del átomo, ya que de su facilidad para moverse a lo largo de los cuerpos va a depender que estos sean conductores o aislantes. Por tanto, podemos decir que la unidad elemental de carga eléctrica es el electrón.

Circuito eléctrico

5

Formación Abierta

2.2. Corriente eléctrica Recibe el nombre de corriente eléctrica el desplazamiento de electrones sobre un cuerpo conductor. Todos los cuerpos tienden a quedar en estado eléctricamente neutro; así, si se ponen en contacto dos cuerpos, uno cargado con exceso de electrones y otro con defecto, se establecerá entre ellos un intercambio de electrones hasta que se igualen eléctricamente, tal y como se representa en la figura 2.2. El sentido convencional de la corriente eléctrica es el contrario al del movimiento de los electrones, esto es, de positivo a negativo.

ELECTRONES Figura 2.2.

6

Circuito eléctrico

Movimiento de electrones.


02

2.3. Circuito eléctrico El circuito eléctrico es el camino a través del cual se desplazan los electrones. Para su mejor comprensión, se establece un símil entre el circuito hidráulico y el circuito eléctrico.

Figura 2.3.

Circuito eléctrico elemental.

Circuito eléctrico

7

Formación Abierta

2.4. Circuito hidráulico Sean dos recipientes que se encuentran a distinto nivel y unidos por medio de un tubo, como podemos observar en la figura 2.4.

Figura 2.4.

Recipientes a distintos niveles.

Entre ellos se establece una corriente de agua desde el depósito más alto hacia el que se encuentra más bajo y hasta que queda eliminado el desnivel H. Así como la corriente de agua se ha producido por la diferencia de nivel existente, la corriente eléctrica se establece por una diferencia de potencial eléctrico (electrones) entre dos puntos unidos por un conductor.

8

Circuito eléctrico


02

2.5. Circuito eléctrico cerrado y circuito eléctrico Depósito A

Corriente de Agua

Diferencia de Niveles

Bomba Hidráulica

Grifo Utility

Turbina

Depósito B

Figura 2.5.

Circuito hidráulico.

Para mantener la circulación de agua de forma continua, se precisa una bomba hidráulica que la eleve desde el depósito B al depósito A (figura 2.5). El agua, en su recorrido descendente, produce un trabajo, al mover las paletas de la turbina, similar al de las piedras de un molino. Corriente Eléctrica

M Motor

Figura 2.6.

Diferencia de Potencial

Interruptor G Generador

Circuito eléctrico.

En un circuito eléctrico (figura 2.6.), el generador proporciona el desnivel eléctrico, esto es la fuerza electromotriz (F.E.M.), y los electrones, en su recorrido, producen un trabajo. En este ejemplo transforman la energía eléctrica en energía mecánica al hacer girar el motor.

Circuito eléctrico

9

Formación Abierta

2.6. Símil entre ambos circuitos

10

Bomba hidráulica

=

Generador

Turbina

=

Motor

Grifo

=

Interruptor

Tubería

=

Conductor eléctrico

Diferencia de niveles

=

Diferencia de potencial

•

Hemos observado la analogía existente entre ambos circuitos, y sabemos que se da una relación directa entre ellos.

•

Una bomba hidráulica de mayor tamaño podrá desplazar el agua a una altura más elevada.

•

Un generador mayor proporciona una F.E.M., y por tanto una diferencia de potencial (d.d.p.) más elevada.

•

La turbina nos proporciona un trabajo mecánico en su eje al ser movida por el agua.

•

El motor nos proporciona un trabajo mecánico en su eje al ser atravesado por los electrones en su recorrido.

•

Una tubería de mayor sección puede transportar más cantidad de agua y producir mayor trabajo con menos pérdidas.

•

Un conductor de mayor sección puede transportar más electrones y, por tanto, más energía con menos pérdidas.

•

El grifo permite o interrumpe el paso de agua.

•

El interruptor deja pasar la corriente o la interrumpe.

•

Para que circule el agua, el grifo debe estar abierto.

•

Para que circule la corriente, el interruptor debe estar cerrado.

•

Tipos de corriente: continua, alterna y pulsatoria.

Circuito eléctrico


02

2.7. Magnitudes eléctricas En todo circuito eléctrico se ponen de manifiesto una serie de magnitudes eléctricas que son: fuerza electromotriz, diferencia de potencial, cantidad de electricidad, intensidad de corriente, densidad de corriente, resistencia, potencia y energía.

2.7.1.

Fuerza electromotriz (F.E.M.)

Es la causa que origina el movimiento de los electrones en todo circuito eléctrico. Su unidad es el voltio (V).

2.7.2.

Diferencia de potencial (D.D.P.)

También se conoce como tensión eléctrica y voltaje. Es el desnivel eléctrico existente entre dos puntos de un circuito. Su unidad es el voltio (V). Se mide con un voltímetro. Se representa con la letra U.

2.7.3.

Cantidad de electricidad (Q)

Es el número total de electrones que recorre un conductor. Como la carga del electrón es de un valor muy pequeño, la unidad práctica que se emplea es el Culombio (C). 1 Culombio = 6,3·1018 electrones.

2.7.4.

Intensidad

Es la cantidad de electricidad que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo (1 s). La unidad es el amperio (A). Se mide con un amperímetro.

I= Q t 1A = 1C 1s

I = Intensidad Q = Cantidad de electricidad t = Tiempo A = Amperio C = Culombio s = Segundo

Circuito eléctrico

11

Formación Abierta

2.7.5.

Densidad de corriente eléctrica (δ)

Es el número de amperios que circula por cada mm2 de conductor, esto es, intensidad por unidad de sección. La unidad es el A/mm2.

δ=

2.7.6.

I S

δ = Densidad de corriente A/mm2) I = Intensidad (A) S = Sección (mm2)

Resistencia (R)

Es la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica. Se representa con la letra R y su unidad es el ohmio (Ω). Dicha dificultad responde a la atracción de los núcleos sobre los electrones en su propio desplazamiento.

Cada material posee una resistencia específica característica que se conoce con el nombre de resistividad. Se representa con la letra griega “ro” (ρ).

Material

ρ en Ω mm2/m

Plata

0,015

Cobre

0,017

Aluminio

0,027

Estaño

0,13

Mercurio

0,94

Figura 2.7.

Resistividad de algunos materiales.

Por tanto, la resistencia (R) de un conductor depende directamente de su resistividad y longitud y es inversamente proporcional a su sección. Se mide con un óhmetro. La resistencia de un conductor valdrá, por tanto: R =Resistencia (Ω)

A R = ρ S

ρ = Resistividad (Ω · mm2/m)

A = Longitud (m) S = Sección (mm2)

12

Circuito eléctrico


2.7.7.

02

Resistencias en serie

Se dice que varios aparatos receptores o resistencias están conectados en serie cuando van dispuestos uno a continuación de otro, siendo todos recorridos por la misma intensidad de corriente. Cálculo de la resistencia total Es evidente que la resistencia total es igual a la suma de las resistencias componentes; de modo que si un circuito está constituido por las resistencias R1, R2 y R3 agrupadas en serie la resistencia total es:

R1

Figura 2.8.

R2

R3

Resistencias conectadas en serie.

La resistencia conjunta o equivalente de varias resistencias conectadas en serie es igual a la suma de todas ellas. RT = R1 + R2 + R3

Cálculo de la intensidad Si en los extremos de este circuito se aplica una d.d.p. de V voltios, la intensidad de corriente que lo atraviesa es, de acuerdo con la ley de Ohm:

R1

R2

I

I

R3 I

v Figura 2.9.

Intensidad que circula por una asociación de resistencias conectadas en serie.

I=

V = V R1+R2+R3 RT

Circuito eléctrico

13

Formación Abierta

La intensidad de corriente que circulará por las resistencias será la misma para todas. Es decir: I T = I1 = I2 = I3 Cálculo de d.d.p. (diferencia de potencial) La diferencia de potencial aplicada, de V voltios, debe ser igual a la suma de las d.d.p. o caídas de tensión que se producen entre los extremos de cada una de las resistencias. Calculando estas caídas de tensión aplicando la fórmula V = I x R.

A

V1

V2

V3

R1

R2

R3

B

I

I

C

I

D

VT Figura 2.10.

Caídas de tensión en una asociación de resistencias conectadas en serie.

Entre A y B... V1= I x R1 Entre B y C... V2= I x R2 Entre C y D... V3 = I x R3 De donde: V1 + V2 + V3 = (R1 + R2 + R3) I Luego se deduce: La diferencia de potencial entre los extremos de un circuito formado por resistencias en serie, es igual a la suma de las caídas de tensión que se producen en cada una de ellas. VT = V1 + V2 + V3 Resumiendo, estos circuitos están sujetos a tres principios básicos: 1. La resistencia total de circuito, es igual a la suma de las resistencias parciales.

R1

R2 RT = R1 + R2 + … Rn

14

Circuito eléctrico

Rn


02

2. La intensidad de corriente que absorbe el circuito, es constante en cada uno de los receptores conectados en serie.

I1

I2

In

IT = I1 = I2 = … In 3. La tensión aplicada se reparte proporcionalmente entre las resistencias parciales, siendo la tensión total igual a la suma de las tensiones parciales.

V1

V2

Vn V VT = V1 + V2 + … Vn

Cálculo de potencias La potencia total en un circuito viene dada por la fórmula P = V · I. Según las características del circuito serie, podremos calcular las potencias parciales como sigue: P1 = V1 · I P2 = V2 · I P3 = V3 · I

Figura 2.11.

V1

V2

V3

P1

P2 PT

P3

Potencias disipadas en una asociación de resistencias en serie.

Lógicamente la suma de las potencias parciales nos dará: La potencia total consumida es la suma de las potencias consumidas en cada resistencia. PT = P1 + P2 + P3

Circuito eléctrico

15

Formación Abierta

Resistencias iguales conectadas en serie Cuando las resistencias conectadas en serie son del mismo valor, el cálculo se simplifica. RT = R1 · nº VT = V1 · nº PT = P1 · nº Siendo “nº” el número de resistencias que componen el circuito.

En la resolución de problemas resulta muy práctica la utilización de la siguiente tabla.

R

V

I

P

R1 R2 R3

Rn Total

2.7.8.

Resistencias en paralelo

Se dice que dos o más resistencias están conectadas en paralelo o derivación, cuando los extremos de todas ellas se encuentran unidos a dos puntos comunes.

R1 R2 R3 Figura 2.12.

16

Circuito eléctrico

Asociación de resistencias en paralelo.


02

Cálculo de d.d.p. Sea una agrupación de resistencias R1, R2 y R3, conectadas en paralelo, a las cuales se les aplica una d.d.p. de V voltios, siendo recorridas por corrientes I1, I2 e I3.

R1 I1 R2 I2 R3 I3 V Figura 2.13.

Voltaje aplicado a una asociación de resistencias en paralelo.

El voltaje aplicado al conjunto es común a todas las resistencias. VT = V1 = V2 = V3

Cálculo de la intensidad Es fácil comprender que la suma de estas intensidades que circulan por cada una de las resistencias sea exactamente igual a la intensidad de la corriente total.

I1

I2

IT

I3 V Figura 2.14.

Intensidades sobre una asociación de resistencias en paralelo.

Circuito eléctrico

17

Formación Abierta

La intensidad total de la corriente es igual a la suma de las intensidades parciales. IT = I1 +I2 + I3 Por otro lado la caída de tensión en cada resistencia es igual a la d.d.p. aplicada, luego:

V=I1 ⋅ R1+I2 ⋅ R2+I3 ⋅ R3 De donde la intensidad de cada rama, se obtiene sucesivamente:

I1 =

V V V ; I2 = ; I3 = R1 R2 R3

Y el cálculo de Intensidad total será como hemos dicho anteriormente: IT = I1 +I2 +I3 O bien aplicando la ley de Ohm: (que luego describiremos):

I =

V R

Cálculo de la resistencia equivalente Recibe el nombre de resistencia equivalente o total, el valor de la resistencia única que puede producir los mismos efectos que todas las resistencias del conjunto. Deducción de la fórmula Sabemos que:

I = I 1 + I2 + I3

Y que:

I 1 = V ;I 2 = V ;I 3 = V R1 R2 R3 Sustituyendo en la igualdad anterior:

I= V + V + V R1 R2 R3 Dividiendo por V todos los términos de la expresión:

I= V + V + V V R1V R2V R3V

18

Circuito eléctrico


02

Simplificando:

I 1 1 1 = + + V R1 R 2 R 3 Como

I V

⎛ 1⎞ ⎟. ⎝ R⎠

es la inversa de la resistencia ⎜

Tenemos finalmente:

I=1+ 1+ 1 R R1 R2 R3 Y por consiguiente:

R =

1 1 1 1 + + R1 R2 R3

La resistencia conjunta o equivalente de varias resistencias conectadas en paralelo es igual a la inversa de la suma de las inversas de las resistencias. Resumiendo, al igual que hicimos con los circuitos en serie, los circuitos en paralelo están sujetos a tres principios importantes: 1. La tensión aplicada en los extremos de cada uno de los componentes del circuito es igual a la del conjunto.

V1

V2

Vn

V

V = V1 = V2 =… Vn

Circuito eléctrico

19

Formación Abierta

2. La intensidad de corriente que recorre el circuito, se reparte inversamente proporcional al valor de cada una de las resistencias, y es igual a la suma de las intensidades parciales.

I1

I2

In

I = I1 +I2 +… In 3. La resistencia total es siempre menor que cualquiera de las resistencias parciales del circuito, y se calcula mediante la siguiente fórmula:

R1

R2

R=

Rn

1 1 1 1 + + ... R 1 R2 Rn

Resistencias iguales conectadas en paralelo Al igual que en las resistencias en serie, si las resistencias son del mismo valor, los cálculos, lógicamente, se facilitan mucho.

RT =

R1 nº

I = nº⋅I T

1

P = nº⋅P T

1

Siendo “nº” el número de resistencias que componen el circuito. Ejemplos de cálculo:

20

Circuito eléctrico


02

Tenemos dos resistencias en paralelo de 6 Ω y 12 Ω respectivamente, la resistencia resultante se calcula como sigue:

RC= R1⋅ R2 = 6 ⋅ 12 = 72 R1+R2 6+12 18

=4Ω

Si las resistencias fueran cuatro de 6, 12, 24 y 36, calcularíamos la resistencia resultante como sigue:

RC =

1 1 1 1 1 + + + 6 12 24 36

En primer lugar pasamos el denominador

1 1 1 1 + + + 6 12 24 36

a una única fracción;

esto es, pondremos denominador común en estas fracciones. Para ello descomponemos los cuatro denominadores 6, 12, 24 y 36 en factores que no se puedan reducir. Por ejemplo 2: 6 2

12 2

24 2

36 2

6= 2·3

3 3

6 2

12 2

18 2

1

3 3

6 2

9 3

24 = 2 · 2 · 2 · 3

1

3 3

3 3

36 = 2 · 2 · 3 · 3

1

1

12 = 2 · 2 · 3

Apreciamos que tenemos dos factores que aparecen, el 2 y el 3. Tomamos donde cada uno de ellos aparezca en más ocasiones (en este caso en el 24, aparece tres veces el 2) y en el 36 dos veces el 3. Por lo tanto el número que estamos buscando como denominador común sería: 2 · 2 · 2 · 3 · 3 = 72. El siguiente paso sería:

72 72 72 72 =12; =6; =3; =2 6 12 24 36 Quedaría como sigue:

RC=

1 72 1 = = = 3,13 Ω 12+6+3+2 23 23 72 72

Circuito eléctrico

21

Formación Abierta

2.7.9.

Resistencias en mixto

Los circuitos mixtos constan de una parte de sus resistencias conectadas en serie y de otra parte en paralelo. La resistencia total se calcula descomponiendo las parciales en grupos, de manera que se pueden aplicar fácilmente las fórmulas serie y paralelo. El método más seguro y eficaz para resolver los circuitos mixtos es el de las transfiguraciones. Consiste en ir simplificando el esquema inicial hasta conseguir otro circuito lo suficientemente sencillo para facilitar los primeros cálculos. Veámoslo sobre un ejercicio. Sean las resistencias R1, R2, R3 y R4:

R2 R1 R3

R4

Suma de las resistencias en serie de la rama en paralelo R3+R4=R5

R = R1 +

1 1 1 + R 2 R3 + R 4

Suma inversa de las resistencias en paralelo =R6. R = R1 + R6

R2 R1 R5

R = R1 +

22

Circuito eléctrico

1 1 1 + R2 R5


02

Suma de las dos resistencias en serie.

R1

R6

R = RT

RT

De esta forma hemos hallado el valor de la R equivalente del circuito; pero todavía nos quedan por calcular los valores de tensión, potencia e intensidad en cada una de las resistencias. Para desarrollar estos cálculos hay que aplicar la teoría de serie y paralelo indistintamente, según proceda, en cada una de las resistencias. Volviendo al ejemplo anterior quedaría así:

V1 P2 V2

I1 P1 V1 R1

R2

I2 I3

P3

P4

V3

V4

R3

R4

Circuito eléctrico

23

Formación Abierta

2.8. Ley de Ohm El famoso físico Ohm descubrió experimentalmente la relación que existe entre estas tres magnitudes eléctricas: intensidad, tensión y resistencia, estableciendo una ley que lleva su nombre y que dice así: “En un circuito eléctrico, la intensidad de corriente que lo recorre, es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia que presenta éste”. La Figura 1.13 nos muestra el circuito eléctrico básico, compuesto por una pila o batería y un elemento resistivo R como carga. El voltímetro V nos medirá el valor de la tensión del circuito y el amperímetro A la intensidad que circula por él.

I

A

V

Figura 2.15.

Medida de la tensión y la intensidad en un circuito eléctrico.

V I = R

1V 1A = Ω

2.8.1.

R

I = Intensidad V = Tensión R = Resistencia A = Amperio V = Voltio Ω = Ohmio

Potencia eléctrica (P)

Es la cantidad de trabajo desarrollada en la unidad de tiempo. En un circuito eléctrico es igual al producto de la tensión por la intensidad. Su unidad es el vatio (W). Se mide con un vatímetro. Son múltiplos del vatio (W), el kilovatio (1 Kw. = 1.000 W) y el megavatio (1 MW = 1.000.000 W). P = Potencia P = V · I (en W)

V = Tensión I = Intensidad

W = Vatio 1W=1V·1A

V = Voltio A = Amperio

24

Circuito eléctrico


02

Junto con la fórmula de la ley de Ohm, se pueden obtener las siguientes fórmulas de la potencia:

P = V ⋅I = V ⋅ V = V R R

2

P = V ⋅ I = R ⋅ I ⋅ I = R ⋅ I2 2.8.2.

P=

V2 R

(en W)

P = R · I2

(en W)

Energía eléctrica (E)

Es el trabajo desarrollado en un circuito eléctrico durante un tiempo determinado. Viene dada por la fórmula:

E = P · t (en W.s) = Julios

1 J = 1W · 1s

E

=

Energía

P

=

Potencia

t

=

Tiempo

J

=

Julio

W

=

Vatio

s

=

Segundo

La unidad es el Julio. Esta medida es muy pequeña, por lo que se emplea otra de valor más elevado, el kilovatio hora (kW·h). El kW·h es la unidad que miden los contadores de energía. kW·h= 1000 · 3600s = 3600000 Julios El coste de la energía es el resultado de multiplicar su valor por el precio unitario (Pu). Coste = E · Pu (en pts.)

E = Energía en kW·h Pu = Precio unitario

Circuito eléctrico

25

Formación Abierta

2.9. Efecto Joule Se entiende con este nombre el calentamiento experimentado por un conductor al ser atravesado por la corriente eléctrica. Dicho calentamiento se debe al roce de los electrones con los átomos a su paso por el conductor. Las unidades caloríficas usadas son: la caloría (cal) y la kilocaloría (Kcal.).

•

Caloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua un grado centígrado.

•

Kilocaloría: es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un kilogramo de agua un grado centígrado. 1 Kcal. = 1000 cal

Existe una equivalencia entre la unidad de energía eléctrica (Julio) y la unidad calorífica (caloría):

1 Julio es igual a 0,24 calorías.

La energía calorífica y la energía eléctrica vienen relacionadas por la fórmula siguiente, conocida como Ley de Joule: Q = 0,24 · E

Q = Cantidad de calor (cal)

(en calorías)

E = Energía eléctrica (W·s) 0,24 = Coeficiente de equivalencia

2.9.1.

Influencia de la temperatura en la resistencia de un conductor

Al calentarse un metal aumenta la agitación de sus átomos lo que dificulta el desplazamiento de electrones; el resultado es un aumento de la resistencia en el conductor. Ensayos sobre distintos materiales conductores permitieron comprobar un aumento constante de la resistencia con la temperatura.

26

Circuito eléctrico


02

Se define como coeficiente de temperatura al aumento de resistencia que experimenta un conductor al incrementar su temperatura un grado centígrado. Por tanto, la resistencia de un conductor al aumentar la temperatura es igual a la que tenía inicialmente más el aumento experimentado, y viene dada por la fórmula: Rf = Resistencia final Rf = Ri (1 + α · Δt)

Ri = Resistencia inicial α = Coeficiente de temperatura Δt = Incremento de temperatura

Material

α(°C-1)

Plata

0,0036

Cobre electrolítico

0,0043

Aluminio

0,004

Estaño

0,0045

Tungsteno

0,0042

Manganina

0,00001

Figura 2.16.

Coeficiente de temperatura de algunos materiales.

Circuito eléctrico

27

Formación Abierta

2.10. Circuito equivalente Una interpretación interesante en electricidad / electrónica muy utilizada para simplificar determinados circuitos y poder así hacer un análisis exhaustivo del mismo es el circuito equivalente. La idea del mismo es sencilla aunque en determinadas ocasiones su cálculo puede resultar bastante complejo. Supongamos el siguiente circuito:

Figura 2.17.

Circuito eléctrico / electrónico.

En el tenemos resistencias (identificadas mediante R), generadores de tensión (identificados como E) y generadores de corriente (identificados como I). Supongamos que este circuito es accesible para nosotros en dos puntos (el punto B y el punto C) puntos de conexión donde conectaremos una nueva carga (una resistencia, un motor, etc.) El resto del circuito para nosotros va a ser siempre el mismo y es invariable. El circuito equivalente nos permite abstraernos de la complejidad del mismo para simplificarlo en su máxima expresión:

Figura 2.18.

28

Circuito eléctrico

Circuito eléctrico / electrónico y circuito equivalente.


02

Cuando nosotros tratemos de analizar el comportamiento del circuito al conectar la carga entre los extremos B y C, deberíamos realizar un cálculo complejo para analizar el comportamiento del mismo. Lo que nos permite el circuito equivalente es sustituir todo el circuito por uno similar formado por un generador de tensión Eeq. y una resistencia Req. tal como se muestra en la figura. De esta manera resultará mucho más fácil su análisis. Ejemplo:

Figura 2.19.

Circuito eléctrico.

Para poder calcular el circuito equivalente del mismo, en definitiva busca Eeq y Req el procedimiento es el siguiente: Determinar el valor de Req Cortocircuitaremos todas las fuentes de tensión, o lo que es lo mismo supondremos fuentes de alimentación de 0V. Y calcularemos la resistencia equivalente entre ambos puntos A y B.

Figura 2.20.

Cálculo de Req.

Circuito eléctrico

29

Formación Abierta

1 1 1 1 10K = + + + Rt = = 3K3 Rt R1 R2 R3 3

Determinar el valor de Eeq Para ello calcularemos cual es el valor de tensión que tendrá nuestro circuito entre ambos puntos, que llamaremos Vx. Resolviendo el circuito por leyes de Kirchhoff.

B1− Vx B2 − Vx Vx 12 − Vx Vx + + = = R1 R2 RX R R

12 − Vx + 12 − Vx = Vx → 24 − 2Vx = Vx → 24 = 3Vx → Vx =

24V 8V 3

Por lo tanto nuestro circuito equivalente será:

Figura 2.21.

Circuito Equivalente.

Se propone al alumno como ejercicio, comprobar como si conectamos una resistencia (por ejemplo de 3K3) entre los terminales A y B, y resolvemos el circuito, obtendremos el mismo valor de tensión tanto para el circuito inicial como para el circuito equivalente. La utilidad práctica no es resolver de manera teórica este tipo de circuitos sino resolver problemas prácticos sobre circuitos que no conocemos. Únicamente con un polímetro (que aprenderemos su manejo en el tema 5) podemos medir la tensión entre los puntos A y B, obteniendo así el valor de Eeq. si después cortocircuitamos los puntos A y B midiendo su intensidad, podremos calcular el valor de Req con unas simple operación. Re q =

30

Circuito eléctrico

Veq. Inmedida


02

Hay que tener en cuenta en determinadas ocasiones no podemos producir ese cortocircuito ya que podríamos dañarlo, para ello su pueden buscar otras alternativas como conectar una resistencia de valor conocido y medir la tensión el misma.

Re q =

Veq − Vmedida Vmedida / Rconectada

Circuito eléctrico

31

Formación Abierta

2.11. Circuito equivalente en baterías Cuando en circuito representamos una batería, suponemos que se trata de una batería ideal, que sobra decir que no la encontraremos en un entorno real. Se trata de una batería ideal porque es capaz de suministrar tanta corriente como nosotros demandemos. Por ejemplo:

Si suponemos que la resistencia vale 10Ω, podemos calcular que la corriente que suministrará la batería será de 1A. Si consideramos el valor de la resistencia de 1 Ω, suministrará un corriente de 10A, si fuera de 0,1 Ω serían 100A y podemos observar que a medida que vamos haciendo más pequeña la resistencia más corriente entregará. Si llegáramos al extremo de conectar una resistencia de 0 Ω en teoría circulará una corriente muy elevada (podríamos pensar en infinitos amperios) Como el alumno se puede imaginar esta es una situación teórica que debemos de distinguir de la realidad. En la práctica todas las baterías o fuentes de alimentación están limitadas por sus características de construcción. En ocasiones esas limitaciones son químicas cuando nos referimos a las baterías. Para poder modelar ese comportamiento real de una batería o fuente de alimentación se recurre al circuito equivalente, cuya Eeq corresponde al valor nominal de la tensión y la Req determina la corriente máxima que puede suministrar.

32

Circuito eléctrico


02

Si suponemos que la fuente de tensión y la resistencia equivalente simulan el comportamiento real, no quiere decir que esa resistencia equivalente exista, simplemente que la fuente se comporta de la misma manera, recordemos que se trata de un circuito equivalente. Ahora podemos analizar el mismo supuesto anterior. Si por ejemplo nuestra resistencia es de 10Ω, tendríamos:

I=

V 10V 10V = = = 0,90A Rtotal 1Ω + 10Ω 11Ω

V = I ⋅ R = 10Ω⋅ 0,90A = 9V

En este caso, que se trata de una situación más real, podemos ver como de una fuente de alimentación de 10V se produce una caída de tensión de 1V, teniendo solo 9V. Si suponemos ahora que nuestra resistencia de carga es de 1 Ω, tendremos: I=

V 10V 10V = = = 5A Rtotal 1Ω + 1Ω 2Ω

V = I ⋅ R = 1Ω⋅ 5A = 5V Es importante observar como la corriente no se incrementa como habíamos supuesto en el caso anterior, donde no contemplábamos esa resistencia equivalente. Además observamos como la tensión que suministra nuestra fuente se va haciendo más pequeña. Dejamos al alumno el caso de estudio en el que la resistencia es de 0 Ω, deberá llegar a la conclusión que la intensidad que circulará será de 10A y una tensión en bornas de la fuente de 0V. Ésta bien podría ser una situación real y no el caso de partida donde calculábamos que la fuente era capaz de suministrar “infinitos” amperios. En la práctica esa resistencia equivalente (o resistencia interna como se denomina en otras ocasiones) es un valor muy pequeño y la corriente que demandaremos no podrá ser lo suficientemente elevada como para provocar una caída de tensión mayor del 10%.

Circuito eléctrico

33


02

• Resumen •

El átomo está formado por un núcleo, con protones y neutrones, y una corteza donde se encuentran los electrones girando alrededor del núcleo.

•

La corriente eléctrica es el desplazamiento de electrones a lo largo de un cuerpo conductor.

•

Circuito eléctrico es el camino a través del cual se desplazan los electrones.

•

Intensidad de corriente es la cantidad de electricidad que circula por un conductor en la unidad de tiempo.

•

Densidad de corriente eléctrica es la intensidad que circula por cada unidad de sección de un conductor.

•

Resistencia eléctrica es la dificultad que presenta un material al paso de la corriente eléctrica.

•

La Ley de Ohm dice que la intensidad de corriente que circula por un circuito eléctrico es directamente proporcional a la d.d.p. e inversamente proporcional a la resistencia.

•

El generador eléctrico proporciona la F.E.M. necesaria para mantener el movimiento de los electrones en el circuito eléctrico.

•

La diferencia de potencial (d.d.p.) es el desnivel eléctrico existente entre dos puntos de un circuito.

•

La cantidad de electricidad es el número total de electrones que recorren un conductor.

•

La intensidad de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión aplicada, e inversamente proporcional a la resistencia que éste presenta.

•

Potencia eléctrica es la cantidad de trabajo desarrollada en la unidad de tiempo.

•

Energía eléctrica es el trabajo desarrollado en un circuito eléctrico en un determinado tiempo.

•

El calentamiento experimentado por un conductor al ser atravesado por la corriente eléctrica se conoce por efecto Joule.

Circuito eléctrico

35

03


Tipos de corriente eléctrica


03

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 3.1. Sentido de la corriente eléctrica................................................................ 5 3.2. Corriente continua ...................................................................................... 6 3.2.1. Corriente continua constante ................................................................ 6 3.2.2. Corriente continua decreciente ............................................................. 7 3.2.3. Corriente continua pulsante .................................................................. 7 3.3. Corriente alterna ....................................................................................... 10 3.3.1. Corriente alterna senoidal ................................................................... 10 3.3.2. Corriente alterna cuadrada y rectangular............................................ 11 3.3.3. Corriente alterna triangular ................................................................. 11 3.3.4. Corriente alterna en diente de sierra................................................... 11 3.3.5. Corriente alterna de impulso de aguja ................................................ 12 3.3.6. Corriente alterna asimétrica, periódica y aperiódica ........................... 12 3.3.7. Parámetros fundamentales de la corriente alterna ............................. 13 • RESUMEN .......................................................................................................... 19


1


03

• Objetivos •

Adentrar al alumno en los diferentes tipos de corriente y por tanto sus distintas aplicaciones.

•

Apreciar asimismo que los cálculos son también diferentes y eso nos lleva a un estudio pormenorizado a través nuevamente de los problemas propuestos.

•

Dar a conocer el comportamiento de la corriente alterna, sus principios técnicos y el cálculo sencillo de sus valores mínimo, máximo y eficaz.


3

Formación Abierta

• Introducción Esta unidad didáctica seguro que provocará interés en el alumno, pues ya hemos dejado atrás la parte más teórica y ahora nos adentramos en los temas que tendrán una aplicación práctica. Podrá comprobarse que se hace referencia a distintos tipos de corriente eléctrica así como a su representación dada su importancia. La corriente alterna es una parte fundamental dentro del ámbito de las instalaciones eléctricas. Su facilidad para el transporte y posterior distribución, hace que sea empleada casi exclusivamente. Naturalmente, todos los receptores estarán diseñados para su posterior conexión a este tipo de corriente. Para entenderla mejor es imprescindible conocer su manera de actuar y conocer someramente las leyes teóricas que rigen la tensión y la corriente alterna. Es una Unidad Didáctica muy importante para poder entender mejor las siguientes, por lo que aconsejamos su estudio con detenimiento.

4



03

3.1. Sentido de la corriente eléctrica Como hemos analizado anteriormente, la corriente eléctrica, sale por uno de los polos del generador, recorre el circuito y regresa de nuevo al generador. Esto se produce, porque entre los polos de un generador, existe una diferencia de potencial. Existen dos sentidos: 1. Sentido convencional. 2. Sentido real. Sentido convencional Antiguamente se creía que la corriente salía del polo positivo e iba al negativo. También se le conoce como sentido de la corriente eléctrica. Sentido real Los electrones salen del polo negativo, recorren el circuito y van al polo positivo. Se le conoce también como sentido de la corriente electrónica.

Figura 3.1.

Sentidos de la corriente.


5

Formación Abierta

3.2. Corriente continua Es aquella que circula en un sólo sentido y tiene bien definido su polo positivo y negativo. Elementos que proporcionan corriente continua, son las pilas, acumuladores, dínamos. Se designa con las letras C.C. o D.C., que son las iniciales en inglés. La corriente continua se puede dividir en tres clases: Constante, decreciente y pulsante. Las corrientes, tanto continuas como alternas, vienen representadas en un eje de coordenadas, de forma que la horizontal determina la línea “0” y en ella se representan los tiempos de permanencia de la corriente. En la vertical, se representan las tensiones, sobre la línea de “0” la tensión positiva (V+) y bajo la línea de “0” las tensiones negativas (V-).

Figura 3.2.

3.2.1.

Sistema de coordenadas.

Corriente continua constante

Es aquella que permanece invariable desde el momento que es aplicada, alcanza su valor, y durante todo el tiempo que permanece, sigue manteniendo el mismo.

Figura 3.3.

6


Corriente constante de 12 V.


3.2.2.

03

Corriente continua decreciente

Es una corriente que siempre tiene el mismo sentido, pero que a medida que va pasando el tiempo, su valor va decreciendo, un claro ejemplo, lo podemos tener en las pilas o baterías. Si permanecen largo tiempo conectadas su valor va disminuyendo a medida que se van descargando.

Figura 3.4.

3.2.3.

Corriente decreciente de 12 V.

Corriente continua pulsante

No cambian su sentido de circulación, pero sí sus valores de tensión, alcanzando en ciertos momentos su valor máximo, manteniéndose un tiempo, para después bajar instantáneamente al valor cero. Existen infinidad de ondas, por lo tanto en los gráficos siguientes, sólo expondremos las más significativas. La corriente continua pulsatoria de onda cuadrada, alcanza su valor máximo instantáneamente, permanece durante un tiempo y baja a cero su valor, el mismo tiempo permanecerá sin tensión, como los tiempos son iguales, se denomina de onda cuadrada. Una señal muy empleada para información de revoluciones.

Figura 3.5.

Onda cuadrada.


7

Formación Abierta

La onda rectangular es similar a la cuadrada, pero los tiempos de permanencia de la onda son superiores a los de desaparición de la misma.

Figura 3.6.

Onda rectangular.

Otra forma de onda rectangular es la contraria a la anterior, los tiempos de permanencia de la onda son inferiores a los de ausencia de la misma. Un ejemplo de este tipo de onda es la enviada al motor de ralentí en los sistemas de inyección.

Figura 3.7.

Onda rectangular.

La forma de onda triangular, muy empleada en televisión.

Figura 3.8.

8


Onda triangular.


03

Los dientes de sierra, se trata de una onda que aumenta lentamente su valor, hasta llegar a la tensión máxima y descender rápidamente, también se puede dar la situación contraria.

Figura 3.9.

Ondas de dientes de sierra.

La corriente en forma de impulsos de aguja, instantáneamente alcanza su valor máximo y su desaparición casi es igual de rápida.

Figura 3.10.

Impulsos de aguja.

La onda senoidal, con un sólo semiciclo, muy empleada en electrónica, similar a la onda cuadrada, con la diferencia que su valor máximo se va alcanzando poco a poco, permanece durante un instante, y su desaparición la hace con la misma duración, puede darse en forma de impulsos, o de forma continua.

Figura 3.11.

Rectificación de onda senoidal de media y onda completa respectivamente.


9

Formación Abierta

3.3. Corriente alterna La corriente alterna, es la que no mantiene un único sentido de circulación. En unos instantes va de un polo a otro recorriendo el circuito, y al instante siguiente, lo hace en sentido inverso. El cambio lo hace siempre con la misma frecuencia, en el mismo tiempo. Es el tipo de corriente que se emplea en nuestros domicilios, fábricas, etc. Para la alimentación de componentes electrónicos, no equipos, no es válida, de hecho cuando se emplea, es necesario rectificarla, transformarla en continua. Sin embargo, los sonidos, la voz que sale de los altavoces, las ondas de radio y televisión, son alternas. Se designa por las letras C.A. o según las siglas en inglés A.C. Existen diferentes clases similares a la corriente continua, pero empleando ambos valores, positivos y negativos, representaremos en las gráficas las más significativas.

3.3.1.

Corriente alterna senoidal

Es la corriente que se genera en las centrales eléctricas y en el alternador del vehículo. La tensión aumenta lentamente hasta alcanzar su valor máximo, en el mismo tiempo desciende hasta llegar a cero, sigue descendiendo en el mismo tiempo hasta llegar a un valor mínimo, negativo y a partir de éste, comienza a aumentar, llega a cero y de nuevo llega al punto máximo, positivo.

Figura 3.12.

10


Onda alterna senoidal.


3.3.2.

03

Corriente alterna cuadrada y rectangular

En la onda cuadrada, el impulso alcanza un valor máximo, se mantiene durante unos instantes y tiende a cero, lo hace en los dos sentidos, es decir aparece un impulso positivo y a continuación desaparece, iniciándose el negativo. Ambos impulsos permanecen el mismo tiempo. En la onda rectangular el impulso negativo, permanece distinto tiempo del positivo.

Figura 3.13.

3.3.3.

Impulsos de onda cuadrada y rectangular.

Corriente alterna triangular

Los tiempos de subida y bajada de la corriente, son los mismos, tomando valores positivos y negativos.

Figura 3.14.

3.3.4.

Onda alterna triangular.

Corriente alterna en diente de sierra

Es variante de la onda triangular, los tiempos de aparición y desaparición de corriente son distintos.

Figura 3.15.

Onda en forma de diente de sierra.


11

Formación Abierta

3.3.5.

Corriente alterna de impulso de aguja

Son impulsos instantáneos, pero con alternancia de positivos y negativos, dentro del estudio del encendido en el automóvil, podremos apreciarlos. También se pueden localizar en el impulso mandado a las electroválvulas de los sistemas de inyección electrónica. Un impulso es el mandado por la unidad de control, y el otro proviene de la bobina de la electroválvula.

Figura 3.16.

3.3.6.

Impulsos de aguja.

Corriente alterna asimétrica, periódica y aperiódica

Se denomina asimétrica, cuando la onda senoidal, no posee el mismo valor en la semionda positiva que en la negativa. Periódica, como hemos podido deducir es cuando los tiempos de permanencia son los mismos, por lo tanto Aperiódica, serán los tiempos de permanencia distintos.

Figura 3.17.

Figura 3.18.

12


Corriente periódica asimétrica.

Corriente aperiódica y asimétrica.


3.3.7.

03

Parámetros fundamentales de la corriente alterna

Tanto la corriente continua como la alterna, tienen unas magnitudes. En el caso la continua, es muy sencillo, como ya hemos comentado, sobre la vertical representa la tensión y sobre la horizontal, el tiempo, la periodicidad. En el caso la corriente alterna, es más complejo, puesto que los valores de tensión permanecen fijos, los tiempos no tienen porqué ser los mismos, etc.

de se de no

Antes de empezar a desarrollar esta unidad didáctica necesitamos recordar algunos conocimientos matemáticos fundamentales sobre trigonometría. Funciones trigonométricas Las funciones trigonométricas más importantes de un ángulo son: el seno, el coseno y la tangente.

B

c

β

90°

α A

a

C

b

Seno de un ángulo agudo de un triángulo rectángulo es la relación que existe entre su cateto opuesto y la hipotenusa. Los senos de los ángulos α y β valen:

Sen α= a c

Sen β =

b c

Coseno de un ángulo agudo de un triángulo rectángulo es la relación que existe entre su cateto adyacente y la hipotenusa. Se representa por Cos. Los cosenos de los ángulos α y β son respectivamente:

Cos α=

b c

Cos β= a c

Tangente de un ángulo agudo de un triángulo rectángulo es la relación que existe entre su cateto opuesto y su cateto adyacente. Se representa por tg. Las tangentes de los ángulos α y β son respectivamente:

tg α= a b

tg β= b a


13

Formación Abierta

La fórmula fundamental de la trigonometría es:

Sen2α+Cos2α=1 De la que se deducen:

Sen α= 1-Cos2α

Cos α= 1-Sen2α

Visto esto pasaremos a definir los parámetros fundamentales de la corriente alterna monofásica tomando como base la corriente alterna senoidal que es la más utilizada. La corriente alterna es una corriente eléctrica que cambia periódicamente de sentido y continuamente de valor; realiza un ciclo de valores senoidales.

Figura 3.19.

Variación de valor y sentido de una señal alterna senoidal.

Un ciclo completo se divide a su vez en dos semiciclos, también llamados alternancias, una positiva y otra negativa.

Figura 3.20.

14


Semiciclos de una onda senoidal.


03

El tiempo máximo que tarda en repetir sus valores se denomina período “T”. En este tiempo la corriente alterna realiza un ciclo. El número de ciclos que se producen en un segundo se denomina frecuencia “f”

Figura 3.21.

Período y semiperíodos de una onda senoidal.

La frecuencia es la inversa del período:

f=

1 = Hz. T

El período por segundo recibe el nombre de herzio “Hz”. En España, como en casi toda Europa se “trabaja” a una frecuencia de 50 Hz. En EE.UU. la frecuencia tiene un valor de 60 Hz. Así cuando decimos, la frecuencia de la corriente alterna en Europa es de 50 Hz, estamos indicando que durante 1 segundo, están apareciendo 50 ciclos, cada ciclo se compone de una semionda positiva y otra negativa. Como magnitud que es, tiene sus múltiplos como el KiloHerz, MegaHerz, etc. Longitud de onda (λ) Es la distancia comprendida entre dos crestas o valores máximos consecutivos, bien sean positivos o negativos. Si deseamos saber la longitud de onda de una emisora determinada, aplicaremos la siguiente fórmula: λ = 300.000.000 (m/s) / f (Hz)

Figura 3.22.

Longitud de onda.


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Formación Abierta

Pulsación (ω) Para el cálculo de circuitos electrónicos, en lugar de realizar los cálculos con los tiempos o períodos, se realiza en grados. Cada semionda corresponde a 180°, la onda completa serán 360°. El espacio de la onda en la unidad de tiempo, nos dará una velocidad, que llamamos pulsación. Para su cálculo emplearemos la siguiente fórmula: w = 2πf

Figura 3.23.

Ciclo dividido en grados.

Como podemos comprobar en las figuras anteriores la corriente alterna tiene diferentes valores en el transcurso del tiempo. Para concretar más este punto dividiremos estos valores en: Valor instantáneo Es el que podemos medir en cualquiera de los puntos de la onda senoidal en un instante cualquiera.

Figura 3.24.

Valores Instantáneos.

Valor medio Es el valor de la intensidad en corriente alterna que transporta la misma carga y en el mismo tiempo que una corriente continua de igual intensidad. O lo que es lo mismo, la media aritmética de los valores instantáneos de intensidad en una alternancia.

16



03

Está en función del valor máximo.

Im =

2 ⋅ Imax Π

=0,636 ⋅ Imax

Esta fórmula es igualmente aplicable a la tensión:

Vm =

2 ⋅ Vmax Π

=0,636 ⋅ Vmax

Valor máximo

Como su propio nombre indica es el valor mayor de la corriente o tensión en una alternancia. También se le denomina amplitud.

Figura 3.25.

Valores máximos.

Valor eficaz

Es el valor de la intensidad que es capaz de generar la misma cantidad de calor, por efecto Joule, en un circuito que una corriente continua de igual intensidad. Su definición matemática sería la raíz cuadrada de la media aritmética de los cuadrados de los valores instantáneos de intensidad de corriente durante un período.

Ief.=

Imax =0,707 Imax 2

Para la tensión podríamos análogamente emplear la misma fórmula.

Vef.=

Vmax =0,707 Vmax 2


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Formación Abierta

Esto quiere decir que por ejemplo, para una tensión de Vef= 220V lo que significa una tensión de pico o máxima de 310V, el calor disipado por una carga resistiva conectada a una tensión en continua de 220V será el mismo que el de una tensión alterna con un valor de pico de 310V

Figura 3.26.

Resistencia alimentada a 220 eficaces (310V pico).

El calor disipado en la resistencia será el mismo que en el circuito siguiente:

Figura 3.27.

18


Resistencia alimentada a 220 en continua.


03

• Resumen •

El sentido real de la corriente eléctrica es del polo negativo al positivo.

•

Hay diferentes tipos de corriente, como son continua y alterna pero dentro de ellas existen a su vez diferentes modalidades como pulsatoria, de onda cuadrada, decreciente, etc.

•

La corriente alterna senoidal tiene distintos valores dependiendo del tiempo, y por supuesto distinto sentido.

•

La corriente alterna tiene un valor instantáneo, máximo o de pico y un valor eficaz que es el que medirás en el polímetro.


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04


Componentes electrónicos pasivos


04

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 4.1. Resistencias lineales .................................................................................. 5 4.1.1. Valores y tolerancias............................................................................. 6 4.1.2. Potencia máxima y disipación............................................................. 11 4.1.3. Tipos de resistencias .......................................................................... 11 4.2. Potenciómetros - Resistencias variables ............................................... 14 4.2.1. Clases de potenciómetros................................................................... 14 4.2.2. Tipos de conexión ............................................................................... 15 4.3. Resistencias especiales – no lineales .................................................... 18 4.4. NTC - PTC .................................................................................................. 19 4.5. LDR............................................................................................................. 20 4.6. VDR............................................................................................................. 22 4.7. Condensadores ......................................................................................... 26 4.7.1. Características de los condensadores ................................................ 26 4.7.2. Carga y descarga de condensadores ................................................. 30 4.7.3. Tipos de condensadores ..................................................................... 32 4.7.3.1. Condensadores fijos ..................................................................... 32 4.7.3.2. Condensadores variables ............................................................. 35 4.7.4. Identificación de Condensadores ........................................................ 36 4.7.5. Asociación de condensadores ............................................................ 39 4.7.6. Circuitos con condensadores .............................................................. 41 • RESUMEN .......................................................................................................... 45


1


04

• Objetivos •

Conocer los diferentes tipos de componentes pasivos empleados en los circuitos electrónicos.

•

Saber interpretar a partir de las franjas dibujadas que tienen las resistencias cuál es su valor.

•

Conocer los distintos tipos de resistencias que podemos encontrarnos.

•

Profundizar en el estudio de los condensadores, como una parte importante que son en cualquier circuito electrónico.

•

Saber interpretar el valor de un condensador a partir de sus códigos.


3

Formación Abierta

• Introducción La presente unidad didáctica está dedicada al estudio de dos de los componentes electrónicos pasivos más empleados en la electricidad y la electrónica. El enfoque que vamos a darle pretende conocer estos elementos, los resistores o resistencias y los condensadores.

4



04

4.1. Resistencias lineales Como resistencia podemos considerar cualquier elemento que puede conectarse a una fuente de energía eléctrica. En el caso del automóvil, por ejemplo, resistencias serán las lámparas, motores eléctricos, bobina de encendido, etc. Cualquier elemento que reciba tensión de la batería o alternador. Pero ahora vamos a estudiar un componente electrónico, que recibe este nombre y que se conoce también con el nombre de resistor. Se denomina resistor lineal, o resistencia lineal, aquélla que se caracteriza por tener una respuesta lineal, cuando se encuentra sometida a tensiones e intensidades relacionadas entre sí por la Ley de Ohm. Es decir, cuando se le aplican unas tensiones e intensidades proporcionales vamos obteniendo unos valores de resistencia, que, representados en una gráfica, determinarían una línea recta.

Figura 4.1.

Gráfica Tensión-Intensidad de resistores lineales.

Los resistores no lineales serán los que, al aplicar las tensiones e intensidades, no dan como respuesta una línea recta. Otra clasificación que se puede realizar dentro de los resistores o resistencias es en resistores fijos, construidos de forma que tienen un valor que permanece estable, y en resistores variables, que nos permiten ajustar su valor, como son los potenciómetros. La unidad de medida de las resistencias es el ohmio (Ω), y el aparato con que se mide es el óhmetro, como ya hemos estudiado. El ohmio es la unidad fundamental, pero también se emplean muy a menudo sus múltiplos, no ocurre así con los submúltiplos, ya que la unidad es lo suficientemente pequeña.


5

Formación Abierta

Cuando se trata de resistencias eléctricas, sus valores suelen ser bajos, por lo tanto se expresan en ohmios, pero cuando el componente es electrónico, un resistor, la unidad más empleada es el Kilo-ohmio. Es frecuente ver en los esquemas el valor del resistor, acompañado de una "R" que indica que son ohmios, si va acompañado de una "K" son Kilo-ohmios, y si es una "M" son Mega-ohmios. En ocasiones, la letra puede venir entre dos valores numéricos, interpretándose que la primera cifra es el número de K o de M, y la cifra que aparece a continuación indica las centenas, si se trata de una K, o los millares si es una M. Veamos unos ejemplos para comprender mejor:

•

120 R, su valor será de 120 ohmios.

•

120 K, su valor será de 120.000 ohmios.

•

120 M, su valor será de 120.000.000 ohmios.

•

1K2, su valor será de 1.200 ohmios.

•

1M2, su valor será de 1.200.000 ohmios.

Resistencia Es la dificultad que se opone al paso de la corriente eléctrica. Son los componentes más empleados en los montajes electrónicos. Su misión es la de producir una caída de tensión creando dos puntos de diferencia de potencial.

Figura 4.2.

4.1.1.

Símbolos de resistencias.

Valores y tolerancias

Se construyen mediante materiales malos conductores, no consiguiéndose así nunca un valor exacto, pero que debe estar entre unos límites de tolerancia. De lo contrario sus efectos serían muy distintos a los deseados en el circuito. Estos valores se pueden variar por sobretensión y por la temperatura que alcanzan, también les influye la humedad. Tanto sus valores como su tolerancia vienen indicados en la misma resistencia a través de unas franjas coloreadas. Cada color corresponde a una cifra según la tabla que se adjunta. 1. La primera banda corresponde a la primera cifra. 2. La segunda banda a la segunda cifra.

6



04

3. La tercera banda es el factor multiplicador, es decir, el número de ceros que hay que añadir a los valores anteriores, que determinarán el valor de la resistencia. 4. La última banda es la de tolerancia, indica los valores entre los que puede estar comprendido el de dicha resistencia.

Primer anillo: primera cifra Segundo anillo: segunda cifra Tercer anillo: tercera cifra Cuarto anillo: factor multiplicador Tolerancia

Figura 4.3.

Bandas coloreadas en una resistencia.

La siguiente tabla nos muestra la cifra asignada a cada color, el factor multiplicador y la tolerancia. Las resistencias que llevan cuatro bandas coloreadas corresponden a las series E6, E12 y E24. Para poder identificar los valores, iniciaremos la lectura de izquierda a derecha, teniendo en cuenta que la banda de tolerancia, que está un poco más separada de las otras, o en el caso de estas series, será de color oro, plata o sin color, deberá quedar a la derecha. También deberemos tener en cuenta que la primera cifra nunca deberá ser de color negro (0), y que cuando la tercera banda (factor multiplicador) es de color oro, indica que deberemos multiplicar los valores anteriores por 0,1, que es lo mismo que dividir por 10. Si es de color plata, multiplicaremos por 0,01 o dividiremos los valores de las primeras bandas por 100.


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Formación Abierta

Código de colores internacional para la identificación de resistencias de las series E6, E12 y E24. COLOR

1ª BANDA

2ª BANDA

3ª BANDA

4ª BANDA

1ª CIFRA

2ª CIFRA

FACTOR M.

TOLERANCIA

NEGRO

-----

0

1

------

MARRÓN

1

1

10

------

ROJO

2

2

100

------

NARANJA

3

3

1.000

------

AMARILLO

4

4

10.000

------

VERDE

5

5

100.000

------

AZUL

6

6

1.000.000

------

VIOLETA

7

7

10.000.000

------

GRIS

8

8

100.000.000

------

BLANCO

9

9

1.000.000.000

------

PLATA

---

---

0,01

+/- 10%

ORO

---

---

0,1

+/- 5 %

NINGUNO

---

---

---

+/- 20%

Figura 4.4.

Tabla Código de Colores de Resistencias.

A continuación aparece otra figura representativa de las bandas coloreadas de otras series de resistencias, E48 y E96, que se caracterizan por poseer una banda coloreada más. Estas resistencias por lo tanto son de mayor precisión, y, como consecuencia, su banda de tolerancia representa márgenes menos elevados, concretamente se sitúan en el 1% y 2%, que tuvieran márgenes más amplios no tendría sentido. Para su identificación se procede del mismo modo que en el caso anterior, teniendo en cuenta que: 1. La primera banda corresponde a la primera cifra. 2. La segunda banda corresponde a la segunda cifra. 3. La tercera banda corresponde a la tercera cifra. 4. La cuarta banda es el factor multiplicador. 5. La última banda es la de tolerancia, que será de color marrón o rojo. A continuación se representa la tabla del código de colores correspondientes a las serie E48 y E96.

8



04

Los valores en las resistencias se encuentran codificados en bandas de distintos colores. Cada uno tiene un significado y número asociado para determinar el valor óhmico de la resistencia.

COLOR

1ª BANDA

2ª BANDA

3ª BANDA

4ª BANDA

4ª BANDA

1ª CIFRA

2ª CIFRA

3ª CIFRA

FACTOR M.

TOLERANCIA

NEGRO

-----

0

0

1

------

MARRÓN

1

1

1

10

+/- 1%

ROJO

2

2

2

100

+/- 2%

NARANJA

3

3

3

1000

------

AMARILLO

4

4

4

10.000

------

VERDE

5

5

5

100.000

------

AZUL

6

6

6

1.000.000

------

VIOLETA

7

7

7

10.000.000

------

GRIS

8

8

8

100.000.000

------

BLANCO

9

9

9

1.000.000.000

------

PLATA

---

---

---

0,01

------

ORO

---

---

---

0,1

------

NINGUNO

---

---

---

---

------

Figura 4.5.

Tabla Código de Colores de Resistencias.

Los fabricantes suministran, casi sin excepción, resistencias cuyos valores se establecen de acuerdo con las normas internacionales. En la tabla adjunta se dan las series más comunes junto con sus tolerancias. SERIE E - 24 10 11 12 13 15 16 18 20 22 24 27 30 33 36 39 43 47 51 56 62 68 75 82 91 5 %

SERIE E-12 10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82 10 % SERIE E-6

10 15 22 33 47 68 20 % X 0,1 - 1 - 10 - 100 - 1K - 10K - 100K - 1M

Cada uno de los datos representados en la tabla, multiplicado por cada uno de los valores abajo indicados, determina cada una de las resistencias o resistores que podemos encontrar en el mercado.


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Formación Abierta

Tomando como referencia de la serie E-6 el dato 10, y multiplicándolo por cada uno de los valores indicados, obtenemos los resultados siguientes: 1 - 10 - 100 - 1000 10K - 100K - 1000K (1M) - 10M. Éstas serían las resistencias que podríamos encontrar en el mercado con una tolerancia del 20 %. Así sucesivamente podríamos hacerlo con todos los valores, obteniendo toda la gama disponible en cada una de las series. Podemos apreciar en la tabla que en todas las series no aparecen los mismos valores, a medida que el factor de tolerancia es más grande, los datos son menores, es debido a que cuanto mayor sea la tolerancia, más valores quedan comprendidos entre uno y otro dato. Para una mejor comprensión de la identificación de los valores de resistencia, según su código de colores, a continuación expondremos unos ejemplos: Marrón, Rojo, Rojo, Oro El valor sería de 1.200 Ω, con una tolerancia del 5%. Recordemos: el color Marrón va en la primera posición, en la tabla anterior vemos que corresponde al nº 1, en segundo lugar, el valor de la segunda cifra, el color Rojo, corresponde al nº 2, a continuación el factor multiplicador, o número de ceros a añadir, Rojo, corresponde al nº 2, por consiguiente añadimos dos ceros a las cifras anteriores: 1 2 00 Marrón, Rojo, Negro, Oro El valor será de 12 Ω, en este caso, el número de ceros a añadir es "0", es decir ninguno, puesto que ese es el valor que corresponde al color negro. Marrón, Rojo, Oro, Oro En este caso el valor será de 1,2 Ω, observemos en la tabla, que cuando la banda del factor multiplicador es de color Oro, las cifras anteriores se deberán multiplicar por 0,1, o lo que es lo mismo, dividir por 10. Rojo, Amarillo, Naranja, Marrón, Rojo Esta resistencia sería de gran precisión, puesto que tiene cinco bandas. Su valor sería de 2.430 Ω y su tolerancia del +/- 2%. Marrón, Negro, Rojo, Plata El valor sería de 1.000 Ω con una tolerancia de +/- 10%. Calculemos el 10% del valor teórico de la resistencia: 1000 x 10 /100 = 100 Ω. Si al valor teórico (1.000), le sumamos el 10% obtendremos un valor de 1.100 Ω. Si a ese mismo valor teórico le restamos el 10%, tenemos un valor de 900 Ω.

10



04

Una resistencia cuyo valor real, medido con el polímetro, esté comprendido entre estos márgenes, 900-1.100, consideraremos que es apta.

4.1.2.

Potencia máxima y disipación

Potencia Se define como la cantidad de trabajo realizada en la unidad de tiempo. Potencia eléctrica será el trabajo que puede realizar una máquina eléctrica en un tiempo determinado. El trabajo que realiza una resistencia es el de disipar calor. La potencia máxima será la capacidad de evacuar la máxima cantidad de calor sin que llegue a destruirse la misma. La potencia de una resistencia de las empleadas en electrónica, viene determinada por su tamaño, cuanto mayor sea el tamaño, mejor podrá disiparse el calor, y, como consecuencia, menos le afectará éste a la propia resistencia para alterar su valor. Las más usadas en resistencias de carbón son: 1/8 W, 1/4 W, 1/2 W, 1 W y 2 W. Pero las más disipadoras son las bobinadas.

1/8 W 1/4 W 1/2 W 1W

2W Figura 4.6.

4.1.3.

Resistencias a tamaño natural.

Tipos de resistencias

Las resistencias se construyen con materiales malos conductores de tipo metálico y de carbón. Las fabricadas a base de materiales metálicos se construyen con hilo devanado sobre material aislante (resistencias bobinadas) o depositando una fina película, también metálica, sobre un material aislante (resistencia de película metálica). Las de carbón se hacen aglomeradas o de película de carbón.


11

Formación Abierta

Aglomeradas Tienen unos valores muy altos que no se logran con las bobinadas. Son mezcla de grafito o carbón con resina y, en ocasiones, talco para poder obtener los distintos valores. En los extremos se colocan unos casquillos a presión donde van soldados los hilos. Todo ello va recubierto con resina o plastificado para pintar las bandas de colores. Presentan el inconveniente de su inestabilidad por efectos de temperatura.

COMPOSICIÓN RESISTIV DE CARBÓN

CAPA DE PINTURA Figura 4.7.

TERMINAL

Resistencia aglomerada.

De película de carbón Son las más empleadas y tienen gran estabilidad térmica. Sobre un cilindro aislante de cerámica se deposita una fina película de carbón en espiral para dar los valores precisos. Se colocan los casquillos y se esmalta.

CAPA DE PINTURA

SOPORTE CERÁMICO

COMPOSICIÓN RESISTIVA Figura 4.8.

Resistencias de película de carbón y metálica.

De película metálica Generalmente son de cromo y el proceso es idéntico al de película de carbón. Son de gran estabilidad incluso en condiciones adversas. Bobinadas Sobre un soporte aislante se colocan espiras de hilo resistivo, aleaciones de Ni-CrAl, dando el valor deseado; como el hilo resistivo puede ser de distintas secciones podemos obtener diversas potencias de disipación.

12



3 3K

Figura 4.9.

04

3 3K

Resistencias bobinadas.


13

Formación Abierta

4.2. Potenciómetros variables

-

Resistencias

Como hemos visto anteriormente, existen resistencias de valor fijo y otras que las podemos ajustar dándoles los valores que precisemos. Están formadas por una parte fija con la resistencia y una móvil en contacto con la misma que, al desplazarse, hace variar la resistencia entre las tomas. Se designan por su valor máximo, y al lado de éste las siglas LIN (lineal), LOG (logarítmico), etc. Si no aparecen las siglas, se trata de un potenciómetro lineal.

Figura 4.10.

Símbolos de potenciómetros.

Existen varios tipos: el "lineal", que recorre casi 360º y que va respondiendo progresivamente con el giro; y el "logarítmico", que al principio responde con una progresión muy pequeña, y después, con unos pocos grados de giro, sus valores crecen rápidamente. Otras formas de variación menos empleadas son las antilogarítmicas y las de seno-coseno. Algunas aplicaciones son: caudalímetro de los sistemas de inyección, control de volumen de aparatos de radio, pedal del acelerador para aceleradores electrónicos, etc.

4.2.1.

Clases de potenciómetros

Bobinados Llamados reóstatos, para potencias elevadas. De película de carbón En diversos tamaños y formas, de gran precisión.

Figura 4.11.

14


Potenciómetro.


04

A continuación aparece una tabla con los valores normalizados que existen, junto con el marcaje que suelen llevar serigrafiado o troquelado en su encapsulado: VALOR

MARCAJE

VALOR

MARCAJE

100 Ω

100R

47.000 Ω

47K

220 Ω

220R

100.000 Ω

100K

470 Ω

470R

220.000 Ω

220K

1.000 Ω

1K

470.000 Ω

470K

2.200 Ω

2K2

1.000.000Ω

1M

4.700 Ω

4K7

2.200.000Ω

2M2

10.000 Ω

10 K

4.700.000Ω

4M7

22.000 Ω

22 K

Estas gráficas corresponden a las variaciones que en los distintos tipos de potenciómetros se producen a lo largo de su desplazamiento: R(Ω )

R(Ω )

LINEAL

grados de giro

R(Ω )

R(Ω )

ANTILOGARÍTMICO

Figura 4.12.

4.2.2.

LOGARÍTMICO

grados de giro

grados de giro

SENO-COSENO

grados de giro

Gráficas de respuesta de potenciómetros.

Tipos de conexión

Los potenciómetros y reóstatos pueden conectarse de dos formas diferentes:

Conexión en serie (reostática).

Conexión en paralelo (potenciométrica).

Conexión en serie Se conecta el cursor y un extremo al circuito, mientras que el otro queda libre o puenteado con el cursor, de este modo la resistencia queda en serie con el circuito.


15

Formación Abierta

Vcc

1 Potenciómetro 3 2

Material resistivo

Cuerpo giratorio

Interior de un potenciómetro

Lámpara 3 1 Figura 4.13.

2

Potenciómetro conectado en serie.

Puede observar cómo funciona un potenciómetro en base a tomar mayor o menor parte de material resistivo con el cuerpo giratorio. Cuanta más longitud de material resistivo se tome entre el común (3) y cualquiera de los otros dos terminales (1 ó 2), mayor será el valor de resistencia obtenido. Conexión en paralelo Los dos extremos del generador se unen a los dos del potenciómetro. Se dispone entonces de una d.d.p. variable. La intensidad que recorre el circuito no es la misma que la que recorre el potenciómetro. Este montaje se le llama divisor de tensión.

Vcc

MUESCA GIRATORIA

1 Potenciómetro 3 2

Lámpara

3

2 1

Figura 4.14.

Potenciómetro conectado en paralelo.

A continuación se refleja la forma en la que los potenciómetros se colocan en las carátulas de los equipos (mandos para volúmenes, balances, etc.). 1

3

2 ROSCA PARA LA TUERCA FRONTAL DEL APARATO

VÁSTAGO GIRATORIO

5 ARANDELA GROVER 10 0

PUNTA DE MARCAJE

NIVELES DE VOLUMEN

TUERCA MANDO GIRATORIO MANUAL

Figura 4.15.

16


Potenciómetro montado en panel.


04

Los potenciómetros son unas resistencias especiales que consiguen variar la resistencia que ofrecen en función de un mayor o menor giro manual de su parte móvil. Suelen disponer de unos mandos giratorios que facilitan la operación, o bien unas muescas para introducir un destornillador adecuado.


17

Formación Abierta

4.3. Resistencias especiales – no lineales Están fabricadas de materiales especiales que modifican su resistencia ante determinados agentes: Temperatura NTC: Disminuye la resistencia al aumentar la temperatura. PTC: Aumenta la resistencia al aumentar la temperatura. Iluminación LDR: Disminuye la resistencia al aumentar la luminosidad. Tensión VDR: La resistencia disminuye al aumentar la tensión (varistor). Magnetismo MDR: La resistencia varía según el campo magnético (magnetorresistores). Mecánica PIEZO-RESISTORES: La resistencia depende de las tensiones mecánicas. Oxígeno LAMBDA: La resistencia varía según las proporciones de oxígeno.

18



04

4.4. NTC - PTC Sus siglas corresponden a Positive Temperature Coefficient. Se fabrican con mezcla de titanatos de bario y estroncio, con formas diferentes según su empleo. Actúan de forma inversa a la NTC, por lo que sus aplicaciones son semejantes. En la PTC, a mayor temperatura, mayor resistencia. En la NTC, a mayor temperatura menor resistencia.

Figura 4.16.

Resistor PTC.

Al aplicar cierta temperatura a una PTC, se obtiene una respuesta como la de la figura siguiente. Al principio aparece una disminución del valor de resistencia (zona I), pero a partir de cierto punto, la resistencia aumenta con la temperatura de forma brusca. A ese punto se le llama temperatura de conmutación (zona II). En la zona III si sigue aumentando la temperatura, la resistencia va disminuyendo, por lo que ya no actúa realmente como una PTC. Dentro de la electrónica sus aplicaciones principales son como termostatos, protección contra cortocircuitos y sobretensiones, compensadores de temperatura, etc. Su identificación viene determinada por un punto y cada fabricante tiene sus normas. R(Ω )

I

II

III

Tª (grados) Figura 4.17.

Curva característica de un resistor PTC.

Las NTC y PTC son un tipo especial de resistencias que varían su valor óhmico en función de la temperatura a la que están sometidas.


19

Formación Abierta

4.5. LDR Sus siglas vienen de Light Dependent Resistor, resistor dependiente de la luz, también llamados fotorresistencias. Se fabrican a base de sulfuro de cadmio. Este material, convenientemente tratado, contiene pocos o ningún electrón libre, si se mantiene en completa oscuridad. En estas condiciones, su resistencia es elevada. Si absorbe luz, se libera cierto número de electrones, y esto hace aumentar la conductividad del material. Al cesar la iluminación, los electrones son recapturados a sus posiciones originales. Se recomienda su no utilización por ser materiales altamente contaminantes. Tienen varios Megaohmios de resistencia, pero ésta disminuye a unos 100 ohmios al ser expuesta a la luz. Apariencia externa

Símbolo en circuito

LDR

Figura 4.18.

Resistencia LDR.

A continuación se representa una gráfica característica de las LDR:

Curva característica de LDR Nivel de luz Nivel de luz: 100 = ambiente 0 = oscuridad

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

100Ω 1KΩ 10KΩ 20KΩ 30KΩ Figura 4.19.

20


Gráfica de LDR.

Resistencia


04

A continuación se muestran varias aplicaciones: Contador de objetos en una cinta transportadora

VISUALIZACIÓN CIRCUITO DETECTOR Y LDR CONTADOR

Conmutador crepuscular

DÍA

RED 220V

LÁMPARA LDR

CIRCUITO DETECTOR

RELÉ

NOCH E

Control remoto y aislado de cargas INTERRUPTOR DE MANDO

CARGA A ACTIVAR

LDR

CIRCUITO DETECTOR DE SEÑAL

Una LDR es una resistencia especial que ofrece entre sus extremos un valor óhmico en función de la luz a la que está siendo sometida, de forma que, según tipos, tiene más resistencia en la oscuridad que cuando recibe luz.


21

Formación Abierta

4.6. VDR Sus siglas vienen de Voltage Dependent Resistor, resistencia dependiente de la tensión. El material utilizado en su fabricación es carburo de silicio principalmente. Pueden ser empleados para la estabilización de sencillos circuitos y como supresores de chispas en contactos de relés. Para su comprobación hay que utilizar sólo corriente continua, efectuar la medición en el menor tiempo posible, y emplearlos para la tensión e intensidad indicadas por el fabricante; no tienen polaridad.

Figura 4.20.

Resistores VDR.

En la gráfica siguiente se puede apreciar que la variación de la tensión en función de la intensidad no es proporcional como ocurre con otros resistores. Los fabricantes dan el valor de la intensidad nominal y la tensión en función de esta corriente. En otros casos indican las tensiones e intensidades máximas y mínimas del resistor.

Para aplicaciones de 1 a 15 V, se fabrican con óxidos de titanio, también con óxidos de zinc para absorber la energía entre contactos de potencia.

22



Figura 4.21.

04

Gráfica de resistores VDR.

Aplicaciones:

•

Protección de contactos y supresión de chispas.

•

Protección de pequeños motores de batería.

Figura 4.22.

Aplicaciones de la VDR.

Para identificarlas existen tres o cuatro anillos de color que hacen referencia, no a la resistencia, sino a la tensión cuando por ellas circula una corriente de 100, 10 ó 1mA. Se empiezan a leer por el extremo contrario a los terminales:

•

El primer anillo indica la intensidad. 1 mA

Naranja

10 mA

Rojo

100 mA

Marrón

Figura 4.23.

•

Tabla de identificación de las VDR (II).

Los anillos 2 y 3 indican la tensión nominal de la resistencia.


23

Formación Abierta

Tensión Nominal en V. según E-12

Nº de orden

Código de Color Anillos I y II

-

16

marrón-azul

10

18

marrón-gris

12

20

rojo-negro

15

22

rojo-rojo

18

24

rojo-amarillo

22

26

rojo-azul

27

28

rojo-gris

33

30

naranja-negro

39

32

naranja-rojo

47

34

naranja-amarillo

56

36

naranja-azul

68

38

naranja-gris

82

40

amarillo-negro

100

42

amarillo-rojo

120

44

amarillo-amarillo

150

46

amarillo-azul

180

48

amarillo-gris

220

50

verde-negro

270

52

verde-rojo

330

54

verde-amarillo

Figura 4.24.

24

Tabla de identificación de las VDR (II).



04

En algunos casos viene determinado con un punto que se interpreta según la tabla adjunta. COLOR DEL PUNTO

FORMA

INTENSIDAD NOMINAL A:

TOLERANCIA

Gris

Varilla

10 mA - 1200V

+/- 20%

Verde

Varilla

10 mA - 1200V

+/- 10%

Azul

Varilla

10 mA - 560V

+/- 10%

Violeta

Varilla

10 mA - 680V

+/- 10%

Blanco

Varilla

10 mA - 910V

+/- 10%

Rojo

Varilla

10 mA - 1300V

+/- 10%

Tostado

Varilla

2 mA - 950V

+/- 10%

Amarillo

Disco

1 mA - 82V

+/- 10%

Rojo

Disco

1 mA - 100V

+/- 20%

Sin Color

Disco

60 a 120mA -100V

+/- 20%

Figura 4.25.

Tabla valores VDR con punto.

La potencia de disipación viene determinada por su tamaño, al igual que los demás resistores.

Existen varios tipos de resistencias que varían su valor óhmico en función de diversas magnitudes físicas (luz, temperatura, etc.). Éstas son muy importantes para la aplicación en circuitos con automatismos.


25

Formación Abierta

4.7. Condensadores Es un componente que tiene la capacidad de almacenar cargas eléctricas y suministrarlas en un momento apropiado durante un espacio de tiempo muy corto. Su empleo en circuitos eléctricos y electrónicos es muy variado, por ejemplo: filtrado de corriente, circuitos osciladores, temporizadores, sintonizadores de emisoras, encendidos electrónicos, evitar el paso de la corriente continua de un circuito a otro.

Figura 4.26.

Símbolos de Condensadores.

Constitución Consta de dos placas metálicas (armaduras) enfrentadas y separadas por un aislante polarizable (dieléctrico), como aire, papel, cerámica, mica, plásticos, etc. Estas placas se van llenando de cargas positivas y negativas respectivamente, hasta alcanzar el mismo potencial de la fuente. Si la tensión de la fuente baja, el condensador cede sus cargas hasta igualar la tensión. El condensador se comporta como un circuito abierto cuando se le aplica corriente continua, y si es alterna actúa como circuito cerrado, que permite el paso de la corriente. Esta propiedad se emplea para filtrado.

4.7.1.

Características de los condensadores

Capacidad Es la propiedad de almacenar cargas eléctricas al estar sometidos a una tensión. A su vez se denomina como la relación existente entre la carga y la tensión.

C=

26


Q = Faradios V


04

Donde: C

Capacidad

Q

Carga almacenada en culombios

V

Diferencia de potencial en voltios

La unidad de capacidad es el faradio, pero como esta unidad es muy grande para las capacidades normales de los condensadores, se emplean los submúltiplos del faradio. Microfaradio

μF = 0,000 001 F

Nanofaradio

nF = 0,001 μF

Picofaradio

pF = 0,001 nF

La capacidad de un condensador depende de:

Distancia de las placas.

Número de placas.

Dieléctrico.

Temperatura.

Figura 4.27.

Constitución de un Condensador.


27

Formación Abierta

Coeficiente de temperatura

Como todos elementos electrónicos, se ve afectado por la temperatura, y al aumentar esta, disminuye su capacidad. COEFICIENTE DE TEMPERATURA

TIPO DE CONDENSADOR

(tanto por mil ºC)

Mica

+0,1

Papel

+0,5

Plástico

-0,15

Película de Poliéster

+0,3

Poliéster Metalizado

+0,3

Policarbonato Metalizado

+0,3

Electrolítico de Aluminio

+1 o

Electrolítico de Tántalo Figura 4.28.

+5

+1

Tabla de Coeficientes de Temperatura.

Corriente de fuga

Si mantenemos cargado un condensador durante largo dieléctrico hay un paso de electrones llamado corriente de la capacidad del condensador. Por ello el dieléctrico resistencia de aislamiento, que disminuye con el aumento temperatura. Los más afectados son los de papel, mica orden. MATERIAL

CONSTANTE DIELÉCTRICA

RIGIDEZ DIELÉCTRICA

Aire

1

1,00 059

Papel

2 a 2,8

40 a 100

Presspan

3,2 a 3,8

100 a 400

Mica

4,5 a 5,5

600 a 700

Micanita

2,3 a 2,5

200 a 400

Madera

2,5 a 4,8

30 a 60

Porcelana

4,5 a 6,5

200 a 300

Vidrio

5 a 12

60 a 120

Baquelita

5,5 a 8,2

230

Ebonita

2,5 a 3,2

230

Figura 4.29.

28

tiempo, a través del fuga, disminuyendo así tiene que tener gran de la humedad y de la y cerámicos, por este

Tabla de Constante y Rigidez Dieléctrica.



04

Tensión en los condensadores

Existen varias tensiones que caracterizan a un condensador, pero a continuación, sólo vamos a detallar las más significativas.

Tensión de prueba: suele ser doble o triple de la tensión que normalmente va a trabajar el condensador, se emplea para comprobar las características de los aislantes.

Tensión de trabajo: es la máxima tensión que se le puede hacer trabajar permanentemente al condensador sin que se deteriore.

Tensión de pico: es la máxima tensión que se le puede hacer trabajar durante intervalos cortos de tiempo, generalmente viene en minuto por hora de funcionamiento.

TIPO DE CONDENSADOR

VALORES

TENSIONES MÁXIMAS DE TRABAJO

TOLERANCIAS

Mica

2 pF a 22 nF

250 a 4.000 V

0,5 a 20 %

Papel

1 nF a 10 μF

250 a 1.000 V

5 - 10 - 20 %

10 pF a 4,7 nF

25 a 63 V

+/- 1pH (<50pF)

4,7 pF a 22 nF

160 a 630 V

2,5 - 5 - 10 %

4,7 nF a 1,5 μF

100 a 160 V

1 nF a 470 nF

400 a 1.000 V

47 nF a 10 μF

63 a 100 V

Poliestireno

Poliéster

Poliéster Metalizado

Policarbonato Metalizado

Cerámico (I)

Cerámico (II)

Electrolítico de Aluminio

Electrolítico de Tántalo Figura 4.30.

10 nF a 2,2 μF

250 a 400 V

10 nF a 470 nF

630 a 1.000 V

5 - 10 - 20 %

5 - 10 - 20 %

47 nF a 10 μF

63 a 100 V

10 nF a 2,2 μF

250 a 400 V

10 nF a 470 nF

630 a 1.000 V

0,56 pF a 560 pF

63 a 100 V

0,47 pF a 330 pF

250 a 500 V

4,7 nF a 470 nF

15 a 50 V

(-20 + 50 %)

220 pF a 22 nF

63 a 100 V

(-20 + 80 %)

100 pF a 10 nF

250 a 500 V

+/- 20 %

470 pF a 10 nF

1.000 V

(-20 + 50 %)

100 a 10.000 μF

4 a 10 V

(-10 +50 %)

2,2 a 4.700 μF

16 a 40 V

(-10 +100 %)

0,47 a 2.200 μF

63 a 160 V

(-20 + 30 %)

2,2 a 220 μF

200 a 450 V

(-10 + 50 %)

2,2 a 100 μF

3 a 10 V

+/- 20 %

220 nF a 22μF

16 a 40 V

(-20 + 50 %)

5 - 10 - 20 %

2 - 5 - 10 %

Tabla de Tensiones Máximas y Tolerancias.


29

Formación Abierta

4.7.2.

Carga y descarga de condensadores

Hay que tener en cuenta que los condensadores no los debemos colocar cerca de ninguna fuente de calor, humedad, ni le aplicaremos en exceso tensión. Para detallar el proceso de carga y descarga del condensador, nos apoyaremos en el circuito de la figura 6.6. Disponemos de una fuente de tensión, en este caso una batería, un condensador y una resistencia, que llamaremos de carga. Todo ello conectado convenientemente con un conmutador, forman dos circuitos, (1), que será el circuito de carga y (2) que será el circuito de descarga.

Figura 4.31.

Circuito de Carga y Descarga de Condensador.

Carga

Con el conmutador en la posición (1), llega la corriente a través de la resistencia, en el primer instante, la intensidad alcanza su valor máximo, y a medida que se va cargando el condensador, va aumentando la tensión y la intensidad va disminuyendo. Cuando se alcanza el valor de la tensión de la batería, en este caso, quedan al mismo potencial, por lo tanto deja de circular corriente. En realidad, nunca llega a cargarse por completo, ya que tienen pérdidas de carga. En teoría, se considera cargado, cuando ha transcurrido un tiempo (t), que viene determinado por la siguiente fórmula: t = 3.(R.C.) Donde: RC

30

Es la constante de tiempo (k)

R

Resistencia empleada para la carga, en ohmios

C

Capacidad del condensador en Faradios



Figura 4.32.

04

Gráficas de Carga del Condensador.

Descarga

Para conseguir la descarga, pasaremos el conmutador a la posición (2). En el instante inicial, la tensión desciende rápidamente, existe también un gran paso de corriente, que aparecerá con valores negativos, pues está circulando en sentido contrario al de carga. La tensión disminuye hasta hacerse nula, como no existe d.d.p., también se hará nula la intensidad.

Figura 4.33.

Gráficas de Descarga de Condensador.

Consideraciones de la constante de carga

Hay que tener en cuenta que la expresión que determina la carga o descarga de un condensador, sigue la expresión: V(t) = V(1 − e

t ) RC

Se trata de una expresión exponencial en la que estrictamente la carga del condensador (o la descarga) solo se produciría para un tiempo T igual a infinito. Haciendo una aproximación a la misma, podemos analizar cuál es su valor para cada constante de tiempo.


31

Formación Abierta

t

Tensión de Carga 1-e^(-t/RC)

Pendiente de Carga e^(-t/RC)

0

0

0,00

1,00

1

RC

0,63

0,37

2

2RC

0,86

0,14

3

3RC

0,95

0,05

4

4RC

0,98

0,02

5

5RC

0,99

0,01

Constante de tiempo

Figura 4.34.

Tabla de carga del condensador.

En la tabla anterior se puede observar como en cada constante de tiempo, el condensador se carga el 63,3% de la tensión que le queda por cargarse. Para un tiempo t = 3RC, la carga del condensador se llega al 95% de su valor máximo, para t = 4RC será del 98% y para t = 5RC llegará hasta 99%. En otros textos podemos encontrar referencia a tiempos de carga para 4RC o para 5RC.

El tiempo de carga del condensador es una estimación que hacemos. Podemos encontrar documentación que hace referencia a 3RC, 4RC o incluso 5RC. Estrictamente el condensador no llegaría a cargarse nunca.

4.7.3.

Tipos de condensadores

El dato más importante de un condensador es su capacidad, ésta puede ser fija, variable o ajustable (trimers). Los condensadores pueden ser: 1. Fijos. 2. Variables.

4.7.3.1.

Condensadores fijos

Se clasifican en función del dieléctrico utilizado:

32

De papel: suelen fabricarse con el arrollamiento de un dieléctrico de papel impregnado entre dos hojas metálicas que suelen ser de aluminio. El conjunto queda cerrado en una resina termoplástica moldeada, con los terminales de conexión. Utilizados en arranque de motores y en la compensación de potencias reactivas.



Figura 4.35.

Condensador de Papel.

De plástico: generalmente se fabrican de poliestireno. Tienen elevada resistencia de aislamiento y bajas pérdidas dieléctricas.

Poliester metalizado: sustituyen a los de papel. Para la reducción de tamaño, se sustituyen las cintas de aluminio por un metalizado superficial de las hojas de poliéster. Suelen tener forma cúbica. Tienen propiedades autorregenerativas, si se perforan por sobretensión. Dentro de este grupo están los de policarbonato metalizado, que son de mayor calidad.

Figura 4.36.

Figura 4.37.

04

Condensador de Poliéster.

Condensador de Poliéster Metalizado.

Mica: formado por un apilado de láminas de mica y hojas de cobre, latón, estaño o aluminio. Empleados en circuitos de filtrado, sintonía y paso de radiofrecuencia.

Figura 4.38.

Condensador de Mica.


33

Formación Abierta

Vidrio: se fabrican a partir de cintas de vidrio sobre las que se colocan otras de aluminio, a continuación se calientan y se les somete a presión para obtener una masa compacta y estanca.

Cerámicos: son silicatos mezclados con óxidos metálicos y otros alcalinos y alcalino-térreos. Se fabrican en forma de disco y tubulares. Son los más cercanos al condensador ideal. Tienen una constante dieléctrica muy elevada, que permite obtener condensadores pequeños y con gran capacidad.

Figura 4.39.

Electrolíticos: ofrecen más capacidad en menos volumen. Tienen polaridad, si se aumenta la tensión de trabajo o no respetamos la polaridad, el dieléctrico se perfora y se destruye el condensador. Se emplean para grandes capacidades. Dentro de estos tenemos los de aluminio y los de tántalo.

De aluminio: el dieléctrico es una capa de óxido de aluminio que impregna el papel que separa las láminas de aluminio. Elevado factor potencia, alta corriente de fuga, resistencia de carga alta, tolerancia elevada y son afectados fuertemente por la temperatura.

Figura 4.40.

34

Condensador Cerámico.


Electrolíticos de Aluminio.


04

De tántalo: el dieléctrico es óxido de tántalo, que es un electrolito sólido que ayuda a aumentar la corriente dieléctrica. Poca corriente de fuga, tensiones de trabajo pequeñas, menores de 40 V.

Figura 4.41.

4.7.3.2.

Electrolítico de Tántalo.

Condensadores variables

Se caracterizan por tener una capacidad que varía al modificar la superficie enfrentada entre sus placas. Se emplean en circuitos oscilantes y para sintonizar emisoras de radio. Podemos tener tres posibilidades para variar la capacidad:

Variar la superficie de armaduras enfrentada.

Variar la separación de las armaduras.

Variar el tipo de dieléctrico.

Dentro de los condensadores variables, podríamos realizar otra clasificación, los condensadores ajustables. Se puede regular la capacidad. Se conocen como trimers, pueden ser de mica, aire o cerámicos. Generalmente, se ajustan una sola vez para dejarlos fijos en el circuito.

Figura 4.42.

Condensador Ajustable.


35

Formación Abierta

4.7.4.

Identificación de Condensadores

Al igual que ocurre con las resistencias, en muchos condensadores, se indica su valor a través de unas bandas coloreadas o puntos de color, con la diferencia con las resistencias, que la banda que corresponde al factor multiplicador, corresponde a potencias de 10 picofaradios. La forma de identificar los condensadores se realiza básicamente de tres formas distintas.

Aparece serigrafiado el valor de capacidad que tiene expresando la magnitud y unidades.

Aparece solo serigrafiado la magnitud omitiendo la unidad.

Bandas de colores (técnica ya en desuso).

Indicando magnitud y unidad

Suele ser la técnica más utilizada para los condensadores electrolíticos utilizando unidades de uF (microfaradios). Además se da información sobre la tensión máxima de trabajo que soportan y la polaridad del mismo.

Figura 4.43.

Condensador Electrolítico.

En la imagen se puede observar fácilmente que la capacidad es de 220uF y es capaz desoportar 16V. Además aparece una banda negra que es la que indica la polaridad negativa del condensador. Indicando solo la magnitud

Suelen utilizarse para el resto de condensadores (multicapa, tántalo, etc.) Para la mayoría de los condensadores, salvo para los de tántalo, las unidades que se omiten se refieren a pF (picofaradios) mientras que para los de tántalo se refieren a uF. Para ello se pueden utilizar 2 ó 3 cifras, en el caso de utilizar 3, la última hace referencia al número de “0” que acompañan a los dos anteriores. En otras ocasiones en vez de una tercera cifra aparecerá una “K” haciendo referencia al valor 1000

36



Figura 4.44.

04

Condensador 100nF.

En este caso, vemos serigrafiado sobre el condensador el valor 104. Según hemos visto a las dos primeras cifras (10) debemos añadir (4) ceros, esto sería 100.000 pF o lo que es lo mismo 100nF

Figura 4.45.

Condensador 47nF.

En este ejemplo aparece 47K, omitiendo las unidades. Esto hace referencia a 47KpF o 47.000pF o 47nF

Figura 4.46.

Condensador 47nF.

Siguiendo los ejemplos anteriores, en este caso el condensador será de 47nF y soporta 400V Hay que tener especial cuidado a la hora de interpretar estas capacidades en los condensadores, pues es común confundirlas. Bandas de colores

Al igual que ocurre con las resistencias, en algunos condensadores, se indica su valor a través de unas bandas coloreadas o puntos de color, con la diferencia con las resistencias, que la banda que corresponde al factor multiplicador, corresponde a potencias de 10 picofaradios.

La primera franja, indica la primera cifra.

La segunda franja, indica la segunda cifra.


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Formación Abierta

La tercera franja, el factor multiplicador.

La cuarta franja, indica la tolerancia de la capacidad.

El orden de lectura de las franjas varía de un condensador a otro. Esto indica que la primera franja, no tiene por que ser la primera cifra, sino que puede indicar la tolerancia. Como la tendencia es a indicar los valores de forma numérica, no haremos especial hincapié en este apartado, puesto que para su identificación hay que consultar las tablas de fabricantes. Cuando vienen tres cifras impresas, casi siempre se hace referencia a la unidad de picofaradio, de forma que puede expresarse de diferentes modos, veamos a continuación un ejemplo. Un condensador de 4700 pF puede representarse: 4700 p

4n7

4700

0,0047 μF

4,7 Kp

0,0047 μ

4,7 n

472

Figura 4.47.

COLOR

1ª Franja

2ª Franja

3ª Franja

Tolerancia

Negro

0

0

-

20

Marrón

1

1

x10pF

1

Rojo

2

2

x100pF

2

Naranja

3

3

x1000pF

Amarillo

4

4

x10nF

Verde

5

5

x100nF

Azul

6

6

x1000nF

Violeta

7

7

x10uF

Gris

8

8

x100uF

Blanco

9

9

x1000uF

Figura 4.48.

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Bandas Coloreadas en Condensadores.

Máxima

250 V

400 V 5

600 V 10

Tabla para la Identificación de Condensadores.


Tensión


04

Para la fabricación de nuevos condensadores, esta técnica ya no se utiliza, pero todavía podemos seguir encontrándonos condensadores con esta identificación en equipos que están funcionando.

4.7.5.

Asociación de condensadores

Al igual que las resistencias, los condensadores pueden asociarse de tres formas:

Serie.

Paralelo.

Mixto.

Serie

Al igual que las resistencias, se dice que están acoplados en serie cuando al terminal de salida de uno se le une el de entrada de otro, y así sucesivamente.

Figura 4.49.

Condensadores en Serie.

La intensidad que llega a cada condensador es la misma. Podemos decir por tanto, que la carga que tendrá cada uno es la misma. QT = Q1 = Q2 = Q3 =... Sin embargo las tensiones serán diferentes, la tensión total se repartirá entre los condensadores en función de su capacidad. VT = V1 + V2 + V3 +... V1 = QT / C1

V2 = QT / C2

V3 = QT / C3

VT = QT / CT = QT / C1 + QT / C2 + QT / C3 +... VT = QT / CT = QT (1 / C1 + 1 / C2 + 1 / C3 + ...) Dividiendo dicha expresión por QT: 1 / CT = 1 /C1 + 1 / C2 + 1 /C3 +... Fórmula que nos ayudará en el cálculo de la capacidad total o equivalente en el acoplamiento de condensadores en serie.


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Formación Abierta

Paralelo

Cuando todas las entradas van unidas y a la vez también las salidas, se dice que están conectados en paralelo.

Figura 4.50.

Condensadores en paralelo.

La tensión en todos los condensadores, será la misma, igual a la suministrada por la fuente que los carga. VT = V1 = V2 = V3 =... La carga de cada condensador estará entonces en función de su capacidad. Q1 = C1. VT

Q3 = C3. VT

Q2 = C2. VT

Qn = Cn. VT

Por consiguiente, la intensidad de carga total, se repartirá entre los condensadores. IT = I1 + I2 + I3 +... Como I = Q / t QT / t = Q1 / t + Q2 /t + Q3 /t +... De donde deducimos: QT = Q1 + Q2 + Q3 +... La capacidad total o equivalente será: CT . VT = C1 . VT + C2 . VT + C3 . VT +... Dividiendo la expresión por VT, que es común en todos los elementos: CT = C1 + C2 + C3 +... De donde deducimos que para el cálculo de la capacidad de un acoplamiento de condensadores en paralelo, la capacidad total o equivalente, será igual a la suma de las capacidades de cada condensador. Como podemos observar, un condensador es un pequeño acumulador o batería, y sus cálculos y fórmulas son comunes a los vistos en el apartado dedicado a ellos.

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04

Mixto

Es una combinación de Serie - Paralelo. De igual modo que resolvemos los ejercicios de resistencias, iremos resolviendo los circuitos de condensadores, por separado hasta obtener un circuito único o equivalente.

Figura 4.51.

4.7.6.

Condensadores en serie-paralelo.

Circuitos con condensadores

El análisis de circuitos con condensadores y resistencias puede resultar bastante complejo y no es fácil solucionarlos si no es recurriendo a una matemática compleja. Por ello podemos se van a exponer diferentes herramientas de simplificación para poderlos resolver en función del tipo de alimentación que utilicemos para nuestro circuito. Alimentación en Corriente Alterna

Figura 4.52.

Circuito alimentado con Corriente Alterna.

Para analizar este tipo de circuitos debemos de considerar a los condensadores como impedancias, sustituyéndolas por el valor que calculemos en cada una de ellas. La impedancia de un condensador viene definida por: Xc =

1 2πfC


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Formación Abierta

Donde: Π

Pi=3,14

f

Es la frecuencia de la señal alterna (Hz)

C

Es la capacidad del condensador (F)

Una vez calculadas las impedancias para cada uno de los condensadores, resolveremos el cálculo del circuito como si de resistencias convencionales se tratara, teniendo en cuenta que existirá un desfase entre tensión y corriente, concepto en el que no vamos a profundizar por complejidad.

Figura 4.53.

Circuito alimentado con Corriente Alterna e Impedancias.

Suponiendo que ambos condensadores son de C = 8uF y la frecuencia de la señal alterna de la fuente de alimentación es 1Khz y 80V, tenemos

Xc =

I=

1 1 = 2πfC 2 ⋅ π ⋅ 1000 ⋅ 8 ⋅ 10−6

V1 80V = Zt 20Ω + 20Ω + 20Ω + 20Ω

Vc2 = Xc2,1 = 20Ω ⋅ 1A = 20V

Para resolver circuitos con condensadores y resistencias alimentados mediante corriente alterna, deberemos sustituir los condensadores por sus impedancias.

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04

Alimentación en Corriente Continua

Figura 4.54.

Circuito alimentado con Corriente Continua.

Para resolver este tipo de circuitos de una manera sencilla deberemos considerar únicamente dos situaciones. Para t=0, justo el momento de conexión del circuito cuando los condensadores se encuentran descargados y para t=∞ (o t=3RC) cuando los condensadores ya se hayan cargado. Para el instante de tiempo t=0, consideramos que el condensador se comporta como un cortocircuito mientras que para t=∞ lo consideramos un circuito abierto.

Figura 4.55.

Circuitos equivalentes condensadores.

Siguiendo el ejemplo propuesto tendremos: Para resolver este tipo de circuitos de una manera sencilla deberemos considerar únicamente dos situaciones. Para t=0, justo el momento de conexión del circuito cuando los condensadores se encuentran descargados y para t=∞ (o t=3RC) cuando los condensadores ya se hayan cargado.


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Formación Abierta

Figura 4.56.

Circuitos equivalentes condensadores.

A partir de aquí el método de cálculo será el mismo que el estudiado con resistencias. Por ejemplo si consideramos que todas las resistencias tienen el mismo valor R=1K, y deseamos calcular la tensión en la resistencia R3. Para t=0 Rt = R1 +

It =

R2 ⋅ R3 = 1K5 R2 + R3

Vcc 12V = = 8mA Rt 1K5

VRa = It

R2 ⋅ R3 = 4V R2 + R3

Para t=∞ It =

Vcc = 0mA Rt

VRa = 0V

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04

• Resumen •

Un resistor lineal es aquél que cuando se somete a una tensión o intensidad tiene una respuesta fija.

•

Un resistor no lineal es aquél que sometido a una tensión o intensidad tiene una respuesta variable.

•

La resistencia es la oposición al paso de la corriente

•

La potencia de disipación en una resistencia viene dada por el producto de la intensidad que la recorre al cuadrado, por su propio valor.

•

Hay varios tipos de resistencias entre las que se encuentran los aglomerados, de película de carbón, de película metálica, etc.

•

Existen diversos tipos de potenciómetros, y sus conexiones pueden variar según la aplicación a que se dediquen.

•

La intensidad en un circuito de resistencia en serie es siempre la misma y el voltaje de las diferentes resistencias se suma.

•

El voltaje en un circuito de resistencias en paralelo es siempre el mismo, las intensidades se suman.

•

Las resistencias no lineales PTC encuentran la resistencia en relación directa con la temperatura.

•

Las resistencias no lineales NTC disminuyen su resistencia si aumentamos la temperatura.

•

Las resistencias no lineales LDR disminuyen su resistencia si aplicamos luz sobre ellas.

•

Las resistencias no lineales VDR varían su tensión conforme a la intensidad aplicada.

•

Los condensadores son pequeños acumuladores de cargas eléctricas, formados por dos placas enfrentadas entre sí y separadas por un dieléctrico.


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Formación Abierta

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•

La capacidad de un condensador depende de la distancia de sus placas, número de placas, dieléctrico y temperatura de trabajo.

•

En la asociación de condensadores en serie, todos adquieren la misma carga repartiéndose las tensiones.

•

En la asociación de condensadores en paralelo las tensiones que se alcanzan son iguales a las de alimentación y cada uno tiene su propia intensidad de carga.


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Polímetros


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• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 5.1. Generalidades ............................................................................................. 5 5.1.1. Características del polímetro ................................................................ 6 5.2. Polímetros analógicos................................................................................ 8 5.2.1. Principios básicos de funcionamiento ................................................... 8 5.2.2. Índices y escalas................................................................................. 14 5.3. Polímetro digital ........................................................................................ 17 5.3.1. Principios básicos de funcionamiento ................................................. 17 5.3.2. Descripción del polímetro digital ......................................................... 18 5.4. Medidas con polímetro digital ................................................................. 24 5.4.1. Continuidad ......................................................................................... 26 5.4.2. Resistencia.......................................................................................... 27 5.4.3. Comprobación de diodos .................................................................... 29 5.4.4. Tensiones en corriente continua y alterna .......................................... 31 5.4.5. Intensidades en corriente continua y lterna ........................................ 34 5.4.6. Condensadores................................................................................... 38 5.4.7. Transistores ........................................................................................ 38 5.5. Recomendaciones para el uso del polímetro ......................................... 39 5.5.1. Precauciones ...................................................................................... 39 5.6. Medidas con polímetros ........................................................................... 42 • RESUMEN .......................................................................................................... 45

Polímetros

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• Objetivos •

Concienciarse de la necesidad de las mediciones con el polímetro en los circuitos eléctricos y electrónicos.

•

Valorar la precisión de las medidas en determinados circuitos.

•

Aprender a manejar los polímetros digitales.

•

Sentar las bases para el manejo de cualquier polímetro.

•

Tomar conciencia de las magnitudes eléctricas y de sus unidades.

•

Saber distinguir entre la conexión en serie y en paralelo.

Polímetros

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Formación Abierta

• Introducción En el taller, estamos acostumbrados a realizar ciertas comprobaciones rápidas y eficaces, como conectar una lámpara de pruebas. Como hemos indicado, son unas comprobaciones rápidas y eficaces, pero ¿cuál es la tensión que tenemos? En efecto, con estos sistemas no lo podemos saber. Para saber exactamente la tensión que tenemos, deberemos de ayudarnos de un voltímetro. Para comprobar un circuito de carga, además necesitaremos de un amperímetro. Si un elemento está cortado o no, deberemos comprobarlo con un óhmetro. Son muchos los aparatos de medida que se precisan, pero todos ellos se pueden agrupar en uno sólo, un polímetro. En los circuitos eléctricos y electrónicos que comprenden la parte eléctrica de un circuito, no es suficiente saber si el elemento está cortado o no, o si le llega tensión. Deberemos concienciarnos de que hay que conocer exactamente la resistencia del componente y de la tensión real que llega al mismo. Esto nos ayudará a resolver infinidad de averías y sobre todo a no provocar más, por una comprobación incorrecta.

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5.1. Generalidades Se denomina polímetro o multímetro, al aparato capaz de poder realizar varias, (poli), medidas (metro). Se le conoce también con el nombre de tester, (prueba), aparato que sirve para comprobar. La variedad de polímetros es muy numerosa, pero todos coinciden en las principales mediciones que pueden realizar:

•

Resistencia.

•

Intensidad en C.C. y en C.A.

•

Tensión en C.C. y en C.A.

Para realizar las mediciones de Resistencia, debemos tener en cuenta que el elemento a comprobar, debe estar sin alimentación y además aislado del circuito donde se encuentra, de lo contrario, mediremos la resistencia del circuito, no la del componente. No tocar con los dedos las puntas de prueba, estaríamos midiendo el componente conectado a otro, en este caso nuestro cuerpo, que en definitiva es una resistencia.

Figura 5.1.

Medida de resistencia.

Para realizar mediciones de tensión, voltaje, deberemos conectar el polímetro en paralelo con el circuito, es decir tocando con las puntas de prueba ambos extremos del componente a medir. Recordemos que tensión es la diferencia de nivel eléctrico que hay entre dos puntos de un circuito. Luego la tensión que llega a un componente estará entre sus dos extremos. A esta conexión se le denomina paralelo. Antes de realizar la unión de las puntas de prueba a los extremos del componente, deberemos ajustar el polímetro en función del tipo de tensión a medir, en continua C.C. o en alterna C.A.

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Formación Abierta

Figura 5.2.

Medición de tensión.

Las mediciones de intensidad, se realizan intercalando el aparato de medida en el circuito. Recordemos que intensidad es el paso de electrones. Si queremos medir los electrones que atraviesan un circuito, deberemos intercalar el aparato medidor, los electrones que atraviesan el circuito, también atravesarán el polímetro. Al igual que la tensión, deberemos de ajustar el aparato de medida para el tipo de corriente, si es Continua o si es Alterna.

Figura 5.3.

Medición de intensidad.

Aunque el principio de funcionamiento y de empleo es el mismo para todos, se suelen presentar en dos tecnologías diferentes: analógico y digital. Fácilmente diferenciables por su forma.

5.1.1.

Características del polímetro

La calidad y amplitud de posibilidades de un polímetro además de la intensidad y tensión que puede soportar y parámetros que pueden ser medidas, tiene otras características importantes, que debemos de tener en cuenta, como son la impedancia, la precisión y las conexiones.

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Impedancia La impedancia de un polímetro, es la resistencia interna que tiene. Cuanto mayor sea la impedancia, mayor precisión obtendremos en la lectura. Si la impedancia es alta, el consumo interno será muy bajo, por lo tanto la precisión de la medición será superior que un polímetro que tenga una impedancia baja.

El polímetro analógico, suele tener una impedancia de unos 20 KΩ y el digital, unos 10 MΩ, por lo tanto, el consumo de uno digital será menor, luego su resolución mayor que uno analógico. El valor medido, será más cercano al real con uno digital que con uno analógico.

Resolución La precisión es el error que comete el aparato al realizar la medición. La resolución o precisión de un tester analógico, además de su constitución interna e impedancia, nos la da la resolución o divisiones de la escala. En un polímetro digital, la resolución nos la dará el número de dígitos que disponga la pantalla de cristal líquido. A mayor número de dígitos, mayor será la precisión en la medida. Veamos un ejemplo práctico.

Un polímetro con sólo dos dígitos, conectado a una batería cargada, nos indicará 12 V. Si este polímetro posee tres dígitos, nos podría indicar por ejemplo un valor de 12,5 V. Precisando 500 mV más de lo anteriormente indicado. Si el polímetro tiene cuatro dígitos, por ejemplo, podríamos toma una lectura de 12,56 V. Dando más precisión en la medición y orientándonos correctamente sobre el estado de carga de la batería.

La resolución, también viene determinada por la escala elegida en la medición. De modo que si una tensión de unos 12 V, la medimos en la escala de 20 V, obtendremos un dato mucho más preciso, que si lo medimos en una escala de 200 V. En una escala superior a la necesaria, perdemos un dígito de precisión. A mayor escala, por lo tanto, menor precisión.

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Formación Abierta

5.2. Polímetros analógicos El polímetro analógico, la indicación de la medición la realiza a través de una aguja sobre un fondo de escala. Nos da la medida más rápida, pero a la vez más imprecisa. Son muy sensibles a las vibraciones, golpes y campos magnéticos. Una inversión de polaridad puede llevar a la destrucción, al igual que la elección de una escala incorrecta. En medición de resistencias, la alimentación se realiza a través de una pequeña pila colocada en su interior, para lo que deberemos tener en cuenta que por la punta de pruebas negra o (-) sale el polo (+) de la pila y por la punta roja o (+) sale el (-) de la pila. Cosa a tener en cuenta para la comprobación de diodos y transistores.

Figura 5.4.

5.2.1.

Polímetro analógico.

Principios básicos de funcionamiento

Los polímetros analógicos están constituidos por el instrumento de medida, que es el mecanismo que desplaza la aguja y de la circuitería que recibe las señales medidas y alimenta al instrumento de medida. Los mecanismos suelen ser de bobina móvil. El principio de funcionamiento de estos aparatos es la desviación de un conductor de corriente en el campo magnético de un imán permanente, en oposición a una fuerza mecánica desarrollada por un muelle en espiral o por la torsión de una cinta.

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El órgano móvil de estos instrumentos se compone de una bobina en forma de cuadrado que gira alrededor de un polo del núcleo de hierro dulce dentro del campo de un imán permanente. Cuando no pasa corriente por ella está retenida en la posición cero por dos muelles en espiral que sirven a la vez como conductores eléctricos. Si pasa una corriente por la bobina, se produce un momento de torsión que desvía la bobina de acuerdo con el sentido de la corriente hacia uno u otro lado, hasta que el par queda equilibrado con el opuesto de los muelles en espiral. Debido a que el sentido del par de giro cambia con el de la corriente, el dispositivo de bobina móvil sólo se puede emplear para corriente continua. Las ventajas de los dispositivos de la bobina móvil son su bajo consumo, ya que con pequeñas intensidades se puede obtener un par de giro elevado, y su linealidad, ya que con un diseño apropiado del campo magnético del imán permanente, el momento torsional de la bobina es directamente proporcional a la intensidad de la corriente de medición. El inconveniente es que solo puede medir corriente continua. El problema se soluciona utilizando diodos rectificadores a la entrada del dispositivo de bobina móvil. Dado que la curva característica de los rectificadores no es lineal, nos hace perder la linealidad de que gozábamos con el dispositivo de bobina móvil, viéndonos obligados a perder la linealidad en la escala, siendo un poco más apretada al principio y más amplia al final. Dado que las bobinas no tienen una resistencia demasiado alta se necesita una resistencia adicional. Naturalmente no es posible fabricar la bobina móvil con cualquier número de espiras o con hilo de cualquier sección, por este motivo, se construyen los instrumentos de bobina móvil, generalmente mili o microamperímetros, que se ajustan a la gama de medida deseada mediante resistencias auxiliares y shunt. Todas estas resistencias, forman la circuitería que traduce la medición y la manda al dispositivo de bobina móvil. La conexión de estas resistencias puede salir al exterior a través de bases de enchufe o quedar internas y poder realizar su selección a través de un conmutador rotativo, (ruleta selectora). Cada polímetro, dispone por lo tanto de unas bases de conexión exteriores, que comunican con la circuitería interna y que adecuadamente deberemos emplear para cada tipo de medición y valor. Para una mejor comprensión vamos a ver cómo está constituido cada uno de los aparatos básicos de medida; la unión de todos ellos nos determinará el polímetro básico. Voltímetro. Amperímetro. Ohmetro.

Polímetros

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Formación Abierta

Voltímetro Consiste simplemente en un acoplamiento de resistencias independientes entre sí y que quedan conectadas en serie con el dispositivo de medición. O un acoplamiento de resistencias en serie entre sí y con el dispositivo de medición. Conectadas en serie, supone que el extremo final de una se conecte con el inicial de la otra y así sucesivamente. Las resistencias deben estar perfectamente calculadas de forma que empleemos la escala que empleemos la medición sea la correcta, con mayor o menor precisión.

Figura 5.5.

Voltímetros.

Para la medición de tensión alterna, es necesaria la rectificación de ésta en continua, pues el instrumento de bobina móvil no puede trabajar como hemos visto, con corriente alterna.

Figura 5.6.

Voltímetro para corriente alterna.

Amperímetro Conectadas con el instrumento de bobina móvil, unas resistencias en serie entre sí y en paralelo con él, con sus valores adecuados para que la medición sea correcta en cualquier escala.

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Figura 5.7.

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Amperímetro con Shunt.

El shunt Es una resistencia que se acopla en serie con el dispositivo de bobina móvil, de forma que limita la intensidad, de esta forma, si fallara alguna conexión, toda la corriente no pasaría por la bobina, pudiendo llegar a destruirla.

Figura 5.8.

Amperímetro con selector de escala.

Ohmetro Básicamente es como un amperímetro, de forma que cuando no hay nada conectado, la aguja se desplaza indicando el máximo valor de resistencia. El circuito que se emplea para medir resistencias, debe de estar alimentado internamente con una pequeña pila. La corriente que sale de esta pila, atraviesa la resistencia a medir, la variación de corriente es apreciada por el instrumento de medida, desplazándose así la aguja.

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Formación Abierta

Figura 5.9.

Esquema de un Óhmetro.

Como podemos apreciar en paralelo con el dispositivo de medida, existe un potenciómetro o resistencia variable. Este potenciómetro, está destinado al ajuste y puesta a cero necesario antes de realizar cualquier medición, ya que la pila que alimenta el circuito también sufre un desgaste. Para las mediciones con el polímetro, las magnitudes de tensión e intensidad, se realizan de una forma directa, pero la medición de resistencias, se realiza por comparación, para tener precisión y exactitud. Uno de los métodos más empleados es el denominado Puente de Wheastone. El puente de resistencias, llamado de Wheastone, es muy característico y de infinidad de aplicaciones. Dentro del automóvil, como iremos viendo a lo largo de este recorrido, haremos mención en varias ocasiones, por lo que consideramos importante detallarlo en este momento. Dentro del polímetro, su empleo es para la medición de resistencias, consiste en una agrupación de resistencias de forma que se encuentran conectadas en serie dos a dos y a su vez los dos montajes conectados en paralelo. En los puntos de unión del circuito paralelo, se le aplica la pequeña tensión de la pila interna del polímetro, y entre los otros dos extremos, se conecta un dispositivo de medición, como puede ser un galvanómetro.

Figura 5.10.

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Puente de Wheastone.


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Al unir las puntas del galvanómetro debe de indicar “0” para ello I1 = I2 e I3 = I4, es decir el potencial en A es igual que en B. La tensión: VDA = VDB es decir I2 . R2 = I3 . R3 VCA = VCB es decir I1 . R1 = I4 . R4 Dividiendo las expresiones: I2 . R2 / I1 . R1 = I3 . R3 / I4 . R4 Como las intensidades: I1 = I2

I3 = I4

I1 . R2 / I1 . R1 = I3 . R3 / I3 . R4 Resultando la siguiente igualdad: R2 / R1 = R3 / R4 Si sustituimos R4 por un potenciómetro y en lugar de R3, colocamos unas puntas de prueba, ya tenemos nuestro puente para poder medir resistencias de valores desconocidos.

Figura 5.11.

Puente de Wheastone para medición de resistencias.

Despejando de la igualdad anterior: R3 = R2 . R4 / R1

luego: Rx = R2/R1 . R4

Como R1 y R2 son resistencias fijas, su cociente siempre es una constante. Rx = K . R4 Luego leyendo el valor en el galvanómetro de Rx y conocida la constante y el valor de R4, podemos realizar cualquier medición de la resistencia. El potenciómetro, se empleará para el ajuste a cero del galvanómetro, debido a la posible descarga de la pila.

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Formación Abierta

Este es el principio de medición empleado en los polímetros para la comparación de valores de resistencia. Si partimos de la figura 5.9. vemos que cuando empleamos cualquiera de las escalas, en realidad en la conexión lo que estamos formando es un puente de resistencias del tipo Wheastone.

5.2.2.

Índices y escalas

Tanto los índices como las escalas, son elementos fundamentales en los polímetros analógicos, de su construcción depende en gran medida la precisión de las mediciones y de las lecturas.

Índice: Aguja que desplaza el dispositivo de bobina móvil. De su diseño depende la correcta lectura.

El perfil de la aguja, varía en función del instrumento utilizado. En instrumentos de gran precisión, se emplean agujas muy finas, para evitar errores de lectura. La aguja va unida a la bobina móvil, a través de un tornillo, sobre el que se puede actuar para realizar el ajuste.

Figura 5.12.

Índices de aguja.

Algunos aparatos analógicos incorporan junto a las escalas un pequeño espejo, donde se ve reflejada la aguja, de esta forma podemos asegurarnos de que la medición será correcta y que se hará de forma perpendicular al aparato.

Figura 5.13.

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Escala con espejo.


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La escala es el cuadrante numérico graduado donde se indica la lectura en función del desplazamiento de la aguja. La numeración suele ser de color negro o rojo para distinguir la corriente continua de la alterna, sobre un fondo blanco. En las figuras siguientes aparecen los diferentes tipos de escalas más empleados en los aparatos de medida.

Figura 5.14.

Escalas.

Según el tipo de escalas como vemos en la figura, las podemos clasificar de la siguiente forma: Uniforme o lineal: los intervalos de las divisiones son iguales. Se aplica en medidas que varían de forma proporcional. Cuadrática: los intervalos son mayores hacia el final de la escala, lugar donde se obtiene mayor precisión. Ensanchada: empleada en mediciones de sobrecargas, cuando es necesario leer en un mismo instrumento valores iniciales y finales de escala. Logarítmica: los intervalos son menos espaciados al final de la escala. Así se consiguen valores de más precisión al principio de la escala. Otra clasificación de las escalas, la podemos realizar según su graduación, gruesa, gruesa-fina, numeración doble, graduación doble, fina y fina con espejo.

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Figura 5.15.

Diferentes graduaciones.

No vamos a realizar un estudio detallado del manejo del polímetro analógico, debido a que su uso, se está extinguiendo, existen multitud de modelos y además, comprendiendo bien el funcionamiento de uno digital, no nos resultará nada difícil podernos habituar al manejo de uno analógico. Pero sí vamos a nombrar alguna de las precauciones que deberemos tomar si alguna vez empleamos un polímetro analógico. No forzar las escalas, introduciendo tensiones o intensidades no adecuadas a la escala elegida, pues sufre el dispositivo de bobina móvil, pudiendo quemarse. No golpear, ni acercar a fuentes de calor, pueden destruir el dispositivo de bobina móvil. No acercar a campos magnéticos, pues la aguja sufriría una desviación, falseando la medida, incluso podría quedar imantada. No efectuar medidas de resistencia bajo tensión, para alimentar la resistencia a medir lleva ya incorporada una pequeña pila. Sobre todo, si se emplea en el taller, hay que procurar no ensuciar los terminales o puntas de prueba con grasa o ácido de batería. Procurar no ensuciar el cristal protector con gasolina, ácidos o disolvente, podría quemarlo, llevándonos a no ver bien las escalas.

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5.3. Polímetro digital El polímetro digital, la indicación de medición, la realiza a través de dígitos visualizados en una pantalla de cristal líquido. Por tanto la medición, será más precisa pero a la vez más lenta. Dispone de elementos y circuitos de protección, que hacen bloquearse el tester, cuando la escala no sea la adecuada. Así mismo, aparece un signo menos delante de los dígitos, cuando la polaridad es invertida. Lo cual hace más segura la utilización del mismo. Soportan mayores intensidades. En medición de resistencias en la punta roja, tenemos el (+) de la pila interna y en la punta negra tenemos el (-), a tener en cuenta para la comprobación de diodos y transistores, como ya lo indicamos en el polímetro analógico.

Polímetro de teclado Figura 5.16.

5.3.1.

Polímetro con conmutador rotativo Polímetros digitales.

Principios básicos de funcionamiento

Los principios de funcionamiento para la medición de resistencias, tensiones e intensidades, son los mismos que para los polímetros analógicos. La diferencia estriba en que la señal enviada a la bobina móvil del instrumento de medición (polímetro analógico) se amplifica y con ella se alimenta el circuito que pone en funcionamiento la pantalla de cristal líquido (polímetro digital). Como la circuitería es mayor y se precisan de tensiones más elevadas, se emplea para la alimentación interna una pila de 9 V.

Polímetros

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Formación Abierta

Generalmente llevan un fusible de protección para la medición de intensidad, no actúa en las escalas de 10 A o 20 A, dependiendo del modelo de polímetro, de forma que si se produce una mala conexión o la escala está confundida, funde el fusible, que generalmente suele ser de tipo rápido, quedando protegido por completo el circuito interno. Para las demás mediciones, ya hemos comentado que si se elige una escala inferior a la precisa en la medición, el polímetro se bloquea, autoprotegiéndose. La inversión de polaridad, no es ningún inconveniente, pues si ésta se produce, automáticamente, queda reflejado en la pantalla, precediendo a los dígitos un signo menos.

5.3.2.

Descripción del polímetro digital

Las diferencias básicas de los polímetros digitales, reside en la forma de seleccionar sus escalas y en la máxima intensidad que puede ser medida. En cuanto a la intensidad, se suelen fabricar de 10 A o 20 A. Relacionado a la forma de seleccionar las escalas, podemos encontrarnos con conmutadores o interruptores deslizantes, de teclado y de conmutador rotativo. Para las explicaciones nos apoyaremos en estos últimos, por ser los de uso más frecuente. Aunque la selección de escalas sea distinta en todo lo demás coinciden, graduación de escalas, terminales de conexión, interpretación de valores, etc. Pasaremos ahora a detallar cada una de las partes: Interruptor de encendido Para la alimentación del circuito interno y puesta en funcionamiento del aparato. Hay que destacar, que en algunos modelos, el propio conmutador rotativo, tiene una posición de apagado (OFF) y en el momento que se elige una escala, inmediatamente queda conectado (ON).

Figura 5.17.

Interruptores de encendido.

Pantalla de cristal líquido Sobre ella aparecen los dígitos que indican la medición y el punto decimal o coma. En algunos modelos además puede indicar la escala que se está empleando, las unidades e incluso símbolos como el de batería baja, que se refiere a la pila interna del polímetro.

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Polímetros


Figura 5.18.

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Pantalla de cristal líquido.

Selector para corriente continua y alterna Cuando está pulsado, se empleará para la medición de C.A. Si la medición que vamos a realizar es de resistencia, la tecla deberá permanecer pulsada, si solamente nos interesa comprobar si un diodo está bien o mal, no nos interesa el valor de resistencia, la tecla deberá permanecer hacia afuera.

Figura 5.19.

Selector de C.A. y C.C.

Bases de conexión Para cables de prueba. Son idénticas para todos los polímetros. Una base que aparece con las letras COM, que significa común, donde conectaremos el cable de prueba de color negro. En mediciones de tensión e intensidad, será la entrada de negativo. En mediciones de resistencia, a través de este punto, saldrá el negativo de la pila interna del polímetro. Otra base, cumple dos funciones, medición de voltaje o de resistencia, según la posición del selector anteriormente citado. En este punto deberemos prestar siempre especial atención, para no introducir corriente en el polímetro cuando está preparado para medir resistencia. Otras dos bases son empleadas para la medición de intensidades, una para intensidades de hasta 20 A (10 A en algunos modelos) y otra hasta una intensidad máxima de 2 A (2.000mA, según modelos), ofreciéndonos, según la escala elegida la medición de mA o de μA. Hay que destacar que la base de conexión de 20 A, únicamente se deberá emplear con la escala de 20 A.

Figura 5.20.

Bases de conexión.

Polímetros

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Formación Abierta

Escalas En este caso la selección se realiza a través de los pulsadores. Con el primero conectado podemos medir hasta 20 A, previamente utilizando la base de conexión correspondiente. Si la medición que vamos a realizar es de resistencia, podremos medir hasta un máximo de 20 MΩ, teniendo en cuenta que emplearemos la base de conexión apropiada para la medición de resistencias. En esta escala no se permite la medición de tensiones. La siguiente escala, nos permite en intensidad un máximo de 2.000 mA (2 A, según polímetros), la tensión en corriente continua hasta un máximo de 1.000 voltios y de 750 V en corriente alterna. En la medición de resistencias, hasta 200 kΩ.

Figura 5.21.

Escalas de polímetro.

Observando la pantalla, veremos que únicamente aparecen cuatro dígitos, por lo que debemos entender que las mediciones de valores altos, no podrían ser representadas. Por ejemplo: 1.000.000 Ω, la cifra posee 7 dígitos, mientras que la pantalla sólo dispone de 4 dígitos. Para poder ser representada, se aprovechan estos cuatro dígitos, pero además, no hablaremos únicamente de la unidad, el ohmio, sino que trataremos con sus múltiplos, así que cuando tengamos elegida una escala de KΩ, el valor representado en la pantalla, será de KΩ, teniendo en cuenta también el punto decimal, que es una coma. Si lo leído en la pantalla, lo multiplicamos por 1.000, el resultado lo tendremos en ohmios. Si el punto decimal aparece delante de los dígitos, deberá interpretarse como < 0, valor >. Veamos algunos ejemplos: En escalas de KΩ. 1.365 son 1,365 KΩ equivale a 1365 Ω

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Polímetros


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13.65 son 13,65 KΩ equivale a 13650 Ω 136.5 son 136,5 KΩ equivale a 136500 Ω 0.1365 son 0,1365 KΩ equivale a 136,5 Ω En escala de MΩ 1.365 son 1,365 MΩ equivale a 1365 KΩ 13.65 son 13,65 MΩ equivale a 13650 KΩ 136.5 son 136,5 MΩ equivale a 136500 KΩ 0.1365 son 0,1365 MΩ equivale a 136,5 KΩ En escala de 200 Ω 1.365 son 1,365 Ω 13.65 son 13,65 Ω 136.5 son 136,5 Ω 0.1365 son 0,1365 Ω Así mismo, si la medición se va a realizar en Tensión o Intensidad, se pueden emplear escalas de mili (m) o micro (μ) voltios o amperios, el valor resultante en la pantalla, corresponderá a las mismas unidades de la escala elegida. Para pasar a la unidad fundamental, Voltios o Amperios, según corresponda, deberemos dividir por 1.000 o por 1.000.000 respectivamente. En el otro modelo de polímetro que se expone, no son necesarias las teclas para la selección de medición. Alrededor del selector existen cinco zonas principalmente, destinadas a la medición de Resistencia, Tensión Continua, Tensión Alterna, Intensidad Alterna e Intensidad Continua. Bastará girar el selector a la zona de la medición que vamos a realizar y dejarlo en la posición de la escala adecuada, entonces lo tendremos dispuesto para efectuar nuestro trabajo.

Figura 5.22.

Polímetro con selector rotativo.

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Formación Abierta

Dentro de la zona de medición de resistencia, nos encontramos escalas que van de 200 Ω hasta 20 MΩ, siendo su interpretación idéntica al polímetro anteriormente descrito. En la primera posición del selector, nos encontramos dos símbolos, uno de ellos es el de un diodo, en esta posición podemos comprobar el estado de los diodos. El otro símbolo (musical) es el de continuidad, uniendo ambas puntas de prueba, oiremos un pitido, emitido por un zumbador. Esto se emplea para comprobar la continuidad de un cable, localización de los polos de un conmutador, etc. Actúa siempre que la resistencia sea inferior a 200 Ω.

Figura 5.23.

Escalas de medición de resistencias.

Una particularidad que posee este polímetro es que sus escalas de intensidad, tanto en continua como en alterna, vemos que en uno de los puntos, están duplicadas. Disponen de dos cifras, 20 y 20 μ. Si el cable de conexión está en la hembrilla de (A), podemos emplear cualquiera de las escalas correspondientes, pero si el cable de conexión se encuentra en la hembrilla de (20A), únicamente podremos emplear el punto del selector que acabamos de mencionar (20 - 20μ).

Figura 5.24.

Escalas para medición de intensidades.

Para la medición de tensiones, se procede de la misma forma, teniendo en cuenta el tipo de tensión a medir, si es continua o alterna, de lo contrario, falsearía la medición.

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Polímetros


05

Una posición del selector que hasta ahora no hemos mencionado es la que viene determinada con (hFE) y va en combinación con el conector múltiple situado en la parte superior derecha del polímetro.

Figura 5.25.

Medición de ganancia de transistores.

Esta posición se emplea para comprobar la ganancia de los transistores. Sabiendo el tipo de transistor de que se trata, PNP o NPN e introduciendo los terminales de Emisor, Base y Colector en el alojamiento adecuado, podemos saber cuál es la ganancia, factor “β” del transistor. Cuando se estudie más concretamente el transistor, se podrá apreciar realmente la utilidad de esta comprobación.

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Formación Abierta

5.4. Medidas con polímetro digital Antes de comenzar la descripción del empleo de los polímetros digitales para realizar diferentes mediciones, expondremos una norma general y aplicable a cualquier tipo de polímetro.

Figura 5.26.

Polímetro digital.

Si se desconoce el alcance de la magnitud a medir, comenzaremos siempre por la escala más alta. Supongamos que vamos a realizar la medición de la tensión de una batería, sabemos que es corriente continua lo que suministra y que su valor está aproximadamente sobre los 12 V. No tenemos ninguna duda en preparar el polímetro en Tensión en C.C. y en la escala de 20 V, escala que tiene suficiente alcance para determinar la medida y por ser cercana al valor real, nos la dará con mucha precisión. Pero si desconocemos el alcance de la magnitud, entonces deberemos seleccionar la escala más alta, observar la pantalla y si la medición es imprecisa o aparecen ceros, iremos bajando de escala hasta encontrar una que determine la medición con bastante precisión. Podría ocurrir, que bajáramos en exceso de escala, bien por error o bien por tanteo, en este caso el polímetro se bloquea, apareciendo a la izquierda de la pantalla un “1”.

Figura 5.27.

Indicación de bloqueo.

Como anteriormente habíamos indicado, la precisión de los polímetros, viene determinada por el número de dígitos que pueden aparecer en pantalla. La precisión en la medición consiste en elegir la escala en la cual, aparezca el menor número de ceros posible a la izquierda de la pantalla.

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Polímetros


05

En un polímetro de cuatro dígitos como los que estamos analizando, una resistencia medida en la menor escala da un valor de 198,7 ohmios. Es una medida con mucha precisión. Si la misma resistencia, la medimos en la escala de 2K, la información de la pantalla aparecerá en Kilo-ohmios con una representación de (.198). Podemos observar que ya hemos perdido un dígito. Cambiando a una escala superior, la de 20 K, aparecerá en la pantalla (0.19), apreciándose la pérdida de otro dígito. Hasta ahora se traduce en una imprecisión de 8,7 ohmios. En la escala de 200 K, aparecerá en la pantalla la lectura de (00.1), habiendo perdido en este caso 90 ohmios. Como podemos suponer en la siguiente escala superior, perderemos otro dígito (000.), indicando una medición de 0 ohmios, cuando realmente sabemos que no es así, por lo tanto la imprecisión en este caso sería de 198,7 ohmios.

Una resistencia medida en una escala inferior al valor de dicha resistencia, bloquea el polímetro, indicando que estamos fuera del rango de medición, como ya hemos indicado. Realmente, para la medición de una resistencia, deberíamos de comenzar por la escala más baja, e ir subiendo hasta encontrar la escala adecuada, que será la primera que no bloquee el polímetro. Pero para no dudar con las mediciones de tensión o intensidad, comenzaremos todas ellas por las escalas más elevadas. En el caso de la medición de intensidades desconocidas, primeramente colocaremos el cable de conexión en la base de 20 A y adecuaremos la escala. En el supuesto que la medida que aparezca sea “0” o inferior a 2 A, podremos cambiar el cable de conexión a la otra base de conexión, situándonos en la escala más alta. Podemos tener entonces más precisión en la medición, si es necesario iremos bajando de escalas hasta conseguir la adecuada. Recordemos que si en la base de conexión, introducimos una intensidad superior a 2 A, fundirá el fusible de protección. Si por error o por tanteo, escogemos una escala inferior a la necesaria, el tester se bloqueará de la misma forma que ocurre con las resistencias. Al medir una tensión o corriente, podemos desconocer si se trata de continua o alterna, en este caso efectuaremos la medición en ambas posibilidades. Si la corriente que medimos es alterna, el valor en el rango alterno, será mayor que en el continuo, esto nos ayudará a reconocerla. Si se trata de una corriente continua, probablemente en el rango alterno no tengamos ningún tipo de lectura, no siendo así en el rango continuo.

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Formación Abierta

Podría ocurrirnos, que se tratara de corriente pulsatoria o con transitorios, en ese caso, podemos deducir que es una corriente sucia o mal rectificada; dependiendo de dónde provenga, podremos adivinar la causa de algunas averías.

5.4.1.

Continuidad

Como ya hemos indicado, no todos los polímetros ofrecen el característico zumbido, que indica la continuidad de un cable o resistencia. Para la comprobación de la continuidad, el cable de prueba negro, lo colocaremos en la base COM y el rojo en la base correspondiente a V/Ω. Ajustaremos la ruleta selectora en la posición donde aparece el símbolo y conectaremos el polímetro. Tocando con ambas puntas los extremos del elemento a comprobar. En la pantalla deberá aparecer un valor de resistencia bajo, sonará el zumbido, cuando hay continuidad; si no la hay o la resistencia es muy grande, el tester permanecerá en bloqueo.

Figura 5.28.

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Polímetros

Comprobación de continuidad.


5.4.2.

05

Resistencia

Los cables de prueba, permanecerán en la misma posición que para comprobar la continuidad de un circuito. Tocaremos ambos extremos del elemento a comprobar con las puntas de prueba, asegurándonos que el elemento está aislado del circuito, que no recibe tensión y que no tocamos la parte metálica de las puntas de prueba con los dedos. En uno de los polímetros que se exponen, bastará con ir eligiendo la escala adecuada para realizar la medición.

Figura 5.29.

Medición de resistencias.

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Formación Abierta

En el otro modelo de polímetro, deberemos pulsar además de la escala que seleccionemos, la primera tecla, para indicar que la medición que deseamos realizar es de resistencia y no de diodo. La última de las teclas, también deberá de estar pulsada, indicando así que la medición que vamos a realizar es de resistencia y no de tensión.

Figura 5.30.

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Medición de resistencias.


5.4.3.

05

Comprobación de diodos

Un diodo es un elemento semiconductor, que deja pasar la corriente en un solo sentido. Lo comprobaremos en dos posiciones. Realizaremos una comprobación y a continuación cambiaremos las puntas de prueba en los terminales del mismo, en un sentido nos tiene que marcar un valor, y en el otro sentido debe permanecer el polímetro en bloqueo, esto indicará que el diodo es correcto.

Figura 5.31.

Comprobación de diodos.

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Formación Abierta

Para realizar la comprobación con el otro polímetro, la tecla selectora (diodoresistencia), deberá estar sin pulsar. Las comprobaciones serán las mismas que anteriormente se han indicado.

Figura 5.32.

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Comprobación de diodos.


5.4.4.

05

Tensiones en corriente continua y alterna

Para la medición de tensiones, los cables de prueba, permanecerán conectados en las mismas bases de enchufe que para la medición de resistencias. Seleccionaremos la escala superior si no conocemos el alcance de la medición en la zona según corresponda, Continua o Alterna. Evitaremos tocar con los dedos las puntas metálicas de los cables de prueba, sobre todo para evitar accidentes.

Figura 5.33.

Medición de tensiones.

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Formación Abierta

En el otro polímetro, recordemos que deberemos actuar sobre el teclado selector de AC y DC, en el caso de la batería deberá estar sin pulsar (DC). También sobre la tecla que selecciona V/Ω, debiendo permanecer en ambos casos C.A. y C.D. sin pulsar.

Figura 5.34.

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Medición de tensiones.


05

Recordemos que en cualquiera de los polímetros digitales, en la medición en Corriente Continua, si la polaridad está invertida, en la pantalla aparecerá un signo (-) menos, delante del valor medido.

Figura 5.35.

Medición de tensión con polaridad invertida.

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Formación Abierta

5.4.5.

Intensidades en corriente continua y lterna

Para realizar la medición de intensidades, recordemos que si se desconoce o la intensidad a medir es superior a 2 A. entonces, deberemos emplear la base de conexión correspondiente a 20 A. Ajustaremos el selector, según corresponda a C.C. o C.A. Tendremos también en cuenta que el polímetro, deberá de intercalarse en serie en el circuito.

Figura 5.36.

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Medición de intensidades superiores a 2 A.


05

En el otro polímetro, recordemos que deberemos seleccionar si se trata de corriente continua o alterna y para intensidades superiores a 2 A, únicamente disponemos de una escala, la correspondiente a 20 A. El interruptor correspondiente a la selección de tensión, intensidad o resistencia, deberá encontrarse sin pulsar.

Figura 5.37.

Medición de intensidades superiores a 2 A.

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Formación Abierta

Para mediciones inferiores a 2 A. Emplearemos la base de conexión correspondiente, pudiendo emplear entonces todas las escalas, tanto en corriente continua como en corriente alterna.

Figura 5.38.

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Medición de intensidades inferiores a 2 A.


05

En el caso del otro polímetro procederemos de la misma forma, pudiendo utilizar también cualquiera de las escalas. Recordemos que si el polímetro se bloquea debemos subir la escala. Lo mismo que ocurre en la medición de tensión, cuando introducimos la polaridad invertida, ocurre con la intensidad, aparece el signo (-) delante de la cifra indicada en la pantalla.

Figura 5.39.

Medición de intensidades inferiores a 2 A.

Para la medición de intensidades en corriente continua, generalmente, el polímetro se conecta en función del sentido que lleva la corriente. En los casos donde medimos la intensidad que circula por un circuito o elemento, nos es indiferente la polaridad que conectemos, pues únicamente lo que hacemos es medir la corriente que circula.

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Formación Abierta

5.4.6.

Condensadores

Algunos modelos de polímetros, sobre todo los empleados en electrónica, nos ofrecen la posibilidad de poder comprobar la capacidad de algunos condensadores, sobre todo condensadores de bajo valor. Disponen de un pequeño conector con dos entradas donde se alojan los terminales del condensador a comprobar. Con el conmutador rotativo, se ajusta en la escala (Cx) y se pone en funcionamiento el polímetro. En la pantalla, nos indicará el valor de la capacidad de dicho condensador.

Figura 5.40.

5.4.7.

Comprobación de condensadores.

Transistores

Los transistores son unos elementos semiconductores, que disponen de tres terminales, denominados: Emisor, Colector y Base. Se presentan bajo dos formas de unión PNP y NPN. Sabiendo estos datos sobre el transistor que vamos a comprobar, podemos introducir sus terminales en los alojamientos correspondientes. Colocaremos el selector en (hFE) y en pantalla, nos aparecerá la ganancia del transistor, es decir el poder de amplificación.

Figura 5.41.

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Comprobación de transistores.


05

5.5. Recomendaciones para el uso del polímetro Antes de realizar cualquier tipo de medición, deberemos de formularnos una serie de cuestiones, cuando tengamos más o menos claras las respuestas, entonces nos dispondremos a realizar las mediciones. Siguiendo estas pequeñas normas, no solamente protegeremos el aparato de medida, sino que también evitaremos el provocar accidentes o averías en las instalaciones. Reflexionar, después de medir, sobre las siguientes cuestiones:

•

¿Qué es lo que se va a medir?

•

¿Dónde se debe medir?

•

¿Cómo se debe medir?

•

¿En qué gama y escala?

•

¿Qué precisión necesitamos?

Esquema mental. Con las respuestas a las cuestiones anteriores, conviene que nos hagamos un esquema mental o escrito, de los pasos que debemos realizar. Sobre todo, conservar la calma, no precipitarse, una pequeña falta de atención puede producir perjuicios. En caso de magnitudes desconocidas, primero seleccionar las escalas más altas, y según vayamos observando iremos bajando las mismas. Tratar los instrumentos con cuidado, no solamente por forzar un gasto económico, es muy desagradable que después de un largo proceso de búsqueda de una anomalía, encontrarnos que el defecto está en el polímetro.

5.5.1.

Precauciones

Aunque a lo largo de todo el capítulo, hemos ido nombrando los pasos de utilización y las precauciones que debemos tener para cada medición, vamos a tratar de resumirlas y especificarlas. Asegurarnos de que el polímetro está ajustado a la magnitud que deseamos medir, Tensión, Intensidad, Resistencia, etc. Si se puede precisar y se conoce el tipo de corriente, ajustar el polímetro (AC. - DC.). Elegir la escala adecuada, de forma que no resulte bloqueado o dañado el polímetro y que nos de la mayor precisión posible.

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Formación Abierta

En las mediciones, no tocar las puntas metálicas de los cable de prueba con los dedos, en presencia de tensión, nos podremos llevar un desagradable susto. Si la medición es de resistencia o de intensidad, tengamos en cuenta, que nuestro cuerpo queda conectado en paralelo con el polímetro, falseándose así la medida real del circuito o componente. En medición de resistencias, asegurarse que no le llega tensión, bloquearía el polímetro. Nos aseguraremos que el elemento que vamos a comprobar, si está dentro de un circuito, al menos uno de sus extremos esté desconectado, de esta forma lo aislaremos del resto de los componentes. En mediciones de intensidad, conectar el polímetro en serie con el circuito. Si se conecta en paralelo, podría ser dañado el aparato, ya que su resistencia interna es muy pequeña y provoca un cortocircuito. Si la intensidad es superior a 20 A, el tester se bloqueará. Si la intensidad es alta pero no supera los 20 A, al permanecer largo tiempo conectado en el circuito, los cables de prueba pueden recalentarse. No crear muchos pliegues ni atirantar los cables de conexión, podrían cortarse parte de los hilos que forman el conductor. Es conveniente de vez en cuando, juntar las puntas de prueba y comprobar que su resistencia es mínima, aproximadamente suele ser de 0,3 ohmios. Si es superior en gran medida a esta cifra, comprobar la suciedad de las puntas y el estado de los cables de conexión. Por bajo precio, éstos pueden ser sustituidos, no es muy conveniente repararlos. Para facilitar las operaciones de comprobación y medición, los polímetros disponen de unas pequeñas pinzas de cocodrilo que se aconseja su empleo, de forma que las conexiones no fallarán, ni falsearán las mediciones. Además esto nos permite poder realizar otras operaciones mientras se efectúan las mediciones. Para una buena conservación de la pantalla de cristal líquido, es conveniente no golpearla ni ensuciarla, y sobre todo que entre en contacto con líquidos, bien sean corrosivos o no lo sean. Además conviene mantenerlo alejado de focos donde existan altas temperaturas. La pila interna que alimenta la circuitería del polímetro, es aconsejable que sea alcalina, se suele cambiar una vez al año como mínimo. Siempre estará en función de su empleo. Como ya se ha indicado, en algunos polímetros existe un símbolo que indica el nivel de carga de esta batería. En otros es fácilmente apreciable, porque los dígitos pierden capacidad de reflexión de la luz, viéndose de un color muy claro. Procurar desconectar el polímetro cuando no se utilice, sobre todo para su almacenamiento, esto evitará el desgaste de la pila.

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Polímetros


05

Si el fusible de protección del circuito medidor de intensidad se funde, hay que reponerlo con otro del mismo valor. No conviene colocar uno de valor superior, puesto que el polímetro podría sufrir una avería. Sustituirlo por uno de menor valor, supone perder posibilidades de empleo. Generalmente los fusibles empleados en los aparatos de medida, suelen ser rápidos.

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Formación Abierta

5.6. Medidas con polímetros Cuando utilizamos el polímetro tanto para medir tensión como para medir corriente se provoca una pequeña distorsión en la medida que debemos de conocer y evaluar la importancia que esto tiene. Para entender este concepto debemos considerar que un voltímetro y un amperímetro tienen un circuito equivalente formada por una resistencia. Para el voltímetro será una resistencia de muy alto valor (varios MΩ) y para el amperímetro un valor muy bajo (muy pocos ohmios o décimas de ohmio) Estos parámetros definen la calidad del polímetro, cuanto más alta sea la resistencia para el voltímetro de mejor calidad será este de igual forma cuanto más pequeña sea para el amperímetro. De hecho este suele ser un parámetro característico que suelen darnos los fabricantes. Supongamos que en el siguiente circuito queremos medir la tensión en la resistencia R2.

Figura 5.42.

Dispositivo de potencia genérico.

Si realizamos el cálculo de qué tensión debemos tener, podemos calcularlo como:

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En cambio si comprobamos con un polímetro la tensión que tendrá el circuito, este provocará una variación en la tensión por la resistencia interna que tiene el propio voltímetro.

Figura 5.43.

Circuito equivalente al conectar el voltímetro.

El hecho de conectar el voltímetro con una resistencia interna de 100K equivale a conectar en paralelo con la resistencia de medida (R2) una resistencia de dicho valor. Ahora podríamos volver a calcular el valor de la tensión.

Rx =

R1R2 10K ⋅ 100K = = 9,09K R1 + R 2 110K

Donde Rx es el valor equivalente del paralelo de R1 y R2 VR2 = V

Rx 9,09K =9 = 4,29K R1 + R 2 10K + 9,09K

Debemos de tener en cuenta que en la práctica los voltímetros suelen tener un resistencia interna mucho mayor que en el ejemplo que se ha propuesto, siendo valores típicos de varios MΩ. De la misma manera podemos comprobar que este efecto se produce cuando trabajamos con los amperímetros.

Figura 5.44.


Polímetros

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Formación Abierta

Para este caso podemos calcular la corriente que circula por el circuito. I=

V 10V = = 0,1A R1 100Ω

El hecho de añadir el amperímetro supone modificar el circuito añadiendo una resistencia en serie equivalente de un valor bajo.

Figura 5.45.


Si calculamos ahora la corriente que circula por el circuito, vemos que se ha reducido como consecuencia de añadir el amperímetro. I=

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Polímetros

V 10V = = 0,09A R1 + R 100Ω + 10Ω


05

• Resumen •

Polímetro es el aparato con el cual se pueden realizar diferentes mediciones como son: resistencias, tensiones e intensidades, tanto en corriente continua como en corriente alterna. Además de estas magnitudes básicas algunos polímetros están preparados para realizar otra serie de mediciones como pueden ser: capacidad de condensadores, ganancia de transistores, ciclo de trabajo, ángulo Dwell, número de revoluciones, etc.

•

Para la medición de resistencias, deberemos asegurarnos que el elemento a medir, no esté alimentado con tensión, desconectado de otros componentes, no tocar con los dedos a la hora de efectuar la medición ni los extremos del componente a medir, ni la parte metálica de las puntas de prueba.

•

En la medición de tensiones e intensidades, empezaremos siempre desde la escala más alta, si desconocemos el alcance de la medida. No ocurre así con la medición de resistencias, que se empieza desde la escala más baja. El voltímetro lo conectaremos en paralelo con el componente a comprobar, sin embargo el amperímetro deberá de estar en serie en el circuito.

•

La impedancia y la resolución son las características fundamentales de los polímetros bien sean analógicos o digitales. Aunque hay que tener en cuenta que tanto la impedancia como la resolución son mayores en los polímetros digitales, que permiten lecturas mucho más exactas, aunque no tan rápidos como en los analógicos. Otra gran ventaja de los polímetros digitales es que son más robustos y resistentes, sobre todo a los golpes y admiten la inversión de polaridad, tampoco influye para nada en la medición el desgaste de la pila interna de alimentación, con el analógico sí influye.

Polímetros

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06


Componentes electrónicos activos I


06

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 6.1. Estructura de los semiconductores .......................................................... 5 6.2. El enlace iónico ........................................................................................... 6 6.3. El enlace covalente ..................................................................................... 7 6.4. Conductores y semiconductores .............................................................. 8 6.4.1. Semiconductores .................................................................................. 8 6.4.2. Semiconductores intrínsecos ................................................................ 9 6.5. La unión PN ............................................................................................... 12 6.5.1. Los portadores de carga ..................................................................... 12 6.5.2. ¿Qué ocurre en la unión? ................................................................... 13 6.5.3. La barrera de potencial ....................................................................... 14 6.5.4. Polarización de la unión PN ................................................................ 15 6.6. El diodo semiconductor ........................................................................... 20 6.6.1. Curvas características......................................................................... 21 6.6.2. Parámetros importantes ...................................................................... 24 6.6.3. Tipos de diodos................................................................................... 25 6.6.4. Algunas aplicaciones y circuitos ......................................................... 27 6.7. El transistor ............................................................................................... 31 6.7.1. El interior de un transistor ................................................................... 31 6.7.2. Polarización de un transistor............................................................... 33 6.7.3. Polarización en emisor común ............................................................ 36 6.7.4. Efecto transistor y ganancia de corriente ............................................ 37 6.7.5. Curvas características de un transistor en emisor común .................. 41 6.7.6. Recta de carga de un transistor .......................................................... 43 6.7.7. Punto de reposo de un transistor ........................................................ 45 6.7.8. Zonas de funcionamiento de un transistor .......................................... 46 6.7.9. Presentación del transistor.................................................................. 48 6.7.10. Varios circuitos de polarización........................................................... 52 6.8. El transistor en conmutación................................................................... 59 6.8.1. Zonas de trabajo del transistor en conmutación ................................. 59 6.8.2. Tiempos de conmutación .................................................................... 60 6.8.3. Polarización del transistor en conmutación para NPN y PNP............. 60 6.8.4. Montaje en Darlington ......................................................................... 62


1

Formación Abierta

6.9. Montajes con transistores........................................................................ 64 6.9.1. Relé en colector .................................................................................. 64 6.9.2. Montaje en Darlington ......................................................................... 65 6.9.3. Mando relé con dos transistores NPN................................................. 68 6.9.4. Circuito con doble mando ................................................................... 70 6.9.5. Temporización al cierre de un relé ...................................................... 71 • RESUMEN .......................................................................................................... 75

2

Titulo unidad


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• Objetivos •

Identificar los componentes activos más importantes, diodos y transistores, comprobando el principio de funcionamiento físico.

•

Experimentar el comportamiento práctico de los diodos y transistores cuando están formando parte de circuitos de aplicación.

•

Estudiar los efectos que diodos y transistores tienen sobre las señales electrónicas, base fundamental para entender cómo se puede aplicar a la realización de montajes prácticos.


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Formación Abierta

• Introducción La electrónica es una ciencia de aplicación que a primera vista, sea por los comentarios que venimos oyendo desde hace muchos años, sea por la escasa formación, tiene fama de cosa complicada e intocable. La verdad es que no es lo mismo entender el funcionamiento de un motor o aplicación mecánica, donde las piezas y efectos se "ven" y se "palpan" físicamente, o una instalación hidráulica, donde el fluido se aprecia discurriendo por los conductos, que una tarjeta electrónica llena de circuitos integrados de aspecto negro siniestro (parecidos a los de Lord Vader) y acompañados por su corte de resistencias, condensadores, transistores y otros componentes de menor "rango". El secreto de la electrónica es el conocimiento de estos componentes, y como conocimiento queremos decir el estudiar y saber qué hacen en realidad con las señales electrónicas, cuál es su efecto sobre ellas y qué va a ser lo que obtengamos a la salida. Así, un transistor en amplificación consigue entregarnos una señal que es n veces más grande que la de su entrada, o un diodo recorta los semiciclos negativos de una señal alterna colocada en su entrada. Mezclando, intercalando y combinando estos componentes podemos llegar a producir efectos de temporización, control, cálculo, automatización, que conseguimos con las tarjetas electrónicas. Ya puede ver que el león no es tan fiero como lo pintan. Por otra parte se ha comprobado en la práctica que los transistores son el componente estrella de la electrónica por sus características y aplicaciones, algo parecido a la popular aspirina, que sirve para todo. Además, es muy fácil agruparlos de forma compacta en grupos llamados circuitos integrados, las renombradas "cucarachas" o "chips", asignándoles también a cada uno una función, más complicada, claro. Por consiguiente, se puede comprobar que nadie sabe la suficiente electrónica como para desentrañar el funcionamiento de una tarjeta electrónica, ni siquiera para reparar una avería. Lo que es más importante es disponer de una buena base y una buena cantidad de catálogos de casas comerciales, que son las que ponen en el comercio esas piezas que realizan una tarea determinada. No queda más que identificar el integrado o componente mediante las marcas que tiene, y decir "bien, este integrado es un 723 de la marca National Semiconductor, y realiza tal y tal cosa". En estas condiciones sí que se puede comprobar el funcionamiento de un circuito, chequearlo para comprobar una avería y lo que es más importante, diseñar nuestras propias aplicaciones con esos conocimientos.

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6.1. Estructura de los semiconductores Ya vimos en la unidad 1 alguna noción sobre la composición de los materiales, tema muy importante a la hora de entender el origen de la electricidad, como también lo es para los semiconductores. La diferencia con los materiales puramente conductores y aislantes los hace especialmente interesantes: su conductividad es función de parámetros que podemos manipular y no constructivamente de origen, sino solamente aplicando una tensión de valor y una polaridad adecuadas. La construcción de los semiconductores se realiza a partir de materiales muy abundantes en la corteza terrestre, en concreto de silicio y de germanio. La estructura de sus átomos forma una estructura rómbica, de las muchas que podría tomar.

Enlaces

Átomos

Figura 6.1.

Estructura cúbica.

Figura 6.2. Estructura rómbica correspondiente a los semiconductores.

Para construir la estructura, los átomos se unen formando los llamados enlaces. Gracias a los componentes semiconductores se ha conseguido el desarrollo tan espectacular de la electrónica, uniendo a su pequeño tamaño unas características técnicas muy buenas.


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6.2. El enlace iónico Se caracteriza por la cesión de electrones de un átomo a otro. El ejemplo más conocido es el cloruro sódico, o sea, la sal común. Un átomo de cloro, con siete electrones en su último nivel, se une con un átomo de sodio, con un electrón en su último nivel. El sodio cede su electrón del último nivel, u órbita, con lo cual el cloro alcanza la estabilidad. Ya se ha formado el ion cloruro (-) y el ion de sodio (+) al quedar este último con más protones pero con 8 electrones en su última órbita. Con ello adquieren la configuración electrónica del gas noble más cercano. Algunos materiales químicos tienden a ceder tres electrones de valencia para que en su penúltimo nivel queden 8 electrones. Otros, pertenecientes al grupo 5B absorberán estos tres electrones para quedarse en su último nivel con 8 electrones.

Los materiales se agrupan según el número de electrones de valencia que tienen en su última capa, formando el famoso sistema periódico. Unos tienen 5 (grupo 5B), otros 4, etc.

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06

6.3. El enlace covalente Se caracteriza porque los átomos comparten electrones. Los átomos de los materiales del grupo 4B forman enlaces covalentes al compartir 4 electrones con 4 átomos de su alrededor, consiguiendo 8 electrones en su último nivel, lo que les confiere la estabilidad de gas noble. Esta es la base de toda la teoría de la conducción de los semiconductores, además de la famosa Ley de Culomb: las cargas de distinto signo se atraen y las del mismo se repelen. Un ion positivo es un átomo con defecto de electrones y un ion negativo es un átomo con exceso de éstos. Cuando, en una estructura cristalina, un electrón abandona su lugar, deja una plaza libre que se denomina HUECO. Éste puede ser ocupado por otro electrón. En el desplazamiento de los electrones en la corriente eléctrica, dejan huecos detrás y ocupan huecos delante. El efecto es que los huecos se desplazan hacia el polo negativo y los electrones hacia el positivo.


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Formación Abierta

6.4. Conductores y semiconductores Ya sabemos lo que son cuerpos conductores y aislantes por su mucha conductividad o por su mucha resistividad al paso de la corriente.

Figura 6.3.

Sección de átomo.

En los conductores la resistividad aumenta con la temperatura.

Los materiales aislantes son aquéllos en los que se precisa liberar una gran cantidad de energía para provocar el paso de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción.

•

PAPEL, 40 a 100 KV./cm. de rigidez dieléctrica.

•

MADERA, 30 a 60 KV./cm. de rigidez dieléctrica.

•

MICA, 600 a 700 KV./cm. de rigidez dieléctrica.

•

VIDRIO, 60 a 120 KV./cm. de rigidez dieléctrica.

6.4.1.

Semiconductores

Los semiconductores a temperatura de cero absoluto no tienen electrones libres y se comportan como aislantes. Sin embargo, a temperatura ambiente se consigue la suficiente energía para liberar electrones de la banda de valencia a la de conducción. Los más conocidos y empleados son el germanio y el silicio. Los semiconductores se caracterizan por tener cuatro electrones en su última órbita, de manera que su estructura atómica esta formada por enlaces covalentes (compartidos).

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Los enlaces covalentes mantienen ligados los electrones de manera que tan sólo es posible liberarlos mediante la aplicación de energía. Un hueco es la ausencia de un electrón en la estructura de enlaces. En un semiconductor puro o intrínseco todos los electrones forman parte de los enlaces y la ausencia de uno de ellos provoca un hueco.

Un hueco es la ausencia de un electrón en la estructura de enlaces.

6.4.2.

Semiconductores intrínsecos

Se denomina así a los semiconductores puros en los cuales la totalidad de los átomos son del mismo material semiconductor. A temperatura ambiente se liberan electrones, dejando huecos en su lugar de una forma aleatoria, ahora bien, si introducimos energía, provoca la ruptura de más enlaces covalentes. Los electrones más próximos al polo positivo de una pila, por ejemplo, son atraídos por éste y abandonarán su enlace. Los electrones más próximos al negativo de la pila son repelidos y se dirigen a través de los huecos al polo positivo. El efecto resultante es que los electrones se dirigen hacia el polo positivo y los HUECOS hacia el negativo. La corriente de un semiconductor está formada por los dos tipos de flujos: el de electrones en un sentido y el de huecos en sentido contrario. Los dos flujos anteriormente citados estarían compuestos por portadores de carga eléctrica, los electrones de negativas y los huecos, podemos considerarlos para mejor entendimiento, de positiva. Semiconductores extrínsecos Con el fin de aumentar la conductividad de los semiconductores denominados extrínsecos impurificados o dopados, se les añaden impurezas, que no son sino elementos de los grupos 3B ó 5B de la tabla de los elementos químicos. Según el tipo de impureza con la que han sido dopados los semiconductores se clasifican en tipo N o tipo P.


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Formación Abierta

Semiconductores extrínsecos tipo N Al sustituir dentro de la estructura de enlaces covalentes un átomo de silicio por uno de arsénico que, como sabemos, tiene no 4 sino 5 electrones de valencia, queda un electrón libre dentro del conglomerado, que a temperatura de cero absoluto se sitúa en un nivel discreto de energía muy próximo a la banda de conducción. Para liberarlo hace falta muy poca energía, de manera que a temperatura ambiente pasa a la banda de conducción.

GRUPO 5B: {

ANTIMONIO Sb.

{

FÓSFORO P.

{

ARSÉNICO AS.

Figura 6.4.

Semiconductor tipo N.

Al cristal así formado se le denomina semiconductor extrínseco de tipo N, y las impurezas pentavalentes reciben el nombre de impurezas donadoras, por la cualidad del cristal resultante de donar electrones. La mayoría de portadores existentes en el semiconductor tipo N, son los electrones que reciben el nombre de PORTADORES MAYORITARIOS. El número de huecos es muy reducido y se les denomina PORTADORES MINORITARIOS. Los portadores mayoritarios proceden de la ionización de las impurezas, mientras que los minoritarios proceden siempre de la ruptura de enlaces covalentes. Semiconductores extrínsecos tipo P Si a un semiconductor puro se le añaden impurezas del grupo 3B, como el aluminio (Al), el galio (Ga), el boro (B) o el indio (In) que tienen tres electrones de valencia se obtiene un semiconductor tipo P. Aparece un HUECO en la estructura molecular del enlace que realizará la misión junto con los otros huecos de ser los portadores mayoritarios de este tipo de cristal.

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Los portadores mayoritarios proceden siempre de la ionización de las impurezas, mientras que los portadores minoritarios se originan siempre por la ruptura de los enlaces covalentes. Aunque los dos cristales P y N tienen estructura eléctrica neutra, al tener todos sus átomos el mismo número de electrones que de protones, se acostumbra a decir que el cristal P es positivo y el N es negativo. Al aplicar tensión a un semiconductor de tipo P cuyos portadores son los huecos, el polo positivo de la fuente de alimentación inyecta huecos que repelen a los portadores mayoritarios del cristal. Éstos se desplazan del polo positivo al negativo de la fuente de alimentación, donde son absorbidos por el negativo.

Figura 6.5.

Semiconductor tipo P.

También podemos decir que el positivo absorbe electrones que son inyectados por el negativo y atraviesan el cristal a través de los huecos.


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Formación Abierta

6.5. La unión PN Cuando verdaderamente se apreció la eficacia y utilización que tienen los semiconductores fue cuando se unió físicamente, poniendo uno junto a otro, dos semiconductores, uno P y otro N: Zona de unión

N

P

Cristales Figura 6.6.

Unión PN.

Donde verdaderamente ocurren los fenómenos es en la zona de unión, de la que hablaremos en las próximas páginas, y que es el resultado de la conexión de los dos cristales semiconductores.

6.5.1.

Los portadores de carga

Hemos hablado hace escasos momentos del efecto de introducir impurezas en un semiconductor, obteniendo dos tipos de cristales: Cristal P Los huecos son los portadores mayoritarios, y proceden del grupo 3, aceptadores. Los electrones son los portadores minoritarios y proceden de rupturas accidentales de los enlaces covalentes. -

-

-

aceptadores -

-

huecos -

-

-

semiconductor

Figura 6.7.

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Cristal P.

-


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Cristal N Los electrones son los portadores mayoritarios y proceden de la ionización de las impurezas donadoras. Los huecos serán los portadores minoritarios y proceden de la rotura de enlaces covalentes. +

+

donadores

+

+

+

+

+

electrones +

+

+

semiconductor

Figura 6.8.

Cristal N.

Lo más importante es entender que en un cristal tipo P abundan los huecos, y en uno de tipo N, son los electrones la mayoría. Por otra parte ha de quedar claro que ambos cristales son eléctricamente neutros, es decir, existe el mismo número de electrones que de protones en la estructura cristalina. Los portadores minoritarios de cada clase en un determinado cristal producen efectos despreciables y generalmente se desestiman en aplicaciones prácticas.

Cristal P. Portadores mayoritarios: huecos. Cristal N. Portadores mayoritarios: electrones.

6.5.2.

¿Qué ocurre en la unión?

Como hemos comentado, ambos cristales son eléctricamente neutros, sólo que en uno de ellos sobran electrones y en el otro huecos. Esta estructura afecta únicamente a sus propiedades y comportamiento químico. Por ese exceso de portadores de carga, cuando unimos los dos cristales comienzan a ocurrir interesantes fenómenos eléctricos en la zona de unión, que rápidamente pasaremos a analizar.


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Formación Abierta

6.5.3.

La barrera de potencial

¿Por qué ambos cristales son neutros si cada uno tiene exceso de una cosa? Pues porque en el N, a cada electrón libre de carga negativa le corresponde un ion donante, cuya carga es positiva. Asimismo, en un cristal P, a cada hueco con carga positiva se le puede asociar un portador con carga negativa. Es en la unión, cuando los electrones más fronterizos del cristal de tipo N se ven atraídos por los huecos del cristal P y atraviesan la unión para recombinarse.

N

Huecos + -

-

P

+ -

-

-

+

-

Electrones

Figura 6.9.

Paso de portadores mayoritarios (electrones) del cristal N al P.

La ausencia de esos electrones en el cristal N origina una ionización en el cristal N, que se quedará cargado positivamente. El cristal P, como adquiere esos electrones de carga negativa, se ionizada de carga negativa. Poco a poco los electrones más próximos a la unión (ya no sólo los de la primera fila) se irán pasando al cristal P para seguir recombinándose. Como sabemos, las cargas de igual signo se repelen, de manera que los electrones que se recombinan van calando cada vez más fuerte en el cristal P, hasta que son capaces de rechazar a los que todavía quedan en el cristal N. Aunque su deseo de pasar es muy fuerte, llega un momento en el que esto es imposible, estableciéndose un equilibrio que se traduce en la aparición de un campo eléctrico asociado a la barrera que se opone a su flujo.

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V

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N +

-

+

-

P

+ -

+

-

+

-

Electrones que ya no pueden saltar y son rechazados Figura 6.10.

Campo eléctrico asociado a la barrera.

El potencial formado se denomina potencial de barrera, o potencial de contacto, y oscila, según la temperatura, la unión y la naturaleza de los cristales, entre 0,3 y 0,7 voltios. Zona P

Zona N -

+ -

+

-

+ -

+

-

+

V Figura 6.11.

6.5.4.

Germanio 0,3V Silicio 0,7V

Diferentes tensiones en la barrera.

Polarización de la unión PN

Hemos comentado el equilibrio a que llega una unión PN. Los electrones del cristal N no son capaces de "saltarla" por sí mismos, y la barrera se estabiliza. La única manera de que esos electrones "salten" es mediante el aporte de energía desde el exterior. Para, se les aplica una pequeña operación: se les conecta una fuente de tensión externa. Con esto, que se llama "Polarización de la unión PN", conseguimos unos nuevos efectos en la unión que vamos a ver a continuación


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Formación Abierta

Polarización directa Es una de las formas de conectar la fuente de tensión a la unión. Se trata de conectar el polo positivo de la pila al cristal P, y el negativo al cristal N.

IF P

N

Huecos Electrones

VF Figura 6.12.

Polarización directa.

En estas condiciones, el polo negativo de la pila suministra electrones al cristal N (cuyos portadores mayoritarios son los electrones) y el positivo inyecta huecos o recoge electrones del cristal P. De esta forma, los electrones existentes en el cristal N se ven repelidos con la suficiente fuerza como para saltar la barrera y alcanzar los huecos del cristal P. En estas condiciones vemos que aparece una corriente eléctrica a través de la unión PN, se trata de un circuito eléctrico cerrado, siendo así solamente cuando el potencial de la polarización exterior alcance y supere el potencial de la unión. Así, por ejemplo, una unión PN de Silicio (0,7 V de tensión de barrera) polarizado directamente permitirá el paso de la intensidad de corriente al aplicarle una batería de más de 0,7 V. En caso contrario no existirá intensidad Podemos dibujar el circuito de prueba: Tensión variable de 0V a 12V.

+ V12V

P

R

Figura 6.13.

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V

Lectura en amperimetro.

N

+

A

Conducción en polarización directa.



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Para ver los efectos de la tensión, se va variando el valor de la resistencia R, lo que implica una variación de la tensión aplicada a la unión PN de 0V a 12 V, y realizando lecturas en el amperímetro. Como ya adivinará, existe un intervalo de tensión donde prácticamente no tendremos corriente. La curva quedará como sigue: I F (m A) IF

VF (V)

0,7V

Figura 6.14.

Gráfica tensión/corriente.

Representamos la corriente directa (Forward Courrent, IF) y la tensión directa (Forward Voltage). Se aprecia un aumento muy grande de la corriente a partir de 0,7V, siendo muy pequeña en intervalos anteriores. Polarización inversa Si colocamos el polo positivo de la pila al lado N y el polo negativo al lado P, la unión queda polarizada inversamente. Huecos Electrones

P

Figura 6.15.

N

Polarización inversa.

En esta conexión, el polo positivo de la pila absorbe los electrones existentes en el lado N, y el polo negativo absorbe los huecos del lado P. Puede considerarse como un retirada o aniquilación de los portadores mayoritarios conseguidos de antemano en cada cristal.


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Formación Abierta

El hecho es que se ha producido un ensanchamiento de la barrera de potencial, que en la práctica alcanza el mismo valor que el de la batería, en estas condiciones es muy difícil, por no decir imposible, saltarla, y la corriente es nula, comportándose la unión como un circuito abierto. Si por efecto de la temperatura se genera algún portador minoritario (electrones en el cristal P o huecos en el N), se ve repelido por el polo de la pila de carga eléctrica de igual signo, saltando la barrera para ser absorbido por el polo contrario. Así puede crearse una pequeña corriente que se suele denominar corriente de fugas o corriente inversa de saturación. La corriente de fugas es un parámetro indeseable pues si lo que realmente queremos es cortar una corriente, cuantos menos electrones se cuelen, mejor. Por eso en semiconductores se suele emplear más el material silicio que el germanio, pues este último es más sensible a la temperatura y permite el paso de más corriente de fugas en polarización inversa. Y en cuanto a la resistencia de la unión, ¿es tan potente como para no permitir el paso de corriente en ninguna circunstancia? ¿Nada ni nadie puede romperla? La unión PN polarizada inversamente tiene un límite, y puede romperse si el potencial aplicado aumenta mucho, produciéndose un efecto al que han bautizado de forma muy acertada: se trata del efecto avalancha. Al aplicar mucha energía con el potencial de la pila, los portadores minoritarios (electrones en el cristal P) pueden acelerarse y chocar con otros átomos, rompiendo los enlaces y originando otros portadores que, a su vez, destruyen nuevos enlaces. Las matemáticas son muy indicativas en este tipo de progresiones, de tal manera que en un momento puede destruirse la unión y producirse una corriente de polarización inversa. En este caso ya no hay marcha atrás, despidiéndonos para siempre de la unión PN, a la que hemos torturado tan impunemente.

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Podemos imaginar el circuito eléctrico de polarización inversa como una máquina de torturas para la unión PN y obtener la nueva respuesta: tensión variable de 0V a VR + V VR

N

lectura en am perím etro.

+ A

P

R

VR

C ircuito.

tensión de ruptura

C urva de respuesta

IR Figura 6.16.

Corrientes en polarización inversa.

Siguiendo con términos muy apropiados, se llama tensión de ruptura a la que produce la destrucción de la unión, parámetro muy importante y a tener en cuenta cuando vayamos a un comercio a comprar un semiconductor. Hasta aquí hemos visto la filosofía y teoría de funcionamiento de los semiconductores, su forma de actuar y sus posibilidades. A continuación estudiaremos los componentes electrónicos que se construyen empleando esta tecnología.


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Formación Abierta

6.6. El diodo semiconductor El diodo semiconductor es el componente electrónico basado en semiconductores más sencillo. Su aspecto externo depende de las características del mismo, aunque generalmente los más vistos tienen forma cilíndrica negra con una franja blanca en un extremo. banda blanca

A

terminales de conexión metálicos

símbolo eléctrico A

K

cuerpo K Figura 6.17.

Figura 6.18.

El diodo (su forma externa).

Diodos normales.

Figura 6.19.

Diodos de potencia.

Su constitución interna es una unión PN simple encapsulada, con dos electrodos que se unen a los terminales de conexión. En la siguiente figura aparecerá gráficamente con su símbolo representativo para los circuitos.

Ánodo (A)

P

N (A)

Figura 6.20.

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(K)

Representación del diodo.

Cátodo (K)


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Los nombres que reciben los terminales son ánodo y cátodo. Como ya conocemos el funcionamiento de una unión PN, podemos intuir para qué va a servir el diodo y además resaltamos la importancia de diferenciar los terminales y la conexión del diodo.

6.6.1.

Curvas características

Sumergiendo un diodo en un circuito eléctrico, nos aparecen dos formas o resultados de polarización: inversa y directa, dependiendo de qué polos sean conectados a qué terminales. Con los mismos montajes que usamos para obtener las curvas características podemos probar el diodo. Polarización directa. +

V

Polarización inversa. -

+ +

A

V

-

-

+

A

IF Polarización directa conducción V. ruptura VR

VF 0,7V I. fugas

Polarización inversa IR

Figura 6.21.

Curva característica del diodo.

Como resumen de funcionamiento hay que decir que un diodo se asemeja a una válvula unidireccional, de tal manera que permite el paso de corriente cuando se encuentra directamente polarizado, quedándose con la tensión directa de polarización (siempre a tener en cuenta), y no permite el paso cuando se encuentra inversamente polarizado. En este caso, se comporta como un interruptor abierto. En circuitos de aplicación los diodos polarizados directamente deben tener una resistencia limitadora para su protección, pues una excesiva corriente directa también puede destruirlos. Vamos a ver esto con un ejemplo.


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Formación Abierta

Imaginemos un diodo polarizado directamente con una batería de 12 Voltios.

A 12V

Figura 6.22.

I

K

Diodo directamente polarizado.

El equivalente de este circuito será el siguiente:

diodo r

12V I

Vo Figura 6.23.

Circuito equivalente de un diodo directamente polarizado.

Donde Vo representa la tensión directa de polarización y r la resistencia interna que presenta la unión PN por construcción, denominada resistencia dinámica. Si realizamos un cálculo de intensidad tenemos: I=

12V − Vo 12 − 0,7 11,3V = = r r r

Debido a que la resistencia dinámica es muy pequeña, la intensidad puede ser de varios amperios, valor sin importancia en cálculos teóricos, pero que en montajes prácticos puede llevar a destruir la unión y a los terminales por la potencia disipada en su interior, siempre convertida en calor. Por ello los fabricantes aconsejan una corriente máxima de polarización directa, que no se puede sobrepasar, so pena de mal funcionamiento del diodo e incluso su destrucción.

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Por ejemplo, si un diodo tiene una intensidad directa máxima de 100 mA, tenemos que añadir resistencias limitadoras de alto valor, que al compararlas con la dinámica del diodo, lleven a despreciar ésta, mucho más pequeña. Así, el circuito quedaría:

12V = I·R + Vdiodo

I 12V

12V = R·I + 0,7

R

I= +

Diodo

-

0,7V

12 - 0,7 R

Para hacer circular una corriente de 50 mA, por ejemplo (funcionamiento normal del diodo del ejemplo), deberíamos colocar una resistencia de: 50 mA=

11,3 R

⇒R=

11,3 50 mA

= 226Ω

La polarización inversa no suele dar muchos problemas, teniendo o no resistencia limitadora. Si conectamos el diodo del ejercicio anterior de manera inversa, tenemos el siguiente circuito, su equivalente en la práctica:

I fugas 12V

R

Equivale en la práctica a

+

12V

Diodo

R + -

-

Figura 6.24.

I=0

Diodo

Diodo inversamente polarizado y circuito equivalente.


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Formación Abierta

Si aumentamos el valor de la tensión de polarización hasta el valor de ruptura, que también lo da el fabricante (por ejemplo 100 V para el diodo del ejemplo) el circuito quedará, en equivalencias, así:

I

R

V Diodo con la unión destruida

Figura 6.25.

Circuito equivalente de un diodo inversamente polarizado con la unión destruida.

La corriente sería ⇒ I =

V R

Acuérdese siempre del asunto de la polarización y del efecto de conducción o no conducción. Es el secreto de la potencia de los diodos.

Un diodo semiconductor permite el paso de corriente a través de él cuando está directamente polarizado, y no la permite en polarización inversa.

6.6.2.

Parámetros importantes

Todos los componentes electrónicos, como todas las cosas, tienen unos parámetros importantes que indican sus características, cuál es mejor que otro y cuál podemos utilizar en una determinada aplicación. Éstos son: Tensión directa umbral Tiene un valor de 0,7 V en silicio, y 0,3 en germanio Corriente inversa Generalmente suele ser despreciable aunque conviene observar que no es muy grande. Corriente directa Es la que soporta el diodo en conducción.

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Tensión inversa máxima Valor muy importante en aplicaciones en las que el diodo soporta a intervalos tensiones inversas.

6.6.3.

Tipos de diodos

Dicen que cada uno cuenta la historia según como le ha ido. En electrónica existen miles de componentes con sus características específicas para cada aplicación, aunque, por supuesto, en la práctica el uso se reduce a un par de tipos, más aún en el caso de unos componentes como los diodos. En general los que más se usan son los "diodos rectificadores", llamados así porque se usan mucho en labores de rectificación. Pero pedir en un comercio un diodo rectificador es como presentarse en un concesionario de coches y decir "quiero un diesel". Dentro de este abanico existen muchos modelos y en concreto el más empleado es el diodo rectificador 1N4007, fabricado por varias empresas de componentes. Como puede ver, nos hemos acercado más al modelo de diesel deseado. Esa marca identifica completamente al componente y suele ir rotulada en el cuerpo físico del diodo.

Figura 6.26.

Diodo comercial 1N4007.

Otro diodo de gran utilización en montajes electrónicos es el 1N4148, tiene una fabricación más cuidada y mejor respuesta a frecuencias elevadas, pero unas características de tensión inversa y corriente directa más reducidas. Para completar este repaso a los tipos de diodos comerciales vamos a poner a prueba su resistencia, mostrándole un ejemplo de características de diodos tal y como se muestran en los catálogos o "handbooks" de los fabricantes. Así pues un fabricante nos proporciona un catálogo donde podemos ver: Designación de componente

VR Max (V)

IF (A)

Tiempo de conmutación (ns)

Ptot.(W)

VF max (V) a IF (mA)

1N4148

75

0,15

4

0,1

1 a 10


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Formación Abierta

La verdad es que aparentemente es un poco difícil de comprender; el secreto consiste en "traducir" el significado de las siglas e indicaciones. Así, VR Max (V) indica tensión inversa máxima en voltios. Como podemos ver es 75 V. La IF representa la corriente directa máxima en A, el tiempo de conmutación en nanosegundos aparece debido a que el 1N4148 es un diodo de señal que se utiliza con señales de frecuencia elevada y debe responder a esos cambios rápidos de nivel. La potencia total (Ptot en vatios) que puede soportar la cápsula, y por último, VF máx. (V) a IF (mA) es la tensión directa máxima en voltios a una determinada corriente directa en mA. Otro caso se nos puede presentar como sigue: Designación de componente

VR Max (V)

IF (A)

Tiempo de conmutación (ns)

Ptot.(W)

VF max (V) a IF (mA)

1N4007

1000

1

1,1 a 10

5

D015

La tensión inversa se denomina aquí VRRM .Vemos que es sensiblemente superior a la del 1N4148, al igual que la IF (intensidad directa). Comprobamos también la IR (componente de fugas) a VRRM (1000V) viendo que es de sólo 5μA. El encapsulado, D015, indica la forma de la cápsula de una manera normalizada, tanto en medidas como en colores. Como ve, para nada indica algo acerca de los tiempos de conmutación. Con estos valores de VRRM e IF, el tiempo de conmutación de un diodo 1N4007 sería mucho mayor que el de 1N4148. Además, ¿no hemos dicho que el experto en conmutación es el 1N4148? .034 .028

(.86) (.71)

1.0 (25.4) MIN

.205 .160

(5.2) (4.1) .107 .080

(2.7) (2.0)

1.0 (25.4) MIN

Figura 6.27.

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Medidas normalizadas de un diodo 1N4007.



06

Muy bueno a altas frecuencias.

1N4148

Baja corriente directa. 1N4007

Alta tensión inversa. Malo a altas frecuencias. Alta corriente directa. Baja tensión inversa. Bueno para rectificar

6.6.4.

Algunas aplicaciones y circuitos

Lo mejor para entender el funcionamiento de los diodos es atacar varios ejemplos de aplicación. Veamos alguno. I Vcc 12V VD

VR

R 100K

VD1

D1 1N4007

VD2

D2 1N4007

Figura 6.28.

Diodos en serie.

Aplicando la Ley de Ohm tenemos: Vcc = VR + VD1 + VD2 VD1 + VD2 = VD; 0,7+0,7 = VD = 1,4 V Como podemos ver, la tensión de diodos en serie se suma como si de resistencias se tratase. Calculando la intensidad por el circuito tendremos: Vcc = R·I + VD I=

Vcc − VD 12 − 1,4 10,6 = 0,106 mA = = R 100K 100K


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Formación Abierta

Diodos en paralelo Cuando se necesitan corrientes elevadas y se dispone de diodos que no las soportan, es posible conectarlos en paralelo para que la corriente total se reparta entre ellos. I1

D1

I1 + I2 = I

I I

I2

I1 = I2 < I

D2

Figura 6.29.

Asociación de diodos en paralelo.

El montaje, que a primera vista no tiene problemas, no puede funcionar en la práctica debido a que resulta imposible que los diodos sean exactamente iguales, por lo que uno de ellos entra en conducción antes que el otro, provocando el bloqueo del que todavía no conduce. Para resolver este problema, se debe situar una resistencia de pequeño valor en serie con cada uno de los diodos. Así se compensa la escasa diferencia que puede existir en cuanto a tensión de umbral, y hace posible la conducción simultánea de ambos diodos. <0,5 Ω

D1

I1 I I

Figura 6.30.

I2 <0,5 Ω

D2

Corrección con resistencias del circuito de la anterior figura para su correcto funcionamiento.

Obtención de tensiones de referencia con diodos En ocasiones es necesario disponer de una tensión fija, sobre todo en circuitos eléctricos de precisión, para alimentar a una carga. Estas tensiones por lo general son distintas a las que suministra la batería o fuente de alimentación principal de nuestro circuito. Si obtenemos esa tensión mediante un divisor resistivo, corremos el riesgo de que pequeñas fluctuaciones de corriente varíen la tensión de alimentación. Vamos a ver esto con un ejemplo.

28



06

Disponemos de una tensión de alimentación (una batería, por ejemplo, en un vehículo) de 12 Vcc y deseamos alimentar un circuito electrónico (un cuenta kilómetros) a 1,4 V y 5mA, tal como aparece en la figura siguiente:

+Vcc 12V I2

R1 5mA

1,4V I1

Figura 6.31.

R2

Circuito

Circuito para obtener tensiones de referencia.

Para conseguir esa tensión puede plantearse un divisor de esas características iniciales, calculando las resistencias. Aplicando la Ley de Ohm tenemos: Vcc = VR1 + VR2 I2 = I1 + 5 mA Si fijamos I1 (voluntariamente) a 10mA, tenemos que I2 = 15 mA Y siguiendo con los cálculos: Vcc = R1·I2 + R2·I1;

R2·I1 = VR2= 1,4 V deseados

Vcc= R1·I2+1,4V;

12= R1·I2+1,4V

R1 = 12 − 1,4 = 12 − 1,4 =706 Ω; R2 = VR2 =

I2

15 mA

I1

1,4 = 140 Ω 10 mA

¿Cuál es el problema de este circuito? A pequeñas variaciones de la corriente de consumo o incluso de la fuente de 12 V, la tensión de 1,4 se desplazará de valor y peligrará el circuito. La solución es emplear diodos. ¿Se ha dado cuenta de que la tensión en bornas de un diodo no varía aun con las condiciones anteriores? Dependiendo de la tensión a fijar pondremos un determinado número de diodos, pudiendo combinar los rectificadores (0,7 V) con los de germanio (0,3V), para alcanzar tensiones de varios valores. El circuito sería el siguiente: Tensión a fijar 1,4V; Tensión directa diodos de Silicio 0,7V (1N4007).


29

Formación Abierta

Nº diodos =

1,4 = 2. 0,7 + Vc c 12V I2

R

5m A

1,4V 0,7V I1

Circ uito

0,7V

Figura 6.32.

Circuito para obtener las tensiones de referencia.

Si fijamos I1 a 1 mA (por debajo de la corriente máxima directa): Vcc= R·I2 + 1,4 V I2 = I1 + 5 mA Si I1= 1mA, I2 = 6 mA R = 12 − 1,4 = 1766 Ω

6 mA

Si la tensión a fijar fuera de 3,1 V, pondríamos 4 diodos de silicio de 0,7 V (total 2,8 V) y uno de germanio de 0,3: 0,7+ 0,7 + 0,7 + 0,7 + 0,3 = 3,1V. Lógicamente habrá tensiones muy extrañas que no podamos completar con diodos, aunque, seguramente, las podremos aproximar.

30



06

6.7. El transistor Abordamos en este punto el componente estrella de la electrónica moderna, el transistor. Existen diversos tipos de transistores. El que vamos a ver a continuación y con más extensión se denomina transistor bipolar. Las otras familias (MOS, FET, etc.) se tratarán en otros capítulos. Estos dispositivos electrónicos culminan los componentes activos por sus características y aplicaciones. Todos los montajes, funciones y circuitos electrónicos de cierta envergadura disponen de estos elementos ya sea de forma individual o por grupos funcionales, generalmente dentro de un chip o integrado. Así pues, el circuito integrado no es un nuevo componente, sino conjuntos de transistores unidos de forma especial para realizar un cometido. El aumento de la complicidad de los circuitos ha llevado a este desarrollo y al uso de los circuitos integrados. Pasemos pues a estudiar el transistor.

6.7.1.

El interior de un transistor

El transistor es un componente que basa su funcionamiento, al igual que el diodo, en los cristales semiconductores P y N, aunque para ser más exactos, emplea tres y no dos. Según las combinaciones que podemos conseguir tenemos dos configuraciones básicas: PNP y NPN, según cómo coloquemos los cristales. 1ª unión

P

N

P

N

P

N

2ª unión

Figura 6.33.

Cristales PNP y NPN.

Cada una de las zonas determinadas por los tres cristales se denomina de una forma, la cual obtendrá su razón de ser cuando estudiemos la polarización de este invento. Éstas son el emisor, colector y base, donde la base es la encargada de ejercer el gobierno sobre las demás.


31

Formación Abierta

Sería algo parecido a un sistema de riego, donde el caudal de una acequia principal pudiera ser controlado con el de otra más pequeña y además más fácil de manejar por su reducido valor (en cantidad de agua). DEPÓSITO DE COLECTOR

Acequia principal

DEPÓSITO DE BASE

COLECTOR

REGULACIÓN

EMISOR

Acequia secundaria

BASE

Alternador

Lámpara

CARGA

Figura 6.34.

Símil hidráulico de un transistor.

Como puede ver (el que tenga experiencia como hortelano tendrá ventaja), el caudal de la acequia principal puede ser regulado con el de la secundaria, aumentando la cantidad de agua que pasa por el emisor. El transistor todavía va más lejos que el símil y con la corriente de base es capaz incluso de "llamar" o "atraer" más corriente de colector. Salta a la vista que el caudal que circula por el emisor es la suma de los caudales del colector y la base. Esta propiedad es muy importante y refleja todo el funcionamiento del transistor.

Un transistor está formado por tres cristales semiconductores unidos, dando lugar a arquitecturas PNP y NPN.

32



6.7.2.

06

Polarización de un transistor

Vamos a ver cómo un transistor es capaz de realizar lo anteriormente expuesto con la corriente. La colocación de los cristales, como ya sabemos, origina la aparición de tres zonas, y el secreto, como siempre, consiste en la polarización adecuada de estas zonas, que es la siguiente: N

P

P

N

e

c

P

e

c

b

Figura 6.35.

N

b

Polarización adecuada de transistores.

Ya ve que la unión emisor-base debe estar directamente polarizada, y la unión colector - base inversamente. Veremos a continuación esto con más detalle. Polarización directa de la unión emisor de un transistor NPN La figura siguiente muestra una polarización directa de la unión emisor-base de un transistor NPN, mediante una batería de potencial Vee. El polo positivo se conecta con la base y el negativo con el emisor, consiguiendo el mismo efecto que si de un diodo se tratara. Barrera de potencial N emisor

P -

-

-

-

-

-

-

-

-

N colector

-

base

Ie

Vee

Figura 6.36.

Ib

Polarización directa de la unión emisor-base de un transistor NPN.

El negativo de la pila inyecta electrones en el emisor, con lo que los electrones de la primera fila (próximos a la barrera de potencial) adquieren la suficiente energía como para atravesarla y cubrir huecos en la base. Este efecto produce un aumento de electrones en la base, que son atraídos por el positivo de la pila.


33

Formación Abierta

Ya sabe que el potencial Vee de la pila debe ser superior a 0,7 V (potencial adquirido por la unión PN directamente polarizada). En caso contrario, la barrera es insalvable y no se produce tránsito de portadores.

Se crea pues una corriente de portadores real del emisor a la base (Ie =Ib), expresándose la misma idea si decimos que se produce una circulación de corriente base a emisor en su sentido convencional. Polarización directa de la unión emisor de un transistor PNP En este caso debemos montar el circuito de la figura siguiente. El polo positivo se encuentra conectado al emisor y el negativo a la base. En este caso el movimiento de electrones se produce de base a emisor. (Convencionalmente de emisor a base). Barrera de potencial P emisor

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

N -

-

-

-

-

P

-

colector

Ie Ib

base

Vee = 0,7V

Figura 6.37.

34

Polarización directa de la unión emisor-base de un transistor PNP.



06

Polarización inversa de la unión colector de un transistor NPN Esta polarización conecta el polo negativo de la pila a la base (tipo P) del transistor, y el positivo al colector (tipo N). Puede verse el montaje en la figura siguiente. La barrera de potencial aumenta. Diferencia de potencial = Vcc Ifugas N

P

emisor

N

-

-

-

colector

base

Vcc Figura 6.38.

Polarización inversa de la unión emisor-base de un transistor NPN.

En estas condiciones y como ya sabemos, los electrones del colector son atraídos por el polo positivo de la fuente Vcc, mientras que el polo negativo inyecta electrones en la base. Por esto la barrera de potencial de la unión aumenta hasta que su valor se hace igual a la tensión de la pila, impidiendo cualquier circulación de corriente a su través, excepto la corriente inversa de saturación (corriente de fuga). Polarización inversa de la unión colector de un transistor PNP En este caso debe cambiar el polo positivo de la pila a la base y el negativo al colector, por lo que este último inyecta electrones en el colector (P) y el polo positivo atrae electrones a la base (N). Únicamente tenemos la corriente inversa de saturación.


35

Formación Abierta

Aumento de la barrera de potencial Ifugas P

N

emisor

P

-

-

colector

-

base Vcc Figura 6.39.

6.7.3.

Polarización inversa de la unión colector de un transistor PNP.

Polarización en emisor común

Por fin parece llegar el final del calvario al que estamos sometiendo a los cristales P y N desde hace varios puntos, la polarización de un montaje NPN o PNP con dos polarizaciones, una inversa y otra directa, ofreciéndonos un efecto muy peculiar y maravilloso: el efecto transistor. Así pues, tomamos un cristal de tipo NPN, le conectamos una polarización directa emisor-base y otra colector-base, tal como aparece en la siguiente figura: Barrera de potencial

N emisor

P -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Ib

Ie

Vee ≅ 0,7V

Figura 6.40.

N -

-

colector

-

-

base

Ic

Vcc

Efecto de la doble polarización.

La polarización directa de la unión emisor implica una circulación de electrones de emisor a base. La polarización inversa de colector supone un desplazamiento muy pequeño de electrones de base a colector.

36



06

Como puede verse en la figura anterior, los electrones que proceden del emisor vienen con mucha velocidad gracias a estar la unión directamente polarizada. Es la llamada corriente de emisor. Esta virulencia de llegada, unida al hecho de que la base tiene un espesor muy pequeño comparado con el emisor y colector, hace que algunos electrones sean atraídos por la base, formando la corriente de base. El resto, más numerosos, atraviesan la base y se introducen en el colector, formando la corriente de colector. Todo lo dicho es válido para los transistores PNP, sólo que cambiará la forma de polarización. Este proceso de conducción se denomina efecto transistor y culmina las prestaciones electrónicas de los materiales semiconductores al ofrecernos el componente que basa su funcionamiento en este efecto: el transistor.

6.7.4.

Efecto transistor y ganancia de corriente

Volviendo a la figura anterior, el polo negativo de la pila Vee introduce electrones en el emisor. La base se hace cargo de ellos para rellenar los huecos que tiene. Sin embargo, estos electrones disponen de una energía tan elevada (velocidad) que muchos de ellos pasan de largo hacia el colector atraídos además por la pila Vcc. Para que este efecto se produzca con resultados palpables, artificialmente podemos incentivarlo haciendo que la base sea estrecha y esté poco dopada (facilidades para los electrones que circulan hacia el colector). También podemos hacer que el colector sea más grande y esté más impurificado, atrayendo y facilitando que los electrones vayan a él, algo parecido a lo de Jesucristo y los niños. Por otra parte, y ésta es una cuestión muy interesante para los circuitos con transistor, la Vcc debe ser bastante mayor que Vee. Resumiendo, cuantos más electrones atraviesen la base, mayor será la corriente de colector. Estamos llegando a la aplicación eléctrica del dibujo de las acequias. Una corriente de base es capaz de comandar a otra, de colector. Y lo que es más, la hace aumentar o disminuir a voluntad. Se suele decir de una forma más técnica, comparando con una resistencia variable, que el transistor es un dispositivo electrónico que varía su resistencia de la unión emisor a la unión de colector, de ahí recibe su nombre, transistor (Transfer Resistor).


37

Formación Abierta

Ic

Ic c

TRANSISTOR

c

TRANSISTOR

N Ib

Ib

P

b

N

e

R b

e

Ie

Figura 6.41.

Ib Ic Ie R

Ie

Representación de la transferencia de resistencia.

Intensidad de base Intensidad de colector Intensidad de emisor f (Ib) ↑Ib ⇒ ↓R ⇒ ↑Ic

El símbolo eléctrico de un transistor es el que aparece en la siguiente figura, dándonos bastantes pistas para entender su funcionamiento.

TRANSISTO R NPN

TRANSISTO R PNP

Ic b Ib

Ie

c

b

e

Figura 6.42.

Ie

Ib

e c Ic

Representación de un símbolo de transistor.

Como observará, las flechas de corriente ya tienen el sentido convencional, queriendo decir que realmente los electrones circulan en sentido contrario con respecto a lo que hemos estudiado hasta aquí. No se preocupe por eso y no le dé vueltas, quédese con el esquema de la figura anterior aunque ya sabemos que los electrones circulan en otro sentido.

38



06

Seguimos adelante. Si consideramos la corriente de base, o mejor aún, el circuito de base como circuito de entrada y el de colector como de salida, podemos definir una serie de parámetros muy importantes. Por otra parte, cabe destacar que llevamos explicando todo el rato el funcionamiento del transistor sobre un tipo de polarización, llamada de emisor común. Existen otros tipos de polarizaciones que no vamos a ver, pues ésta es la más utilizada. Es la respuesta a la típica pregunta: ¿cómo podemos conectar un transistor para que funcione? La más práctica y usada es la de emisor común, aunque debe saber que hay otras. Los parámetros de que hablamos son los siguientes y son debidos a que una "pequeña" corriente de base comanda o controla a otra "más grande" de colector: a.

Una pequeña tensión directa en la entrada origina una elevada tensión de salida. A esto se le denominará ganancia de tensión.

b.

Para una pequeña corriente de entrada, se obtiene una elevada corriente a la salida. Se trata de la ganancia de corriente.

CIRCUITO DE SALIDA EN COLECTOR Vc Vcc A

Vee

CIRCUITO DE ENTRADA Ve

Ic

Ib A

V Vce Vbe V 0,7V Ie A

CIRCUITO DE SALIDA EN EMISOR Ve

Figura 6.43.

Representación de los circuitos de entrada y salida de un transistor.


39

Formación Abierta

Para que un transistor funcione correctamente, debe estar polarizado.

¿Vemos algo en la figura anterior que no hemos comentado? Claro que sí. Tenemos la tensión base-emisor (Vbe) sobre todo. Esta última corresponde al potencial que se genera en esa parte del transistor cuando circula a través de él una determinada corriente, de forma que depende más de los circuitos externos de colector y emisor que del propio transistor. Lo verdaderamente importante es lo que se denomina ganancia de corriente, producida gracias al efecto transistor. Ya sabemos que una determinada corriente introducida en la base de un transistor correctamente polarizada origina un valor de corriente por colector determinada y que es función de la corriente de base. Pero, ¿cómo funciona?, ¿si sube una baja la otra?, ¿cuánto sube la de colector si sube la de base? Estas preguntas tienen respuesta si hablamos del parámetro más importante del transistor: la ganancia de corriente, también llamada β (beta) o hFE en algunos manuales. Este valor, característico de cada componente y particular de cada uno, es el que relaciona las corrientes, dando lugar a la ecuación fundamental que rige el efecto transistor en montajes como los estudiados: Ic = β · Ib Donde Ic es la corriente de colector, Ib la de base y β es el famoso parámetro relacionativo. En los transistores más comunes, la β oscila entre 50 y 150. Seguramente podrá determinar la corriente de colector de un transistor de β = 100 si circula una corriente de base de 0,5 mA: 50mA. También habrá adivinado que se cumple otra ecuación, tan importante o más: Ie = Ib + Ic Donde: le

Corriente de emisor

lb

Corriente de base

lc

Corriente de colector

Todos estos parámetros resumen el funcionamiento del transistor, y los fabricantes los resumen en unas curvas donde se advierten a primera vista los valores. A continuación vamos a estudiar alguno de ellos.

40



6.7.5.

06

Curvas características de un transistor en emisor común

Para estudiar el comportamiento de un transistor vamos a tomar el circuito de polarización más común y práctico, el de emisor. Debemos realizar el montaje de la figura siguiente, donde se encuentran reflejados y controlados todos los parámetros posibles.

A3 A P1 Rb Vbb

A1 A

b

Ib

Vbe

Rc

P2

Vcc

Ic

c Vce

e

V V2 Ie V1 V

Figura 6.44.

A2 A

Montaje para la obtención de las curvas características de un transistor.

Este circuito responde a una polarización completa y correcta con las tensiones continuas Vbb y Vcc, y las resistencias limitadoras de intensidad Rb y Rc. Los potenciómetros P1 y P2 hacen posible variar los valores de corrientes a voluntad, y así comprobar el funcionamiento. Debido a la cantidad de parámetros que hay, se suele dejar fijo uno, variar otro y comprobar los efectos en un tercero. Con estas situaciones alcanzamos a ver todas las combinaciones de interés, que son cuatro y se colocan en cada uno de los cuadrantes de un sistema de representación cartesiano: Isalida Cuadrante II

Cuadrante I

Ic = f(Ib) Vce = Cte.

Ic = f(Vce) Ib = Cte.

Ientrada

Vsalida Vbe = f(Ib) Vce = Cte.

Vbe = f(Vce) Ib = Cte.

Cuadrante III

Cuadrante IV

Figura 6.45.

Ventrada

Situación de las curvas de respuesta.


41

Formación Abierta

Dicho esto y efectuando las recomendaciones de cada cuadrante, se obtienen las fórmulas de curvas de la figura siguiente: Ic(mA)

CUADRANTE IIVce1

CUADRANTE I Ibn > Ib(n-1) ... ... ... ... Ib2 > Ib1

Vce2 > Vce1

Vce3 > Vce2

Ib1 = 0

Ib(μ A)

Iceo

Vce(V)

Ib1 Ib2 > Ib1 Ib3 > Ib2 Ib4 > Ib3 Ib5 > Ib4

Vce1

Vce2 > Vce1 CUADRANTE III

CUADRANTE IV Vbe (V)

Figura 6.46.

Curvas de un transistor en emisor común.

Expliquémoslas por cuadrantes de forma breve: Cuadrante I Expresa la variación de la corriente de colector (Ic) en función de la tensión colector-emisor (Vce) al mantener constante la corriente base. Como vemos, a grandes aumentos del valor de la Vce, le corresponden pequeñas variaciones de la Ic, para cada una de las corrientes de base indicadas. Comprobamos que afecta muy poco la tensión colector-emisor a la corriente de colector. Cuadrante II La genuina curva de corriente de colector en función de la de base a tensión colector-emisor constante. Aumentos de Ic corresponden a aumentos de Ib y viceversa. Cuadrante III Se trata de comprobar el valor de la tensión Vbe en función de Ib para Vce constante. Se trata de la polarización de un diodo de forma directa, de tal manera que este cuadrante carece de aplicación práctica. Cuadrante IV Estudiamos la tensión de base-emisor (Vbe) en función de la Vce, para Ib= constante.

42



06

En resumen, tenemos como curvas más importantes la del cuadrante I y II, que veremos más en profundidad a continuación.

6.7.6.

Recta de carga de un transistor

El circuito más común de montaje y polarización de un transistor es el siguiente.

VRc Ic

Rc c

Rb

b

Ib Vbe

e

Vce

Vcc

Vbb

Figura 6.47.

Polarización de un transistor.

Una vez puesto en funcionamiento, en todo momento debe cumplirse la ecuación siguiente, siguiendo la Ley de Ohm: Vcc= VRc + Vce Si VRc= Rc · Ic tenemos que: Vcc = Rc · Ic + Vce Así pues, como sabemos que la corriente de colector Ic depende de la de base y también Vcc es constante, cuando aumente la Ib, lo hará Ic y por consiguiente la tensión en Rc (VRc), en detrimento de la Vce, que disminuirá. En caso contrario, bajará Ib, Ic, y VRc, aumentando Vce.

Si se tiene presente la curva del cuadrante I, pueden definirse unas zonas de funcionamiento en el transistor que forman la llamada recta de carga, la cual podemos ver en la figura siguiente y cuyos puntos marcados como P1, P2 y P3 indican tres puntos de trabajo, uno para corriente colector máxima (lo que permita Rc para Vce = 0 a máxima corriente de base Ib), otro para Ib = 0 y otro para Ib de valor intermedio.


43

Formación Abierta

Ic(mA) Ib7>Ib6 Ib6>Ib5

P2 Icmax =

Vcc Rc

Ib5>Ib4 Ib4>Ib3 P3

Vce = 0

Ib3>Ib2 Ib2>Ib1

Icmed =

Ib1>Ib0 Ib0

Vcc 2 Rc

Iceo

Vcmed =

Figura 6.48.

P1

Vcc 2

Vce(V) Vcemax =Vcc Ic = 0

Recta de carga de un transistor.

Como hemos hecho anteriormente con los cuadrantes, estudiaremos qué ocurre en cada punto dichoso. Punto P1 La corriente de base es cero, con lo que lógicamente la de colector también lo será. Sin corriente por colector, la tensión colector-emisor alcanza su valor máximo, es decir, Vcc, ya que: Vcc = VRc · Ic + Vce Si Ic = 0; Vcc = Vce. Se dice que en este punto el transistor está en corte. Punto P2 La corriente de base alcanza un valor máximo, por lo que tenemos una corriente de colector bastante elevada. En este caso, al contrario del anterior, es la tensión en Rc la que se eleva hasta valores cercanos a Vcc, cumpliendo la ecuación: Vcc= VRcIc + Vce Si Ic es muy grande, VRcIc ≈ Vcc por lo que Vce ≈ 0 En estas condiciones el transistor alcanza un estado llamado de saturación.

44



06

Punto P3 La corriente de colector alcanza su valor medio entre el máximo y el mínimo, por lo que la tensión Vcc se reparte a partes iguales entre el colector y el emisor del transistor: Vce =

Ib =

6.7.7.

Vcc 2

= VRc

Ic β

Punto de reposo de un transistor

Se llama punto de reposo de un transistor o punto de trabajo a aquél de la recta de carga en el que se encuentra el transistor para unos determinados valores de Vce e Ic, determinados por los elementos del circuito de polarización. Generalmente se encontrará con montajes y problemas donde le pidan realizar o hallar el punto de reposo de un transistor. Lo único que deberá hacer (sin buscar el sitio donde duerme el transistor, claro) es calcular la corriente de colector y la tensión de colector-emisor. Al punto de reposo viene unido el concepto de potencia disipada por el transistor. Si bien sabemos que en una resistencia es el producto de la tensión en sus bornes por la corriente que la recorre, ¿cuál será el cálculo en el caso de un transistor? ¿Qué corrientes podemos emplear? Pues dado que la corriente de emisor es aproximadamente igual a la de colector, se puede despreciar la de base y calcular la potencia como el producto de la tensión colector emisor por la corriente de colector: W = Vce · Ic Donde: W

Potencia en Vatios

Vce Tensión colector-emisor en voltios Ic

Corriente de colector en amperios

No se asuste por el hecho de haber despreciado la corriente de base. Se encontrará muchas aplicaciones donde lo hacen y usted mismo, en la práctica, podrá hacerlo.


45

Formación Abierta

Si se fija en la ecuación: Ie = Ic + Ib Estamos sumando valores que son 100 ó 150 veces más pequeños (Ib =

Ic

β

),

pudiendo despreciar el más pequeño: Ie = Ic No lo tome como un mandamiento divino. Puede seguir realizando los cálculos como siempre y cuando tenga la suficiente experiencia, desprecie Ib.

6.7.8.

Zonas de funcionamiento de un transistor

Esta pregunta puede considerarse como un resumen al tema del transistor. Vamos a describir las zonas en las que el transistor puede ofrecernos sus favores de una manera u otra, con características y valores distintos. Si recuerda lo anteriormente descrito y mira la figura siguiente se pueden observar tres zonas de funcionamiento:

Zona de saturación.

Zona de corte o bloqueo.

Zona de trabajo o activa.

Ic(mA) Zona de saturación

Linea de saturación Zona activa

Vcc Rc

Zona de bloqueo Iceo Vce(V) Vcc

Figura 6.49.

Zonas de funcionamiento de un transistor.

Zona de saturación En esta región las tensiones de colector-emisor son muy pequeñas, prácticamente cero. Sin embargo, las corrientes de base y colector son las máximas permitidas para el correcto funcionamiento.

46



06

En estas condiciones tenemos el transistor comportándose como un circuito o interruptor cerrado. +Vcc Ic

Ic = máxima. Ib = máxima.

colector

base

Vce

0

Ib Ie emisor Figura 6.50.

Símil de un transistor en saturación.

Zona de bloqueo o corte La zona correspondiente a este estado implica que el transistor trabaja por debajo de la curva de Vcc para Ib ≈ 0. En estas condiciones, sin intensidad de base, la tensión de colector alcanza su valor máximo, es decir, el de Vcc, comportándose como un interruptor abierto. +Vcc Ic 0 base

Vce

Vcc

Ib = 0

Ie

Figura 6.51.

0

Símil de un transistor en corte.

Zona activa La zona activa es la más grande de las tres, y en ella coloca el transistor su punto de reposo para cualquier combinación de corriente de colector y tensión de colector-emisor.


47

Formación Abierta

Los dos estados extremos de funcionamiento de un transistor son el de corte y saturación.

Como hemos estudiado, en esta zona se cumple la relación de tensiones (reparto de Vcc) entre la resistencia de colector y el colector-emisor del transistor. En esta zona el transistor se encuentra trabajando en modo amplificación, mientras que cuando se encuentra en corte-saturación, se dice que trabaja en conmutación.

6.7.9.

Presentación del transistor

Hemos visto las maravillas que nos ofrece el transistor al aplicarle una polarización adecuada, cómo funciona en corte y saturación, cómo podemos controlar una corriente grande con una pequeña, etc. Pero nada de esto tiene valor si no convertimos el cristal semiconductor, NPN o PNP, en un componente electrónico. Debido a la extrema pequeñez de los cristales, es necesario recubrirlos de una protección, llamada cápsula, y, sobre todo, conectarles una serie de conductores, llamados pines o patillas, para comunicarlos con los demás componentes electrónicos y formar los circuitos. La siguiente figura le sacará de dudas. PARTE METÁLICA

SÍMBOLO DEL TRANSISTOR NPN

CÁPSULA PLÁSTICA

c

CRISTAL SEMICONDUCTOR

b P

e

N

PATILLAS O "PINES"

N AGUJERO PARA ATORNILLAR EL RADIADOR

e c

Figura 6.52.

b

Representación del transistor.

Salta a la vista la importancia de saber qué pin corresponde a cada terminal del cristal, es decir, colector, base o emisor. Los catálogos de componentes, como veremos, tratan el tema muy en serio, lógicamente, por lo que cuando tomemos un transistor de cualquier tipo, lo primero que debemos hacer es identificar sus terminales y por supuesto, si es NPN o PNP. Ahora veremos esto con más precisión.

48



06

La forma de la cápsula es muy importante también a la hora de identificar el componente dentro de un circuito. Además, sobre ella está serigrafiado o escrito el tipo de transistor, a modo de matricula de coche o DNI, y en formato alfanumérico. Este código de letras y números determina con precisión qué tipo de transistor es. Por ejemplo, el BC 547 es un transistor de tipo NPN de baja potencia y ese código está escrito en la cápsula:

BC547

b

c e

c

b

e

Figura 6.53.

BC547. Cápsula y símbolo.

Existe en el mercado multitud de cápsulas distintas en su forma y características. No se preocupe porque las que más se utilizan están perfectamente normalizadas y son pocas. Sus características y naturaleza dependen sobre todo de la potencia que va a disipar el componente en funcionamiento. Así, por ejemplo, los transistores, utilizados en señales de bajo nivel suelen tener la cápsula de plástico, mientras que los de potencia son metálicos, para evacuar más fácilmente el calor generado en su interior por el paso de electricidad. Vamos a dar un repaso a los tipos de cápsulas más utilizadas actualmente. Cápsula TO92 Se llama así a la de la siguiente figura. El transistor que más la utiliza es el BC547 en NPN.

Figura 6.54.

Transistor BC547 en cápsula TO92.


49

Formación Abierta

Cápsula TO18 Ésta es también muy utilizada por transistores de baja potencia, siendo metálica. Dispone de un saliente que determina la colocación de las patillas de una determinada manera para identificar el colector, base y emisor.

b2

1 e 3 c

Saliente Cápsula TO18

Figura 6.55.

Transistor PNP 2N2218 en cápsula TO18.

Un usuario común de la TO18 es el transistor PNP 2N2218 de baja señal. No se preocupe demasiado por las palabras en inglés. Las hemos colocado para que se vaya acostumbrando a ellas ya que la mayoría de los catálogos no se encuentran escritos en cristiano. Aparte de "inches" (pulgadas), "within" (entre), las demás creemos que puede entenderlas intuitivamente. Cápsula T03 Es el tipo de cápsula más utilizada por los transistores de potencia. Es de tipo metálico y su forma difiere claramente de las demás anteriormente estudiadas, como aparece en la siguiente figura. Observe la forma de identificar la base y emisor con la nota (D>d). El colector es la propia cápsula metálica.

1

cápsula 1.- Base. 2.- Emisor. 2 Cápsula = Colector.

Cápsula TO3 Figura 6.56.

Transistor NPN 2N3055 en cápsula TO3.

Habrá observado que en este modelo sólo existen dos patillas o pines, correspondiendo a la base y al emisor. ¿Dónde tenemos el colector? Pues tratándose de transistores de cierta potencia, donde la corriente de colector puede ser de varios amperios, el terminal de colector se toma de la propia cápsula, conectándolo internamente. Por ello, cuando necesitamos disponer de él se suele colocar un conector exterior con un tornillo sujeto a los agujeros que al efecto aparecen en la cápsula T03. Estudie la siguiente figura y verá qué sencillo.

50



06

Tornillo Tornillo

Aro metálico

Cable

Cápsula Cable 2N3055

Colector

Emisor Ficha o aro metálico

Soldadura

Patillas Tuerca

Base

Figura 6.57.

Conexión de un transistor de cápsula TO3.

Si miramos en la tabla de la figura anterior observamos que el diámetro del agujero marcado como P es de 4 mm, por lo que quedan determinados los grosores de los tornillos, por ejemplo uno de métrica 3,5 sería ideal. Cápsula TO126 Por último tenemos este tipo, menos utilizado que los anteriores. Por ejemplo, el SC4137 lo emplea y puede verse en al figura siguiente.

Figura 6.58.

Cápsula TO126.

Con la información planteada quedarán pocos transistores que no pueda identificar, por lo menos en lo que a cápsula se refiere. Si se fija encontrará por alguna parte una cifra que pronto le será familiar. Leerá 2N2894, 2N3055, BC547, 2N222, etc. Cada una de estas claves coincide con un tipo de transistor de unas determinadas características, las cuales se suelen mirar y comparar en los "handbooks" o manuales que los fabricantes distribuyen y facilitan en cualquier comercio de electrónica, o ellos mismos directamente.


51

Formación Abierta

Por ejemplo si usted consigue un catálogo del transistor 2N3055, verá en primer lugar la cápsula (T03) y el componente que contiene. Además, aparecen una serie de valores eléctricos máximos que soporta en condiciones extremas, y otros más de funcionamiento normal, pero eso sí, en perfecto inglés: Símbolo

Parámetros

Valor

Unidad

VCBO

Voltaje Colector-Base (IE = 0)

100

V

VCER

Voltaje Colector-Emisor (RBE = 100 Ω)

70

V

VCEO

Voltaje Colector-Emisor (IE= 0)

60

V

VEBO

Voltaje Emisor-Base (IC = 0)

7

V

IC

Corriente de Colector

15

A

IB

Corriente de Base

7

A

Ptot

Potencia total a TC ≤ 25ºC

115

W

Tstg

Temperatura de almacenaje

65 a 200

ºC

Tj

Máxima temperatura de la operación de unión

200

ºC

Intuitivamente podemos adivinar qué significa cada cosa. Veremos que Ic, intensidad de colector es de 15A y la Ptot, potencia total para temperatura de cápsula (Tc) ≤ 25°, es de 115 W, valores nada despreciables. Por algo estamos hablando de un transistor de potencia. Las dos últimas líneas corresponden a las máximas temperaturas admitidas por la cápsula y la propia unión interna NPN para un óptimo funcionamiento. Puede encontrarse otros valores que poco a poco irá conociendo. Con la experiencia adquirirá cada vez más información de los componentes electrónicos, base fundamental para crear sus propios diseños.

Los transistores suelen presentarse en varios tipos de cápsulas. Las más importantes son la TO92 y la TO3.

6.7.10. Varios circuitos de polarización El funcionamiento correcto del transistor implica una colocación o conexión con respecto a los demás componentes del circuito, y más especialmente con la alimentación. Recuerde la pregunta de la polarización de la unión y el efecto transistor, donde se explicaba que las corrientes de base, emisor y colector se generan si los polos de las baterías están colocados correctamente.

52



06

En los transistores NPN (por diferenciarlos de los PNP) la corriente siempre debe introducirse por el colector (hablamos de corrientes en sentido convencional) y sale por el emisor, por lo que el colector debe ser más positivo que el emisor. De igual manera, la corriente de base debe provenir de una fuente más positiva que el emisor. Para suavizar el problema, vamos a comentar a continuación la existencia de unos circuitos de polarización pensados para mantener el transistor en funcionamiento y en el punto de reposo deseado. Estos circuitos se vienen usando desde siempre y los encontrará en numerosas aplicaciones. Polarización por resistencia de base Este tipo de polarización corresponde al siguiente circuito:

Ic Rb Vbb

Figura 6.59.

Ib

Vbe

Rc

VRc

T

Vce

Vcc

Ic

Polarización por resistencia de base con dos fuentes.

El sentido convencional de la corriente indica una circulación del polo más positivo al más negativo de la alimentación. Fíjese, en el circuito, cómo la Ic debe entrar por el colector y salir por el emisor (flecha indicativa del componente). Asimismo, la Ib debe entrar por el terminal base, sumarse a la Ic y salir también por el emisor. Comprobamos que las polarizaciones de las baterías se encuentran colocadas correctamente:

Colector más positivo que emisor.

Base más positiva que emisor.

¿Para qué queremos las resistencias? Pues aparte de limitar la corriente y evitar destrozos en el componente, con ellas podemos, gracias a los distintos valores que pueden tomar, ajustar el punto de reposo del transistor a voluntad.


53

Formación Abierta

En la práctica las fuentes de tensión de la anterior figura suelen reducirse a una sola, quedando el circuito como sigue:

+Vcc Rb

Ic

Rc

VRc

Vce Ib

Figura 6.60.

Vbe

Montaje práctico de una polarización para resistencia de base.

Compruebe cómo las condiciones de polarización siguen manteniéndose. ¿Cuáles son los valores que podemos ajustar con este montaje? Ya sabe: el punto de reposo, la tensión colector-emisor y la intensidad de colector, según las ecuaciones siguientes: Vcc = VRc + Vce ⇒ Ecuación de colector Vcc = VRb + Vbe ⇒ Ecuación de base Desarrollándolas tenemos: Vcc = Rc · Ic + Vce Vcc = Rb · Ib + Vbe Las cuales junto a las siguientes permiten el control de la situación paramétrica del transistor. Ic = Ib · β Ie = Ic + Ib Pongamos un ejemplo: en un transistor montado en polarización por resistencia de base se desea que exista una tensión colector-emisor de 5V, y una corriente de colector de 50mA. ¿Qué resistencias debemos colocar si tenemos β = 100 y la tensión de alimentación es de 12V? Vbe = 0,7V. Vcc = VRc + Vce VRc = Vcc - Vce = 12 - 5 = 7V

54



06

VRc = Rc · Ic ⇒ Rc = VRc = 7V = 140 Ω Ic 50mA Vcc = Rb · Ib + Vbe Ib = Ic = 50mA = 0,5 mA

β

100

Rb = Vcc − Vbe = 12 − 0,7 = 22600 Ω ≈ 22 K6 Ω Ib 0,5mA Observe que el valor de la resistencia de base es más elevado, pues para igual alimentación debe suministrarse 100 veces menos corriente. Se encontrará este efecto muy a menudo. Le adelantamos que este circuito no es el mejor para polarizar el transistor. Es así por el problema de la β, parámetro que no es constante en la práctica, pues depende de procesos de fabricación, calidades de los cristales dopados, etc. Así, puede verse en los manuales que los fabricantes indican una β máxima y otra mínima. Por ejemplo el BC547 NPN tiene una mínima de 100 y una máxima de 300. Para cálculos teóricos se suelen tomar valores intermedios para circuitos en amplificación y mínimos para funcionamiento de corte y saturación. Vamos a cambiar el transistor del ejemplo anterior, de β = 100, por otro de 40 con las mismas resistencias. Los cálculos quedarán: Rc = 140 Ω

Vcc = Vce + VRc

Vcc = Vbe + Rb · Ib Rb = 22 K6 Ω Transistor

IC

VCE

β = 100

50 mA

5V

β = 40

20 mA

9,2 V

12 = 0,7 + 22 K6 ·

Ic 40

Ic = 20 mA Vce = Vcc - Rc · Ic = 12 V - 140 · 20mA = 9,2V Salta a la vista el cambio de valores por el mero hecho de cambiar un transistor por otro. Por ello es muy útil utilizar otros circuitos de polarización, que veremos a continuación, capaces de mantener constantes los parámetros independientemente del valor de la β.


55

Formación Abierta

Polarización por divisor de tensión de base Corresponde al siguiente circuito, donde la polarización de base se consigue gracias al divisor de tensión formado por Rb1 y Rb2. El circuito de colector se consigue polarizar con Rc

+Vcc Ic

IRb1

Rc VRc

Rb1 Ib

B

IRb2

Rb2

Figura 6.61.

Vce Vbe

Polarización por divisor de tensión de base.

La tensión que consigue introducir corriente es la del punto B, y es: VB = Rb2 · IRb 2 La experiencia dice que es correcto fijar como IRb2 nueve veces la Ib y para IRb1, diez veces Ib: IRb2 = 9·Ib IRb1 = 10 · Ib IRb1 = IRb2 + Ib La particularidad de este montaje es que la tensión de base-emisor se mantiene en un determinado valor por estar en paralelo con la tensión en el punto B, que también es constante por estar inmerso en un divisor de tensión (Rb1 y Rb2). Así, la corriente de colector también debe mantenerse constante. Las resistencias de base se calculan de la siguiente manera: Rb1 = Vcc − Vbe ;

10 ⋅ Ib

56


Rb2 = Vbe

9 ⋅ Ib


06

Si colocamos una resistencia en emisor, obtenemos el circuito de la siguiente figura:

+Vcc 10Ib

Rb1

Rc

Ib

B

VRc

Vce

Vbe 9Ib

Figura 6.62.

Rb2

Re

VRe

Polarización por divisor de tensión de base con resistencia de emisor.

La estabilización del punto de trabajo todavía es mayor en este circuito. Empecemos a estudiarlo: VB = Vbe + VRe Despejando: VRe = VB - Vbe Tenemos la ecuación de colector un poco más complicada: Vcc = VRc + Vce + VRe Pongamos un ejemplo para aclararnos. Sea un transistor de β = 100 que queremos situar en un punto de reposo con Vce = 5V e Ic = 50 mA. Deberemos colocar los siguientes valores de resistencia: Ib = Ic = 50mA = 0,5 mA

β

100

Ie = Ib + Ic = 0,5 mA + 50 mA = 50,5 mA Vcc = VRc + Vce + VRe;

12 = VRc + 5V + VRe

Si VRe = 1 V fijada, VRc = 12V-5V-1V = 6V Rc = VRc =

6V = 120 Ω 50mA

Re = VRe =

1V = 19,8 Ω 50,5mA

Ic

Ie

VRb2 = VRe + Vbe = 1V + 0,7V = 1,7V


57

Formación Abierta

Rb2 = VRb2 = 9 ⋅ Ib

1,7V = 1,7V = 377 Ω 9 ⋅ 0,5mA 4,5mA

Rb1 = VRb1 = Vcc − VRb2 = 12 − 1,7V = 10,3V =2060 Ω ≈ 2 KΩ 10 ⋅ Ib 10 ⋅ 0,5mA 5mA 10Ib No se preocupe si a la primera pasada no ha entendido absolutamente nada de este lío de fórmulas. Tómese su tiempo y asimílelas poco a poco. Cuando las entienda, una parte muy importante de la teoría de transistores estará automáticamente comprendida.

Los circuitos de polarización para transistores son unos montajes destinados a establecer y definir un punto de trabajo (ya sabe, llamado de reposo) para el transistor.

58



06

6.8. El transistor en conmutación Ya hemos dicho que el transistor es un elemento de estado sólido que puede trabajar como amplificador de señales de bajo nivel o bien como conmutador; actúa como una llave de paso que deja o no pasar la corriente fijada previamente, pero nunca permite estados intermedios de conducción.

6.8.1.

Zonas de trabajo del transistor en conmutación

Basándonos en el circuito de la figura siguiente y de acuerdo con las curvas de salida del transistor, tenemos que un transistor como este (en conmutación) trabaja siempre en zonas de corte o saturación, pero nunca estará trabajando en la zona intermedia de amplificación. Ic

ZONA DE SATURACIÓN

+Vcc Ic

Rc

S1 Rb

Vce

Ib Vbe

Ib = 0

ZONA DE AMPLIFICACIÓN

Figura 6.63.

ZONA DE CORTE

Vce

Zonas de saturación y corte.

Saturación Vcc = Vce + Rc · Ic Vce ≅ 0V Vcc = Rc · Ic Ic =

Vcc Rc

Corte Vcc = Vce + Rc · Ic Ic = 0 mA Rc · Ic = 0 Vcc = Vce


59

Formación Abierta

Haciendo referencia de nuevo al circuito de la figura anterior, si el interruptor S1 está abierto, la corriente de base Ib = 0, luego Ic = 0, y, por tanto, el transistor se encuentra en zona de corte donde Vce = Vcc. Si cerramos el interruptor S1, Ib ≠ 0, luego Ic ≠ 0, y el transistor estará en zona de saturación. Ic = Vcc ; Ib = Ic ; Vce ≈ 0 Rc β

6.8.2.

Tiempos de conmutación

En el apartado anterior hemos visto que el transistor tiene dos estados estables en los cuales se puede encontrar por tiempo indefinido, éstos son el estado de corte y el de saturación. Ahora bien, para cambiar de uno a otro emplea unos tiempos denominados tiempos de conmutación. A estos tiempos se les llama Ton y Toff. Ton

El tiempo que tarda en pasar de corte a saturación

Toff

El tiempo que tarda en pasar de saturación a corte

Estos tiempos son de gran ayuda si deseamos trabajar a altas frecuencias, existiendo transistores especiales que pasan de corte a saturación en tiempos muy pequeños.

6.8.3.

Polarización del transistor en conmutación para NPN y PNP

Repase el circuito y los cálculos de los dos montajes típicos de transistores en conmutación. Compruebe que efectivamente se cumplen todas las ecuaciones siguientes. +Vcc Rc

Ic

Rb Ib S Vbb

Figura 6.64.

60


Transistor en conmutación.


06

Ecuación de Colector Ib =

Ic βmin

Vcc = Rc · Ic + Vce Sat Rc = Vcc − VceSat

IcSat

Ecuación de Base Vbb = Rb · Ib + Vbe

Rb = Vbb − Vbe Ib

Si Vce Sat es muy pequeño, puede despreciarse en las fórmulas, ya que Vce Sat es aproximadamente 0V (Vce de saturación). Se pone βmin con el fin de calcular las resistencias necesarias para saturar cualquier transistor de este modelo, aunque la β sea la mínima (el peor de los casos). +Vcc

Ib

Ic

Rb S

Figura 6.65.

Rc

Transistor en conmutación.

Ecuación de Colector Vcc = Vcc Sat + Rc · Ic Rc = Vcc − VceSat

IcSat

Ecuación de Base Vcc = Vbe + Rb . Ib Ib =

Ic βmin

Rb = Vcc − Vbe

Ib


61

Formación Abierta

6.8.4.

Montaje en Darlington

En conmutación es muy normal emplear el transistor para maniobrar "cargas" en colector. Como "carga" se entiende una bombilla, un relé, etc. que podemos encender, apagar, etc. desde una pequeña corriente de base. CIRCUITO DE POTENC +Vcc 12V Ic S1 Vbb 2,5V

Rb Ib

LAMPARA 12V 100mA Vce

0V

Vbe

CIRCUITO DE MANDO Figura 6.66.

Circuito de mando y potencia en un montaje con transistores.

Imaginemos una lámpara que luce cuando la corriente a su través es de 100mA. Si el transistor de la anterior figura tiene una β de 100 como valor mínimo, la corriente de base sólo debe ser de 100 mA/100 = 1mA. Puede comprobar cómo con una corriente de solamente 1mA podemos hacer pasar, otra de 100 mA por la lámpara. El poder de un transistor se pone de manifiesto en casos como éste, y más en aplicaciones de conmutación. En caso de usar un relé ocurre exactamente lo mismo. Si para activar uno de estos sistemas debemos hacer pasar 100 mA a su través, encontraremos la misma facilidad de maniobra que si empleamos el mismo transistor de la lámpara. Empleando tecnicismos se denomina "aumentar la sensibilidad de un relé", por ejemplo, a lo comentado anteriormente, es decir, activar o desactivar el relé con una corriente de valor más bajo a su nominal. No obstante, puede surgirnos la siguiente duda al respecto: ¿qué pasa si la corriente que atraviesa la carga es tan grande que no puede ser maniobrada por la base? Esto toma todavía más cuerpo si comentamos el hecho de que existen ciertos circuitos de control incapaces de suministrar más corriente de salida que unos pocos miliamperios. ¿Qué debemos hacer? La respuesta es muy simple, de igual forma que para tirar de un carro pesado ponemos dos caballos en vez de uno, poner dos transistores formando un "tiro" electrónico llamado "montaje en Darlington", que puede ver en la figura siguiente.

62



06

+Vcc Ic

Rele C

S1

Rb

Vbb

T1

Ib

CIRCUITO DE MANDO Figura 6.67.

B

T2


Montaje en Darlington.

Como resultado de la conexión de los transistores T1 y T2, de la forma anterior conseguimos una beta total, nada más y nada menos que el producto de las dos, es decir:

βT

β del montaje Darlington

βT1

β del transistor T1

βT2

β del transistor T2

βT

βT1 · βT2

Ic1 = β1Ib1 Ie1 = (1 + β1 )Ib β1Ib1 Ic 2 = β2Ib2 = β1β2Ib1 Ie1 = Ib2

Calcule los alcances de este producto. Si tenemos un T1 con βT1 de 40 y otro T2 con βT2 de 100, tendremos como resultado de βT = 4000, es decir, para maniobrar una intensidad de 1 A (ya respetable) necesitamos una corriente de base de: Ib =

Ic βT

= 1A

4000

= 0,25 mA

Claro que T2, como habrá observado, deberá ser un transistor de potencia para soportar ese amperio por colector ¿Serviría un 2N3055? Vuelva atrás y compruébelo en la tabla de características máximas.

Un montaje en Darlington consigue betas de valores muy elevados, ideales para manejar cargas de bastante potencia.


63

Formación Abierta

6.9. Montajes con transistores Ya sabemos que un relé es un sistema electromecánico que abre o cierra unos contactos si por una bobina hacemos pasar una determinada corriente. Estos contactos a su vez pueden comandar otras cargas. Para un determinado relé pueden decirnos directamente la corriente necesaria en miliamperios, o la tensión e impedancia que tiene. Por ejemplo, un relé comercial de 12V de corriente continua y 270Ω de impedancia de la bobina consumirá

12V 270Ω

≈

45 mA, corriente a comandar desde nuestro circuito con transistores. Pasemos a ver algunos ejemplos, prácticas reales realizadas y comprobadas. Por ello existen unos cuadros de medidas en "campo". Usted también puede comprobarlos.

6.9.1.

Relé en colector Vcc 12V

Relé 12V 270Ω

D1=1N4007

S1 Rb = 82K

T1 β =325

Cálculos Ib =

Ic

β

= 44,5mA = 136 μA

325

12V − 0,7 =83.088 Ω ≈ 82 KΩ Rb = Vcc − Vbe = Ib

64

136μA



06

Medidas

Ic

Ib

Vce

Vrelé

V. Calculados

44,5 mA

136 μA

1V

11V

V. Medidas

44 mA

130 μA

1V

11V

Memoria

Funcionamiento Al originar una Ib, se origina por tanto una Ic que atraviesa el relé, al ser la Ic la corriente de Relé, éste tiene 11V y 44,5 mA, suficientes para cerrar los contactos del relé.

Observaciones Este circuito aumenta la sensibilidad del relé: con un voltaje y corrientes pequeñas conseguimos controlar una corriente mucho más grande que accione el relé.

El diodo sirve para, una vez desactivado el circuito, liberar la fuerza contraelectromotriz creada en la bobina del relé.

6.9.2.


Circuito (1)

+Vcc

Rb 2MΩ

+Vcc 12V Rele S1

D1 1N4007

T1

T1 =BC147B β 1 = 200 T2 = MC140 β 2 = 40

T2


65

Formación Abierta

Cálculos (1) En la anterior práctica hemos sido incapaces de bajar la tensión de colector-emisor por debajo de 1V por lo que a partir de aquí contamos con ella, y por ello V Relé = 11 V (12 V - 1 V).

11V Ic = Irelé = VRele = Rele

= 40,7 mA

270Ω

βT = β1 · β2 = 200 · 40 = 8000;

Rb =

Ib =

Ic

β

= 40,7mA = 5μA

8000

Vcc − Vbe1 − Vbe2 = 12V − 1,4V = 2M1Ω ≈ 2MΩ Ib 5μA

Medidas (1) S1 cerrado

Vce2

Ic ≈ relé

Ib1

Ib2

V relé

Calculados

1V

40,7 mA

5 μA

1,01 mA

11 V

Medidos

1V

41 mA

5μA

1 mA

11 V

S2 abierto VceT2 = 12V Memoria (1) Este montaje se llama Darlington. Con él conseguimos que la β del conjunto de transistores sea el producto de sus respectivas β, con lo que conseguimos que con una pequeñísima Ib (Ib =

Ic β

⇒ β ↑ = Ib ↓) controlemos una Ic bastante grande,

que utilizamos para el control del relé.

Los números detrás de las indicaciones corresponden al número de transistor. Por ejemplo, Vbe1 significa “tensión base-emisor del transistor 1”, Vce2 es “tensión colectoremisor del transistor 2”, β2 es “beta del transistor 2”, etc.

66



06

Circuito (2)

+Vcc Rb 120k

S1

+Vcc

T1 = BC147 β = 200

T1

T2 = MC140 β = 40

T2 D1 1N4007

Relé

Cálculos (2) βT = β1 · β2 = 200 · 40 = 8000 Ib1 =

Ic

10V = 37 mA Ic = I Relé = VRele = 270Ω RRele

β

Dejamos 2V en VceT2 para no apurar la saturación del Darlington. Ib1 =

Rb =

Ic

β

= 37mA = 4,6 μA

8000

Vcc − Vbe1− Vbe2 − VRele = 12 − 1,4 − 10 = 130 KΩ ≈ 120 KΩ Ib 4,6μA

Ic1 = β · Ib1 = 200 · 4,6 mA = 920 mA = 920 mA Ib2 = Ib1 + Ic1 = 4,6 mA + 920 mA = 9,24 mA Ic2 = β2 · Ib2 = 40 · 924 mA = 37 mA Medidas (2) S1 Cerrado Vce2

I relé

Ib1

Ib2

V relé

Calculados

2V

40,7 mA

4,6 μA

924 μA

10 V

Medidos

2V

41 mA

5μA

1 mA

10 V

S1 Abierto medida única: Vce2 = 12 V


67

Formación Abierta

Memoria (2) En este circuito ocurre como en el anterior, sólo que el relé está en el emisor y también la βT es el producto de las betas. Como la total es muy grande, la corriente de base del conjunto es pequeña y se pueden controlar corrientes grandes de colector con poca señal.

6.9.3.

Mando relé con dos transistores NPN

Circuito (1)

Relé R2 1KΩ S1 R1 2MΩ

R3 10KΩ

D1 1N4007 T2 MC140

T1 BC147

+Vcc 12V Vcc = 12V T1 = Β C147 β1 = 200 T2 = MC140 β2 = 40

Cálculos (1) Supondremos que la tensión Vce en saturación será 1V, de esta forma podemos calcular la corriente en el relé cuanto T2 esté en saturación.

IRELE =

VCC − Vce 11V = = 40,7mA RRELE 270Ω

Conociendo el valor de β2 podemos calcular la corriente que necesitaremos en base para llegar a saturación.(corriente como mínimo)

IB2 >

IC2 40,7mA = = 1,01mA β 40

El transistor T2 entrará en saturación cuanto T1 esté bloqueo y por lo tanto podemos establecer la ecuación de corriente de base Ib como sigue VCC = VR2 + VR2 + VBE2 = IE (R2 + R3) + 0,7V = 12V

R2 + R3 <

68


11,3V = 11,18K 1,01mA


06

Determinamos R2=1K (puede ser válido cualquier otra combinación) por lo tanto R3=10K. Bajo esta situación podemos calcular el valor de R1 para que entre en saturación T1 al activar el pulsador S1. Podemos calcular la corriente Ic1 cuando T1 esté en saturación.(Consideramos que Vce=1V) IC2 =

VCC − VCE 11V = = 11mA R2 1K

Ahora calculamos el valor de Ib2 (mínimo): IB2 =

IC2 11mA = = 55μA β 200

Por otro lado podemos establecer la ecuación de la corriente de base como: Vcc = VR1 + VBE1 = IER1 + 0,7V = 12V

R1 =

12V − 0,7V = 205K ≈ 200K 55μA

Como resumen los valores de resistencias deberán ser las siguientes:

R1=200K

R2=1K

R3=10K

Es interesante observar que existen varias soluciones al mismo problema, por ejemplo podríamos haber propuesto: Si debemos cumplir la condición que: R2 + R3 < 11K podemos tomar que R3=0Ω y hacer R2=10K. Es ese caso se puede comprobar repitiendo los pasos anteriores que el valor de R1 debe ser de 2M.


69

Formación Abierta

6.9.4.

Circuito con doble mando

Circuito

Relé

R3 R4 A

R1

T1 BC147

R2

T2 BC147

B

+Vcc D1 12V 1N4007 T3 MC140

Vcc=12V β T1 y T2=110 β T3=40

Cálculos

Ic3 =

Vrele 11V = 40 mA = Rrele 270Ω

Ib1 =

Ic1 = 20 mA ( fijada ) = 118 μ A 110 β1

R1 =

Vcc − Vbe1 12 − 0,7 = = 95KΩ ≅ 100KΩ Ib1 118 μA

Ib2 =

Ic2 = 20 mA 110 β2

R2 =

Vcc − Vbe 2 12 − 0,7 = = 95Ω ≅ 100KΩ Ib2 118 μA

40 mA Ib3 = Ic3 = 40 β3 R4=

μA

= 1 mA

Vcc − VR3(satT1) − Vbe3 12V − 11V − 0,7V = 300Ω ≅ 330Ω = 1mA Ib3

R3 =

70

= 118

Vcc − VceT1 12 − 1V = 550Ω ≅ 560Ω = Ic1 20mA



06

Medidas A

B

Estado relé

VceT1 VceT2 VceT3

Ic1

A y B a masa

0

0

Activado

11 V

12 V

1V

40mA

A a Vcc amasa

1

0

Desactivado

0,3 V

0,3 V

12 V

20mA

A a masa y B a Vcc

0

1

Desactivado

0,5 V

0,5 V

12 V

20mA

A y B a Vcc

1

1

Desactivado

0,5 V

0,5 V

12 V

20mA

Ic2

20mA

Ic3

Vrelé

40mA

11V 0 0

Memoria Posiciones:

0-0 (A y B a masa). T1 y T2 se cortan, por lo que en T3 hay tensión de polarización y el relé funciona, al saturarse T3.

1-0 (A a Vcc y B a masa). Como T1 y T2 están en paralelo, han de tener la misma posición o estado. En este caso están saturados y T3 no tiene suficiente tensión y está cortado. El relé no funciona.

0-1 (A a masa y B a Vcc). Pasa como con el caso anterior: los transistores están saturados, menos T3, y el relé no funciona.

1-1 (A a masa y B a Vcc). Los dos transistores T1 y T2, están saturados. Por tener tensión directa de polarización T3 está cortado y el relé desactivado.

6.9.5.

Temporización al cierre de un relé

Circuito


71

Formación Abierta

Datos

VcT1 = 11,5 V IcT2 = 37 mA. Relé = 270 Ω/10V Vcc = 12V T = 5 segundos de temporización. Cálculos

Con C1 cargado: T = R1×C1; C1 = 10μf (fijado) IcT1 = 30mA fijada Si R1 = 100 KΩ y C1 = 10 μF, t = 5 · R1 · C1 = 5 · 100K · 10 μF = 5 seg. VC1 = Vbe1+R2 · Ic1 Ic1 ≅ Ie1

VC1− Vbe = 11 − 0,7 = 360Ω Ic1 30mA

R2 =

37mA Ib2 = Ic2 = = 185 μA β 2 200

Ib1 = Ic1 = 30mA = 150 μA β 1 200 Medidas

Con C1 cargado Vce1

Vce2

Ic1

Ic2

Ib1

Ib2

≅ 1V

≅ 1V

≅ 30mA

≅ 38mA

≅ 150μA

≅ 175μA

relé activado Con C1 descargado Vce1

Vce2

Ib1

Ib2

≅ 12 V

≅ 12 V

≅0

≅0

relé desactivado

72



06

Memoria

Es necesario ajustar algún valor de resistencia para conseguir el tiempo de 5 seg. El funcionamiento es el siguiente: en el instante inicial, C1 está descargado (0V) con lo que T1 está en corte y el relé desactivado. Sólo se activará cuando la tensión en C1 consiga saturar a T1, eso sí, tras 5 segundos.


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06

• Resumen •

Los materiales semiconductores, por su estructura y características, se encuentran a medio camino entre los conductores (permiten el paso de la corriente de forma fácil) y los aislantes (no permiten el paso de la corriente).

•

Los materiales semiconductores son de dos tipos llamados cristal N y cristal P.

•

En el cristal N, a base de silicio, se introducen materiales del grupo 5B, apareciendo un electrón libre por cada átomo intercambiado. A esta operación se le llama "dopado" del cristal N.

•

En el cristal P, a base de silicio, se introducen materiales del grupo 3B, apareciendo un "hueco" por cada átomo intercambiado. También hemos "dopado" el cristal P.

•

Se dice que los electrones son los portadores negativos del cristal N, porque es de lo que más abunda en este tipo de cristal. En el cristal P serán los huecos los portadores mayoritarios.

•

Al unir físicamente un cristal P y un cristal N se producen unos fenómenos en la zona de unión que determinan la aparición de una barrera de potencial por el intercambio de portadores. Esta tensión suele ser de 0,7V.

•

Un diodo semiconductor aprovecha las características de la unión PN para conducir cuando se encuentra directamente polarizado, y no conducir cuando se encuentra inversamente polarizado.

•

La corriente de fugas se produce en un diodo inversamente polarizado. Le afecta enormemente la temperatura y sus efectos son indeseables.

•

Los diodos comerciales más conocidos son el 1N4148 y el 1N4007, uno de germanio y el otro de Silicio, respectivamente.

•

El transistor utiliza tres cristales semiconductores para su funcionamiento, conectándolos uno al lado de otro, dando lugar a los tipos NPN y PNP.

•

El efecto transistor consiste en poder manejar o controlar una determinada corriente gracias a la variación de otra más pequeña. La corriente a controlar suele circular por el colector, mientras que la de control es la de base.


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Formación Abierta

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•

Existen determinadas formas de polarizar a transistor. Éstas son distintas y ofrecen unas ventajas e inconvenientes. La más usada es la de emisor común.

•

El punto de reposo de un transistor es el punto exacto donde se encuentra trabajando, definido por una corriente de colector y una tensión de colectoremisor.

•

El montaje en Darlington es una aplicación especial de los transistores, mediante la que se consigue aumentar en gran forma la corriente susceptible de ser controlada.


07


Fuentes de alimentación


07

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 7.1. Etapas básicas de una fuente de alimentación........................................ 5 7.1.1. El transformador.................................................................................... 6 7.1.1.1. Relación de transformación ............................................................ 8 7.1.1.2. Características técnicas de los transformadores............................ 8 7.1.2. El rectificador ........................................................................................ 9 7.1.2.1. Rectificador de media onda .......................................................... 10 7.1.2.2. Rectificador de onda completa ..................................................... 13 7.1.2.3. El puente rectificador.................................................................... 15 7.1.3. El filtrado ............................................................................................. 17 7.1.3.1. Filtro por condensador.................................................................. 18 7.1.3.2. Filtro por bobina............................................................................ 22 7.1.3.3. Filtro LC y Π.................................................................................. 23 7.1.3.4. Estabilización................................................................................ 23 7.1.3.5. El diodo zener............................................................................... 23 7.1.3.6. Estabilización con diodo zener ..................................................... 24 7.1.3.7. Estabilización con diodos zener y transistor................................. 27 7.2. Reguladores integrados ........................................................................... 29 7.2.1. Reguladores comerciales.................................................................... 30 • RESUMEN .......................................................................................................... 35


1


07

• Objetivos •

Conocer las etapas básicas de una fuente de alimentación.

•

Comprender el papel de un transformador de entrada en una fuente de alimentación.

•

Explicar el funcionamiento de un rectificador de media onda.

•

Analizar el esquema de un rectificador de onda completa y comentar su funcionamiento.

•

Dibujar el esquema de un puente rectificador y explicar su funcionamiento.

•

Comprender y la necesidad de un condensador como filtro dentro de una fuente de alimentación.

•

Explicar por qué es necesaria la regulación de voltaje en una fuente de alimentación.

•

Describir el funcionamiento de un regulador de voltaje serie y de un regulador de voltaje paralelo.


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Formación Abierta

• Introducción La mayor parte de los dispositivos electrónicos como por ejemplo televisores, equipos de música, radios y ordenadores necesitan una tensión continua para poder funcionar correctamente. Como las líneas de tensión de nuestros hogares son alternas, lo primero que debemos hacer es convertir la tensión de línea alterna en una tensión continua. Los dispositivos electrónicos que producen esta tensión continua son las fuentes de alimentación. En esta unidad estudiaremos su funcionamiento y sus partes fundamentales.

4



07

7.1. Etapas básicas de una fuente de alimentación La función de una fuente de alimentación consiste en rectificar la potencia de entrada de la C.A. sinusoidal y alisar o filtrar la CC obtenida así que es fluctuante. Muchas fuentes de alimentación utilizan un transformador para reducir el voltaje de C.A, antes de la rectificación y el filtrado y además están provistas de circuitos reguladores cuya función es evitar las fluctuaciones en los voltajes de C.C. y mantener una tensión de continua constante necesaria para el correcto funcionamiento de los aparatos electrónicos que pretendemos alimentar. En la figura se representa el esquema de bloques de una fuente de alimentación con sus sucesivas etapas.

Figura 7.1.

Etapas de una fuente de alimentación.

El transformador reduce el voltaje de la red y aísla el circuito. El rectificador convierte el voltaje alterno senoidal a otro no alterno pulsatorio. El filtro deja pasar la componente continua y frena la alterna, atenuando las ondulaciones. La regulación o estabilización nos permite obtener a la salida una menor variación de voltaje que a la entrada, tiene una realimentación de la salida (se toma una muestra de esta), que se compara con una señal de referencia a fin de corregir automáticamente las posibles variaciones en la salida. A continuación estudiaremos en detalle cada una de estas por separado.


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Formación Abierta

7.1.1.

El transformador

En España, las compañías eléctricas proporcionan una tensión de red nominal de 220 V eficaces a una frecuencia de 50 Hz. En realidad la tensión real de un enchufe eléctrico varía algo por encima o por debajo del valor de 220 V, dependiendo de la hora, la localidad y de otros factores. Esta tensión de red es demasiado elevada para la mayor parte de los dispositivos que se utilizan en circuitos electrónicos por lo que generalmente deberemos emplear un transformador en casi todos ellos. Este transformador tiene pues por misión reducir la tensión a niveles inferiores, más adecuados para el uso en diodos, transistores y otros dispositivos electrónicos. Los transformadores sólo pueden utilizarse con corriente alterna o continua variable, pues están basados en la tensión inducida que se genera en una bobina cuando se la somete a variaciones de flujo magnético generado por una corriente alterna que circula por otra bobina. Los transformadores están formados por dos bobinas de hilo con distinto número de espiras, enrolladas sobre un núcleo de hierro.

Figura 7.2.

Transformador elevador y reductor.

La bobina a la que se suministra la tensión se denomina primario, y a la que nos da la tensión transformada se le llama secundario. Si el devanado primario tiene mayor número de espiras que el secundario, se trata de un transformador reductor, si por el contrario es el secundario el que tiene mayor número de espiras (caso de la bobina de encendido), se trata de un transformador elevador. Es frecuente en muchos transformadores que estén dotados de varios arrollamientos secundarios, independientes o no entre sí, de forma que se pueden obtener distintas tensiones de salida.

Figura 7.3.

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Transformadores con varias salidas.


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En el primer símbolo aparece un transformador con un sólo devanado y varias salidas, de forma que habrá un punto común para todos (0), y cada uno de los demás puntos en relación a éste tendrán diferentes tensiones, 6 – 9 - 12 - 18V. También podemos ir combinando entre las demás salidas, obteniendo otros valores: entre 0 y 12, tendremos 6V; entre 6 y 12, obtendremos 9V; entre 9 y 18, tendremos 12V; y así sucesivamente. El segundo símbolo muestra un transformador con dos devanados independientes, de forma que cada uno nos dará una tensión diferente en función del número de espiras. En el primero tendremos 6V, y en el segundo 24V. El tercer símbolo tiene un solo devanado secundario, con una salida intermedia, de forma que entre el central y cada uno de los extremos, tendremos la misma tensión, 12V, y entre los extremos tendremos la suma de las dos tensiones, 24V. Existe otra posibilidad, también bastante empleada, que consiste en una toma intermedia en el primario, esto permite la conexión del transformador a dos tensiones de entrada diferentes, por ejemplo (125/220).

Figura 7.4.

Transformador con dos entradas de tensión.

Una variante de los transformadores son los autotransformadores. La diferencia entre ambos radica en que el transformador tiene el devanado primario aislado completamente del secundario. Los autotransformadores poseen un devanado único, del que se derivan las conexiones para el primario y secundario. Se emplean para potencias bajas, también pueden emplearse como elevadores o reductores de tensión.

Figura 7.5.

Autotransformador.


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Formación Abierta

7.1.1.1.

Relación de transformación

La relación de transformación en un transformador está en función de la tensión aplicada al primario y del número de espiras de ambas bobinas, cumpliéndose: V2 = (N2/N1) . V1 Donde: N1 y N2 el número de espiras del primario y el secundario respectivamente y V1 y V2 las tensiones del primario y secundario respectivamente. Esta relación nos dice que la tensión en el secundario es igual a la tensión en el primario multiplicada por la inversa de la relación de espiras. En la realidad esta relación se cumple solo en los transformadores ideales. Los transformadores que compramos en una tienda no son ideales, ya que sus arrollamientos tienen resistencias que producen pérdidas de potencia. Como consecuencia de estas pérdidas no deseadas de potencia, la relación de espiras es solamente una aproximación del caso real. A modo de ejemplo citaremos que para el transformador F-25 X 115/12 V, para una tensión alterna en el primario de 115 V la tensión alterna en el secundario no es 12 V como cabría esperar sino que varía en función de la corriente en el secundario. Cuando esta es de 1,5 A la tensión alterna en el secundario es de 12,6 V y si la corriente en el secundario es menor de 1,5 A la tensión alterna en el secundario será mayor de 12,6 V ya que las pérdidas de potencia en el arrollamiento y en el núcleo laminado serán menores.

7.1.1.2.

Características transformadores

técnicas

de

los

Potencia nominal Es la que se obtiene en el secundario continuamente sin que se produzcan calentamientos excesivos. Se expresa en VA (voltamperios). Si tiene varias salidas, será la suma de la potencia de todas ellas. No hay que confundir los VA con Watios, que es la unidad de potencia activa. La relación que existe entre ellos es la siguiente: cos Φ = W/VA Pérdidas de potencia Están determinadas por las pérdidas en vacío más las pérdidas en carga. Las pérdidas en vacío se producen por la histéresis y las corrientes de Foucault, y también por el efecto Joule en el devanado primario.

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Rendimiento Como en cualquier otro aparato eléctrico, es la relación existente entre la potencia cedida al aparato consumidor y la potencia absorbida a la red. η = Potencia cedida al consumidor/Potencia absorbida Tensión primaria y secundaria El arrollamiento primario debe estar adecuado a la tensión y frecuencia de entrada. La tensión secundaria es la que se obtiene en los bornes cuando éste está trabajando a plena carga; en vacío la tensión es ligeramente superior. Para que se realice la transformación de corriente, bien elevándola o bien reduciéndola, es necesario que se produzcan variaciones de campo magnético, cosa que con la corriente alterna es fácilmente viable, puesto que su polaridad está cambiando continuamente. Pero en corriente continua no es así, el campo magnético generado sería constante, con lo que no se produciría la inducción de corriente, por ello es necesario disponer de algún sistema que interrumpa el paso de corriente, para que se pueda crear dicha variación de campo magnético (aparición - desaparición).

7.1.2.

El rectificador

El voltaje a la salida del transformador es alterno senoidal, y si conectamos una resistencia, por esta circulará una intensidad bidireccional. Como lo que pretendemos con la fuente de alimentación es obtener una intensidad continua, a la salida de este primer bloque tendremos un voltaje no alterno, y por lo tanto una intensidad unidireccional. No podemos considerar un voltaje como el de la salida del rectificador verdaderamente continuo (una línea recta en la representación gráfica), por lo que deberemos establecer unos parámetros para determinar la calidad de esta, es decir una relación entre el valor continuo (que nos interesa sea elevado) y el valor de las ondulaciones (que nos interesa sea lo menor posible). Estos parámetros son: 1. Factor de forma: es la relación entre el valor eficaz de toda la señal y el valor medio (de continua):

fF =

V ef V med


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Formación Abierta

2. Factor de rizado o rizado: es la relación entre el valor eficaz de la componente de la ondulación únicamente, y el valor medio (de continua): r=

V ef (ondulaci on) = v med

2 f F -1

Para una onda continua pura, el factor de forma es uno, y el rizado cero, para una onda senoidal, el factor de forma y el rizado son infinitos. 3. Rendimiento: es la relación entre la potencia de continua que se aplica a la carga y la potencia total cedida por la fuente. η=

V med.Imed V ef.Ief

Siempre es menor que la unidad, y se suele expresar en valor porcentual (%). Los rectificadores se encuentran en todas las fuentes de alimentación y su función es convertir un voltaje de C.A. en voltaje de C.C. Se trata de convertir una señal alterna de dos polaridades en una señal continua de una única polaridad Para ello utilizaremos los diodos, dispositivos semiconductores vistos en una unidad anterior, debido a su capacidad para conducir corriente en una dirección e impedir el paso de corriente en la dirección opuesta. Estudiaremos a continuación los tres tipos de rectificadores más difundidos: el rectificador de media onda, el rectificador de onda completa y el puente rectificador.

7.1.2.1.

Rectificador de media onda

La figura 7.6 muestra un circuito rectificador de media onda. El primario del transformador está conectado a la red y en el secundario del transformador tenemos una tensión alterna senoidal ve. Este secundario está conectado a una resistencia a través de un diodo. Analizaremos a continuación lo que sucede durante un ciclo del voltaje de entrada de red con el voltaje de salida vs en la carga.

Figura 7.6.

10


Rectificador de media onda.


07

Si suponemos un diodo ideal, en la mitad positiva del ciclo de la tensión de red el diodo se encuentra polarizado en directa y está conduciendo por lo que el valor de la tensión en la carga vs coincide con el valor de la tensión en el secundario del trafo ve. Por otra parte en la mitad negativa del ciclo de la tensión de red el diodo está polarizado en inversa y no está conduciendo. Al estar el diodo en corte la intensidad que circula es nula y por la tanto la tensión en la carga también, es decir vs=0. En el rectificador de media onda tenemos pues que el diodo está conduciendo durante las mitades positivas de los ciclos pero no está en conducción en las mitades negativas. A causa de esto, este circuito recorta las mitades de los ciclos como se puede apreciar en la figura 7.7.

Figura 7.7.

Formas de onda en el circuito rectificador de media onda.

Una forma de onda como esta recibe el nombre de señal de media onda. Esta tensión de media onda hace que por la carga circule una corriente unidireccional, es decir, que la corriente sólo circula en una dirección. Si Vp(out) y Vp(in) son respectivamente los valores de la tensión de salida y de entrada de pico respectivamente, en el rectificador de media onda ideal se verificará que: Vp(out) = Vp(in) Valor de continua de la señal de media onda

El valor de continua de una señal coincide con su valor medio. Si con un voltímetro de continua midiésemos una señal, la lectura que obtendríamos sería igual al valor medio.


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Formación Abierta

Aunque no lo vamos a deducir para una señal de media onda sería: Vdc = Vp/π Tomando aproximadamente 1/π ≅ 0,318 tendremos que: Vdc ≅ 0,318 Vp El valor de continua o medio de una señal de media onda será aproximadamente igual al 31,8 por ciento del valor de pico. Por ejemplo, si la tensión de pico de la señal de media onda fuera de 100 V, la tensión continua valdría 31,8 V aproximadamente. Frecuencia de salida

La frecuencia de salida es la misma que la frecuencia de entrada ya que si observamos la figura 7.7 vemos que cada ciclo de la tensión de entrada produce un ciclo de la tensión de salida. Por lo tanto para el rectificador de media onda se cumple que: fout = fin Una desventaja del rectificador de media onda utilizado en una fuente de alimentación es que el flujo de corriente en el secundario del transformador siempre se efectúa en la misma dirección. Debido a esto se produce una elevada saturación en el núcleo de hierro del transformador con lo cual se reduce la eficiencia de este. Pero probablemente la mayor desventaja que tenga un rectificador de media onda sea que su salida dista mucho de ser un voltaje de CC perfecto. Esto se debe a que los pulsos de salida están separados por períodos relativamente largos en los que el voltaje es nulo. Por último señalaremos que si queremos hacer que el rectificador invierta los semiciclos negativos de la onda de entrada convirtiéndolos en positivos y que durante los semiciclos negativos obtengamos valores nulos de tensión a la salida de este bastará con invertir las conexiones del diodo rectificador.

El rectificador de media onda produce una salida únicamente durante los semiciclos positivos o negativos (según la colocación del diodo) de la señal de entrada.

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7.1.2.2.

07

Rectificador de onda completa

Las desventajas que tiene el rectificador de media onda se pueden superar utilizando un dispositivo llamado rectificador de onda completa. En este tipo de rectificadores hay dos diodos conectados de tal manera que cada uno de ellos conduce durante los semiciclos alternados de la señal alterna de entrada. Los dos diodos tienen una carga común y a través de esta el flujo de corriente siempre tiene la misma dirección. En la figura 7.8 se muestra un rectificador de onda completa. Podemos ver como en el arrollamiento secundario tenemos una derivación central. La resistencia de carga está conectada entre los cátodos de ambos diodos y dicha derivación. La señal de entrada se acopla a través del transformador al secundario con derivación central. La mitad del voltaje del secundario total aparece entre el punto de derivación central y cada extremo del devanado secundario si los devanados primario y secundario tienen el mismo número de espiras.

Figura 7.8.

Rectificador de onda completa.

Debido a la derivación central este circuito es equivalente a dos rectificadores de media onda donde cada uno de estos rectificadores tiene una tensión de entrada igual a la mitad de la tensión del primario. Durante el semiciclo positivo D1 está polarizado en directa y D2 en inversa por lo tanto D1 está en conducción y D2 en corte. La tensión en la carga coincide con ve1. Por el contrario durante el semiciclo negativo D1 está polarizado en inversa y por lo tanto está en corte mientras que D2 se encuentra polarizado en directa y conduce. La tensión en la carga coincide con –ve2. Las formas de onda de entrada y salida de un rectificador de onda completa las podemos ver en la figura 7.9.


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Formación Abierta

Figura 7.9.

Formas de onda resultantes de un rectificador de onda completa.

Durante ambos semiciclos, la tensión en la carga tiene la misma polaridad y la corriente que circula por esta lo hace siempre en la misma dirección. El circuito se denomina rectificador de onda completa porque se ha cambiado la tensión alterna de entrada a una tensión de salida pulsante continua que tiene la misma forma que la corriente pulsante continua mostrada en la figura anterior. Debemos apreciar que la tensión de pico en la carga será la mitad de la tensión de pico del primario del transformador ya que se verifica que Vpe1 = Vpe2 = Vp/2, si la relación de transformación es 1:1. Valor de continua de la señal de onda completa

La señal de onda completa tiene el doble de ciclos positivos que la señal de media onda, por lo tanto el valor de continua o valor medio también será el doble y vendrá dado por: Vdc = 2 VPe1 /π = 2 Vpe2/π Como 2/π ≅ 0,636 tendremos que: Vdc ≅ 0,636 Vpe1 Por lo tanto el valor de continua o valor medio es igual al 63,6 por 100 del valor de pico. Por ejemplo, si la tensión de pico de la señal de onda completa fuera de 100 V, el valor de continua seria 63,6 V.

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07

Frecuencia de salida

En un rectificador de media onda vimos que la frecuencia de salida era igual a la de entrada. En un rectificador de onda completa sucede algo inusual. La tensión de una línea de alterna tiene una frecuencia de 50 Hz. Por lo tanto el período en la entrada es igual a: Tin = 1/f = 1/50 = 20 ms Debido a la rectificación de onda completa, el período de la señal de onda completa será la mitad que el de la onda de entrada: Tout = 0.5 * 20 ms = 10 ms Y por lo tanto la frecuencia de salida será: fout = 1/Tout = 1/10 ms = 100 Hz La frecuencia de una señal de onda completa es pues el doble de la frecuencia de entrada. Esto tiene sentido ya que una salida de onda completa tiene el doble de ciclos que una entrada senoidal. El rectificador de onda completa invierte los semiciclos negativos, obteniéndose de este modo el doble de semiciclos positivos. El efecto de todo esto es que la frecuencia se duplica.

El rectificador de onda completa produce salida de una única polaridad durante los semiciclos positivos y negativos de la señal de entrada.

7.1.2.3.

El puente rectificador

El rectificador de onda completa presenta la desventaja de que la tensión del secundario no se usa en su totalidad recayendo sobre la carga la mitad de esta. Para solventar este pequeño inconveniente utilizaremos los puentes rectificadores. La figura 7.10 muestra un puente rectificador. Este tipo de rectificador usa cuatro diodos.


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Formación Abierta

Figura 7.10.

Puente rectificador.

En el semiciclo de entrada positivo los diodos D1 y D4 están polarizados en directa y por lo tanto conducen la corriente. La tensión en la carga coincide con la tensión en el secundario del transformador, es decir vs=ve. Los diodos D2 y D3 están polarizados en inversa y por la tanto en corte. Cuando el ciclo de la tensión de entrada al puente de diodos (tensión del secundario del transformador) es negativo los diodos D2 y D3 están polarizados en directa y conducen la corriente eléctrica en el sentido contrario al de las agujas del reloj. La tensión en la carga en este caso es la tensión del secundario del transformador pero cambiada de signo, es decir vs=-ve. Los diodos D1 y D4 están polarizados en inversa y por lo tanto en corte. Durante ambas mitades de los ciclos, la tensión en la carga tiene la misma polaridad y la corriente por la carga circula en la misma dirección. Como resultado de esto en la resistencia de carga aparece un voltaje de salida rectificado de onda completa que podemos ver en la figura 7.11.

Figura 7.11.

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Formas de onda resultantes de un puente rectificador.


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Valor medio y frecuencia de salida

Como un puente rectificador produce una salida de onda completa, las ecuaciones para el valor medio y la frecuencia de salida coinciden con las del rectificador de onda completa: Vdc = 2Vp/π

fout = 2fin El valor medio es el 63,5 por 100 del valor de pico, y la frecuencia de salida es 100 Hz, para la frecuencia de 50 Hz de la red europea. Una de las ventajas del puente rectificador es que toda la tensión del secundario se utiliza como entrada al rectificador a diferencia del rectificador de onda completa en el que solamente se usaba la mitad de la tensión del secundario. Dado el mismo transformador, obtenemos el doble de la tensión de pico y el doble de la tensión continua con un puente de diodos respecto a un rectificador de onda completa. Duplicar la tensión de salida continua compensa sobradamente el hecho de tener que utilizar dos diodos más. Por esta razón principalmente se utiliza muchas más veces el puente rectificador que el rectificador de onda completa.

7.1.3.

El filtrado

Como se ha visto, el voltaje obtenido tras el rectificador no es alterno, pero sufre variaciones a lo largo del tiempo. Necesitamos alisar esas ondulaciones para que se parezca lo más posible a una línea recta. El voltaje pulsatorio a la salida de un rectificador, se podría descomponer en una componente continua y una componente alterna (armónicos), y la función del filtro será hacer que el valor de esa componente alterna sea lo menor posible, reduciendo el rizado. Los filtros utilizados en las fuentes de alimentación, están constituidos por componentes pasivos, y básicamente tenemos el filtro por condensador (condensador en paralelo con la carga), y filtro por bobina (bobina en serie con la carga), pudiendo combinarse ambos.


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Formación Abierta

El objetivo pues de la etapa de filtrado en una fuente de alimentación es reducir las fluctuaciones del voltaje de salida de la etapa de rectificación y producir un nivel de voltaje DC casi constante.

7.1.3.1.

Filtro por condensador

Este filtro lo constituye un condensador colocado en paralelo a la salida de la etapa de rectificado como se ve en la figura 7.12.

Figura 7.12.

Filtro por condensador.

7.1.3.1.1. Filtrado por condensador a la salida de un rectificador de media onda Una señal de media onda como la de la figura 7.7 es una tensión continua pulsante que se incrementa a un máximo (voltaje de pico) y decrece a cero durante el semiciclo positivo, y posteriormente permanece en cero durante el semiciclo negativo. Este tipo de tensión continua no se puede utilizar en los equipos electrónicos. Para que estos aparatos funcionen correctamente necesitamos una tensión constante similar a la que se obtiene por ejemplo de una batería. Para obtener este tipo de tensión necesitamos filtrar la señal rectificada que obtenemos de la etapa anterior. La forma más sencilla de hacer esto es utilizando condensadores aprovechando sus propiedades de carga y descarga. Para entender un filtro por condensador colocado a la salida de un rectificador de media onda debemos comprender lo que hace este circuito durante el primer cuarto de ciclo.

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07

Inicialmente supondremos el condensador descargado y por lo tanto la tensión en este es nula. Durante la primera mitad del semiciclo positivo de la entrada ve el diodo está polarizado en directa y por lo tanto conduce. Si suponemos que se trata de un diodo ideal, el condensador se va cargando y su tensión en todo momento (siempre dentro de la mitad del semiciclo positivo) es igual a la tensión del secundario del trafo. La carga del condensador continúa hasta que la entrada alcanza su máximo valor. En este punto, la tensión del condensador es igual a Vp, tensión de pico del secundario del trafo. Después de que la tensión de entrada alcanza su valor pico, empieza a decrecer (entramos en la segunda mitad del semiciclo positivo). La tensión en el condensador mientras tanto continúa siendo Vp. Tan pronto como la tensión del secundario del trafo sea menor que Vp, el cátodo del diodo se encontrará a mayor potencial que el ánodo, y el diodo se polarizará en inversa con lo cual dejará de conducir. Lo que sucede es que el condensador se descarga a través de la resistencia de carga, a una razón determinada por la constante de tiempo RLC del circuito de descarga. Cuanto mayor sea la constante de tiempo, menor será la descarga del condensador. La descarga continua hasta que el voltaje de entrada es mayor que el voltaje del condensador momento en el cual el diodo vuelve a polarizarse en directa y conduce de nuevo con lo cual el condensador se vuelve a cargar hasta el valor Vp. En la figura 7.13 se ilustra la forma de onda resultante tras el filtrado.

Figura 7.13.

Salida resultante con un filtro con condensador a la entrada con carga.

En resumen el condensador se carga del rectificador durante un tiempo T1 hasta alcanzar el valor máximo, y se descarga durante un tiempo T2 sobre la resistencia de carga RL, con lo que las variaciones son menos bruscas. Estas variaciones serán tanto menores cuanto menos se descargue el condensador sobre la carga, es decir, mientras la constante de tiempo RLC sea mucho mayor que el período, el condensador permanecerá casi totalmente cargado y la tensión en la carga será aproximadamente igual a Vp. Si consideramos el caso extremo sin carga (resistencia RL infinita), el condensador se cargaría en el primer ciclo y ya no se descargaría, permaneciendo el voltaje en la salida del filtro constante e igual al valor máximo.


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Formación Abierta

Entre picos el diodo no conduce y el condensador se descarga a través de la resistencia, es decir, el condensador suministra la corriente de carga. Como el condensador se descarga solo ligeramente entre picos, cuando llega el siguiente pico, el diodo conduce brevemente y vuelve a recargar el condensador al valor de pico nuevamente.

Voltaje de rizo

Como vimos anteriormente, el condensador se carga rápidamente al principio de un ciclo y se descarga lentamente después del pico positivo (cuando el diodo está polarizado en inversa y no conduce). La variación en el voltaje de salida, debida a la carga y descarga, se llama voltaje de rizo. Cuanto menor sea el valor de pico a pico de este rizado, mejor será la acción del filtrado, es decir, más se aproximará la salida a una tensión continua perfecta. Podemos obtener una estimación del rizado de pico a pico de cualquier filtro con condensador a la entrada utilizando la fórmula: VR = i/fC Donde: VR

Tensión de rizado de pico a pico

i

Corriente por la carga en continua

F

Frecuencia

C

capacidad

Figura 7.14.

20


Tensión de rizado de pico a pico.


07

Por ejemplo si la corriente por la carga en continua es de 10 mA y la capacidad es de 100 μF, el rizado con un rectificador de media onda y un filtro con condensador será de: VR = 10 mA/((50 Hz).(100 μF)) = 2 V pico a pico Gráficamente el rizado, también llamado voltaje de pico a pico, es el valor de la diferencia de tensión entre el voltaje de pico y el punto en el cual la curva de descarga del condensador intersecta a la curva del voltaje a la entrada del filtro, que es la señal de tensión que obtenemos en este caso a la salida del rectificador de media onda.

7.1.3.1.2. Filtrado por condensador colocado a la salida de un rectificador de onda completa Razonando de la misma forma que hemos hecho para el caso del filtrado por condensador colocado a la salida de un rectificador de media onda tendríamos que la tensión de salida resultante si colocáramos un condensador en paralelo a la salida de un rectificador de onda completa o de un rectificador en puente de diodos sería similar a la de la figura 7.15.

Figura 7.15.

Forma de onda resultante el en el filtrado por condensador a la salida de un rectificador de onda completa.

Debes darte cuenta que para una frecuencia de entrada dada al ser la frecuencia de salida de un rectificador de onda completa el doble que la frecuencia de uno de media onda, se facilitará más el proceso de filtrado de un rectificador o onda completa. Una vez filtrado, el voltaje rectificado de onda completa tiene menos rizo que el de la señal de media onda, para los mismos valores de resistencia y condensador. Lo anterior se debe a que el condensador se descarga menos durante el intervalo más corto entre semiciclos de onda completa tal y como se ilustra en la figura anterior.


21

Formación Abierta

7.1.3.2.

Filtro por bobina

Consiste en una bobina colocada en serie entre el rectificador y la carga tal y como se ve en la figura 7.16. La bobina hace de amortiguador de las variaciones de intensidad, como el condensador lo hacia con las variaciones de voltaje. Esta, absorbe energía en forma de campo magnético, cuando la intensidad es mayor que el valor medio, y la devuelve cuando es menor.

Figura 7.16.

Filtro por bobina.

Al contrario que el condensador, la bobina aumenta su impedancia al aumentar la frecuencia, por lo que dejará pasar la continua y no la alterna. Igual que el filtro por condensador, interesa que el coeficiente de autoinducción de la bobina L, sea elevado, pero por contra, interesa que la intensidad sea elevada (RL pequeña). Por lo tanto la utilización del filtro por bobina será en circuitos de elevada potencia, dejándose el uso del filtro por condensador para los de baja potencia. En ocasiones la propia carga es inductiva y hace de filtro, como ocurre en los motores, que filtran ellos mismos su propia alimentación.

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7.1.3.3.

07

Filtro LC y Π

El filtro LC es una combinación de los dos anteriores, para utilizar las propiedades de ambos tipos de filtros. El filtro en π esta formado por dos condensadores y una bobina, tal y como se ve en la figura 7.17.

Figura 7.17.

Filtro en Π.

Para cargas pequeñas se puede sustituir la bobina por una resistencia, con lo que se reduce el tamaño y el coste. A la salida del filtro, se obtiene muy poco rizado, no obstante, para reducirlo aun más, se pueden colocar sucesivas unidades LC seguidas.

7.1.3.4.

Estabilización

Una fuente de alimentación que conste únicamente de una etapa rectificadora y de una etapa de filtrado, es de poca calidad, y no tiene en cuenta las variaciones del voltaje de la red, de la carga ni de la temperatura. Por lo tanto necesitamos un circuito estabilizador que actúe ante esas posibles fluctuaciones, y nos de una variación de voltaje a la salida menor que a la entrada. La estabilización se puede realizar con un diodo zener, o con un zener transistor.

y un

Antes de ver como se realizan estos tipos de estabilizaciones veremos que es un diodo zener y como funciona.

7.1.3.5.

El diodo zener

Los diodos rectificadores y los diodos para pequeña señal vistos en unidades anteriores nunca se emplean intencionadamente en la zona de ruptura, ya que esto podría dañarlos. Un diodo zener es distinto; se trata de un diodo de silicio que está diseñado especialmente para trabajar en la zona de ruptura.


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Formación Abierta

El voltaje de ruptura de un diodo zener se establece controlando cuidadosamente el nivel de dopado durante su fabricación. En la figura 7.18 se muestra el símbolo y la curva característica ideal de funcionamiento de un diodo zener. I

-Vz -Izt

V

-Izm

Figura 7.18.

Símbolo y curva característica de un diodo zener.

En la zona directa (V > 0) el diodo se comporta igual que un diodo normal de silicio, es decir como un interruptor cerrado si lo suponemos ideal. En la zona de fugas, -Vz < V < 0, (entre cero y la zona zener) circula solamente una pequeña corriente inversa que se puede considerar nula en el caso ideal que es el que nos ocupa. En un diodo zener la ruptura tiene un codo muy pronunciado, seguido de un aumento casi vertical en la corriente. Observe que la tensión es casi constante, aproximadamente igual a Vz en la mayor parte de la zona de ruptura (si V<-Vz), es decir con tensiones superiores a la de ruptura el diodo prácticamente mantiene entre sus terminales una tensión constante de valor Vz. En las hojas de características de un diodo zener es frecuente que se indique el valor de Vz, para un valor particular de la corriente Izt. La figura también muestra la máxima corriente inversa Izm. Mientras la corriente inversa sea menor que Izm, el diodo estará funcionando dentro de su zona de seguridad. Si la corriente es mayor que Izm, el diodo se destruirá. Para prevenir un exceso de corriente inversa y que el diodo se destruya deberemos colocar antes de este siempre una resistencia limitadora de corriente.

7.1.3.6.

Estabilización con diodo zener

Como ha visto en el punto anterior, un diodo zener tiene la particularidad de mantener un voltaje muy estable entre sus extremos (voltaje de zener), cuando por el circula una intensidad inferior a Izm en sentido inverso.

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07

La curva característica era prácticamente una recta casi perpendicular al eje horizontal entre 0 y la Izm. En la siguiente figura vemos la aproximación ideal para un diodo zener trabajando en la zona de ruptura.

Figura 7.19.

Aproximación ideal de un diodo zener en su zona de ruptura.

Podemos pues aprovechar esta característica, utilizando un montaje como el de la figura 7.20. El voltaje de entrada identificado aquí como Ve será obviamente el voltaje obtenido a la salida de la etapa de filtrado. Debes tener en cuenta que para que el diodo trabaje en la zona zener el voltaje Ve debe ser mayor que la tensión de ruptura Vz del diodo zener. El proceso de estabilización frente a variaciones del voltaje de entrada Ve, es el siguiente:

Si Ve aumenta ⇒ Vs aumenta ⇒ Vz aumenta ⇒ Iz aumenta mucho ⇒ I aumentará ⇒ RI aumenta ⇒ Vs disminuye.

El proceso es muy rápido, por lo que Vs permanece constante a pesar del aumento de Ve. De igual manera pero al contrario, sucedería si Ve disminuyera.

Figura 7.20.

Circuito estabilizador con zener.

El proceso de estabilización frente a variaciones de la carga RL, seria el siguiente:

Si RL disminuye ⇒ Vs disminuye ⇒ Vz tambien ⇒ Iz disminuye mucho ⇒ I disminuye ⇒ RI disminuye ⇒ Vs aumenta.

El razonamiento sería similar si en lugar de disminuir RL aumentara.


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Formación Abierta

Para realizar el diseño del anterior circuito estabilizador, necesitaremos tener los siguientes datos:

Voltaje de entrada Ve y su margen de variación (límites o valor porcentual).

Voltaje de salida Vs, que al ser el mismo que Vz, nos indicará el voltaje de tensión inversa del zener.

Resistencia de carga RL y su margen de variación (límites o valor porcentual).

Las características del zener.

Con estos datos determinaré las características de la resistencia R, siempre que sea posible, según los anteriores datos. V e = R .I + V s = R .( Iz + Is ) + V s

R=

Ve - Vs Iz + Is

Esto en el caso de que fueran constantes Ve e Is, que como hemos visto no tienen por qué serlo. Por lo tanto tenemos que considerar que habrá un valor máximo y mínimo de Ve, Is, e Iz, y tendremos que considerar igualmente las condiciones más desfavorables:

Cuando el voltaje de entrada Ve sea máximo y la intensidad por la carga Is mínima, la resistencia R debe ser tal que impida que por el diodo zener circule más intensidad que la Izm, ya que de lo contrario el zener se quemaría:

Rmin =

V e max - V s Izm + Is min

Este valor de la resistencia R será el mínimo posible para que el zener no se deteriore.

Cuando el voltaje de entrada Ve sea mínimo y la intensidad por la carga Is máxima, la resistencia R debe ser tal que permita que por el diodo zener circule por lo menos una corriente igual a la Izmin, ya que de lo contrario estaríamos trabajando antes del codo de la curva característica, y el zener no tendría entre sus extremos el voltaje de zener: Rmax =

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V e min - V s Iz min + Is max


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Este valor de la resistencia R será el máximo posible para que el zener trabaje correctamente. El valor final de R será el comprendido entre ambos, es decir mayor que la Rmin y menor que la Rmax, y que este normalizado. Hay que considerar que se ha tenido en cuenta todas las posibles variaciones, pero puede suceder que por ejemplo la carga RL permanezca constante, con lo que en las anteriores ecuaciones solo tendríamos un valor de Is. En algún diseño puede suceder que el valor de la resistencia Rmax sea menor que el de la Rmin, lo que implica la imposibilidad de realizar el diseño, a no ser que se cambie alguna condición de diseño. Los inconvenientes de este montaje, son por un lado que no es valido para grandes variaciones de Ve y de Is, y por otro que el zener es muy sensible a la temperatura. Esto último se puede subsanar utilizando zener especiales con bajo coeficiente de temperatura, o colocando otro diodo o un transistor con coeficiente de temperatura opuesto para compensar.

7.1.3.7.

Estabilización con diodos zener y transistor

El transistor, como se vio en una unidad anterior es un dispositivo semiconductor con tres terminales (B=base, E=emisor y C=colector), de manera que mediante el terminal de base se puede controlar la intensidad que circula por los otros dos. Un estabilizador con zener y transistor, puede estar montado en paralelo con la carga (o en serie).

Figura 7.21.

Circuito estabilizador con zener y transistor en paralelo.

Este montaje paralelo se utiliza poco, la variación de intensidad por el zener, controla al transistor y por tanto hay mayor posibilidad de variaciones de Ve e Is. El voltaje de salida Vs es igual al del zener mas el voltaje entre terminales baseemisor (0,7v).


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Formación Abierta

El montaje serie de la figura 7.22 es el que mas se utiliza, la intensidad por la carga la suministra el transistor. En algunos montajes se sustituye la resistencia por una fuente de corriente constante.

Figura 7.22.

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Circuito estabilizador con zener y transistor en paralelo.


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7.2. Reguladores integrados En las fuentes de alimentación reguladas, se trabaja con realimentación, esto es, se toma una muestra del voltaje de salida y se compara con un voltaje de referencia muy estable, teniendo como resultado de la comparación una señal que controlará automáticamente la fuente. De manera automática regulará (cambiará algún parámetro) para obtener a la salida el mismo voltaje En estas fuentes, se suele disponer de un potenciómetro mediante el cual es posible variar el voltaje de salida dentro de unos márgenes, a voluntad. Son las fuentes reguladas variables o ajustables, en las que una vez seleccionado el voltaje, este permanece muy estable. Dada la mayor complejidad de este tipo de fuentes, no se estudiaran en esta asignatura. No obstante, debido al abaratamiento en los procesos de integración actualmente se puede disponer de todos o casi todos los componentes necesarios, interconectados y encapsulados en un solo circuito integrado. En el circuito integrado, tendremos acceso mediante sus patillas a las entradas y salidas del circuito, además de aquellas patillas en las que se coloquen componentes difícilmente integrables como condensadores o en las que se coloquen resistencias según el diseño. Dada la gran variedad de circuitos reguladores integrados, podríamos agruparlos en: Los que dan una baja intensidad de salida

Son aquellos que proporcionan a la carga menos de 0,5 A, y que por lo tanto para suministrar más intensidad deben asociarse a algún dispositivo de potencia como un transistor. Los que dan una intensidad media o alta

Estos reguladores integrados proporcionan más de 0,5 A, y pueden algunos modelos suministrar hasta 10 A. Van montados en un encapsulado especial (TO3, TO220) que permite unirlos a un disipador para eliminar el calor producido en ellos. En cualquiera de estos dos grupos tendríamos la siguiente subclasificación:

De voltaje positivo: {

{

Fijo (también se puede tener un margen de voltajes con montajes especiales). Variable.


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Formación Abierta

De voltaje negativo: {

{

7.2.1.

Fijo. (también se puede tener un margen de voltajes con montajes especiales). Variable.

Reguladores comerciales

Nombraremos a continuación las principales familias de reguladores comerciales. Reguladores de voltaje positivo fijo

El LM 109 con voltaje de salida de 5 V e intensidad de 0,2 A. La familia LM 78LXX con encapsulado TO220 o TO03 de 3 patillas, para un voltaje según la referencia XX y una intensidad de hasta 1,5 A. El LM 323 con voltaje de salida de 5 V e intensidad de 3A, y el LM 309 que para el mismo voltaje proporciona hasta 1,5 A. Reguladores de voltaje positivo variables

Los LM 105, LM 205, LM 305 y LM 376 con voltaje de salida variable entre 4,5 y 40 V e intensidad de salida de 45 mA con encapsulado DIL 8 patillas, y el μA 723 con un amplio margen de voltajes e intensidades según montaje, y encapsulado de 14 patillas. Los LM 117, LM 217, LM 317 con voltaje de salida variable entre 1,2 y 37 V e intensidad según modelo entre 0,5 y 1,5A. Dentro de los mismos márgenes de voltaje tenemos el LM 350 para 3 A, el LM 338 para 5 A y el LM 396 para 10 A, todos ellos con encapsulado TO220 o TO3 de 3 patillas. Otro modelo con 5 patillas y encapsulado TO220 o TO3 es el L 200 con voltaje de salida variable entre 2,85 y 36 V e intensidad de 2A. Con 4 patillas tenemos el μA 78HGA con voltaje de salida variable entre 5 y 24 V e intensidad de 5A. Reguladores de voltaje negativo fijos

El LM 320 con voltaje de salida de -5V e intensidad de 0,25A. La familia LM 79LXX para un voltaje negativo según la referencia XX y una intensidad de hasta 1,5 A con encapsulado TO220 o TO3 de 3 patillas.

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07

Reguladores de voltaje negativo variables

Los LM 137, LM 237, LM 337 con voltajes de salida variable entre -1,2 y –37 V e intensidad según modelo entre 0,5 y 1,5A con encapsulado TO220 o TO3 de 3 patillas. De todos los modelos anteriores, por su bajo coste, facilidad de montaje, características (protección contra cortocircuitos, limitación térmica, etc.) y variedad de fabricantes, se suele utilizar la familia 78XX para voltajes positivos y la 79XX para negativos. Un montaje típico con uno de estos reguladores integrados es el de la figura 7.23. Tan solo necesitamos un condensador C1 (de unos 330 nF) entre la patilla de entrada y el común, y otro condensador C2 (de unos 100 nF) entre la patilla de salida y el común, ambos de pequeño valor, para eliminar transitorios que afecten al regulador.

Figura 7.23.

Circuito con regulador de la familia 78XX.

Hay que tener en cuenta que para un correcto funcionamiento de estos reguladores, el voltaje a la entrada Ve debe ser por lo menos 3 V superior al de la salida, y no mayor de 35 V que es el máximo voltaje aplicable a la entrada. Por ejemplo un montaje con un 7805, que nos daría 5 V a la salida Vs, necesita un voltaje a la entrada Ve mayor de 8 V y menor de 35 V. También debemos considerar que incluso sin ninguna carga RL conectada, el regulador consume una pequeña intensidad denominada intensidad de reposo, que en esta familia vale 8 mA. Esta intensidad circulará por el terminal de entrada (VI) y el común (GND), y es debida al consumo de los propios componentes de integrado. Con un regulador del tipo 79XX obtendríamos una salida negativa (polaridad contraria). En la práctica aunque sólo se utilizan estos reguladores de voltaje negativo en fuentes de alimentación simétricas, junto con reguladores positivos.


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Formación Abierta

Aunque tanto la familia de reguladores 78XX como la 79XX proporcionan voltajes fijos de tensión, se pueden realizar montajes con ellos que permitan obtener una salida variable, dentro de unos márgenes razonables. Un montaje de este tipo es el de la figura 7.24.

Figura 7.24.

Fuente de alimentación variable con un regulador fijo 78XX.

Se utiliza un potenciómetro o resistencia variable R2 para variar el voltaje de salida. El voltaje en R1 es fijo y es el valor nominal Vn del regulador. Tendríamos: V s = V n + R2( IQ + IR1 ) = V n + R2( IQ +

Vn 1) R

Si consideramos despreciable la caída de tensión producida por IQ, tendríamos: V s = V n(

R1+R2 R2 ) = V n( 1+ ) R1 R1

Con lo que podemos obtener un voltaje variable variando la resistencia R2. Cuando un regulador de esta familia, no puede por si mismo suministrar la intensidad que le pide la carga, se puede realizar un montaje como el de la figura 7.25, en el que el regulador es apoyado por el transistor T. El funcionamiento sería el siguiente: Cuando la carga pide poca intensidad, esta la suministra el regulador, pero cuando el consumo es elevado, el transistor conduce y ayuda al regulador suministrando intensidad.

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Figura 7.25.

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Fuente de alimentación con circuito integrado regulador y transistor.

Además de esta familia 78XX muy utilizada, se pueden realizar fuentes de alimentación simples y de gran estabilidad con el regulador integrado 723. Un montaje típico con este regulador es el de la figura 7.25. Cambiando los componentes exteriores se puede obtener un amplio margen de voltajes e intensidades. Internamente dispone de un voltaje de referencia, y un transistor limitador.

Figura 7.26.

Fuente de alimentación con un regulador integrado 723.


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07

• Resumen •

Hemos estudiado las principales características de los transformadores y por qué se utilizan en las fuentes de alimentación.

•

También hemos visto cuales son las etapas básicas de una fuente de alimentación.

•

Estudiamos los distintos tipos de rectificaciones y sus formas de onda resultantes sobre una entrada alterna senoidal.

•

Vimos las etapas de filtrado distinguiendo entre el filtrado por condensador, el filtrado por bobina o una combinación de ambos.

•

Hemos visto como utilizar para estabilizar el voltaje de salida de una fuente de alimentación un diodo zener o de un dido zener en combinación con un transistor.

•

Finalmente hemos visto los circuitos integrados reguladores y las principales familias que tenemos disponibles en el mercado.


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08


Electrónica de potencia


08

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 8.1. Introducción a sistemas de potencia ........................................................ 5 8.1.1. El dispositivo de potencia ideal ............................................................. 5 8.1.2. El problema de la conmutación............................................................. 7 8.1.3. La necesidad de conmutación .............................................................. 8 8.1.4. Clasificación de semiconductores de potencia ................................... 13 8.2. TIRISTOR ................................................................................................... 15 8.2.1. Estructura del tiristor ........................................................................... 15 8.2.2. Aplicaciones con tiristores................................................................... 17 8.3. TRIAC ......................................................................................................... 20 8.3.1. Estructura cristalina, símbolo y terminales.......................................... 20 8.3.2. Estructura equivalente a tiristores ....................................................... 20 8.4. DIAC ........................................................................................................... 22 8.4.1. Estructura cristalina. Símbolos............................................................ 22 8.4.2. Curva característica ............................................................................ 22 8.5. Transistores IGBT ..................................................................................... 24 8.6. Transistor de efecto CAMPO - FET ......................................................... 26 8.7. Distorsion armonica ................................................................................. 29 8.7.1. Descomposición Serie de Fourier ....................................................... 32 8.7.2. Teorema de Superposición ................................................................. 35 8.7.3. Cálculo de distorsión armónica THD................................................... 40 8.8. Puente en H ............................................................................................... 41 8.8.1. Sentido de giro de los motores ........................................................... 41 8.8.2. Conversión DC/AC .............................................................................. 42 8.8.3. El puente H trifásico ............................................................................ 47 8.9. SAI (Sistema Alimentación Ininterrumpida) ........................................... 49 8.9.1. Parámetros más importantes de los SAI............................................. 50 8.10. Variador de frecuencia ............................................................................. 55 8.11. Cargas inductivas ..................................................................................... 58


1

Formación Abierta

8.12. Calor y disipadores de calor .................................................................... 61 8.12.1. ¿Qué es el calor?................................................................................ 61 8.12.2. Radiación, convección, conducción .................................................... 61 8.12.3. Equivalencia calor-potencia ................................................................ 61 8.12.4. Potencia disipada en un diodo ............................................................ 61 8.12.5. Potencia disipada en un transistor ...................................................... 62 8.12.6. Potencia disipada en un triac .............................................................. 65 8.12.7. Circuito térmico ................................................................................... 65 8.12.8. Resistencia térmica unión-cápsula Rthj-c ........................................... 66 8.12.9. Resistencia térmica cápsula-radiador Rthc-r ...................................... 66 8.12.10. Resistencia térmica radiador-ambiente Rth ........................................ 67 8.12.11. Cálculo de Rth..................................................................................... 67 8.12.12. Uso de catálogos ................................................................................ 69 • RESUMEN .......................................................................................................... 71

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• Objetivos •

Introducirse en el conocimiento de los componentes de potencia más usados en la práctica.

•

Conocer el concepto de funcionamiento en régimen de conmutación de los dispositivos de potencia.

•

Comprender el efecto de disipación de potencia en estos dispositivos

•

Conocer el parámetro de distorsión armónica.

•

Conocer los equipos de potencia más utilizados en entornos industriales.


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Formación Abierta

• Introducción La electrónica es una de las ciencias que más fama de exacta e integral tiene. La primera característica puede ser verdad a medias, porque sorprende cuántos valores pueden ser fijados a voluntad en el cálculo de un circuito electrónico. No obstante, los resultados en este aspecto son realmente brillantes, teniendo básculas muy precisas y controles que no se equivocan nunca, por ejemplo. En cuanto a la segunda característica podemos decir que verdaderamente la electrónica puede solucionar problemas desde el inicio al final. Así, el control de temperatura de un horno detecta, gracias a unos aparatos maravillosos llamados sensores, el valor de la magnitud a controlar y la convierte en una señal eléctrica fácilmente utilizable por un sistema de control. Por último, este sistema es capaz de dar una serie de órdenes a los órganos calefactores que, por lo general, también son de naturaleza eléctrica. Por tanto, podemos identificar en cualquier sistema de control industrial tres partes fundamentales: la captación, la gestión y la actuación. La electrónica es capaz de solucionarnos las tres necesidades, siendo una gran suerte poder integrar soluciones electrónicas en proyectos de cierta envergadura. La parte de actuación es la que tratamos en el tema que nos ocupa. Si bien los sistemas de gestión son los que ocupan la mayor parte del tiempo para su diseño y trato por su manifiesta importancia (recuerde que esta parte es como el cerebro en el cuerpo humano), no debemos olvidar las otras, y más concretamente la última, pues emplea determinados componentes electrónicos de cierta complejidad y que trabajan bajo ciertas condiciones, muchas veces duras, debido a que las cargas eléctricas que manejan respondiendo a órdenes de la parte de control funcionan a altas corrientes y tensiones. Esta diferencia entre la parte de control y la de actuación o accionamiento se ha complicado en los últimos años por la especialización de las aplicaciones electrónicas en campos hasta ahora no tratados: en hornos de inducción, grupos de alimentación ininterrumpida para computadoras, etc. Estas cargas, además de funcionar a altas corrientes y tensiones, necesitan muy altas velocidades de conexión y desconexión, tema que trataremos ampliamente en los últimos puntos del tema y que han especializado el mundo de la electrónica de potencia hasta crear una rama particular denominada relés de estado sólido, tema apasionante que no dejaremos de tratar en el interior del tema.

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08

8.1. Introducción a sistemas de potencia 8.1.1.

El dispositivo de potencia ideal

La electrónica de potencia engloba tanto los componentes electrónicos dedicados a tal fin como los diferentes circuitos típicos que se utilizan con ellos. Una de las características más importantes en electrónica de potencia es que todos estos dispositivos trabajan en régimen de conmutación comportándose como un interruptor en modo abierto (no circula corriente) y en modo cerrado (circula toda la corriente del circuito).

Figura 8.1.

Dispositivo de potencia genérico.

Cuando el dispositivo se comporte como un circuito abierto la corriente no podrá circular por él y soportará toda la tensión del circuito de alimentación.

I = 0.A VR = R ⋅ l = R ⋅ 0A = 0V VC = VCC − VR = VCC − 0V = VCC

Donde: I

Corriente del circuito

VR

Tensión en la resistencia

VC

Tensión en el dispositivo de conmutación

VCC Tensión de alimentación


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Formación Abierta

Cuando el dispositivo se comporte como un circuito cerrado la corriente será la máxima que permita el circuito en función de la resistencia R y la tensión de alimentación Vcc l=

VCC R

VR = VCC VC = VCC − VR = 0V Donde: I

Corriente del circuito

VR


VC


VCC Tensión de alimentación Una característica que debemos tener en cuenta en los dos estados posibles que puede tener el dispositivo de potencia es que la potencia que disipará en ambos casos será de 0W. La potencia disipada en un semiconductor es en forma de calor y energía desaprovechada. Cuando se comporte como un circuito cerrado será: PC = VCI = 0V ⋅ I = 0W Como la tensión será siempre de 0V con independencia de la corriente que circule, su potencia siempre será nula. Cuando se comporte como un circuito cerrado será: PC = VCI = VCC ⋅ 0A = 0W Como la corriente será siempre de 0A con independencia de la tensión que soporte, su potencia siempre será nula. El hecho de que ambos estados el dispositivo no disipe potencia hace que sea una de las estrategias de funcionamiento más utilizada sobre todo en entornos industriales.

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Se debe tener en cuenta que en otras aplicaciones, como por ejemplo comunicaciones, los dispositivos de potencia trabajan en su modo lineal. Esto es permitiendo todos los valores posibles de tensión entre 0V - Vcc y Imax - 0A pasando de manera lineal entre circuito “cerrado” y circuito “abierto”. Lo que supone que “SI” existe disipación de potencia.

8.1.2.

El problema de la conmutación

El dispositivo de potencia entrará en conmutación pasando del estado abierto al estado cerrado de manera cíclica (más adelante estudiaremos el por qué). Como cualquier magnitud física no podemos pasar de un valor a otro de una manera instantánea (con tiempo 0) sino que se requiere de un determinado tiempo que por pequeño que este sea será motivo de que aparezca una disipación de potencia.

Figura 8.2.

Figura 8.3.

Tensión de salida en el tiempo.

Disipación de potencia en la conmutación.


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Formación Abierta

En la figura podemos ver los tiempos de conmutación, como al entrar en el modo de conducción la corriente se incrementa hasta llegar a su valor máximo como hemos visto en el punto anterior. De la misma manera la tensión empieza a decrecer hasta desaparecer por completo. Durante el proceso de conmutación (tr) existirá disipación de potencia ya que tenemos tanto tensión como corriente en el dispositivo de conmutación. Alcanzará la máxima potencia en su punto medio. En el caso que tanto tensión como corriente tengan un compartimiento lineal como se muestra en la figura la potencia máxima que se disipará será PC =

VCC Imax 1 = Vcc lmax 2 2 4

Los factores que incrementarán la disipación de potencia será:

El tiempo de conmutación (tr). A mayor tiempo, mayor potencia disipada

La frecuencia de conmutación. A mayor frecuencia, mayor cantidad de conmutaciones por unidad de tiempo.

La conmutación es un factor muy importante para la disipación de potencia.

8.1.3.

La necesidad de conmutación

En electrónica ante un mismo problema podemos encontrar varias soluciones. Por ejemplo supongamos la necesidad de convertir una tensión de 12V DC a otra tensión de 5V DC. Para poder resolver este problema con los métodos estudiados en el capítulo anterior podríamos realizar el siguiente circuito.

8



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OPCION 1

Figura 8.4.

Ejemplo 1 de Regulación de Tensión.

En este circuito utilizamos la resistencia R1 y D1 para polarizar la base del transistor. En el diodo D1 de 5V7 podemos comprobar que la tensión corresponde aproximadamente con este valor. Por otro lado la polarización de la base del transistor VBE=0.9V y la tensión a la salida del emisor (nuestra carga) VOUT=4.85V aproximadamente 5V VOUT = VZ − VBE = 5,76V − 0,91V = 4,85V ≈ 5V

Este circuito presenta el inconveniente de disipación de potencia en el transistor. En este ejemplo supongamos que la lámpara tiene una resistencia de 240

.

La potencia disipada en el transistor podemos calcularla como: I=

VOUT 5V = = 20mA R 240Ω

VCE = VCC − VOUT = 12V − 5V = 7V P = VCEl = 7V ⋅ 0,20A = 1,4W


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Formación Abierta

La potencia entregada a la carga (la lámpara) podemos calcularla como I=

VOUT 5V = = 20mA R 240Ω

P = VOURl = 5V ⋅ 0,20A = 1W Con este ejemplo se puede comprobar fácilmente la baja eficiencia de este circuito. Se suministra 1W a la carga y se disipa en forma de calor 1,4W despreciando los consumos de la resistencia R1 y del diodo zener se calcula fácilmente el rendimiento. η=

Pout 1W = = 0,41 PTOTAL 1W + 1,4W

Para pequeñas potencias el circuito puede ser válido pese a su baja eficiencia por la sencillez que presenta, pero para grandes potencias es inaceptable trabajar con unos rendimientos tan bajos. OPCION 2

Figura 8.5.

Ejemplo 2 de Regulación de Tensión.

Este método resuelve el problema anterior de convertir una tensión 12V DC a otra de 5V DC utilizando un transistor trabando en modo corte – saturación (circuito abierto – circuito cerrado)

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08

Al medir con un osciloscopio la tensión que tenemos en la carga (lámpara) tenemos lo siguiente:

Figura 8.6.

Forma de onda de la tensión de salida.

Para una onda cuadrada podemos calcular el valor medio

Figura 8.7.

Valor medio de una tensión cuadrada.

V=V

t ON t ON + t OFF


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Formación Abierta

Donde:

V

Tensión media

t ON

Tiempo del transistor en saturación

t OFF

Tiempo del transistor en corte o bloqueo

V

Tensión de alimentación

Para la mayoría de las aplicaciones (las detallaremos más adelante) el comportamiento de una carga es el mismo (o muy parecido y lo analizaremos posteriormente) cuando se alimenta desde una fuente de una determinada tensión o cuando se alimenta con una señal de onda cuadrada con el mismo valor medio.

Figura 8.8.

Equivalencia del valor medio de tensión.

En este ejemplo la carga (lámpara) se comportará de la misma manera cuando se alimente desde una fuente de 5V o cuando se alimente desde una señal cuadrada cuyo valor medio sean 5V Cuando se refiere al mismo comportamiento de la carga en ambos casos es para su característica principal. Por ejemplo la iluminación en una lámpara, temperatura en un calefactor, velocidad en un motor, etc…Para que esto sea así es necesario que los tiempos de conmutación sean muy inferiores a los tiempos de respuesta de la carga. Para entender la relación entre los tiempos de conmutación y el tiempo físico de respuesta, supongamos que tratamos de regular la iluminación de una lámpara con tiempos muy lentos, por ejemplo 1 segundo para ton y 1 segundo para toff. En este caso tendríamos una intermitencia porque durante ese segundo la lámpara es capaz de iluminarse por completo o de apagarse por completo. Por el contrario si los tiempos fueran mucho más rápidos por ejemplo 100uS, la inercia que tiene la lámpara para encenderse y apagarse hace se mantenga con una iluminación estable y constante.

12



08

Por comparar con el caso anterior, con este método casi toda la potencia entregada corresponde con la potencia consumida. Solo una pequeña cantidad de potencia será disipada en el transistor en comparación con la potencia entregada. Esto hace que la eficiencia de este circuito sea muy alta y próximo a la unidad. η=

POUT ≈1 PTOTAL

La solución más extendida para reducir las pérdidas de potencia en los semiconductores es la estrategia de conmutación. Esto es hacer funcionar en modo interruptor al dispositivo.

8.1.4.

Clasificación de semiconductores de potencia

En función del tipo de conmutación podemos clasificar a los semiconductores como:

No controlados.

Semi-controlados.

Controlados.

Los semiconductores no controlados como por ejemplos los diodos son los dispositivos sobre los que no podemos realizar ningún tipo de gestión o control sobre ellos. Su paso a conducción y a bloqueo dependerá de la corriente que circule por él.

Figura 8.9.

Diodo Silicio.

Los semiconductores semicontrolados como por ejemplo los tiristores permiten gestionar el paso a conducción pero no el paso a bloqueo. El paso a bloqueo coincidirá con el cese de corriente.


13

Formación Abierta

Figura 8.10.

Tiristor de Potencia.

Los semiconductores controlados como por ejemplo los transistores permiten gestionar el paso a conducción y a bloqueo. Esta característica hace que sean funcionalmente de los dispositivos más versátiles. Por el contrario tienen otro tipo de limitaciones relacionadas con las tensiones y corrientes máximas de trabajo.

Figura 8.11.

14


Transistor de Potencia.


08

8.2. TIRISTOR El tiristor tiene tres propiedades principales. Es al mismo tiempo:

•

Rectificador.

•

Interruptor.

•

Amplificador.

Con una señal aplicada a su electrodo de gobierno pasa del estado de bloqueo al de conducción, y puede volver al primero en ciertas condiciones, por consiguiente, puede emplearse en un circuito como interruptor. Para pasar del estado de bloqueo al de conducción necesita una potencia mínima de mando (del orden de 0,5 a 1W) para una corriente a su través de varios amperios, e incluso de decenas de ellos, entre ánodo y cátodo, con varios cientos de voltios en bornes del circuito utilizado, es decir, que se comporta también como amplificador de potencia.

Una de las aplicaciones principales del tiristor es la de funcionar como interruptor eléctrico, abriéndose y cerrándose permitiendo el paso o no de corriente, en respuesta a pequeños impulsos o niveles de tensión muy bajos en su terminal de gobierno.

8.2.1.

Estructura del tiristor

Equivalente a diodos

Los tiristores constan de cuatro capas alternadas de cristales P y N, como se indica en la figura siguiente, que en este caso representa un elemento tipo P (puerta tipo P). La combinación de estas cuatro capas produce tres uniones, mostradas como rectificadores, que se denominan J1, J2, J3. Características físicas de las cuatro capas:

La capa anódica (P1) no está muy impurificada y tiene un espesor mediano.

La de bloqueo (N1) está algo más impurificada y es la más gruesa de las cuatro.

La de control (P2) es fina y su grado de impurificación es similar al de la anódica.

La capa catódica (N2) es muy fina y con gran impurificación.


15

Formación Abierta

Equivalente a didos y transistores

El funcionamiento de los tiristores puede analizarse como componente si lo simulamos a base de otros que ya conocemos. Generalmente se hace a base de diodos y transistores. Intuitivamente podemos ver cómo funciona y lo que se intenta hacer. A

P1

A

J1 N1 J2

G

G

P2

K

J3 N2

K

Figura 8.12.

Estructura equivalente de un tiristor.

Símbolos y terminales

A continuación observamos una figura con una estructura cristalina más complicada, equivalente a transistores, símbolo y apariencia externa. A A

CIRCUITO ELÉCTRICO

P

A

FÍSICAMENTE

A

N

BT106 G

N

G TIPO N

P

TIPO P G

G

P

K A G

N K

K

K

K

Figura 8.13.

16

Equivalente a transistores, símbolo y apariencia física de un tiristor.



8.2.2.

08

Aplicaciones con tiristores

Para entender el funcionamiento de los tiristores podemos suponer que su comportamiento es similar al de un diodo, pero con algunas diferencias. Similitud entre diodo y tiristor Polarización

Diodo

Tiristor

Polarización Directa

Conducción

“Permite” la conducción

Polarización Inversa

No Conducción

No conducción

Como se puede observar en la tabla, cuando existe polarización inversa, tanto en el diodo como en el tiristor no existe conducción, la diferencia está cuando nos encontramos en polarización directa, el diodo conduce y el tiristor está preparado para conducir. El tiristor empezará a conducir en el momento que reciba un pulso por puerta “Gate”. Para entender su comportamiento, supongamos el siguiente ejemplo:

Figura 8.14.

Circuito con tiristor.

La forma de onda que podríamos obtener será la misma que la que obtendría con un diodo, rectificación en media onda. Dependiendo del momento en que se produzca la excitación o disparo por puerta será el momento que comenzará la conducción.

Figura 8.15.

Forma de onda que puede obtenerse.


17

Formación Abierta

Podemos producir el disparo a los 90º, momento que la señal senoidal es máxima y obtendríamos la siguiente forma de onda.

Figura 8.16.

Forma de onda para un disparo a 90º.

La primera señal es el generador, la segunda la señal que tenemos en la resistencia y la tercera la señal de disparo del tiristor.

Figura 8.17.

18




Figura 8.18.

08


Lo interesante de poder modificar el ángulo de disparo es obtener diferentes tensiones medias en la carga.


19

Formación Abierta

8.3. TRIAC 8.3.1.

Estructura cristalina, símbolo y terminales

La figura siguiente representa el montaje y el símbolo de un triac. Aunque su verdadera estructura se puede ver mejor en una figura tridimensional, ésta resulta suficiente para una exposición sencilla. Como se puede ver, el triac tiene dos terminales principales A1 y A2, y una única puerta. A2

N

P N G

A2

G

P A1 N

Figura 8.19.

8.3.2.

A1

Estructura y símbolo de un triac.

Estructura equivalente a tiristores

Un triac, o tiristor triodo bidireccional, es un dispositivo que se puede usar para dejar pasar o bloquear la corriente en ambos sentidos. Se puede considerar como dos tiristores conectados juntos en montaje antiparalelo pero con un electrodo de puerta común. A2

A1 G

Figura 8.20.

20


Equivalente a tiristores en un triac.


08

A diferencia del tiristor, el triac puede ser disparado tanto con impulsos positivos de la puerta, como con impulsos negativos. En general, el triac se puede utilizar en aplicaciones en que debería usarse un par de tiristores montados en antiparalelo; es decir, como un circuito regulador de c.a con control total. El triac presenta claras ventajas en relación con el circuito de control equivalente con tiristores. En especial por que el diseño del radiador está simplificado, pues sólo hay un dispositivo y el circuito de disparo es más simple que el empleado con el tiristor. Sin embargo, su aplicación está limitada a los circuitos de control de c.a con control total, y no se puede emplear para salidas de c.c ni en circuitos de control de c.a en que se necesiten conexiones comunes de ánodo o cátodo.


21

Formación Abierta

8.4. DIAC 8.4.1.

Estructura cristalina. Símbolos

El tiristor diodo bidireccional, normalmente conocido con la denominación diac, es un dispositivo de disparo bidireccional. Su funcionamiento resulta fácil de explicar si se considera inicialmente que consiste en dos diodos zener opuestos, conectados en contraposición, como se representa en la figura. A

A

A

P

D1 N D2 B

P

B

B Figura 8.21.

Estructura cristalina, símbolo y equivalente de un triac.

El diac está concebido para usarlo en circuitos económicos de disparo de tiristores y triacs.

8.4.2.

Curva característica

Si se aplica una tensión positiva al terminal A, el diodo D1 se polariza en sentido directo, el diodo D2 en sentido inverso, y sólo circula una corriente muy pequeña por el dispositivo. Si se aumenta la tensión en bornes del dispositivo, dicha corriente aumentará muy ligeramente siguiendo la curva OP. En el punto P, la tensión es lo bastante elevada para provocar la avalancha del dispositivo, y el diac muestra una resistencia negativa, representada por la pendiente de la curva PQ.

22



08

En esa región de resistencia negativa, la corriente aumentará rápidamente y la tensión en bornes del dispositivo caerá a un valor de funcionamiento más bajo. El diac entonces conduce. Si se aplica una tensión positiva en el terminal B la relación entre corriente y tensión se representa por la curva OP’Q’. Esta característica es básicamente el reflejo de la curva OPQ. Un dispositivo típico puede tener una Vbo de unos 30 voltios y un ITRM de 2 amperios.

Corriente

+ Q

-Vbo P'

P 0

Q'

+Vbo Tensión

Figura 8.22.

Curva característica de un diac.

La siguiente figura representa la utilización de un diac para disparar un tiristor. Resulta adecuado en muchos controles de velocidad de pequeños motores empleados en aplicaciones domésticas, en los que dicha velocidad no resulta demasiado crítica.

MOTOR 220V M 50Hz

R1

RED 220V 50Hz

R2

Figura 8.23.

TIRISTOR A

C1

G DIAC D1

K

R3

Disparo de un tiristor con diac.


23

Formación Abierta

8.5. Transistores IGBT La estructura de estos, cada vez más populares, componentes se muestra en la figura siguiente, y es similar a un MOSFET de canal N con la región N muy dopada cambiada por una P. E

G N+

C N+

P

P N-

G Rs E

P+

C

C

G

E Figura 8.24.

Símbolo y estructura de un IGBT.

Cuando el MOSFET entra en conducción gracias a un voltaje positivo en la puerta, los electrones que irrumpen en la zona P causan un flujo de corriente en la región N, pobremente dopada, que desencadena la conducción. El IGBT entonces se porta como un FET de canal N conduciendo a un transistor bipolar PNP, como se muestra en la figura. El IGBT es bastante similar a un tiristor con puerta MOS, sólo que en este caso somos capaces de eliminar la resistencia residual de conducción que tenemos en el transistor NPN (Rs).

24



08

El componente puede pasarse a estado de desconexión o descebado a voluntad, como si de un MOSFET se tratara, ya que este último forzará a la misma situación en el bipolar. Este paso a desconexión será tan rápido como lo permita la construcción del transistor bipolar, consiguiéndose, gracias a alguna arquitectura especial, tiempos bastante rápidos. Los IGBT son los relés de estado sólido más empleados en la actualidad, debido a su facilidad de manejo y altas frecuencias de conmutación.


25

Formación Abierta

8.6. Transistor de efecto CAMPO - FET Si bien los transistores de efecto campo no tienen la modulación de conductividad como una característica que puedan exhibir, pueden formar parte, junto con otros componentes, de relés de estado sólido más complejos pero mejores. Los MOSFET, una variedad mejorada de los FET, tienen una puerta de control aislada y son componentes normalmente OFF (ver figura siguiente). S

G N+

N+

D N-

G S N+

D

Figura 8.25.

Corte de sección y símbolo de un MOSFET de canal N.

Para elementos de canal N (pueden ser de canal P, en función de la naturaleza de la región dopada que sirve de puente entre los contactos que se abren o cierran), un voltaje positivo en la puerta crea un canal N en la región P poco dopada bajo el electrodo puerta (G), el cual a su vez crea una conexión óhmica entre la fuente (S) y el drenador (D), regiones N. Como puede comprobar, un transistor MOSFET dispone de tres terminales:

•

Puerta (G de gate)

•

Drenador (D)

•

Fuente (S de source)

Los MOSFET preparados para alto voltaje consiguen mantener bastante aislados los terminales donde se aplica esta tensión (drenador y fuente) gracias a esa región poco dopada. El problema que esto conlleva es que para pasarlo a conducción necesitamos una tensión de puerta proporcional a la corriente de maniobra que queramos controlar.

26



08

Así, por ejemplo, un MOSFET puede ofrecer suficiente aislamiento a una tensión de 1000V, necesitando para una corriente de 10 A una tensión de puerta de 10V. Para esa misma tensión, si la corriente fuera de 20 A, sería necesaria la conexión de una tensión de puerta de 20V. En la gráfica siguiente puede verse este efecto con claridad. Ron Vgs = 12

Id

Vgs = 10 Vgs = 8 Vgs = 6 Vgs = 4

Figura 8.26.

Curvas características de operación de un MOSFET.

Los transistores JFET de potencia (ver figura siguiente) son componentes normalmente abiertos con una puerta aislada. G

S P+

N+

P+

N-

N+ D (a) JFET de Potencia S N+

D P+

P+

P+

P+

G N-

G N+

S D

(c) Símbolo esquem ático

(b) SIT

Figura 8.27.

Símbolo y estructura de un JFET.


27

Formación Abierta

Vgs = -35

Vgs = -30

Vgs = -25

Vgs = -20

Vgs = -15

Vgs = -10

Id

Vgs = 0

Una tensión negativa en puerta crea una región de deplexión alrededor de la misma, la cual activa la conducción entre fuente y drenador. La característica de control es diferente comparada con el MOSFET (ver figura siguiente).

Vds

Figura 8.28.

Curvas características de un JFET.

En la figura podemos observar una construcción alternativa para transistores JFET, el llamado SIT (Static Induction Transistor), con su puerta totalmente “sepultada” bajo la zona N pobremente dopada. Es una alternativa generalmente poco usada y que funciona exactamente igual que el JFET. De hecho, se representan mediante el mismo símbolo eléctrico.

28



08

8.7. Distorsion armonica La distorsión armónica en una señal es la deformación producida respecto a una señal senoidal. Esta deformación puede producirse fundamentalmente por dos motivos:

•

Por fenómenos transitorios

•

Por condiciones permanentes

Los fenómenos transitorios pueden producirse durante los procesos de arranque y parada de motores u otro tipo de cargas fundamentalmente inductivas.

Figura 8.29.

Transitorio en señal alterna.

El efecto de estos fenómenos transitorios es la aparición de un “pico” de tensión y/o corriente que se superpone a la señal senoidal. Este transitorio tiene lugar solo en el momento de producirse el evento (conexión / desconexión) y tiene una duración de tiempo normalmente muy breve (del orden de milisegundos) Las consecuencias de la aparición de este tipo de transitorios pueden ser negativos no solo para el equipo o máquina que lo produce sino para otras máquinas que pueden estar próximas o compartiendo la misma acometida eléctrica. Esos picos pueden generar fallos de medida en sensores, haciendo creer, por ejemplo, que un motor gira más lento o más rápido de lo que realmente lo hace, modificando su velocidad con la gravedad que esto puede suponer. Por otro lado las condiciones permanentes pueden aparecer en los ciclos habituales de trabajo, como por ejemplo, la conmutación de transistores, tiristores, triacs, etc… conmutaciones que se repiten en cada ciclo de red. Aunque al igual que en el caso anterior pueden tener duraciones pequeñas (milisegundos o incluso inferiores) su amplitud suele ser menor, pero al producirse de manera repetitiva pueden ser una fuente de problemas.


29

Formación Abierta

Además en estas condiciones permanentes debemos agrupar aquellas que por las características del circuito no trabajan con señales senoidales. Por ejemplo la corriente que circula en una fuente de alimentación formada por un puente rectificador y un condensador no es una señal senoidal.

Figura 8.30.

Figura 8.31.

Puente rectificador de doble onda.

Ondas de rectificación y filtrado.

En la señal del osciloscopio tenemos representas las dos señales. Representado la onda rectificada y la filtrada. De estas señales podemos destacar dos detalles importantes. Para ambas señales podemos considerar que se tratan de señales distorsionadas, pues ninguna de las dos es una señal senoidal.

30



08

Por otro lado, como hemos visto en el tema de fuentes de alimentación la corriente solo circulará durante el momento de carga del condensador. Obteniendo una señal de corriente con distorsión armónica, ya que tampoco es una señal senoidal.

Figura 8.32.

Corriente suministrada por el generador al puente rectificador.

Siempre que una señal no sea senoidal podemos decir que tiene distorsión armónica.


31

Formación Abierta

8.7.1.

Descomposición Serie de Fourier

Joseph Fourier, matemático y físico Francés, demostró matemáticamente que toda señal periódica puede ser formada por la suma de varias señales senoidales.

Figura 8.33.

Jospeh Fourier – Matemático y Físico Francés (1768-1830).

El desarrollo matemático queda fuera del alcance del manual y solo vamos a demostrarlo de una manera gráfica. Supongamos la siguiente forma de onda.

Figura 8.34.

32


Señal periódica no senoidal.


08

Esta señal puede ser formada por la suma de las siguientes señales senoidales:

Figura 8.35.

Equivalencia de señales senoidales.

Al proceso de obtener de una señal periódica, las señales senoidales que deben sumarse para formarla se denomina descomposición serie de Fourier. A cada una de la señales senoidales se le denominan armónicos. Uno de ellos, el de mayor amplitud se define como componente fundamental o armónico fundamental. Los armónicos se definen con un ordinal, por ejemplo 5º armónico (quinto armónico). Este dato hace referencia a la frecuencia del armónico respecto al fundamental. El 5º armónico hace rece referencia a tener una frecuencia 5 veces superior a la fundamental. Una característica importante de las descomposición serie de Fourier es que todas la señales senoidales poseen una frecuencia que es múltiplo entero de la componente fundamental. Esta característica no se produce cuando la señal no es periódica (por ejemplo una señal de audio).

Con la descomposición serie de Fourier obtendremos un armónico o componente fundamental, que será el de mayor amplitud y un conjunto de armónicos de diferente orden.


33

Formación Abierta

En el ejemplo podemos observar como la señal recuadrada está formada por un armónico fundamental f, 3º, 5º y 7º armónico. Cada armónico de mayor orden posee una amplitud menor. Si continuamos sumando armónicos (teóricamente infinitos armónicos cada vez de menor amplitud) llegaríamos a formar una señal cuadrada.

Figura 8.36.

Descomposición serie de Fourier.

En ocasiones la descomposición serie de Fourier está formada por una gran cantidad de armónicos (en ocasiones como en la onda cuadrada infinitos) que cada vez tienen una menor amplitud. Para poder trabajar de una manera cómoda suele usarse los armónicos de mayor amplitud y más representativos. Una técnica utilizada para representar una señal periódica es mediante su descomposición armónica o también llamada transformada de Fourier.

34



08

Por ejemplo una señal cuadrada como la siguiente:

Figura 8.37.

Onda cuadrada.

Puede descomponerse por una serie de señales senoidales de diferente frecuencia y amplitud que puede representarse de la manera siguiente:

Figura 8.38.

Análisis de Fourier.

Con esta representación podemos ver cada uno de los armónicos representado la frecuencia del mismo (eje X) y la amplitud (eje Y).

8.7.2.

Teorema de Superposición

El principio de superposición o teorema de superposición es un resultado matemático que permite descomponer un problema lineal en dos o más problemas sencillos, de tal manera que el problema original se obtiene como "superposición" o "suma" de estos problemas más sencillos.


35

Formación Abierta

Cuando tenemos un circuito formado por varias fuentes de alimentación podemos hacer un análisis parcial por cada una de ellas sustituyendo el resto por fuentes de 0V (equivale a un cortocircuito) y sumando los resultados parciales. Supongamos el siguiente ejemplo:

Figura 8.39.

Circuito aplicación Teorema de superposición.

Para calcular la tensión en R1 se puede aplicar las ecuaciones de mallas o resolverlo mediante dos circuitos independientes.

Figura 8.40.

Circuito aplicación Teorema de superposición.

Se propone resolver el circuito mediante las dos técnicas para comprobar que el resultado es el mismo e igual a 0V. Hay que tener en cuenta que esto solo sirve para circuitos lineales, estos son aquellos que únicamente están formados por resistencias, condensadores y bobinas. Los circuitos formados por componentes semiconductores no responden a este teorema de superposición.

36



08

Lo interesante de este teorema y relacionado con la descomposición serie de Fourier es que un circuito que pueda estar alimentado por usa señal con distorsión armónica (no senoidal) podamos analizarlo por cado uno de sus armónicos y el resultado final será la suma de todos los resultados parciales. Por ejemplo supongamos el siguiente circuito:

Figura 8.41.

Señal no senoidal alimentado a una resistencia.

La señal que alimenta a la carga (resistencia de 10K) es la siguiente:

Figura 8.42.

Forma de onda de la señal no senoidal.

Si en este circuito aparentemente sencillo debemos calcular la potencia que disipa la resistencia, resultaría bastante complicado al no ser una señal senoidal.

Las expresiones que normalmente usamos solo son válidas para señales senoidales, valor medio, valor eficaz, etc…

La forma de poderlo resolver de una manera fácil será aplicando a la periódica la descomposición de Fourier para conocer todos sus armónicos. práctica se suelen utilizar equipos de medida (opciones que a día de hoy disponibles en osciloscopios) ya que el desarrollo matemático resulta una bastante ardua y complicada.

señal En la están tarea


37

Formación Abierta

Figura 8.43.

Descomposición serie de Fourier de la señal periódica.

Según hemos visto anteriormente la señal periódica puede formarse por un conjunto de señales senoidales de amplitud y frecuencia según se ve en la imagen anterior. Por lo tanto según el ejemplo tendríamos: Descomposición serie de Fourier Armónico

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Frecuencia

Amplitud

(Hz)

(V)

1º

50 Hz

13V

Armónico Fundamental

3º

150 Hz

4V

3º Armónico

5º

250 Hz

2.5V

5º Armónico

7º

350 Hz

1.9V

7º Armónico

9º

450 Hz

1.5V

9º Armónico



08

El circuito equivalente que podemos formar con la suma de todas las señales senoidales es el siguiente:

Figura 8.44.

Circuito equivalente.

Se puede observar como cada armónico lo representamos mediante un generador para su frecuencia y amplitud. Ahora aplicando el teorema de superposición podemos analizar el circuito por cada uno de los generadores. Para calcular la potencia disipada en la resistencia usaremos la expresión: P=

V2 R

Donde: P

Potencia en vatios (W)

V

Tensión eficaz de la señal senoidal

R

Resistencia

De esta manera podemos calcular para cada uno de los armónicos su potencia y la potencia total según el teorema de superposición será la suma de todos. Cálculo mediante teorema de superposición Armónico

Frecuencia

Amplitud

Potencia

(Hz)

(V)

(W)

1º

50 Hz

13V

0,0169 W

3º

150 Hz

4V

0,0016 W

5º

250 Hz

2.5V

0,000625 W

7º

350 Hz

1.9V

0,000361 W

9º

450 Hz

1.5V

0,000225 W

n

P = ∑ Pi = P1 + P2 + P5 + P7 + P9 n =i


39

Formación Abierta

8.7.3.

Cálculo de distorsión armónica THD

La distorsión armónica THD (Total Harmonic Distortion) es una unidad de medida que nos permite valorar la calidad de una señal entendiendo como calidad óptima aquella que es totalmente senoidal. La unidad se mide en tanto por ciento “%” y el valor del 0% corresponde con una señal senoidal. El parámetro THD se define como cuánta potencia es entregada a la carga por los armónicos (menos el principal) respecto a la potencia entregada por el armónico principal.

∑ THD =

n

=2 Pi

n

P1

En otras ocasiones el cálculo de THD se hace utilizando los valores de tensión eficaz. Sabiendo que

P=

V2 R

Sustituyendo los valores de Pi y simplificando la expresión tenemos otra forma de expresar el valor THD

∑ THD =

n n

=2 Vi2 V12

Siguiendo el ejemplo que hemos visto en el apartado anterior, tenemos: THD =

P2 + P5 + P7 + P9 = 15,30% P1

Esto supone que el 15.30% de la potencia suministrada a la carga o el receptor proviene de las componentes armónicas que no corresponden a la fundamental. En ocasiones, debido a las características de la carga, están especialmente diseñadas para trabajar con una señal senoidal. Por ejemplo un transformador trabaja de manera eficiente para 220Vef. 50Hz, pero su comportamiento puede ser bastante deficiente trabajando con otras frecuencias. Eso supone que los armónicos que no corresponden al fundamental pueden provocar pérdidas o calentamientos. De ahí la gran utilidad de la magnitud THD, nos da una idea de la potencia que será suministrada a frecuencias distintas de la principal.

40



08

8.8. Puente en H El puente en H es una de las estructuras más importantes en electrónica de potencia, este sistema nos permitirá el poder control la tensión de salida partiendo de una fuente continua en función de la estrategia de conmutación.

Figura 8.45.

Puente en H.

El puente en H es usando fundamentalmente con dos propósitos:

•

Controlar el sentido de giro de los motores de corriente continua

•

Convertir una tensión continua en alterna DC/AC

8.8.1.

Sentido de giro de los motores

Para poder controlar el sentido de giro de los motores de corriente continua, debemos recordar que este depende de la polaridad que se aplique para que gire en un sentido u otro.

Figura 8.46.

Puente en H para controlar el giro del motor. Sentido Horario.


41

Formación Abierta

En el esquema se puede observar que accionando SW1 y SW4 tenemos +12V según se ve en el polímetro. En este caso el motor gira en sentido horario.

Figura 8.47.

Puente en H para controlar el giro del motor. Sentido Antihorario.

En este otro caso, accionando SW2 y SW3 hay una tensión de -12V según el polímetro y el motor gira en sentido antihorario.

Modificando la conmutación de los interruptores de potencia SW1-SW4 o SW2-SW3 conseguiremos que el motor gire en un sentido u otro.

8.8.2.

Conversión DC/AC

Figura 8.48.

42


Conmutación para conversores DC/AC.


08

En el ejemplo anterior hemos visto como podemos conseguimos que en la carga (el motor DC) tengamos +12V y -12V según accionemos unos interruptores u otros. En este caso el objetivo será realizar una conmutación a una determinada frecuencia y poder conseguir así una onda cuadrada.

Figura 8.49.

Puente en H para controlar el giro del motor. Sentido Antihorario.

En la señal de osciloscopio se puede observar que la primera señal (Chanel A) se obtiene una señal cuadrada de +20V a -20V con una frecuencia de 50Hz. La señal 2 y 3 corresponden al momento de conmutación de SW1-SW4 y SW2-SW3 respectivamente. La primera aproximación que podemos realizar es suponer que esta señal cuadrada corresponde con una señal senoidal de 20Vp y 50Hz. En realidad tenemos una señal con una gran distorsión armónica THD.

Figura 8.50.

Comparación entre señal cuadrada y senoidal.


43

Formación Abierta

Haciendo un análisis de la descomposición serie de Fourier podemos demostrar que la distorsión armónica es THD=48,3% lo que nos da una idea de la mala aproximación que supone considerar la onda cuadrada como senoidal. Podemos interpretar que casi la mitad de la energía aportada se hace en armónicos que no corresponden al fundamental. En la página siguiente se observa esta descomposición.

Figura 8.51.

Descomposición de Fourier para una onda cuadrada.

Dando un paso más en la conversión DC/AC podemos conseguir unos mejores resultados buscando otras estrategias de conmutación. Para ello lo que se hace es fragmentar cada uno de los dos semiciclos en señales pulsantes y aproximar así su valor medio al que tendría una señal senoidal.

Figura 8.52.

44


Modulación Senoidal.


08

La forma de onda genérica que obtendríamos sería como la mostrada en la figura, donde se comienzan con pulsos de pequeña duración lo que sopondrá un valor medio pequeño correspondiente al que tendría una señal senoidal es ese intervalo de tiempo, una vez llegados a se mantendrá el pulso de mayor duración para conseguir la máxima tensión correspondiendo con el valor de pico de una onda senoidal. Es esta señal de osciloscopio puede verse la relación entre los pulsos de conmutación del puente H con el valor de una señal senoidal.

Figura 8.53.

Comparación Onda Senoidal y onda cuadrada.

Haciendo el análisis de Fourier para esta señal tenemos el siguiente comportamiento.

Figura 8.54.

Descomposición Fourier en modulación senoidal.


45

Formación Abierta

En este caso se consigue reducir la amplitud de los armónicos y supone reducir su distorsión armónica a valores de THD<5% lo que supone una mejora considerable en la calidad de la señal. También puede observarse como aplicando un pequeño filtro mediante un condensador en la salida se consigue ver una forma de onda más senoidal.

Figura 8.55.

Filtrado mediante condensador.

La técnica utilizada para gestionar la conmutación es mediante la comparación de dos señales de referencia, una de ellas senoidal y la otra triangular. Cuando la señal senoidal sea superior a la triangular se realizará la conmutación para los semiciclos positivos, mientras que el criterio será a la inversa para los negativos.

Figura 8.56.

46


Señales de referencia en la modulación.


08

Modificando la conmutación conseguimos mejorar la señal obtenida haciendo que tenga una menor distorsión armónica.

8.8.3.

El puente H trifásico

El puente H trifásico consiste en añadir una rama adicional a los existentes y poder así generar una señal trifásica que dependerá de la estrategia de conmutación. De la misma manera que en el caso anterior, podemos generar una onda cuadrada por cada una de las fases o una señal pulsante para poder reducir la distorsión armónica.

Figura 8.57.

Puente en H trifásico.


47

Formación Abierta

Existen unas conmutaciones que no están permitidas al producir un cortocircuito. Por ejemplo SW1-SW4 SW3-SW6 SW2-SW5. En la gráfica siguiente puede observarse como no existe ninguna de estas combinaciones.

Figura 8.58.

48


Gestión de conmutación.


8.9. SAI (Sistema Ininterrumpida)

08

Alimentación

El sistema de alimentación ininterrumpida SAI es un sistema electrónico que permite durante un determinado tiempo seguir suministrando energía eléctrica aún cuando falle el suministro eléctrico. Para ello el equipo cuenta con unas baterías que son las encargadas de almacenar la energía mientras exista suministro eléctrico y de aportar dicha energía almacenada cuando se produzca el fallo.

Figura 8.59.

Figura 8.60.

Diagrama de bloques de un SAI.

Diferentes SAI comerciales.


49

Formación Abierta

Estos equipos tienen vital importancia en instalaciones donde puede resultar muy costoso la pérdida de energía, por ejemplo en equipos informáticos, de seguridad, médicos, etc… Los elementos más importantes que forman parte de estos equipos son: Conversor AC/DC

Es el parte encargada de convertir la fuente de la red eléctrica de AC (corriente alterna) a DC (Corriente Continua). Esta tensión con un sistema de carga adecuado será el encargado de cargar las baterías. Baterías

Es uno de los elementos más importantes del equipo, en ellas se almacena la energía que será utilizada cuando exista el fallo eléctrico. La capacidad de las baterías serán las que determinen el tiempo máximo en el que podremos estar suministrando energía en función de la carga. Conversor DC/AC

Como se ha visto en el apartado anterior, este módulo permitirá cambiar la corriente continua proporcionada por la batería en corriente alterna. Para ello se utilizará el puente en H que dependiendo de la estrategia de conmutación conseguiremos una mejor o peor calidad de señal.

8.9.1.

Parámetros más importantes de los SAI

En el mercado podemos encontrarnos una gran variedad de equipos donde a nivel comercial únicamente se menciona como característica principal la potencia de suministro y para potencias similares podemos encontrar una gran diferencia de precios que en necesario conocer en detalle el resto de características para poder realizar una comparación adecuada. Los parámetros más importantes que encontramos son: Potencia de Salida

Es una de las características más importantes pero no la única. Normalmente se expresa en W (Watios) o VA (VoltiAmperios). En principio podríamos considerar ambos unidades como equivalentes para cargas resistivas, pero si alimentamos cargas inductivas como por ejemplo motores deberemos tener en cuenta que la limitación serán los VA.

50



08

Tensiones y frecuencias de trabajo

La mayoría de los equipos permiten trabajar para una tensión de entrada de 220V 50Hz que será la tensión que nos encontramos en la mayor parte de Europa aunque permiten un margen de alimentación bastante amplio y esto casi nunca es una limitación. Por otro lado la tensión de salida puede ser seleccionable al igual que la frecuencia, aunque la mayoría de los equipos vienen configurados por defecto para trabajar con los valores convencionales, en España 220V 50Hz. Hay que tener especial cuidado si la compra se importa desde Inglaterra donde por defecto vendrá configurado para trabajar con otros valores. Tipo de tensión de salida

Este es un parámetro importante y nos da idea de calidad de la fuente suministrada. Los tipos de tensión de salida que podemos encontrar en los equipos comerciales son:

Onda cuadrada

Onda Senoidal Pura

Onda Trapezoidal

La onda cuadrada:

En el mercado podemos encontrar equipos que como señal de salida generan una onda cuadrada de la misma manera hemos visto en el apartado del puente en H con una alta distorsión armónica. Hay que tener en cuenta que es lo que queremos alimentar con este tipo de señal ya que ciertos equipos podrían dañarse o funcionar de manera incorrecta. Por norma general (aunque deberíamos asegurarnos de ello) los PC y equipos informáticos toleran bien esta alimentación. Hay que tener en cuenta que ellos a su vez disponen de una fuente de alimentación que soporta un amplio margen de tensiones de entrada, pero puede provocar un envejecimiento prematuro de estas fuentes.


51

Formación Abierta

Por el contrario para equipos médicos, de medida, etc… puede ser inadecuado el uso de este tipo de ondas.

Figura 8.61.

Onda cuadrada SAI.

La onda senoidal pura:

Además de esta forma de onda cuadrada podemos encontrar otros SAI que a su salida generan una señal alterna. Como se ha visto en el apartado del puente en H esta forma de onda se genera mediante unos pulsos que posteriormente serán filtrados. En este caso los fabricantes suelen clasificarlos como SAI con onda senoidal “pura” aunque el parámetro que determinará lo pura que es esta señal será su distorsión armónica o THD.

Figura 8.62.

52


Onda senoidal SAI.


08

SAI OFF-LINE y ON-LINE

La diferencia entre un SAI Offline/Online está en el tipo de conmutación que se realiza en el momento de producirse el fallo de suministro eléctrico. Para el primer caso (SAI-Offline) en el momento de producirse el corte eléctrico entra en funcionamiento el convertir DC/AC.

Figura 8.63.

SAI off-line.

En la figura puede verse el conmutador que selecciona la fuente de energía, la red eléctrica o la obtenida del convertidor DC/AC. El inconveniente de este tipo de dispositivo es el tiempo de conmutación. Existirá un tiempo (muy pequeño) donde se producirá un “microcorte” del suministro eléctrico y para determinadas cargas puede originar algún problema. Por otro lado tenemos el SAI-Online, este dispositivo se caracteriza por no tener este tipo de conmutación, permanentemente se está produciendo la señal eléctrica del conversor DC/AC de manera que si se produce un corte eléctrico la tensión de salida no se ve afectada.

Figura 8.64.

SAI on-line.


53

Formación Abierta

Tiempo de duración de la batería

El fabricante suele dar el tiempo estimado de duración de suministro eléctrico cuando las baterías están totalmente cargadas (normalmente es lo habitual) y en función de la carga que tenga el SAI. Otros parámetros característicos

Adicionalmente existen otras características que pueden resultar de interés, como por ejemplo la comunicación con un PC. Algunos SAI cuando detectan el fallo de suministro eléctrico son capaces de comunicar el estado a un PC para que este pueda apagarse automáticamente pudiendo salvar previamente los datos. A modo de ejemplo se pueden ver las características típicas de SAI comercial.

Las características más importantes que definen un SAI son la potencia de trabajo, el tiempo estimado de duración, el tipo de forma de onda de salida y si el modo de trabajo es off-line y on-line.

54



08

8.10. Variador de frecuencia El variador de frecuencia es un dispositivo electrónico muy utilizado en la industria para el control de velocidad en motores de corriente alterna. Dentro de los procesos industriales es importante poder controlar esta velocidad ya que conseguiremos regular el ritmo de producción, controlar un arranque suave del proceso etc…

Figura 8.65.

Variador de frecuencia de la marca Omrom.

Para un motor convencional la velocidad de giro puede obtenerse con la siguiente fórmula:

V(r ⋅p ⋅m) =

120xf p

Donde: V

Velocidad del motor en RPM (revoluciones por minuto

f

Frecuencia de alimentación

p

Números de polos del motor

Al realizar la regulación de velocidad de un motor normalmente debe trabajar a menor potencia y eso supone reducir la tensión de trabajo. La relación entre la tensión y la frecuencia es un parámetro de configuración de los variadores.


55

Formación Abierta

Figura 8.66.

Relación tensión / frecuencia de un variador para un motor de 10CV.

Esto supone que un variador debe ser capaz de poder modificar tanto la tensión de salida como su frecuencia. El diagrama de bloques de los variadores es el siguiente:

Figura 8.67.

Diagrama de bloques del variador.

Por un lado tenemos un rectificador trifásico para convertir la corriente alterna en corriente continua formando el llamado “bus de continua” en este bus dispondremos de un condensador para filtrar esta tensión. Después dispondremos un puente en H trifásico para generar la tensión de salida al motor. En el siguiente esquema está aparecen detallados cada uno de los bloques, como conversor AC/DC el puente rectificador y un puente H trifásico para la conversión DC/AC, según la conmutación conseguiremos una frecuencia u otra y en consecuencia regular la velocidad.

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Figura 8.68.

08

Esquema interno de un variador de frecuencia.

El variador de frecuencia es el equipo encargado de variar la velocidad de trabajo.


57

Formación Abierta

8.11. Cargas inductivas El estudio de la electrónica de potencia con cargas inductivas requiere de una atención especial. Hay que tener en cuenta que las inductancias (motores, reactancias, transformadores, etc…) su comportamiento hace que la corriente no permita cambios bruscos, podríamos suponer que tienen cierta inercia a los cambios de corriente. Este fenómeno hace que una bobina alimentada con corriente alterna, la corriente queda retrasada un determinado ángulo que se le denomina φ (phi)

Figura 8.69.

Figura 8.70.

58


Circuito con carga inductiva.

Forma de onda de tensión y corriente.


08

Este fenómeno, que la corriente queda desplazada respecto a la tensión, hace que para tensiones negativas tengamos todavía una corriente positiva. Si tenemos en cuenta que en los diodos y por extensión en tiristores y triacs, dejan la conducción cuando la corriente se hace cero (0A), podemos encontrarnos con formas de onda que llegan a ser negativas. Si al circuito anterior añadimos un diodo para rectificar.

Figura 8.71.

Rectificador con carga inductiva.

Obtendremos la siguiente forma de onda:

Figura 8.72.

Formas de onda.

En la forma de onda se puede observar, la primera corresponde a la señal del generador, la segunda la salida del diodo y la tercera la corriente que circula por el circuito.


59

Formación Abierta

El diodo solo permite la circulación de corriente positiva, pero debido a que existe cierto desfase con la tensión, parte del semiciclo negativo se obtiene en la forma de onda de salida. A este fenómeno debe prestarse especial interés, ya que al introducir parte de una señal negativa su valor medio quedará afectado.

Las cargas inductivas, como por ejemplo motores, provocan un retraso de la corriente respecto a la tensión y esto supone que en los circuitos de rectificación puedan aparecer tensiones negativas que terminarán afectando al valor medio de la tensión de salida.

60



08

8.12. Calor y disipadores de calor 8.12.1. ¿Qué es el calor? El calor es una forma de energía que depende de la estructura interna del cuerpo, y se debe al movimiento desordenado de las moléculas. El calor aumenta la energía cinética de las moléculas, dando lugar a un aumento de temperatura.

8.12.2. Radiación, convección, conducción Todo cuerpo radia calor cuando su temperatura absoluta es superior a 0 K, y el calor radiado es mayor cuanto mayor es la temperatura del cuerpo; siendo el “cuerpo negro ideal” el de mayor poder de radiación. Por este motivo se efectúa un ennegrecimiento de las superficies radiantes. El calor de un cuerpo sólido se transmite al fluido que lo rodea, formándose, debido a la variación de la densidad con la temperatura, líneas de movimiento de dicho fluido que evacuan el calor del sólido que circundan. A este proceso se le llama convección natural; cuando la circulación del fluido está provocada por un medio exterior, se denomina convección forzada. En la transmisión de calor por conducción el calor se transmite por el interior del cuerpo estableciéndose en el mismo una circulación de calor. La cantidad de calor máxima que podrá atravesar dicho cuerpo es aquélla para la cual se consigue una estabilización de temperatura en todos sus puntos.

8.12.3. Equivalencia calor-potencia Existe una relación constante entre el trabajo realizado y el calor desprendido. 1julio = 0,24 calorías. 1W = 1julio/segundo. 1W = 0,24 calorías/segundo.

8.12.4. Potencia disipada en un diodo La potencia en el diodo es el producto de la corriente que le circula por la caída de tensión en sus extremos. W = If · Vf


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Formación Abierta

La Vf en diodos de potencia no suele ser sólo 0,7V, sino que llega a alcanzar tensiones de hasta 3 o más voltios. A la hora de calcular el radiador será necesario consultar los catálogos. La gráfica de la página siguiente demuestra el aumento de tensión en el diodo a medida que aumenta la corriente.

La potencia disipada en un elemento electrónico de potencia existe siempre y produce una elevación de la temperatura interna del mismo, efecto nocivo para el buen funcionamiento y vida del componente.

7Z11071

102 IF (A) 10

Tj = 150ºC

25ºC

1

10-1

10-2 0 Figura 8.73.

1

2

VF (V)

3

Curva de potencia disipada en un diodo.

8.12.5. Potencia disipada en un transistor La potencia disipada en un transistor es el producto de la tensión colector-emisor por la corriente de colector. W = Vce · Ic

62



10 8

Corriente de pico de colector

6

Pulso de 1μ s Pulso de 10μ s Pulso de 100μ s

Límite de máx, corriente DC

4

08

Pulso de 1000μ s

Máx. disipación de potenci a 70ºC en cápsula

1 -8 -6 -4

-2

-0,2

-0,1 1

2 4 6 8 10 20 40 Vce TENSIÓN COLECTOR EMISOR EN VOLTIOS

Figura 8.74.

VCES MAX. D44C7, 8, 9

-0,4


-0,8

VCESMAX. D44C10, 11, 12

-1


Ic CORRIENTE DE COLECTOR EN AMPERIOS

2

60 80 100

Potencia disipada en un transistor.

8.1.1. POTENCIA DISIPADA EN UN TIRISTOR La potencia disipada por un tiristor es el producto de la tensión que tiene en ánodocátodo y la corriente que circula a través de él. W = If · Vf


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Formación Abierta

A modo de ejemplo se pueden observar dos gráficas de las que aparecen en los catálogos de los fabricantes. Vea que la cosa se puede complicar mucho.

(W)

Cond. Form angle factor a 4 α = 30º 60º = 2.8 2.2 90º 120 1.9 180 º 1.6 º

7Z10345 interrelation between the power (derived from the left hand graph) and the max, allowable temperatures.

α α = conduction angle

dc .

40

1. 9 1.

= a 4

10

Figura 8.75.

ITAV(A)

20

k)

0 0

Tamb (ºC) 100

50

Ejemplo de curvas características de catálogos de tiristores.

Curva del tiristor 10 0 Corrinente instantanea de ON en Amperios

50

20 10 5.0 2.0 1.0 +25ºC +100ºC

0.5

Temperatura de la unión

0.2 0.1 0.2

0.6

1.0

1.4

1.8

2.2

2.6

3.0

Tensión instantánea de ON en Voltios

Figura 8.76.

64


Tmb (ºC)

93

n tsi

2. 8

2.2

6

1. 5º C 2º /W C/ W 3º C/ W 4ºC /W 5ºC /W 7ºC /W

29

61

ea

20

eh nit nf i ni (o /W ºC 0.2 a= /W b/W C h m .5ºC 1º Rt 0

60 Ptot

Curvas de la potencia de un tiristor.

3.4

3.8

125


08

8.12.6. Potencia disipada en un triac La potencia disipada por un triac es el producto de la corriente por la tensión que tiene entre ánodos. W = Vf · If La tensión que tiene entre ánodos aumenta con la corriente que circula entre ellos, y esta proporción se debe buscar en los catálogos. Una tensión normal está entre 0,2 y 4 voltios.

8.12.7. Circuito térmico Hemos estado hablando de la potencia que un semiconductor puede desarrollar en funcionamiento habitual o correcto, siendo de un valor determinado en vatios. Esa potencia, como sabemos, se transforma en calor y se produce en el interior del semiconductor, en la propia unión. Como un semiconductor es muy sensible a la temperatura, los fabricantes señalan en sus catálogos valores en grados centígrados de temperaturas máximas que la unión semiconductora soporta sin alterar su funcionamiento normal. Por ejemplo, esa temperatura puede ser de 123ºC. Por consiguiente, si en un semiconductor se está disipando una potencia determinada que es capaz de subir la temperatura de la unión hasta esos niveles, corremos el riesgo de alterar su funcionamiento e incluso llegar a destruirlo. Debemos de alguna forma “sacar” o “extraer” ese calor sobrante al ambiente, que por regla general se encontrará en un punto de temperatura más bajo. Por sí solos los semiconductores expulsan calor desde su unión a su cápsula y de la cápsula al ambiente. Como todos sabemos, esos pasos pueden ofrecer más o menos resistencia al paso del calor en función de variables como pueden ser el material del que está hecha la cápsula, si existen partes “huecas” sin contacto entre la unión y la cápsula, etc., creándose una especie de circuito eléctrico denominado “circuito térmico”, donde discurre una magnitud a modo de intensidad que es la potencia, tenemos una caída de tensión representada por la temperatura y una resistencia térmica que impide el paso de la potencia de unas partes a otras del montaje semiconductor. Generalmente la mayor resistencia de evacuación se encuentra entre la cápsula y el ambiente, por lo que solemos colocar los semiconductores montados en radiadores de calor, dispositivos que constan de una pieza metálica (generalmente aluminio, material muy buen conductor del calor) donde va atornillado el semiconductor muy fuertemente. Esta tensión de unión entre el radiador y el semiconductor facilita el paso de calor de uno a otro, consiguiéndose una nueva resistencia térmica.


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Formación Abierta

Como puede comprobar, el circuito térmico ha aumentado de componentes al colocar el radiador. Asimismo y por regla general, los radiadores disponen de formas como aletas, buscando la máxima superficie en contacto con el aire que implique la máxima transmisión de calor al ambiente. Ya sabe, disminuir su resistencia térmica. diodo mica

7Z02064

nylon or teflón tuerca

Figura 8.77.

arandela metálica

Montaje de un diodo de potencia sobre un radiador.

Esa resistencia térmica se mide en ºC/W, unidad que determina cuánto resiste al paso de calor una unión o contacto entre cuerpos. Cuanto menor sea esa magnitud, mejor se establecerá el flujo de calor del cuerpo más caliente (componente semiconductor) hacia el ambiente. En radiadores, lo que determina este valor es, principalmente, la unidad de superficie que está en contacto con el aire, el material y el calor. De esta manera, para igual calor y material, cuanto más grande sea un radiador mejor trasladará el calor al ambiente. ¿Qué hacemos para determinar nuestro radiador ideal? ¿Qué resistencia térmica será necesaria para nuestra aplicación en concreto? Encontrará las respuestas a estas preguntas en el apartado siguiente. Daremos a continuación las definiciones de estas resistencias térmicas.

8.12.8. Resistencia térmica unión-cápsula Rthj-c Es la resistencia que existe entre el cristal semiconductor y la cápsula.

8.12.9. Resistencia térmica cápsula-radiador Rthc-r Es la resistencia entre la cápsula al radiador. Esta resistencia se puede disminuir colocando mica o utilizando pasta silicona que tiene como misión unir las rugosidades que existan entre la cápsula y el radiador, de manera que cubre y llena los poros de ambas superficies, aumentando así la superficie de contacto entre ambas.

66



08

8.12.10. Resistencia térmica radiador-ambiente Rth Es la resistencia que existe entre el radiador y el ambiente. Esta resistencia depende del tipo de radiador. Y sólo baja cuando el radiador está sometido a una corriente de aire que le suministra un ventilador. P (W) Tj Rthj-c Unión Tc

Cápsula A

Rthc-r

K P

N

Tr

Mica Rthr-a

Radiador Tamb

Tornillo de fijación

Aletas radiador

Figura 8.78.

Representación de un circuito térmico.

8.12.11. Cálculo de Rth Si observamos los catálogos de radiadores apropiados para cada semiconductor, vemos que la magnitud a la que se atiende para su selección es precisamente su resistencia térmica. Así, en función de la potencia a desarrollar y de la temperatura máxima soportable en la unión, calcularemos el radiador cuya resistencia térmica más nos solucione el problema. Si en los catálogos no disponemos de ese valor en concreto, debemos elegir el de valor menor más cercano disponible. Los cálculos son muy sencillos. Aplicamos una Ley de Ohm particular a nuestro circuito térmico, de modo que diferencias de temperatura (caídas de tensión) serán iguales a las resistencias térmicas por potencia (ver fig.7.74): Tj-Tc = Rthj-c·W Tr-Tamb = Rthr-a·W Teniendo en cuenta que las diferencias de temperatura entre el radiador y la cápsula suelen fijarse en 2ºC, podemos seguir calculando hasta conseguir la Rthr-a. Vea los ejemplos siguientes y comprobará el método.


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Formación Abierta

Ejemplo 1

Calcular la resistencia térmica del radiador, sabiendo que la temperatura máxima en la unión es de 123ºC, teniendo una temperatura ambiente de 18ºC, y una resistencia térmica unión-cápsula de 4ºC/W (potencia 18W). Tj - Tc = Rthj - c · W = 4ºC/W · 18W = 72º C Tc = Tj - 72 = 123ºC - 72ºC = 51ºC Tr = 51ºC - 2ºC = 49ºC Rth=

Tr - Tamb 49º C − 18º C = = 1,72º C / W W 18W

Como puede observar, al calcular la Rthr-a, suele obviarse el subíndice, quedando solamente Rth. Si disponemos de tres radiadores de 1, 2 y 3 ºC/W de Rth, en este caso elegiremos el de 1ºC/W, valor menor más cercano. Ejemplo 2

Calcular la Rthj-c para un tiristor que soporta 145ºC de temperatura máxima en la unión, sabiendo que trabaja a una potencia de 10W y que la Rth de su radiador es de 7ºC/W cuando tenemos una temperatura ambiente de 20ºC. Rth =

Tr − Tamb ⇒; Tr = Rth · W + Tamb; W

Tr =7ºC/W · 10W + 20ºC = 70ºC + 20ºC Tr = 90ºC; Tc =Tr + 2ºC; Tc = 90ºC + 2ºC = 92ºC Tj - Tc = 145ºC - 92ºC = 53ºC Rthj-c =

Tj − Tc 53º C = 5,3ºC/W = W 10W

Ejemplo 3

Calcular la temperatura ambiente para que funcione correctamente un tiristor que admite una temperatura máxima de 150ºC en la unión, y su resistencia térmica unión cápsula es de 4ºC/W, teniendo en cuenta que trabaja a una potencia máxima de 12W con un radiador de 6ºC/W. Tj - Tc = Rhtj-c · W = 4ºC/W · 12W = 48ºC Tc = Tj - 48ºC = 150ºC - 48ºC = 102ºC Tr = Tc - 2ºC = 102ºC - 2ºC = 100ºC Tr - Tamb = Rth · W = 6ºC/W · 12W = 72ºC

68



08

Tamb = Tr - 72ºC = 100ºC - 72ºC = 28ºC

8.12.12. Uso de catálogos Se selecciona el radiador cuya Rth sea inferior a la calculada y se adapte a la cápsula del elemento utilizado. El tamaño del radiador está en función del número de aletas, de modo que a mayor número de éstas menor será el volumen, mientras que, por otra parte, se incrementa el costo del mismo. CÁPSULA DEL SEMICONDUCT OR (TO-3)

CALOR COMUNICADO POR LA CÁPSULA AL RADIADOR

Figura 8.79.

RADIADO R

CALOR COMUNICADO POR EL RADIADOR AL AMBIENTE

Representación del funcionamiento evacuador de calor de un radiador.

TORNILLO SEMICONDUCTOR (CÁPSULA TO-220)

PARTE METÁLICA EN CONTACTO CON EL RADIADOR (CONDUCE EL CALOR)

MICA (Asegura el contacto radiador-cápsula)

Radiador con el mecanizado (agujero) adecuado

Mecanizado en el circuito impreso

Circuito impreso del que forma parte el componente

Mecanizado para las patillas del semiconductor

Figura 8.80.

Tuerca de apriete y pieza aislante

Montaje de un semiconductor en cápsula T0220.


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Formación Abierta

TORNILLO

SEMICONDUCTOR (CÁPSULA TO-3)

MICA (asegura el contacto radiador-cápsula)

Radiador con el mecanizado (agujero) adecuado

Tubos aislantes para las patillas del semiconductor Tuerca de apriete y pieza aislante

Figura 8.81.

Despiece del montaje de un semiconductor en cápsula T03 sobre un radiador adecuado.

Los radiadores de calor se utilizan para evacuar los excesos de temperatura en componentes electrónicos de potencia. Su tamaño, tipo y características vienen determinadas por un parámetro llamado Rth, resistencia térmica.

70



08

• Resumen •

Los componentes electrónicos de potencia son aquéllos que tratan de manejar corriente y tensión, generalmente en régimen de conexión/desconexión, respondiendo a las órdenes de un sistema de control que siempre funciona con niveles de potencia (tensión y corriente) más pequeños.

•

Uno de los principales componentes electrónicos de potencia es el llamando tiristor o SCR, dispositivo que se comporta normalmente como un circuito abierto. Solamente se cierra, en condiciones normales, cuando se aplica una tensión positiva en su terminal de puerta. La forma de desconectarse es, generalmente, cuando la corriente que pasa a su través es cero, lo que le hace el componente ideal para manejar cargas en corriente pulsatoria continua (como un rectificador).

•

El triac es el segundo componente en importancia y consta de dos tiristores conectados en antiparalelo, disposición que lo hace ideal para trabajar con cargas alimentadas con corriente alterna.

•

Existen varios componentes electrónicos que, sin ser de potencia, acompañan con sus funciones a los que sí lo son para ayudar a realizar de forma fácil ciertos montajes. Por ejemplo citaremos los diac y los transistores UJT o uniunión.

•

La estructura de puente en H es una de las más importantes para los convertidores DC/AC y son utilizados tanto para equipos SAI como para variadores de frecuencia.

•

Las distorsión armónica es uno de los parámetros que definen las calidad de una señal analógica, se indica en tanto por ciento % y el valor ideal será el 0%. Esta magnitud indica que cantidad de potencia se entrega con todos los armónicos salvo en fundamental respecto a este.


71

09


Optoelectrónica


09

• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 9.1. Teoría fotoeléctrica ..................................................................................... 5 9.1.1. Conocimientos previos .......................................................................... 5 9.1.2. Radiación .............................................................................................. 5 9.1.3. Magnitudes fundamentales ................................................................... 6 9.1.4. Teoría fotoeléctrica ............................................................................... 7 9.1.5. Fotoemisividad ...................................................................................... 7 9.1.6. Fotoconductividad ................................................................................. 8 9.2. Fotosemiconductores................................................................................. 9 9.2.1. Fotodiodos ............................................................................................ 9 9.2.2. Fototransistores .................................................................................. 10 9.2.3. Fototiristores ....................................................................................... 12 9.3. Diodos emisores de luz ............................................................................ 13 9.4. Fotoacopladores ....................................................................................... 18 9.4.1. Optotransistores .................................................................................. 18 9.4.2. Optotriac.............................................................................................. 20 9.5. Visualizadores ........................................................................................... 22 9.5.1. Indicadores luminiscentes ................................................................... 22 9.5.2. Indicadores de cristal líquido............................................................... 22 • RESUMEN .......................................................................................................... 25

Optoelectrónica

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• Objetivos •

Conocer las bases de funcionamiento de los componentes electrónicos relacionados con las radiaciones luminosas.

•

Saber aplicar las posibilidades de los diodos LED como testigos e indicadores.

•

Sentar los principios básicos de funcionamiento de los cuadros digitales de cristal líquido.

Conocer los optoacopladores, dispositivos aislantes muy usados en electrónica

Optoelectrónica

3

Formación Abierta

• Introducción Ya hemos comentado que la electrónica es una ciencia fundamentalmente orientada a suministrar soluciones integrales a problemas de ámbito industrial, de las telecomunicaciones, etc. También sabemos las partes en las que se dividen los sistemas: captación de señales, procesado de la información y accionamiento de cargas (electrónica de potencia). La naturaleza de las tensiones e intensidades, en definitiva señales, manejadas en cada una de las partes, es significativamente distinta, sobre todo en lo que respecta a valores (cantidades). Así, mientras que en proceso y control tenemos 12V, por ejemplo, y corrientes de pocos miliamperios, en accionamiento de cargas disponemos de cantidades bastante más grandes (KV y Amperios). Ya podrá usted intuir el peligro que puede acechar en el proceso de “unión” física entre esos dos sistemas. La orden de control no debe llegar de ninguna manera a la fase de potencia. Podemos pensar en un cable, pues lógicamente, seguiremos hablando de circuitos eléctricos y electrónicos. En estas condiciones, es posible que existan cortocircuitos y peligrosas corrientes y tensiones de retorno hacia el circuito de control, con la consiguiente destrucción del mismo. Para estas aplicaciones son muy útiles los acopladores y componentes optoelectrónicos, dispositivos que transmiten la información eléctrica mediante señales luminosas, aprovechando ciertas características ópticas de los materiales, por ejemplo, nos podemos encontrar un optotransistor capaz de saturarse gracias a la aplicación de luz en su base (no corriente). Esta luz puede prevenir de un diodo emisor de luz de otro circuito, con lo que se consigue una transmisión de la orden sin contacto eléctrico. En esta unidad encontrará un completo desarrollo de esta técnica apasionante, que sin duda le resultará amena de estudiar y sobre todo muy útil para sus circuitos.

4

Optoelectrónica


09

9.1. Teoría fotoeléctrica Antes de introducirnos en el estudio de la formación y el comportamiento de los elementos que están relacionados con la luz, vamos a aclarar una serie de conocimientos previos sobre la naturaleza de la misma, cómo se transmite y sus magnitudes fundamentales.

9.1.1.

Conocimientos previos

La luz es una de las formas en que puede manifestarse la energía, como ya hemos estudiado. La manifestación de este tipo de energía, no precisa de ningún medio material para su propagación, como pueda necesitarlo la electricidad o el calor. En realidad, la luz está formada, en mayor o menor medida, por calor y por ondas o radiación electromagnética, en cuya longitud de onda están incluidos los rayos infrarrojos, ultravioletas, visibles y los rayos X. Se dice que está compuesta por fotones, que tienen las propiedades de las ondas y las propiedades de los corpúsculos.

9.1.2.

Radiación

Se define radiación como: la transmisión de energía a través del espacio, sin soporte material. Son perturbaciones periódicas del estado electromagnético del espacio. Las radiaciones electromagnéticas tienen una propiedad común, y es que su velocidad de propagación en el vacío es de 300.000 Km/s. Pero cada radiación tiene sus características especiales que la determinan. 1. Frecuencia: es un parámetro invariable, es el número de ciclos que surgen durante un segundo. 2. Período: es el tiempo que tarda una radiación en completar un ciclo. El período es el inverso de la frecuencia. 3. Longitud de Onda: es un parámetro variable, puesto que depende de la velocidad de propagación y del medio en que se propaga. Se define como el camino recorrido por una radiación durante un período. Las radiaciones electromagnéticas pueden clasificarse en función de la forma de generarse, forma de manifestarse o según las características propias anteriormente citadas.

Optoelectrónica

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Formación Abierta

La clasificación más empleada es la basada en las longitudes de onda. Las radiaciones visibles están comprendidas entre 3.800 y 7.800 Amgstron, unidad de longitud de onda. Limitadas entre los infrarrojos y los ultravioletas, radiaciones que no son visibles, pero sí capaces de ser fotocaptadas. El color es una de las características más importante para las radiaciones visibles.

9.1.3.

Magnitudes fundamentales

Si hablamos de iluminación, debemos tener en cuenta que disponemos de una fuente de iluminación y de un objeto a iluminar. Entonces podremos definir las magnitudes. De las fuentes de luz, tenemos como magnitudes: Flujo luminoso Es la cantidad total de luz emitida o radiada durante un segundo y en una determinada dirección. Su unidad es el Lumen (lm) y equivale a 1/680 W en una longitud de onda de 5.500 amgstron. Intensidad luminosa Es la cantidad de luz emitida durante un segundo en una determinada dirección. La intensidad no se distribuye por igual en el espacio, aquí radica la diferencia con el flujo luminoso. Su unidad es la Candela (cd). Del objeto iluminado, sus magnitudes fundamentales son: Nivel de iluminación Llamado también iluminancia o intensidad de iluminación. Es el flujo incidente por unidad de superficie, es decir, la cantidad de luz que incide sobre su superficie al ser iluminado por una fuente de luz. Su unidad es el Lux (lx). Luminancia Es la sensación luminosa por efecto de la luz. Depende de la fuente de luz, primaria o secundaria. Una fuente de luz primaria es la que produce luz por sí misma y la secundaria es la emitida por reflejo procedente de una primaria. La iluminancia mide el brillo de las fuentes de luz o de los objetos iluminados. La unidad es la Candela/m2 (cd/m2).

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Optoelectrónica


Magnitud

Unidad

Símbolo

Flujo Luminoso

Lumen (lm)

Φ

Intensidad Luminosa

Candela (cd)

I

Nivel de Iluminación (iluminancia)

Lux (lx) 2

Luminancia Figura 9.1.

9.1.4.

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E 2

Candela/m (cd/m )

L

Tabla de unidades de iluminación.

Teoría fotoeléctrica

Recordemos la constitución de un átomo. En el núcleo se encuentran los protones y los neutrones. En la corteza y dispuestos en diferentes orbitales se hallan los electrones. Si un electrón de una órbita exterior, adquiere una energía adicional, debida al choque con otros electrones, o a un campo eléctrico, o al calor, dicho electrón pasa a otra órbita más alejada del núcleo. Para conseguir la estabilidad del átomo, el electrón volverá a ocupar su puesto en la capa u órbita que le correspondía. Al hacerlo, se libera una cantidad de energía que se radiará con una frecuencia o una longitud de onda determinada. A la energía desprendida se le llama fotón. Al hecho de producir luz partiendo de la excitación de los átomos para después producir radiaciones luminosas, se le conoce con el nombre de Electroluminiscencia. Este proceso es reversible, es decir si un material o un átomo es irradiado por una energía luminosa, sus electrones son excitados, pasando a ocupar órbitas de mayor energía. La producción de portadores de carga por efecto de la luz recibe el nombre de fotoemisividad.

9.1.5.

Fotoemisividad

Al irradiar un metal con energía luminosa, compuesta por fotones de todas las frecuencias, se liberará más energía cuanto mayor sea la frecuencia. Si un metal absorbe un fotón de suficiente energía, el electrón alcanza suficiente velocidad como para escapar de las fuerzas de atracción internas del metal. Esta propiedad de que los electrones de un metal lo abandonen y se liberen de las fuerzas de atracción internas, por efectos de la luz, se llama fotoemisividad. Existe una frecuencia límite por debajo de la cual no es posible extraer electrones de un metal, a esta frecuencia se la llama frecuencia umbral. También existe la llamada longitud de onda umbral, que es aquélla por encima de la cual no se puede producir la fotoemisión.

Optoelectrónica

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Formación Abierta

La fotoemisividad está en función de la frecuencia de los fotones, es decir de su color.

9.1.6.

Fotoconductividad

Cuando un fotón incide en un electrón, de forma que la energía que adquiere es pequeña, no consigue producir la fotoemisividad. Aunque el electrón no abandone el material, aumenta su velocidad de desplazamiento a través del metal, por haber aumentado su energía. A esta propiedad, se le llama fotoconductividad. Resumiendo, por efecto de la luz, el metal, se hace más conductor.

La optoelectrónica es una rama de la electrónica que estudia la interacción entre la luz y sus efectos sobre los componentes electrónicos y a la inversa.

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Optoelectrónica


09

9.2. Fotosemiconductores El principio básico de funcionamiento de los elementos fotosemiconductores, es el fenómeno físico por el cual una radiación luminosa cede su energía a los electrones de un sólido, pasando a la banda de conducción, sin abandonar el material. Es decir está basado en la fotoconductividad. Al incidir una radiación luminosa sobre un material semiconductor, se generan pares electrón-hueco, aumenta el número de portadores de carga. Esto sucederá siempre que la energía de la radiación luminosa sea suficiente. La generación de pares de electrón-hueco, depende de la cantidad de luz absorbida y del material empleado. Si se aplica un campo eléctrico adecuado y capaz de evacuar las cargas generadas, se consigue un paso de corriente eléctrica, proporcional a la luz que absorbe.

Figura 9.2.

Generación de Pares Electrón-Hueco.

Esto es aplicable a cualquier semiconductor, diodos, transistores o tiristores.

9.2.1.

Fotodiodos

Se trata de una unión PN polarizada inversamente. En la unión se forma una zona de difusión, sin portadores de carga. Si no llegan radiaciones luminosas, los electrones no tienen energía suficiente para atravesar la zona de difusión, por lo tanto, no hay paso de corriente.

Figura 9.3.

Símbolo de Fotodiodo.

Cuando incide una radiación luminosa de longitud de onda adecuada, incide en la zona de difusión, se crean pares de electrón-hueco, que son atraídos por el campo eléctrico aplicado, circulando una corriente inversa a través de la unión PN, que será proporcional a la energía absorbida.

Optoelectrónica

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Formación Abierta

Figura 9.4.

Fotodiodo.

Los fotodiodos se fabrican con una base de silicio o de germanio. Teniendo en cuenta que el silicio responde mejor a la radiación visible y el germanio lo hace con los infrarrojos. Disponen de una lente para concentrar los rayos luminosos. Características

Germanio

Silicio

Longitud de onda de máxima sensibilidad

1500 Angstrom

900 Angstrom

Sensibilidad

25 a 100 mA/lm

30 a 150 mA/lm

Tiempo de respuesta

2 a 6 microsegundos

0,2 a 1 microsegundos

Corriente inversa máxima

1 a 3 mA

3 a 18 mA

Potencia disipable

30 a 50 mW

0,1 a 2 W

Corriente en oscuridad

0,1 a 1 μA

15 a 50 nA

Deriva térmica de la corriente

0,7 % ºC

0,1 % ºC

Figura 9.5.

Tabla de características de fotodiodos.

Recordemos que el fotodiodo debe conectarse en polarización inversa y la corriente que puede atravesarlos es muy pequeña.

9.2.2.

Fototransistores

El fototransistor posee una gran sensibilidad y capacidad de respuesta muy elevada. Está basado en la amplificación de la corriente inversa, debida a la radiación luminosa, que actúa como corriente de base.

Figura 9.6.

Símbolos de fototransistores.

La unión colector-base se polariza inversamente, y se amplía para poder recibir mejor los rayos luminosos. La corriente de colector, depende de la tensión emisorcolector y de la radiación luminosa.

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Optoelectrónica


Figura 9.7.

09

Esquema equivalente.

Si los niveles de iluminación son muy bajos o son necesarias corrientes de salida elevadas, se puede emplear un montaje Darlington, que viene encapsulado como elemento fotosensible, denominado fotodarlington.

Figura 9.8.

Símbolo de fotodarlington.

También se fabrican fotodiodos de silicio, de estructura simétrica, que permiten alimentaciones de corriente alterna.

Figura 9.9.

Fotodiodo de estructura simétrica.

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Formación Abierta

9.2.3.

Fototiristores

Denominados también LASCR (Rectificador Controlado de Silicio Activado por Luz).

Figura 9.10.

Símbolo de fototiristor.

El funcionamiento es similar al del tiristor, además del impulso introducido en el terminal de puerta G, puede activarse a través de una radiación luminosa.

Figura 9.11.

Circuito equivalente.

Los fotosemiconductores estudiados, tanto de germanio como de silicio, corresponden a la radiación visible o infrarroja. Se emplea el mismo sistema para la recepción de estos rayos.

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Optoelectrónica


9.3.

09

Diodos emisores de luz

Son dispositivos semiconductores que emiten luz, visible o no visible. Llamados LED (Light Emitting Diode), Diodo Emisor de Luz, o Diodo Luminiscente. Consiste en la emisión de una radiación luminosa por un elemento en estado sólido, cuando se le somete a una determinada polarización, no siendo por elevación de temperatura de un filamento.

Figura 9.12.

Símbolo de Diodo LED.

El efecto de emisión de luz se genera en la unión PN en el instante en que se produce la recombinación de un hueco con un electrón, fruto de esto se libera una energía en forma de luz. La tabla que a continuación aparece, representa las combinaciones químicas para poder emitir el color y la longitud de onda de la radiación. Materiales

Longitud de onda (nanómetros)

Color

Ga As Si

930

infrarrojo

Ga P

565

verde

Ga As60 P40

655

rojo

Ga As P N

625

naranja

Ga As P N

590

amarillo

Figura 9.13.

Tabla de características de diodos led.

El comportamiento de un Led en un circuito es el mismo que el de cualquier otro diodo, pero su caída de tensión en sentido directo es superior. Los parámetros que caracterizan a un led son los siguientes:

•

Eficiencia en la relación entre la intensidad y la corriente eléctrica.

•

El color depende de la frecuencia.

•

Directividad dependiente del encapsulado y de la lente amplificadora.

•

Tensión directa Vf, es la d.d.p. entre los electrodos del led, entre 1,5 y 2,2 voltios.

•

Corriente inversa microamperios.

máxima

admisible

en

polarización

inversa

de

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Formación Abierta

•

Disipación de potencia, es la no transformada en haz.

Para el cálculo de la resistencia que habrá que acoplar en serie, debido a los voltajes tan pequeños con que trabaja, acudiremos a la siguiente fórmula: R = Va - Vf/If Siendo: Va

La tensión de alimentación

Vf

La caída de tensión del diodo Led

If

La intensidad que atraviesa el Led

El reconocimiento de su polaridad se hace a través de los terminales, siendo el ánodo el de mayor longitud. Además se añade un pequeño aplanamiento en la cápsula, próxima al cátodo. Otro método es a través del polímetro, colocando el selector en la posición de diodos, en polarización directa deberá dar un valor. Si colocamos el polímetro en la posición de resistencia, en polarización directa, marcará su valor de resistencia e incluso podremos apreciar cómo se enciende. Recordemos que en un tester digital, la alimentación negativa de la pila interna sale a través del terminal negro común, y en el polímetro analógico sale por el terminal rojo o positivo. Ejemplo de polarización Ya sabemos que los diodos leds son dispositivos electrónicos basados en cristales semiconductores, que tienen la peculiaridad de dar una luz de un determinado color al ser atravesados por una corriente. Al ser diodos, disponen de ánodo y cátodo, y, por supuesto, sólo permiten el paso de corriente, desencadenando su iluminación, cuando están polarizados correctamente. Su presentación es en color rojo, verde o ámbar, generalmente, en forma de pequeñas burbujas plásticas. Disponen de dos terminales en los que el cátodo es el más corto y el ánodo el más largo, según se muestra en la figura siguiente. Si las patas han sido cortadas, existe otro procedimiento para averiguar qué patilla corresponde al ánodo y cátodo: vistos desde abajo los diodos leds tienen un pequeño chaflán que identifica la patilla que tiene al lado como el cátodo.

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Optoelectrónica


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Visto desde abajo ÁNOD O

chaflan

CÁTODO Visto de lado CÁPSUL A

Símbolo eléctrico

ÁNOD O

CÁTODO

CÁTODO ÁNOD O

Figura 9.14.

Diodos leds y su correspondiente identificación de patillas.

Imaginemos que queremos visualizar en un panel de un equipo electrónico la activación de un relé. Esta orden es suministrada por un sistema de control en forma de “12 V activación”, “0V desactivación”. En primer lugar debemos prestar atención a un detalle todavía ignorado en el mundo de los diodos led: se trata del diámetro de su cápsula, parámetro que es fundamental conocer cuando practiquemos, con ayuda de un taladro, el agujero en la chapa del frontal. Existen diodos leds con diámetros de cápsula de 5 mm., 3mm, 4,5 mm., etc. Elegiremos el que más se atenga a nuestras necesidades, además de los soportes y accesorios necesarios para la perfecta sujeción del led. Una vez determinado esto, decidiremos el color del diodo, debiendo estar claramente relacionado con el efecto que visualiza o determina. Por ejemplo, el rojo viene bien para estados de peligro, mientras que el verde es ideal para indicar estados de “conexión”, enchufados y “ON”. En nuestro caso elegiremos el verde, por ejemplo.

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Formación Abierta

A continuación, y como buen diodo que es, completaremos el circuito de polarización tal como muestra la siguiente figura: +Va

R1

D1 Led verde

A

Figura 9.15.

V

VR1

V

Vf

If

Polarización de un diodo led.

Vea lo importante que es determinar el ánodo y cátodo del diodo, conectando la patilla correcta (ánodo) a la resistencia limitadora R1 y el cátodo a la parte negativa o masa. Si se conecta de forma incorrecta (al contrario) no se producirá luminosidad. ¿Qué efecto realiza la resistencia R1? Simplemente limita la intensidad y tensión que tiene el diodo ya que, como todo diodo, tiene unos límites de tensión y corriente directas. En caso de los diodos led, la corriente directa (If) no debe sobrepasar 30mA y la tensión directa (Vf) puede estar ente 1,5 y 2,2 V, un valor típico pueden ser 2V. Podemos ultimar los cálculos de nuestro circuito sin mayores problemas.

No conecte nunca un diodo led a la fuente de tensión sin una resistencia limitadora, acabará con él.

If ≈ 30 mA Vf = 2V

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Optoelectrónica


09

Según la Ley de Ohm: R1 = VR1 IR1 Como: Va = VR1 + Vf y Vf = 2V VR1 = Va - Vf = 12V - 2V =10V R1 =

VR1 10V = 333 Ω; = IR1 30mA

Aproximadamente 330 Ω Conectando una resistencia de éste valor al diodo led, de la forma correcta (ánodo cátodo), el led podrá lucir cuando tengamos una tensión en Va de 12V. Valores por debajo de esta tensión también lo harán lucir pero con menor intensidad.

Optoelectrónica

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Formación Abierta

9.4. Fotoacopladores Los elementos emisores y receptores de luz estudiados, pueden trabajar conjuntamente, siempre que sus longitudes de onda sean iguales, pero resulta muy dificultoso el ajuste de la distancia, directividad, etc. Para suprimir estas dificultades, existen módulos ya montados y ajustados perfectamente. Formados por un elemento emisor, que generalmente es un Led de infrarrojos y un receptor, que puede ser un fotodiodo, fototransistor, fototiristor o fotodarlington. Denominándose el montaje fotoacopladores u optoacopladores.

Figura 9.16.

Optoacopladores.

Son un medio muy bueno para transmitir información entre dos circuitos aislados. Es una especie de interruptor fotoeléctrico. El funcionamiento es similar al de un relé, sólo que aquí se eliminan los contactos y las partes metálicas, con las consecuencias que ellos acarrean.

9.4.1.

Optotransistores

Imaginemos que hemos creado un sistema de control electrónico para un intermitente luminoso. Este diseño produce a su salida una señal cuadrada de 2 segundos de período y una amplitud de 12V, atacando al equipo de potencia que consta de un transistor y un relé: +12V

2s

220V

2s

RED

12V

SISTEMA DE CONTROL Figura 9.17.

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Optoelectrónica

Cables de señal

SISTEMA DE POTENCIA

Sistemas de control y potencia.


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Las diferentes alimentaciones (niveles y masas) pueden dar lugar, en ciertas circunstancias, a corrientes indeseables y cortocircuitos entre el sistema de control y el de potencia, debido a que están unidos eléctricamente por un cable conductor. La solución apropiada para este problema pasa por la utilización de la optoelectrónica y, en concreto, se podría conectar un optotransistor de la siguiente forma: CONTROL POTENCIA +12V

220V

OPTOTRANSISTOR

SISTEMA DE CONTROL

RED

SISTEMA DE POTENCIA diodo led

Figura 9.18.

fototransistor

Sistemas optoaislados.

Vemos que no existe unión física ni eléctrica entre control y potencia, pues el optotransistor transmite las ordenes vía luz desde el diodo led al fototransistor. Pero, ¿cómo funciona el optotransistor? Si se fija en la siguiente figura, algo más explícita, comprobará que el fototransistor sí está debidamente polarizado, se satura y corta respondiendo a la existencia o inexistencia de luz en su base, luz que proviene de la activación o desactivación del diodo led:

12V

+12V

Fuente 1

Fuente 2

R1

R2 Señal

12V

masa 1

Circuito 1 Figura 9.19.

masa 2

Circuito 2

Ejemplo de polarización del fototransistor.

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Formación Abierta

La información del diodo puede trasladarse íntegramente del circuito 1 al 2 de forma aislada, acondicionándola a nuestro gusto, en cuestiones eléctricas, en el circuito 2 (podríamos darle más amplitud, por ejemplo). La presentación de los fototransistores es en circuito integrado de 6 patillas, tal como se muestra en la figura siguiente, correspondiente a un fototransistor 4N26:

1

6

2

5

3

4

Figura 9.20.

Representación del 4N26.

Como todo componente, dispone de unas limitaciones a tener en cuenta para calcular las polarizaciones (R1 y R2 en el caso anterior). Si bien el diodo es un led normal, al transistor no conviene hacerle soportar corrientes de colector de más de 60mA y tensiones de colector - emisor de más de 30V (datos recogidos de la hoja de características del fabricante del 4N26). Como prueba, usted ya podría calcular las resistencias R1 y R2.

9.4.2.

Optotriac

Al igual que el optotransistor, otro componente integrado, de la familia de los optos, es el optotriac. Su funcionamiento es parecido, sólo que en vez de tener un fototransistor tenemos un fototriac.

1

6 3

2

5

(TOP VIEW) 4

3

4

Figura 9.21.

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Optoelectrónica

1

Representación del MOC 3020.

6


09

Ya podrá intuir el funcionamiento, respondiendo a estados activos del diodo led, el cual suministra luz. El optotriac pasa a su estado de ON, de igual forma que si lo activásemos por puerta, cuando recibe luz. Este optotriac tiene las mismas propiedades que uno normal, es decir, es capaz de conducir en ambos sentidos, se mantiene en ON incluso si desaparece la excitación luminosa, etc. Los límites para un dispositivo comercial (un MOC 3020, por ejemplo) rondan los 400V de tensión anódica máxima de OFF y los 30mA máximos en conducción.

Optoelectrónica

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Formación Abierta

9.5. Visualizadores Estamos acostumbrados a tener informaciones a través de pantallas, de cifras (dígitos), letras o símbolos. Esto se hace por medio de elementos visualizadores, llamados Displays. Se dividen en fluorescentes, prácticamente en desuso, luminiscentes y de cristal líquido.

9.5.1.

Indicadores luminiscentes

Son los visualizadores o displays formados por un encapsulado con una agrupación de diodos Led. Se suelen montar con siete segmentos o a base de puntos.

Figura 9.22.

Visualizador de 7 segmentos.

Dependiendo de los modelos, vienen unidos todos los ánodos, o todos los cátodos, incluso algunos incorporan internamente la resistencia limitadora de corriente. Pueden presentarse también como elementos separados, unidos en diferentes bloques. Cada segmento, se denomina mediante una letra.

Figura 9.23.

9.5.2.

a) Denominación de segmentos, b) Circuito interno.

Indicadores de cristal líquido

Denominados LCD. Dan gran posibilidad, no sólo de cifras y letras, sino de símbolos, dibujos e incluso colores. Precisan de una fuente externa de luz que los ilumine, para reflejar el elemento a visualizar. Podemos clasificarlos como: Reflectores Reflejan los elementos por incidencia de la luz externa.

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Optoelectrónica


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Transmisores Se hacen visibles al ser iluminados por su parte posterior. Transrreflectores Son una combinación de los anteriores. Su estado físico está entre el líquido y el sólido. Este estado se denomina mesofase, que indica que las características son de líquido por su consistencia y comportamiento mecánico, y, de sólido porque presenta características ópticas similares a los sólidos cristalizados. Son sustancias orgánicas estables entre dos puntos límites de temperatura. Sus moléculas, como líquido, tienen gran facilidad de movimiento y como sólido, tienen tendencia a un orden. El cristal debe de estar intercalado entre dos electrodos transparentes de pequeñísimo espesor. Si entre los electrodos se aplica una tensión continua o alterna de baja frecuencia, se modifica la orientación de las moléculas del cristal. Una célula elemental de un LCD, está formada por un condensador plano, cuyo dieléctrico es la película de cristal líquido. El electrodo inferior es de óxido metálico reflectante. El electrodo superior es de vidrio transparente y sobre él se depositan láminas metálicas traslúcidas con la forma del carácter o símbolo a visualizar. Si no tiene tensión en algún electrodo superior, las moléculas se orientan de forma oblicua a la radiación luminosa, que es absorbida por las moléculas, reflejándose en menor medida en el electrodo inferior. En la superficie del visualizador se oscurecen las zonas correspondientes a los electrodos excitados, apareciendo los elementos a visualizar.

Figura 9.24.

Constitución de un LCD.

Tienen bajo consumo, trabajan con tensiones bajas, entre 1 y 8 V. Poseen gran flexibilidad de aplicaciones. La frecuencia de excitación es de 32 Hz, la corriente por centímetro es de 2 a 5 mA.

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Formación Abierta

Las aplicaciones de los dispositivos fotoeléctricos comprenden un amplio margen, por ello, solamente enumeraremos algunas de ellas.

Interruptores.

Reguladores de luminosidad.

Contadores.

Alarmas.

Medidores.

Mandos a distancia.

Indicadores.

Cuadros de a bordo.

La optoelectrónica es muy importante en el mundo de la visualización en paneles de control e información, además de conseguir una ideal separación y aislamiento entre circuitos.

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Optoelectrónica


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• Resumen •

Una de las formas en que puede manifestarse la energía es la luz. Formada por calor, por ondas o radiación electromagnética. Se dice que está compuesta por fotones, que tienen las propiedades de las ondas y de los corpúsculos.

•

Se denomina radiación a la transmisión de energía a través del espacio, sin soporte material. Sus características principales son la frecuencia, el período y longitud de onda.

•

Los fotosemiconductores están basados en el fenómeno físico por el que una radiación luminosa cede su energía a los electrones de un sólido, pasando a la banda de conducción, sin abandonar el material.

•

Los fotodiodos son uniones PN polarizadas inversamente, si a éste no le llegan radiaciones luminosas, los electrones no tienen energía suficiente para que se produzca el paso de la corriente. Si incide una radiación luminosa, pasa corriente a través de la unión PN, proporcional a la radiación.

•

Los fototransistores tienen gran sensibilidad y capacidad de respuesta muy elevada, basados en la amplificación de la corriente inversa debida a la radiación luminosa que actúa como corriente de base.

•

También existen los fototiristores, rectificadores controlados activados por la luz. El disparo en su puerta se realiza, por supuesto, a través de una radiación luminosa.

•

Los diodos emisores de luz, son elementos semiconductores capaces de emitir radiaciones luminosas ya sean visibles o no, como el caso de los infrarrojos, cuando se les aplica una pequeña diferencia de potencial entre sus electrodos.

•

Los fotoacopladores son elementos compuestos por emisores y receptores de luz, que trabajan conjuntamente siendo sus longitudes de onda iguales. El funcionamiento es similar al de un relé, sólo que aquí se eliminan todo tipo de contactos.

•

Los visualizadores pueden ser luminiscentes formados por diodos Led, y de cristal líquido, que precisan una fuente externa de luz que los ilumine para reflejar el elemento a visualizar.

Optoelectrónica

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Amplificadores operacionales


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• Índice • OBJETIVOS.......................................................................................................... 3 • INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 4 10.1. Amplificadores operacionales. El amplificador diferencial .................... 5 10.2. La fuente de corriente constante............................................................... 6 10.3. El amplificador diferencial ......................................................................... 9 10.4. Etapa de potencia ..................................................................................... 11 10.5. Principales características de los amplificadores operacionales ........ 12 10.6. Tipos de amplificadores operacionales.................................................. 14 10.6.1. De uso general.................................................................................... 14 10.6.2. De bajo consumo ................................................................................ 14 10.6.3. De alta corriente de salida .................................................................. 15 10.6.4. De instrumentación ............................................................................. 16 10.7. Diferencias de los parámetros reales ..................................................... 17 10.7.1. Ajuste de la tensión de compensación................................................ 17 10.7.2. Corrientes de entrada ......................................................................... 18 10.8. Circuitos prácticos con amplificadores operacionales......................... 19 10.8.1. Configuraciones básicas ..................................................................... 19 10.8.1.1. La realimentación ......................................................................... 19 10.8.1.2. Consideraciones prácticas............................................................ 21 10.8.1.3. Adaptador de impedancias (o seguidor de tensión) ..................... 22 10.8.1.4. Amplificador inversor .................................................................... 23 10.8.1.5. Amplificador no inversor ............................................................... 27 10.8.1.6. Sumador de tensión inversor........................................................ 29 10.8.1.7. Amplificador diferencial ................................................................ 31 10.8.1.8. Comparador de tensión ................................................................ 33 10.8.1.9. Báscula de schmitt ....................................................................... 34 10.8.1.10. El integrador ................................................................................. 36 10.8.1.11. El derivador .................................................................................. 38 10.8.2. Generadores de señal (osciladores) ................................................... 40 10.8.2.1. Generador señal cuadrada ........................................................... 41 10.8.2.2. Generador de impulsos ................................................................ 42 10.8.2.3. Generador de onda triangular....................................................... 45 10.8.2.4. Oscilador controlado por tensión V.C.O. ...................................... 47 10.8.2.5. Osciladores senoidales ................................................................ 50


1

Formación Abierta

10.8.3. Filtros activos con amplificadores operacionales ................................ 51 10.8.3.1. Filtros pasivos y activos................................................................ 51 10.8.3.2. Filtro paso bajo y alto activo ......................................................... 53 10.8.3.3. Filtros paso banda ........................................................................ 54 10.8.3.4. Filtro activo de rechazo de banda................................................. 55 10.8.3.5. Otros tipos de filtros...................................................................... 56 10.8.4. Las fuentes de alimentación utilizando amplificadores operacionales .................................................................................. 57 10.8.4.1. Fuente de tension de referencia ................................................... 58 10.8.4.2. Regulador serie ............................................................................ 59 10.8.4.3. Rectificador de precisión de media onda...................................... 62 10.8.4.4. Rectificadores de onda completa de precisión ............................. 63 • RESUMEN .......................................................................................................... 65

2



10

• Objetivos •

Conocer el amplificador operacional, su constitución interna así como sus características fundamentales.

•

Aprender y montar circuitos básicos, comprobando su funcionamiento, determinando las diferencias entre lo calculado y la realidad.

•

Diseñar y montar funcionamiento.

generadores

de

señal,

observando

su

correcto


3

Formación Abierta

• Introducción Dentro de la electrónica analógica, un componente fundamental es el amplificador operacional. Compuesto internamente por transistores (anteriormente estudiados), nos ofrece unas posibilidades infinitas en el diseño de circuitos en todos los campos de la electrónica (industrial, doméstica etc.). Estos “Chips”, con muy poca circuitería asociada (apenas unas resistencias etc.), pueden realizar tareas que sólo con transistores seria casi imposible. Muchos de los circuitos que con transistores suponían complejos cálculos, muchas soldaduras, sin la seguridad completa de su funcionamiento, veremos que se simplifican muchísimo con los amplificadores operacionales. Estos nos brindan un funcionamiento bastante exacto a lo calculado, su montaje es sencillo, siendo muy reconfortante estudiar un circuito, calcularlo, montarlo y... ¡a funcionar! El primer amplificador operacional apareció en 1963, se utilizó para realizar calculadoras analógicas (de ahí su nombre de “operacional”), y desde entonces hasta ahora han cambiado pocas cosas, son mas robustos existiendo diferentes tipos según la aplicación, pero su funcionamiento apenas ha cambiado. Así pues, vamos a descubrir una herramienta eficaz para el estudio y la aplicación de la electrónica.

4



10.1. Amplificadores operacionales. amplificador diferencial

10

El

Es la parte fundamental del amplificador operacional, y su nombre describe muy bien su comportamiento, se trata de un circuito con dos entradas y una salida, aplicando diferentes tensiones en cada una de las entradas obtenemos a la salida la diferencia de tensión entre las dos entradas y a su vez, si lo deseamos, amplificada por un valor llamado ganancia de amplificación.

Por ejemplo: en una de las entradas aplicamos 3V y en la otra 1V, a la salida, obtendremos 2V multiplicados por la ganancia de amplificación que deseemos, si queremos que sea 5, la tensión de salida será 10V.

Imaginemos que el cuadro es el amplificador diferencial:

V1 V2

Figura 10.1.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

VS

Dibujo de un amplificador diferencial.

La expresión matemática del amplificador diferencial será: Vs = Ad(V1-V2) En nuestro ejemplo sería: Vs = 5(3-1)=10V Una vez comprendido esto, más adelante veremos su estructura interna compuesta por transistores.


5

Formación Abierta

10.2. La fuente de corriente constante Es la segunda parte fundamental de los amplificadores operacionales, encargada de alimentar el circuito que compone el amplificador diferencial de una manera eficaz para obtener estabilidad en su funcionamiento. Su objetivo: mantener una corriente fija independientemente de la resistencia de carga que tenga (en nuestro caso el circuito de amplificación diferencial). ¿Cómo lo conseguimos? El circuito es el siguiente: +

VB1

VCC

R1

RC

I1

IC2 IB2

IB1 T1

T2 IE2 Símbolo fuente corriente

IE1 R2

Figura 10.2.

RE

Dibujo de una fuente de corriente constante.

Como se puede observar es un circuito sencillo basado en transistores bipolares, estos tienen una ganancia elevada, es decir tienen una β muy grande, por lo que para su estudio consideraremos las corrientes de base imperceptibles: Ib1=Ib2=0. Observando la primera parte del circuito, vemos como el transistor T1 tiene unidas la base y el colector, este transistor se comportará como un diodo, como se muestra en la figura. De este modo la corriente que circula por la resistencia R1 será la misma que circule por el colector y emisor de T1, ya que despreciamos las corrientes de base, es decir: I1=Ic1=Ie1

6



10

La tensión colector-emisor, al comportarse como un diodo será de 0,7V, esto es: Vce = Vbe = 0,7V La tensión en la base del T1, será la suma de la Vbe y la tensión en R2: Vb1 = Vbe1 + Vr2 = Vbe1 + R2 * I1 Despejando: I1=Vb1-Vbe1 / R2 La corriente dependerá de la tensión de alimentación: I1=(Vcc – Vbe1) / (R1 +R2) La tensión en la base de transistor es: Vb1 = Vbe1 + R2 * I1= Vbe1 + R2 * (Vcc-Vbe1) / (R1 + R2) Traduciendo esta fórmula, vemos que la tensión en la base del transistor T1, es constante, si lo es el valor de la tensión de alimentación y constantes las características de los transistores y resistencias (estos componentes lo son), así que tendremos cuidado en tener buenas fuentes de alimentación para que funcionen correctamente los amplificadores operacionales. Continuamos con el circuito. En la parte del transistor 2, la suma de las tensiones base-emisor de T2 y la tensión en la resistencia Re tendrán que ser igual a la tensión en la base de T1 (pues está unida al colector). Esto es: Vb1 = Vbe2 + Vre Vb1 = Vbe2 + Re * Ie2 Despejando la corriente: Ie2 = (Vb1-Vbe2) / Re La corriente de colector y de emisor será la misma: Ic2 = Ie2 Ic2 = (Vb1-Vbe2) / Re


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Formación Abierta

Con lo que deducimos que la corriente Ic2, que es la que se aplica a la carga (Rc), no depende de esta sino de unos parámetros que al ser constantes, mantendrán Ic2 constante. Como veremos más adelante, la carga Rc, será el circuito que compone el amplificador diferencial, pero para no liarnos lo representamos como una simple resistencia, pues su comportamiento eléctrico es el mismo.

8



10

10.3. El amplificador diferencial Es la parte fundamental del amplificador operacional. Antes hemos explicado su funcionamiento genérico ahora veremos su estructura interna. El circuito es el siguiente: +

VCC

Rc VS V1

T1

V2

T2

IE1

IE2

Rc T3 D1 -V CC

Figura 10.3.

Dibujo del amplificador diferencial.

Como se observa en la figura, los transistores T1 y T2 están polarizados a través del transistor T3 que realiza la función de fuente de corriente constante, la corriente que circula por T3 será la suma de las corrientes que circulan por los otros dos transistores esto es: I1 = Ie1+Ie2 La tensión a la salida será pues la tensión de alimentación menos la que nos quede en la resistencia de carga: Vs = Vcc-Vrc Como la corriente de base es despreciable, la corriente de emisor y de colector de los transistores T1 y T2 será la misma: Ic1 = Ie1, Ic2 = Ie2 Vs = Vcc-Vrc = Vcc – Rc*Ic2.


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Formación Abierta

¿Cómo se obtienen las entradas positiva y negativa? Vamos a ver como se comporta el circuito si variamos las tensiones de entrada V1 y V2: Si aumentamos V2 manteniendo constante V1, la corriente que circulará por el colector de T2 aumentará. Si aumenta Ic2, disminuye en la misma proporción Ic1, pues la suma de las dos siempre es la misma. Bien, quedamos en que aumenta la corriente del colector de T2, esto implica que la tensión en la resistencia Rc aumenta y por consiguiente la tensión a la salida disminuirá:

•

Al aumentar V2 la corriente Ic2 aumenta.

•

Si aumenta Ic2 aumenta la tensión en la Rc.

•

Si aumenta la tensión en la Rc disminuye la tensión de salida Vs = Vcc-Vrc.

Si aumentamos ahora V1 manteniendo constante V2, la corriente que circulará por el colector de T1 aumentará. Si aumenta Ic1, disminuye en la misma proporción Ic2 esto implica que la tensión en la resistencia Rc disminuye y por consiguiente la tensión a la salida aumentará:

•

Al aumentar V1 la corriente Ic1 aumenta.

•

Si aumenta Ic1, disminuye Ic2.

•

Si disminuye Ic2 disminuye la tensión en la Rc.

•

Si disminuye la tensión en la Rc aumenta la tensión de salida Vs = Vcc-Vrc.

Observamos pues que el aumento de la tensión V1 repercute en el aumenta de la tensión de salida, y que el aumento de la tensión V2 disminuye la tensión de salida, así que podemos determinar las entradas de la siguiente forma:

V2 V1

Figura 10.4.

-

VS

+ Dibujo de las definiciones de entradas.

Siendo pues la entrada V1 la no inversora y la V2 la inversora.

10



10

10.4. Etapa de potencia Es la última parte fundamental del amplificador operacional; por regla general no alcanza muchos miliamperios (excepto en los especiales de potencia). Compuesta por transistores componen el siguiente circuito: +

VCC

I2

I1

T2

D1 D2

VS

T1

T3

R1

-

Figura 10.5.

VCC

Dibujo de etapa de potencia.

La base del transistor T1 está unida a la salida (Vsd) del circuito diferencial explicado anteriormente. El circuito está alimentado por dos fuentes de corriente cte. Cuando la tensión Vs aumenta, aumenta en mayor proporción la tensión colector-emisor del transistor T1, esto implica que si la tensión de salida es positiva el transistor T2 estará polarizado correctamente, aumentando la tensión a la salida Vs, si la tensión Vsd es negativa se activa el transistor T3, variando la tensión a la salida Vs. Con este circuito tenemos una ganancia de unidad pero al ser una configuración de seguidor de emisor, obtenemos una impedancia de salida baja.


11

Formación Abierta

10.5. Principales características de amplificadores operacionales

los

Los amplificadores operacionales tienen unas características que difieren de lo que sería un amplificador operacional ideal que debería tener las siguientes características:

•

Para toda la gama de frecuencias (ancho de banda) una ganancia infinita.

•

Impedancia de entrada infinita y de salida nula.

•

Relación de rechazo en modo común infinito.

•

Tensión de offset nula.

En la realidad difieren algo de lo ideal. A continuación veremos algunas de las características fundamentales: Impedancia de Entrada Ze Es la resistencia que ofrece el amplificador operacional midiéndola desde las entradas del amplificador. Lo ideal sería infinita en la realidad es de varios MΩ. Impedancia de Salida Zs Es la resistencia que ofrece el amplificador operacional midiéndola entre la salida y masa. El valor típico se encuentra entre 100 y 200 Ω. Margen de tensiones de alimentación Son la tensión máxima y mínima entre las que un amplificador operacional funciona correctamente. Los amplificadores operacionales funcionan normalmente con fuentes de alimentación simétricas, es decir con valores de tensión de positivos y negativos expresándose en ±Vcc. Margen de tensiones de entrada Son las tensiones máxima y mínima que podemos aplicar a las entradas de los operacionales sin que estos se estropeen. Estas tensiones en ningún momento pueden superar la de alimentación. Margen de tensiones de salida Es la tensión que podemos tener a la salida sin que se produzca una saturación del amplificador operacional. Suelen ser de uno o dos voltios menos que la alimentación (obviamente nunca podrá ser mayor que la Vcc).

12



10

Corriente de polarización de entrada Es la corriente que tenemos en las entradas del amplificador operacional. Esta es muy pequeña apenas unos µA. En los cálculos que realizaremos la tomaremos como nula. Ganancia de tensión en bucle abierto Es la ganancia típica de todos los amplificadores, es decir la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada midiéndola en lazo abierto, es decir, cuando no existe realimentación. Suelen ser valores muy elevados alrededor de 100.000. Tensión de offset de salida En principio en un amplificador operacional si tenemos las dos entradas a 0 voltios, la tensión a la salida deberá ser nula, pero esto no es así. Con pequeñas tensiones que se puedan generar dentro del amplificador operacional, al ser amplificadas por este nos darán a la salida tensiones no deseadas. Pero esto tiene arreglo, la mayoría de los amplificadores operacionales tienen unas patillas extra en las que con un pequeño circuito puedes estabilizar esta tensión llevándola a 0 V. Factor de rechazo en modo común Es la frecuencia en la que la ganancia del amplificador operacional en lazo abierto (sin realimentación) se reduce a la unidad, o sea la amplificación es 0. Esto se representa en una gráfica como la que sigue: Ganancia en tensión (dB)

100 Ganancia en bucle cerrado

80 60

Ganancia en bucle abierto

40 20 0 Frecuencia (Hz)

1

Figura 10.6.

10

100

1K

10K 100K

1M

10M

Gráfica de frecuencia de transición.


13

Formación Abierta

10.6. Tipos de operacionales

amplificadores

Desde que se diseñó el primer amplificador operacional, la industria de la electrónica ha continuado investigando para ofrecer varios tipos de amplificadores operacionales según sea su utilización, ya que sus funciones son muy extensas, desde amplificadores de baja frecuencia, generadores de señal, filtros etc. Vamos a describir brevemente los principales tipos de amplificador operacional para que cuando llegue el momento sepamos elegir el que necesitamos según el circuito que estemos diseñando.

10.6.1. De uso general Son los más utilizados. Ofrecen unas características de funcionamiento estándares para la mayoría de los circuitos industriales. Los más empleados son los siguientes: Ze

Zs

Av

Is

Vs

CMRR

GBW

MΩ

Ω

dB

mA

±V

dB

MHz

LM741

2

150

106

25

13

90

1,5

MC1458

2

75

106

20

13

90

1

OP02

3,5

-

96

-

13

95

1,3

10.6.2. De bajo consumo Ideales para circuitos que estén alimentados por pilas (aparatos portátiles). Existen amplificadores operacionales que necesitan como mínima tensión de alimentación únicamente ±1V, teniendo un consumo de corriente de microamperios. Algunos de estos son los siguientes: Ze

Zs

Av

Is*

Vs

CMRR

GBW

MΩ

Ω

dB

mA

±V

dB

MHz

AD548J

10^6

-

120

0,17

13

90

1

LM358

10^6

-

100

1

13

85

1

LF442A

10^6

0,4

106

0,4

13

90

1

* Observar que corrientes de salida más pequeñas.

14



10

10.6.3. De alta corriente de salida Especiales para suministrar una corriente de salida elevada de hasta 10 A, cuando lo normal es menor. Se utiliza en circuitos con grandes tensiones de alimentación y pequeñas resistencias de carga. Tienen tamaño mayor de lo normal, van encapsulados en metal (para disipar mejor el calor), y tienen protección de sobrecorrientes, que limitan la corriente de salida impidiendo el sobrecalentamiento y malfuncionamiento del amplificador operacional Ze

Zs

Av

Is*

Vs

CMRR

GBW

MΩ

Ω

dB

mA

±V

dB

MHz

LH4104

105

-

106

100

13

100

18

LM12

-

1

100

13000

-

86

1

OPA501AM

10

-

94

10000

20

110

1

*Observar los valores elevados de corriente de salida.

10.1.1. DE GRAN VELOCIDAD Utilizados para circuitos de vídeo y multiplexación de señales analógicas. Estos circuitos funcionan con frecuencias muy elevadas. Alrededor de 10Mhz. Nos ofrecen a diferencia del resto a altas frecuencias señales de salida sin distorsión alguna. Ze

Zs

Av

Is

Vs

CMRR

GBW*

MΩ

Ω

dB

Ma

±V

dB

MHz

OP37A

6

70

125

-

13

126

63

AD844J

10

15

-

80

11

-

60

LF401

10^5

75

110

-

-

100

16

*Observar las elevadas frecuencias hasta las que funciona.


15

Formación Abierta

10.1.2. DE ALTA TENSIÓN Utilizados para circuitos con elevadas tensiones de salida (hasta ±150V), usados en diseños industriales, tienen un funcionamiento aceptable para estas tensiones, sin embargo las corrientes de salida no son elevadas. Estos serían: Ze

Zs

Av

Is

Vs*

CMRR

GBW

MΩ

Ω

dB

mA

±V

dB

MHz

MC1536

10

-

114

17

40

110

1

3584JM

10^5

-

120

15

145

110

20

LM143

-

-

105

20

37

90

1

*Observar las tensiones de salida.

10.6.4. De instrumentación Son los más precisos y se utilizan en la realización de aparatos de instrumentación electrónica, (osciloscopios, generadores de frecuencia, polímetros etc.). Las características de éstos serán por lo tanto las más cercanas a las ideales, alta impedancia de entrada, bajísima de salida, tensión de offset muy pequeña y alta relación de rechazo en modo común. Estos serían:

16

Ze

Zs

Av

Is*

Vs

CMRR

GBW

MΩ

Ω

dB

mA

±V

dB

MHz

AD548J

10^3

-

-

-

-

130

0,2

LM358

10^4

-

-

-

-

105

0,02

LF442A

10^3

-

-

-

-

100

0,15



10

10.7. Diferencias de los parámetros reales Los amplificadores operacionales están como hemos visto constituidos internamente por transistores que en teoría hemos definido como idénticos pero esto no es así, es muy complicado hacerlos así. Esto implica que aún cuando las dos entradas de la etapa diferencial estén a la misma tensión, a la salida ciertamente no tenemos los 0V que querríamos, esto ocurre por las pequeñas fugas que se generan en los transistores produciendo unas pequeñas tensiones que debemos de eliminar. Pero todo se arregla, los amplificadores van provistos de unas patillas que nos permiten con métodos sencillos poder estabilizar estas tensiones.

10.7.1. Ajuste de la tensión de compensación El ajuste es muy sencillo y sólo se necesitan potenciómetros que regulan esta pequeña “impertinencia”, van directamente conectados a los emisores o colectores de la etapa de generadores de corriente constante, regulando así la tensión de offset. (Estas recomendaciones las realizan los fabricantes de los operacionales, así que no nos preocupemos demasiado, pues nos dan los valores de las resistencias adecuados, y es montar, regular y listo.) Aquí tenemos unos ejemplos de cómo se realiza la compensación en los modelos LM741y LM747: +

V1

3

+

Vcc

8 6

741

V2

-

2

T7

4

1

VS

T6

T5

5

-

Vcc

AJ1

R1

741

R3

1

R2

4

5

-V cc

AJ1 Figura 10.7.

Dibujo compensación.


17

Formación Abierta

10.7.2. Corrientes de entrada También tenemos una pequeña diferencia entre lo que hemos definido como un amplificador operacional ideal y uno real. Debido a su constitución interna formada por transistores, sus entradas, son las bases de dos transistores y necesitan para funcionar un mínimo de corriente (alrededor de varios nA), así que para que funcione correctamente necesitamos proporcionar esta corriente, no podemos dejar las patillas al ‘aire’ pues no funcionará correctamente.

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10.8. Circuitos prácticos amplificadores operacionales

10

con

Dentro de este apartado veremos cuales son las configuraciones básicas de los circuitos prácticos con amplificadores operacionales.

10.8.1. Configuraciones básicas Poco a poco llegamos a la práctica... pero antes de ver los circuitos de aplicación, y para poder entender fácilmente todos estos circuitos vamos a explicaros que es la realimentación (muy utilizada en estos circuitos), y unas consideraciones prácticas que nos facilitarán la resolución de las fórmulas que iremos deduciendo durante todas las explicaciones de los circuitos de aplicación.

10.8.1.1. La realimentación Fundamental en los circuitos basados en amplificador operacional, como vimos en unidades anteriores (transistores), en circuitos de amplificación se utiliza la realimentación frecuentemente y esto no es más que introducir una pequeña porción de la señal de salida en la entrada del amplificador operacional como muestra la figura:

R

Ve

A Figura 10.8.

VS

Figura de realimentación.

Pero... ¿para qué hacemos esto si en la mayoría de los casos en la salida tenemos suficiente tensión, si como hemos estudiado anteriormente las ganancias de los amplificadores operacionales son de por lo menos 100.000? Me alegro que me haga esa pregunta... precisamente por este motivo, ya que con poquita señal de entrada (o poquita tensión diferencial), tenemos a la salida multiplicada por su asombrosa ganancia el tope de la tensión de salida, es decir la tensión de alimentación, y claro, como podemos observar en la figura, nos interesa conservar a la salida la forma de la señal de entrada pero eso sí amplificada.


19

Formación Abierta

V+c c

VS

Ve V-

V+c c

A V-

cc

Figura 10.9.

cc

Figura de distorsión.

Pero compañero... con la realimentación evitamos este exceso de amplificación, regulamos esta señal de salida obteniendo una salida coherente con lo que queremos, tal y como vemos en la figura que sigue: R V+cc

V+cc

Ve V-

A V-

cc

cc

Figura 10.10. Figura de realimentación.

Tenemos dos tipos de realimentación, la positiva y la negativa, que dependen de la relación de fase entre la señal de entrada y la que realimentamos. La realimentación positiva Se llama así, cuando la señal que realimentamos está en fase con la de entrada. Esta realimentación tiene uso específico para circuitos osciladores (que veremos mas adelante) ¿Qué ocurre con esta señal que realimentamos? Pues que al estar en fase con la de entrada se suma a la que entra viéndose amplificada a su vez, que vuelve a entrar ahora un poco mayor, así sucesivamente hasta que satura la salida, como veis esto no es lo que queríamos en nuestro amplificador. Para evitar esto se utiliza la realimentación negativa, que a continuación describimos.

20



10

La realimentación negativa Es la más utilizada y la que más nos interesa. Cuando introducimos una pequeña parte de la señal de salida por la entrada desfasada 180º se llama realimentación negativa, como vemos en la figura siguiente:

VR

Ve

R

VS

A Figura 10.11. Figura de señal 180º.

10.8.1.2. Consideraciones prácticas Para poder entender con facilidad los circuitos de aplicación hemos de tener en cuenta unas consideraciones prácticas, que simplificaran el cálculo de la mayoría de los circuitos. Estas son las siguientes: Las entradas de los amplificadores operacionales tienen una impedancia de entrada tan elevada que las corrientes de entrada van a ser tan pequeñas, que las consideraremos nulas. Vamos a ver si aplicamos 5 V a la entrada y sabemos que la impedancia normal es de 5 MΩ la corriente que circulará será de: I = V/R = 5/5000000 = 0,000001 A ¿La consideramos nula? A causa de la realimentación negativa las entradas positiva y negativa del amplificador operacional tienen tensiones prácticamente iguales con lo que tenemos un “cortocircuito virtual”, es decir, que aunque la diferencia de tensión entre ambas es nula (como en un corto) no pasa corriente de una a la otra (ya veremos como en la práctica es fácil de entender).


21

Formación Abierta

10.8.1.3. Adaptador de impedancias (o seguidor de tensión) Es el circuito más sencillo, como veis en la siguiente figura:

+V cc

+ -V cc

Ze

r +

ZS

Rs

+

Ve

VS

-

Ve

Vi

R

VS

Rc

Figura 10.12. Figura de adaptador de impedancias.

Tenemos una realimentación negativa completa, es decir toda la señal de salida es introducida a la entrada, lo que implica que las señales de entrada y salida son idénticas (teniendo en cuenta el cortocircuito virtual, la tensión en la entrada positiva se refleja en la negativa y esta al estar unida a la salida, se refleja también en esta). ¿Y para qué sirve, si no amplifica nada? Ah... amigo, no tenemos en cuenta en este circuito las capacidades de amplificación del amplificador operacional sino las impedancias de entrada y salida. Tenemos, viendo las características de los amplificadores operacionales, una impedancia de entrada Ze elevadísima y una impedancia de salida Zs muy baja. Esto se utiliza en la práctica para la unión de circuitos. Imaginamos que estamos en nuestro pueblo y estamos en la comisión de fiestas. Tenemos que entregar los premios de las carreras de sacos, tenemos un equipo amplificador de hace 20 años, y nos han traído un micrófono piezoeléctrico de última generación que tiene una sensibilidad excepcional pero una pequeñísima señal de salida. Unimos directamente la salida del micrófono al amplificador y comprobamos que no funciona ¡Qué dirá el Alcalde! Suerte que tenemos en el bolsillo un adaptador de impedancias (yo siempre llevo uno), lo conectamos y se escucha a la perfección. ¿Por qué ocurre esto?

22



10

Pues bien el amplificador no llevaba un adaptador de impedancias incorporado, con lo que la pequeñísima señal que nos aportaba el micrófono se perdía en la entrada del amplificador, pues tenia una impedancia baja, es decir no se producía la suficiente corriente para poder atacar al amplificador. Sin embargo con el adaptador de impedancias, al tener una impedancia de entrada elevada la pequeñísima señal de entrada no se diluye en la entrada del amplificador operacional obteniendo a la salida la misma señal pero esta vez al tener baja impedancia de salida, fortalecida para poder entrar en el amplificador.

10.8.1.4. Amplificador inversor Cuando queremos utilizar los amplificadores operacionales simplemente como amplificadores de señal, sin importarnos el desfase de la señal producida a la salida utilizamos el amplificador inversor, como se indica en la figura:

R2

Ve

I1

R1

I2

+

Vcc VS

+

R3

-V cc

Figura 10.13. Figura del amplificador inversor.

A partir de ahora explicaremos como funcionan los amplificadores operacionales eléctricamente y mediante fórmulas matemáticas que nos ayudarán a realizar los cálculos de los componentes con facilidad. Ya veréis que es muy sencillo. Como se observa la intensidad que entrará por la entrada negativa del amplificador operacional I (-) será el resultado de las corrientes I1 e I2: I (-) = I1+I2 Como la corriente de entrada de los amplificadores operacionales es prácticamente nula tendremos pues que: I(-) = 0 => I1+I2 = 0 => I1 = -I2, Como I1=Ve/R1

I2=Vs/R2


23

Formación Abierta

Sustituyendo en la fórmula anterior: I1 = -I2 Ve/R1 = -Vs/R2 Despejando la tensión de salida queda: Vs = -Ve*R2/R1 Si la ganancia de un amplificador es la relación entre la amplitud de la señal de salida y de la de entrada tenemos que: Av = Vs/Ve = (-Ve*R2/R1)/Ve Quedando: AV = -R2/R1 ¿Qué significa el signo negativo? No significa que la ganancia es negativa sino que la señal de salida está desfasada 180º con la de la entrada. También en un amplificador nos interesa calcular las impedancias de entrada y de salida. La impedancia de entrada será volviendo al circuito: Ze = Ve/Ie = R1*I1/Ie Como sabemos que Ie = I1 Tenemos que la impedancia de entrada es la siguiente: Ze = R1*I1/I1 = R1 Con lo que dependerá de la resistencia que coloquemos en el terminal negativo. La impedancia de salida será: Zs = Vs/Is => Zs = 0

24



10

Observareis que hemos colocado la resistencia R3 entre el terminal positivo y masa, y que no afecta en nada para los cálculos de ganancia e impedancia ¿Para qué la colocamos? Pues bien, los fabricantes de los amplificadores operacionales nos aconsejan que coloquemos esta resistencia para cuando no haya señal de entrada (esté el amplificador en reposo), se compensen la pequeñas corrientes de polarización del circuito. El cálculo de esta resistencia es sencillo, basta con hacer el paralelo de las resistencias R1 y R2. Vamos ahora a realizar un ejemplo práctico de un amplificador de baja frecuencia (son las que escucha el oído humano). Nos piden un amplificador que tenga una ganancia igual a 10. Pues bien dibujamos el circuito que hemos estudiado:

R2

Ve

I1

R1

I2

+V cc

VS

+

R3

-V cc

Figura 10.14. Dibujo de un amplificador inversor.

Pero... sólo tenemos el dato de la ganancia... ¿Cómo empezamos? Muy sencillo, fijamos a nuestro albedrío un valor para una de las resistencias (claro, que sea un valor que esté en el mercado, ya veréis que con la práctica es muy fácil). Pues bien, fijamos el valor de la resistencia R2 en 100KΩ Calculamos el valor de la resistencia R1: R1=R2/Av=100K/10=10K El valor de la resistencia R3 será: R3 = R1*R2/(R1+R2) = 100K*10K/(100K+10K) = 10K Es muy fácil. Los cálculos como veis son sencillos (y lo serán para todos los circuitos), pero algunas cosas se complican un poco si nos piden un amplificador un poco mas sofisticado. Por ejemplo nos piden un amplificador como sigue: Necesitamos un amplificador que tenga una ganancia de 100 y un ancho de banda de 50KHz.


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Formación Abierta

Ahora nos piden un ancho de banda específico, tenemos pues que mirar en las gráficas que nos da el fabricante teniendo en cuenta la frecuencia de transición y la ganancia, que en nuestro ejemplo es la siguiente: Ganancia en tensión (dB)

100 Ganancia en bucle cerrado

80

Ganancia en bucle abierto

60 40 20 0

Frecuencia (Hz)

1

10

100

1K

10K 100K

1M

10M

Figura 10.15. Gráfica de la frecuencia de transición.

Observamos que nos dan la ganancia en decibelios, para convertir nuestros datos a decibelios, tenemos que aplicar la fórmula siguiente: dB = 20*logAv En nuestro caso dB=20*log100=40dB. Observamos que en la gráfica para 50KHz, no podemos obtener una ganancia de 40dB. ¿Qué podemos hacer? Sencillo, colocamos dos amplificadores de manera que la ganancia de uno se multiplica a la del otro, así para una ganancia de 100, colocamos en serie dos de 10, que multiplicados nos dan lo requerido. Pero vamos a comprobar que para ganancia de 10 el amplificador operacional tiene el suficiente ancho de banda: dB = 20*log10 = 20dB

26



10

Comprobándolo en la gráfica, Vemos que es apto. Ahora dibujamos el circuito:

R2

Ve

R5

+V cc

R1

+V cc

R4

-

R3

VS

-

+ -V cc

+

R6

-V cc

Figura 10.16. Circuito con dos amplificadores.

Como hemos dicho que los dos amplificadores deben de tener una ganancia de 10, calculamos uno y el segundo tendrá los mismos valores: Fijamos el valor de la resistencia R2 en 100KΩ. Calculamos el valor de la resistencia R1: R1 = R2/Av = 100K/10 = 10K El valor de la resistencia R3 será: R3 = R1*R2/(R1+R2) = 100K*10K/(100K+10K) = 10K

R1 = R4, R2 = R5 y R3=R6. Como habréis observado con este circuito doble la señal de salida estará en fase con la de entrada.

10.8.1.5. Amplificador no inversor Lo utilizamos cuando necesitamos que la señal de salida esté en fase con la de entrada, además de cuando queramos una impedancia de entrada superior a la del amplificador inversor. El circuito es el siguiente:


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Formación Abierta

R2 I1 Ve

R1

I2

+V cc

-

VS

R3 +

-V cc

Figura 10.17. Dibujo del amplificador no inversor.

Como hemos visto anteriormente en las consideraciones prácticas las entradas positiva y negativa se encuentran en un cortocircuito virtual, reflejándose la tensión que tenemos en el terminal positivo en el terminal negativo. Esto es: V(-)= V(+) Como la corriente de entrada de los amplificadores operacionales la consideramos 0, I(+) = I(-) = 0, Lo que implica que I1 = Ve/R1 También será 0 la corriente de entrada por el terminal negativo, lo que implica que la corriente I1 será igual a la I2; I1 = I2 = Vs/(R1+R2) Despejando la tensión de salida tenemos; Vs = (R1+R2)*I1 Sustituyendo el valor de la corriente en esta fórmula, tenemos; Vs = (R1+R2)*Ve/R1 Calculamos ahora la ganancia del operacional: Av = Vs/Ve = ((R1+R2)*Ve)/R1*Ve = (R1+R2)/R1

28



10

Av = (R1+R2)/R1 La impedancia de entrada será elevadísima, ya que la entrada de la señal la realizamos a través de la resistencia R3, conectada directamente a la entrada positiva, teniendo esta una impedancia como hemos visto en las características elevadísima. La impedancia de salida es como en el amplificador no inversor prácticamente nula. El cálculo de la resistencia R3 es el mismo que en el caso anterior, el paralelo de las resistencias R1 y R2. R3 = R1*R2/(R1+R2)

10.8.1.6. Sumador de tensión inversor Con los amplificadores operacionales también podemos realizar sumadores analógicos de tensión (de hecho para eso se inventaron, como calculadoras analógicas). Con este circuito obtendremos a la salida una tensión (desfasada 180º), correspondiente a la suma de cada una de las tensiones de entrada. En el ejemplo para el cálculo de las fórmulas tenemos tres entradas, pero podemos colocar todas las que queramos. El circuito es el siguiente: Ve1

R1

I1

Ve2

R2

I2

Ve3

R3

R0

Io Ie

I3

I(-)

+

Vcc

-

VS

+ -

R

Vcc

Figura 10.18. Circuito sumador de tensión.

Si os fijáis es como un amplificador inversor en donde le añadimos entradas en el terminal negativo. Las corrientes de cada una de las entradas serán las siguientes: Donde: I1 = Ve1/R1

I2 = Ve2/R2

I3 = Ve3/I3

Ie = I1+I2+I3


29

Formación Abierta

Como en casos anteriores consideramos que la corriente que circula por la entrada negativa es nula I (-) =0, entonces la corriente Io será igual a la Ie: Io = -Ie.

Io = -(Ve1/R1 + Ve2/R2 + Ve3/R3) La tensión de salida será el producto de la corriente Io y la resistencia R0: Vs = Io*R0 = -(Ve1/R1 + Ve2/R2 + Ve3/R3)*R0. Fijando todas las resistencias iguales: R1 = R2 = R3 = R0 Tenemos que la tensión de salida es la siguiente: Vo = -(Ve1+Ve2+Ve3) Tenemos pues a la salida la suma de las tensiones de entrada. Si hiciéramos que el valor de la resistencia R0 fuera superior al de las otras tres, obtendríamos como tensión de salida, el producto de la suma de tensiones de entrada por la ganancia del amplificador inversor. En el ejemplo al fijar todas las resistencias iguales, obtenemos un amplificador inversor con ganancia uno, ¿no os habíais dado cuenta? Pero si variamos R0 esta ganancia será mayor que uno. ¡Que detalle más interesante!

30



10

10.8.1.7. Amplificador diferencial En la práctica también necesitaremos un amplificador que nos aumente la diferencia de dos tensiones de entrada, para ello utilizamos una mezcla entre un amplificador inversor y un no inversor, el circuito es el siguiente:

R2 Ve1

R1

Ve2

R3

+V cc

-

VS

+ -V cc

R4

Figura 10.19. Circuito amplificador diferencial.

Para realizar los cálculos, veremos el circuito como dos amplificadores diferentes. El amplificador inversor sería:

R2 Ve1

+V cc

R1 -

VS

+

R3

R4

-V cc

Figura 10.20. Dibujo amplificador inversor.

La ganancia es: Av1 = R2/R1


31

Formación Abierta

El amplificador no inversor sería:

R2 +

R1

Vcc

-

VS

R3

Ve2

+ -

R4

Vcc

Figura 10.21. Dibujo amplificador no inversor.

La ganancia es: Av2 = (R1+R2)/R1 La tensión en el terminal V (+) V(+) = Ve2*R4/(R3+R4) Empezando con el amplificador inversor: Vs1 = -Ve1*Av1=-Ve1*R2/R1 Observando el circuito no inversor Vs2=V(+)*Av2= Ve2*(R2+R1)/R1= Ve2*(R4/(R3+R4))*((R2+R1)/R1) Si igualamos las resistencias y hacemos que: R3 = R1 R4 = R2 Aplicándolo a la fórmula anterior: Vs2 = Ve2*(R2/(R1+R2))((R2+R1)/R1) = Ve2*R2/R1 Ahora calculamos la tensión total a la salida: Vs = Vs1+Vs2 = -Ve1(R2/R1)+Ve2(R2/R1) = (Ve2-Ve1)*(R2/R1)

32



10

Obtenemos como resultado la resta de las tensiones de entrada multiplicado por la ganancia del circuito amplificador.

10.8.1.8. Comparador de tensión Si utilizamos el amplificador operacional sin realimentación (en lazo abierto), tenemos el llamado comparador de tensión, y aprovechamos la alta ganancia de los amplificadores operacionales para que amplifique la diferencia de tensión entre las dos entradas, el circuito es como sigue: +

V1 V2

Vcc

-

VS

+ -V cc

Figura 10.22. Dibujo del comparador.

Como la ganancia del amplificador operacional es tan elevada, por pequeña que sea la diferencia de tensión entre los terminales de entrada, saturará la salida en un sentido u otro, para entendernos, si la tensión que tenemos en el terminal (-) es superior a la de el terminal (+) la salida estará a –Vcc (al tope de la tensión de alimentación negativa), y al contrario si la tensión en la entrada (+) es superior la de la entrada (-). Si V(-)>V(+), la tensión de salida será Vs = -Vcc

Si V(+)>V(-), la tensión de salida será Vs = +Vcc La velocidad con la que pasa de un estado a otro en caso de que varíen las tensiones de entrada, dependerá de las características del operacional, existen amplificadores operacionales que tienen una alta velocidad de variación, especiales para estos casos.


33

Formación Abierta

10.8.1.9. Báscula de schmitt También llamado comparador realimentado. Circuito muy utilizado en diseños de electrónica industrial, que solventa los problemas que tienen los comparadores de tensión sin realimentación. Si en el circuito anterior, a las entradas tenemos tensiones con alto nivel de ruido, puede suceder que la salida sea inestable y que pase de un estado a otro continuamente. Para solucionar esto Mr. Schmitt diseñó un circuito en el que el cambio de la salida de positivo a negativo se realiza para niveles de tensión diferentes. El circuito es el siguiente:

V1

-

VS

+

R2

R1

Figura 10.23. Circuito báscula de Schmitt.

Para entendernos... por ejemplo, podemos hacer que cuando la tensión de entrada supere +5V, la salida sea la tensión de alimentación negativa - Vcc, pero que no varíe de estado (es decir pase a la tensión de alimentación positiva + Vcc) hasta que la tensión de entrada sea menor de -5V. Como veis tenemos un margen muy amplio (que podemos reducir como queramos) para el cambio de la salida. En este circuito, los valores de tensión de entrada, para los que la salida cambia de estado tienen un nombre:

34

Tensión de pico Vp: tensión hasta la cual la salida se mantiene saturada positivamente (+Vcc), una vez superada esta tensión (Vp), la salida se satura negativamente (-Vcc), podemos superar esta tensión lo que queramos que la tensión de salida será la misma (-Vcc)

Tensión de valle Vv: tensión hasta la cual la salida se mantiene saturada negativamente (-Vcc), una vez superada esta tensión (Vv), la salida se satura positivamente (+Vcc), podemos superar esta tensión lo que queramos que la tensión de salida será la misma (+Vcc)



10

Esto se ve claro en esta gráfica:

VP VE VV

+V cc

VE

-V cc

Figura 10.24. Grafica triángulo cuadrada.

Imaginemos que al circuito anterior le inyectamos la tensión Ve. Partimos de que tenemos la salida saturada positivamente, tenemos a la entrada 0V, subimos la tensión poco a poco, hasta que llegamos a la Vp que es 5V. En la salida (gráfica de abajo) cambia la tensión de estar saturada positivamente a estar saturada negativamente. Y continuamos subiendo la tensión de entrada, pero la salida ya no cambia. Si ahora empezamos a bajar la tensión de entrada poco a poco observamos que no sucede nada... hasta que bajamos a la Vv que la salida vuelve a estar saturada positivamente. Si seguimos bajando, la tensión a la salida ni se inmuta. Que hemos conseguido, valores exactos de la tensión de entrada para que se realice el cambio a la salida. Esta tensión se representa por una gráfica como sigue: Vo +V omax

Vv

VP Ve

-V omax

Figura 10.25. Gráfica de la tensión de histéresis.


35

Formación Abierta

La diferencia entre las tensiones de pico y valle se llama tensión de histéresis Vh. Pero no hemos analizado el circuito eléctricamente: En el circuito anterior, observamos que cuando la tensión en la entrada (-), llega a unos valores de tensión negativa altos, la tensión a la salida pasa a la saturación. Tendremos entonces en la entrada positiva del amplificador operacional la siguiente tensión: V(+) = Vo R1/(R1+R2) Siendo Vo aproximadamente la tensión de alimentación positiva +Vcc. La tensión que tenemos ahora en la entrada positiva es la tensión de pico y hasta que no se supere este valor de tensión la salida estará saturada positivamente. Una vez superada esta tensión el comparador cambia de estado, teniendo la salida a la tensión de alimentación negativa. La tensión que tendremos en el terminal positivo será: V(+) = Vo R1/(R1+R2) Siendo ahora Vo aproximadamente la tensión negativa –Vcc. Como habréis adivinado, V (+) es la tensión de valle. Con estas dos formulas es suficiente para solucionar cualquier problema.

10.8.1.10. El integrador Como dijimos al principio, los amplificadores operacionales fueron utilizados para diseñar calculadoras electrónicas, y como no, podían realizar integrales. Pero no nos asustemos, no vamos a realizar un estudio sobre las integrales definidas como base de un espacio vectorial definitorio de la ecuación diferencial de la trayectoria astral del universo (me lo acabo de inventar), sino que veremos las aplicaciones que se derivan de la carga constante de un condensador (esto es mas comprensible). Pues bien la ecuación que relaciona la tensión en el condensador y la corriente de carga es la siguiente: Vc(t) = 1/C * ∫Ic dt Pero como en nuestro caso lo que nos interesa es cargar el condensador a corriente constante, la integral anterior queda así: Vc=Ic *t /C

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10

Donde: Vc

Tensión en el condensador

Ic

Intensidad de carga

t

Tiempo de carga

C

Capacidad del condensador

El circuito es el siguiente:

C VE

IC

R

IR

I(-)

+

Vcc

-

VS

+ -V cc

Figura 10.26. Dibujo del integrador.

Observamos que la tensión en el condensador es igual a la tensión que tenemos a la salida, ya que la tensión en el terminal (-) es cero, pues se ve reflejada la tensión del terminal (+), conectado directamente a masa. La corriente de carga del condensador dependerá de la resistencia R, pues la corriente de la entrada (-) es 0. Así pues la corriente de carga del condensador será: Ir =-Ic = Ve/R Sustituyendo en la primera fórmula: Vc = Ic*t/C = -(Ve/R*C) * t Vemos que la tensión en el condensador depende de la tensión de entrada, de la resistencia y de la capacidad del condensador. Si estos tres valores permanecen constantes, la carga del condensador es también constante.


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Formación Abierta

Si variamos la tensión a la entrada variamos la velocidad de carga del condensador, es decir la pendiente de subida o bajada de la tensión de carga, pero esta seguirá siendo constante para esa tensión. Esto lo vemos claro en la siguiente gráfica:

VE

VS

Figura 10.27. Gráfica del integrador.

Como observareis la tensión pendiente de la carga depende de la tensión de entrada pero en todo momento es constante para cada una de las tensiones que introducimos por la entrada. Como el circuito está basado en un amplificador inversor tendremos que:

Cuando la tensión de entrada es positiva, la tensión de salida tiene una pendiente negativa.

Cuando la tensión de entrada es negativa, la tensión de salida tiene una pendiente positiva.

10.8.1.11. El derivador También se pueden realizar el cálculo de la derivada de la tensión de entrada, pero como en el caso anterior vamos a utilizar la propiedad de la carga de un condensador a corriente constante. La derivada es lo contrario de la integral, y el circuito es el siguiente:

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10

R C

VE

IR IC

I(-)

+V cc

-

VS

+ -V cc

Figura 10.28. Circuito derivador.

La corriente de carga del condensador es la siguiente: Ic = C dVc/dt Observamos que la tensión en el condensador es igual a la tensión que tenemos a la entrada, ya que la tensión en el terminal (-) es cero, pues se ve reflejada la tensión del terminal (+), conectado directamente a masa. La corriente de carga del condensador dependerá de la resistencia R, pues la corriente de la entrada (-) es 0. Así pues la corriente de carga del condensador será: Ic =-Ir La tensión de salida será: Vs = Ir*R = -Ic*R Aplicando la fórmula de la derivada: Vs = -C dVc/dt * R Como la Ve=Vc, queda: Vs = -C dVe/dt * R Si la pendiente de entrada es constante la tensión a la salida también será constante, nos queda: Vs = -R *C *m Siendo m la pendiente de la señal de entrada.


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Formación Abierta

Tranquilos, en la siguiente gráfica vemos esto más claramente:

VE

VS

Figura 10.29. Gráfica derivador.

Como observaréis en la gráfica, cuando la pendiente de la señal de entrada es positiva, a la salida tenemos una tensión constante cuyo valor depende de la pendiente de la señal de entrada, si esta es pequeña el valor de la salida es pequeño y si es grande ocurre lo contrario. ¿Qué ocurre si le introducimos un cambio brusco de tensión (o flanco)? Como se observa en la gráfica, a la salida obtenemos un impulso positivo o negativo, esto sucede porque en la ecuación de la derivada para un flanco de tensión de entrada la resultante es una tensión infinita durante un instante, pero claro no son perfectos los amplificadores operacionales y aparecen estos pequeños impulsos. La impedancia de entrada dependerá del condensador de entrada y de la frecuencia de la tensión de entrada. Deberemos de colocar un adaptador de impedancias para un correcto funcionamiento del circuito.

10.8.2. Generadores de señal (osciladores) A continuación veremos los tipos de generadores de señal que existen.

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10

10.8.2.1. Generador señal cuadrada Como veremos a continuación el diseño de un oscilador de onda cuadrada es muy sencillo, únicamente utilizando un amplificador operacional podremos obtener una señal cuadrada desde menos de un hercio hasta varios MHz. Utilizamos la propiedad de carga y descarga de un condensador. El circuito es el siguiente:

R1 +

Vcc

-

VS

+

C

-

Vcc

R2

R3

Figura 10.30. Circuito del generador de onda cuadrada.

El circuito se compone de una báscula de Schmitt, compuesta por las resistencias R2 y R3, y un condensador que a través de la resistencia R1, se cargará y descargará sucesivamente, como ahora explicamos. Cuando alimentamos el circuito, debido a las imperfecciones de los amplificadores operacionales nos aparecerá en la salida una pequeña tensión, supongamos que es positiva (daría igual que fuera negativa), pues bien, esta tensión hará que la entrada + del Amplificador Operacional tenga mas potencial que la - , pues al estar el condensador descargado, la tensión en la entrada – es nula. Esta pequeña tensión cambiará la salida del amplificador operacional a la tensión de alimentación. Con + Vcc a la salida y a través de la resistencia R1, el condensador se va cargando poco a poco, cuando la tensión de carga del condensador sea un poquito mayor que la que tenemos en el terminal + (recuerda la báscula de Schmitt, la tensión que tenemos ahora en el terminal + es la tensión de pico Vp; si colocamos las resistencias R2=R3, la tensión de pico será justo la mitad de la tensión de alimentación) el amplificador operacional cambiará de estado y la salida pasará a –Vcc.


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Formación Abierta

Entonces el condensador empezará a descargarse, poco a poco, hasta que la tensión del condensador sea un poquito menor que la de la entrada + (tensión de valle Vv), momento en que la salida del amplificador operacional vuelve a pasar a +Vcc, así sucesivamente, con la carga y la descarga del condensador tenemos a la salida una señal cuadrada. ¿Y de qué depende la frecuencia? Está clarísimo, cuanto más rápida sea la carga y la descarga del condensador, antes cambiará de estado la salida y mayor será la frecuencia. Es sencillo el funcionamiento ¿no? Por si os queda alguna duda aquí se os muestran las señales en el condensador y a la salida del circuito:

VP T

VC VV +V cc

VS

-V cc

Figura 10.31. Gráfica de las señales generador de onda cuadrada.

Como el desarrollo de las fórmulas de éste circuito es algo complejo, nos limitamos a reseñar la fórmula para el cálculo de los componentes del circuito (¡Que suerte!) y es la siguiente: T = 2*R1*C*ln(1+ 2R3/R2) Siendo T el periodo de la señal de salida.

10.8.2.2. Generador de impulsos En muchos circuitos nos puede interesar en vez de un generador de onda cuadrada simple, un generador de impulsos, es decir, una señal cuadrada con distinta duración para cada uno de los dos semiciclos, tal y como se observa en la siguiente figura:

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+

10

Vcc

VS

-

Vcc TH

TL

Figura 10.32. Dibujo de una señal impulsos.

¿Se os ocurre cómo diseñar el circuito? No. Vamos a pensar un poco, el generador de onda cuadrada, nos da una señal a la salida en la que el ciclo positivo, dura el mismo tiempo que el negativo. ¿Por qué sucede esto? Hombre… si tenemos un condensador y una resistencia y la carga y descarga se realiza por esta resistencia, está claro, que si su valor no cambia, la carga y la descarga durarán el mismo tiempo. Ya sé, colocamos un pequeño robot, que cuando venga la descarga del condensador, cambie la resistencia por una de un valor mayor y así la descarga será más lenta y el semiciclo de salida negativo será mayor ¡Este es mi alumno más aventajado!, ¡Qué poder de intuición tiene! Lástima que colocar un robot, además de ocupar mucho sitio, es muy caro. Habrá que pensar en otra solución. Queda claro que si hacemos que el tiempo de descarga del condensador sea mayor que el de la carga tardará más en alcanzar la tensión de valle y la señal a la salida será más amplia que en el estado positivo. ¡Ya está!, colocamos resistencias diferentes pero precedidas de unos diodos polarizados uno diferente al otro, de manera que la carga se realice por uno y la descarga por el otro. Así la carga se realiza por la resistencia en serie con el diodo que permite circular corriente y la descarga se realiza por el otro diodo y la otra resistencia (ya que al cambiar de sentido la corriente el diodo que permitía la carga ahora está bloqueado, y el que antes estaba bloqueado al tener la polaridad correcta deja pasar la corriente).


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Formación Abierta

Así que, si queremos que el semiciclo negativo sea mas amplio que el positivo, colocaremos la resistencia pequeña (así la carga es más rápida) conectada al diodo que permite la carga y la resistencia mayor (así la descarga es más lenta) conectada al diodo que permite la descarga. El circuito es el siguiente:

D1

R1

D2

R2 +

Vcc

-

VS

+

C

-

Vcc

R3

R4

Figura 10.33. Circuito del generador de impulsos.

Para la resolución de las fórmulas de cálculo del circuito, partimos de la fórmula del generador de señal cuadrada. Dividimos la señal en dos periodos; el primero Th, será el que a la salida tenemos nivel alto y Tl, cuando a la salida tengamos nivel bajo. T = Th+Tl= 2*R*C*ln(1+ 2R4/R3) La diferencia de este circuito al de generador de onda cuadrada es que el valor de R no es único. Tenemos para la carga del condensador, es decir Th, la resistencia R2, entonces la fórmula quedará así: Th = R2*C*ln(1+ 2R4/R3) Sin embargo para la descarga del condensador es decir Tl, la resistencia que interviene es R1, la fórmula quedará así: Tl = R1*C*ln(1+ 2R4/R3)

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10

Para aclararnos un poco más, observar las gráficas de la tensión en el condensador y en la salida:

VP VC VV +V cc

VS

-V cc

TH

TL

Figura 10.34. Gráficas de generador impulsos.

10.8.2.3. Generador de onda triangular En algunos circuitos de instrumentación electrónica es necesario aplicar señales triangulares para estudiar el comportamiento de determinados componentes. El diseño de éste circuito es muy sencillo. Como vimos con anterioridad, obtener una señal que varíe linealmente de menos a más y de más a menos es sencillo, simplemente aplicando una tensión continua a un circuito integrador a la salida obtenemos una rampa positiva o negativa según el signo de la tensión de entrada. Pues bien, si a la entrada de un integrador conectamos la salida de un generador de onda cuadrada, obtendremos a la salida una señal triangular, compuesta por las rampas positivas y negativas generadas por el cambio de polaridad de la señal de entrada.


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Formación Abierta

El circuito es el siguiente:

R1

C2 +

Vcc

-

+

VA

RA

Vcc

-

VS

+ +

C1

-

Vcc

R2

-

Vcc

R3

Figura 10.35. Circuito de generador onda triangular.

El periodo de la tensión a la salida del generador de señal cuadrada y la tensión de salida del integrador serán los siguientes: T = 2 ·R1 · C1 · ln(1+ 2R3/R2)

Vs = T · Vcc / (2· RA · C2) +

Vcc

VA

-

Vcc

+

Vcc

VS

-

Vcc

Figura 10.36. Gráfica señal triangular.

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10

10.8.2.4. Oscilador controlado por tensión V.C.O. Este circuito es muy utilizado en la transmisión de señales analógicas por cables que solo admitan dos niveles de tensión, como es el caso de la fibra óptica. Imaginemos que tenemos que llevar el valor de tensión de la salida de un detector de luz a varios kilómetros de distancia. La salida del detector de luz tiene valores desde 1 hasta 5V, si lo pasamos por un cable de cobre, la resistencia de éste hará que la tensión en el aparato controlador a varios kilómetros de distancia sea inapreciable. Convertimos la tensión de entrada en una frecuencia que dependerá del valor de esta, a mayor tensión, mayor frecuencia, esta nueva señal, la convertimos en luz, y la hacemos pasar por la fibra (por este método podemos tirar millas y millas…). Al otro lado de la fibra óptica, colocamos el circuito inverso, es decir, convertimos la frecuencia a tensión, y podemos disponer del valor exacto de la tensión a la salida del detector. ¡Con estos ejemplos se entiende todo eh! En los libros en inglés este circuito se denomina V.C.O. (Voltage Controlled Oscilator). Para que no os asustéis. El circuito es el siguiente: R2 C +V cc

R1 -

Ve

VA

+

R5

Vcc

-

VB

+

R3

R4

-

Vcc

+V cc

-

VS

+ -

Vcc

R8

+ -

Vcc

R6

R7

Figura 10.37. Circuito V.C.O.

El funcionamiento es el siguiente: El circuito se divide en tres partes fundamentales, la primera un amplificador inversor, la segunda un circuito integrador y la tercera una báscula de Schmitt. Los valores de las resistencias R1, R2, R3 y R4, son iguales.


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Formación Abierta

Empezamos, supongamos que a la salida de la báscula tenemos +Vcc, (una suposición muy probable como hemos visto en otros circuitos). Esta tensión, hace que el transistor T1 se sature, con lo que llevamos la resistencia R4 a masa, ¿Qué nos queda? Un amplificador inversor normal y corriente. La tensión en la entrada Ve, la tendremos (pero con signo contrario) en la salida del amplificador A1, pues al ser las resistencias iguales la ganancia es igual a 1. Esta tensión provocará en el circuito integrador que le sigue una rampa cuya pendiente dependerá del valor de la tensión de entrada. Cuando la tensión a la salida del integrador (Vb) sea un poquito mayor que la tensión de pico Vp de la báscula que le sigue, esta cambiará de estado, haciendo que la salida sea de –Vcc. Por lo que el transistor se bloqueará, haciendo que el circuito amplificador se comporte ahora como un amplificador diferencial, de las dos tensiones que tenemos en las entradas + y – multiplicadas por la ganancia, como vimos en el amplificador diferencial la ganancia de cada una de las entradas es la siguiente: En la entrada +: Av = (R1+R2)/R1 En la entrada -: Av = R2/R1 La señal a la salida del A1, será: Va = Ve * (R1+R2)/R1 - Ve * R2/R1 Como R1 = R2, Va = 2 * Ve-Ve Va = Ve Tenemos pues a la salida la misma tensión que a la entrada pero esta vez con la misma polaridad. Esta tensión aplicada al integrador provoca una rampa negativa, (justo al contrario que antes). Cuando la tensión Vb a la salida del integrador sea un poco más pequeña que la tensión de Valle Vv de la báscula que le sigue, esta cambiará de estado pasando a +Vcc. Esta tensión saturará al transistor y vuelta a empezar. Si os habéis dado cuenta, la tensión a la entrada, es la que se aplica a la entrada del integrador (con distinta polaridad para cada estado), y como vimos en el anterior circuito, la pendiente del integrador depende de la tensión de entrada de éste.

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10

Pues bien cuanto mayor sea la tensión de entrada más pendiente tendrá la rampa, más rápidamente cambiará de estado la báscula y mayor será la frecuencia de salida de la señal cuadrada que la báscula genera. Si la tensión de la entrada disminuye la rampa tendrá menos pendiente y a la salida será una señal cuadrada de menor frecuencia. Es más sencillo el funcionamiento del circuito que el diseño de éste. La fórmula para el cálculo del integrador es la siguiente: K = 1/ (2 · R5 · C · Vcc) Donde K es la constante que nos indica la frecuencia de salida para cada voltio de la tensión de entrada. Las diferentes señales que aparecen en el circuito son las siguientes:

VE

VA

VP VB VV +V cc

VS

-V cc

Figura 10.38. Diferentes tensiones a las salidas de los operacionales.


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Formación Abierta

10.8.2.5. Osciladores senoidales También podemos generar señales senoidales con los amplificadores operacionales. Utilizamos principalmente el comportamiento eléctrico de las redes RC. Al aplicarles tensión producen una pequeña oscilación que a través del amplificador operacional y de una realimentación positiva logramos se traduzca en una señal senoidal. El valor de las resistencias y condensadores que componen la red RC determinan el valor de la frecuencia de salida. Los circuitos son los siguientes: R2

R1

R1

R1

+V cc

R1 -

C

+

C

C

VS -V cc

R3

Figura 10.39. Dibujo de osciladores RC.

La fórmula que resulta para el cálculo de los osciladores es: f = 1 / (2 ·π · R1 · C · √ 6) Para que funcione correctamente el circuito es necesario que la ganancia sea igual o mayor a 29, es decir: Av =-R2/R1

R3 = R1 // R2

R2 ≥ 29R1

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10

Otro tipo de circuito que también genera onda senoidal es el que utiliza el comportamiento eléctrico del llamado puente Wien. Utilizando también resistencias y condensadores, el circuito es el siguiente:

RA +

R1

R3

VS

C1 R2

C2

Figura 10.40. Dibujo generador puente Wien.

La fórmula para el cálculo del circuito es la siguiente: f = 1/ (2 ·π · R ·C ) (si C=C1=C2 y R=R1=R2) La ganancia para el correcto funcionamiento del circuito debe de ser 3: 3 = (R1+R2)/R2

10.8.3. Filtros activos con amplificadores operacionales 10.8.3.1. Filtros pasivos y activos Los filtros son unos circuitos muy utilizados, sobre todo en los circuitos de sonido. Un filtro es el circuito que separa o selecciona una señal dependiendo de la frecuencia. ¿Para qué queremos esto? Muy sencillo, por ejemplo una caja de alta fidelidad, normalmente tiene 3 altavoces uno grande para los graves, uno mediano para los medios y uno pequeño para los agudos. Pues bien internamente tiene unos pequeños grupos de condensadores y resistencias que seleccionan la señal que debe ir a cada uno de ellos, para que la acústica sea perfecta.


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Formación Abierta

Otro ejemplo, lo tenemos con los ecualizadores de los equipos Hi-Fi, podemos subir o bajar a nuestro antojo diferentes frecuencias, para poder eliminar ruidos, escuchar mejor etc. Todos estos circuitos utilizan filtros, estos se dividen en dos grupos fundamentales, los pasivos y los activos.

Los filtros pasivos son aquellos que no tienen ninguna circuitería especial, utilizando únicamente resistencias, condensadores y bobinas, alimentadas por la misma señal de salida.

Los filtros activos son aquellos que su circuitería está compuesta por elementos activos, como pueden ser los amplificadores operacionales además de los elementos pasivos, resistencias, condensadores y bobinas, alimentados generalmente por las fuentes de alimentación del circuito amplificador.

¿Por qué complicar las cosas y utilizar filtros activos? El utilizar filtros activos tiene numerosas ventajas entre otras: ocupan muy poco espacio y no utilizan bobinas lo que implica que son más baratos. Altas impedancias de entrada y bajas de salida, con los beneficios que esto produce. Y pueden además amplificar. Los inconvenientes son principalmente la necesidad de alimentarlos con fuentes de alimentación, que además influyen en el margen dinámico de salida. Vamos a estudiar los filtros activos más significativos, antes de esto vamos a explicar algunos conceptos fundamentales:

Octava: es el intervalo entre dos frecuencias f1 y f2 de manera que f2/f1 = 8.

Década: es el intervalo entre dos frecuencias f1 y f2 de manera que f2/f1 = 10.

Frecuencias de corte: son aquellas a las que se produce una atenuación del 70% de la ganancia máxima. Los filtros se clasifican en cuatro grupos, estos son: 1. Filtro paso bajo: deja pasar las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte, atenuando las demás, es decir, las que están por encima de la frecuencia de corte. 2. Filtro paso alto: deja pasar las frecuencias por encima de la frecuencia de corte, atenuando las demás. 3. Filtro paso banda: deja pasar las frecuencias comprendidas entre dos frecuencias de corte, atenuando las demás. 4. Filtro rechazo de banda: deja pasar todas las frecuencias, excepto las que se encuentran dentro de la banda delimitada por dos frecuencias de corte.

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A continuación se muestran las curvas de respuesta para los diferentes filtros: AV (dB)

AV (dB)

A

0 -3

B

0 -3

f

fc

f

fc

Curva de respuesta en frec uencia de un filtro paso bajo.

Curva de respuesta en frecuencia de un filtro paso alto.

AV (dB)

AV (dB)

C

0 -3

D

fc1 < fc2

0 -3

fc1 < fc2

fc1

fc2

f

fc1

Curva de respuesta en frec uencia de un filtro paso banda.

fc2

f

Curva de respuesta en frecuencia de un filtro rechazo banda.

Figura 10.41. Dibujos de las curvas de respuesta.

10.8.3.2. Filtro paso bajo y alto activo Es muy sencillo realizar filtros paso alto y paso bajo activos con la combinación de un filtro RC pasivo y un amplificador operacional, el circuito es el siguiente:

-

R +

Ve

C

VS

Figura 10.42. Dibujo filtro paso bajo activo.

La fórmula para el cálculo de los componentes es la siguiente: fc = 1 / (2 ·π ·R · C)


53

Formación Abierta

La ganancia del circuito se aproxima a la unidad (-1), R y C determinan la frecuencia de corte. El circuito de un filtro paso alto se observa en la figura:

-

C

+

Ve

VS

R

Filtro Paso Alto

Figura 10.43. Dibujo filtro paso alto activo.

La fórmula para el cálculo de los componentes es la siguiente: fc = 1 / (2 ·π ·R · C)

10.8.3.3. Filtros paso banda Como hemos definido anteriormente los filtros paso banda son los que permiten el paso de las frecuencias comprendidas entre dos valores determinados por las llamadas frecuencias de corte. Pues bien, como habréis adivinado, un filtro paso banda estará compuesto por la mezcla de un filtro paso alto y otro paso bajo. El circuito es el siguiente.

R2

C1

+

Ve

R1

C2

VS

Figura 10.44. Dibujo de filtro paso banda.

El conjunto R1 y C1, fijan la frecuencia de corte del filtro paso alto, el conjunto R2 y C2, fijan el del paso bajo.

54



10

Para frecuencias de entrada muy bajas, la impedancia de C1 es muy alta, lo que implica que la ganancia del circuito es muy baja. Para frecuencias muy altas, la impedancia de C2 es muy alta con lo que la ganancia del circuito es muy baja. Para frecuencias intermedias, las impedancias de los condensadores son inapreciables, dejando la ganancia en función de las resistencias R1 y R2. Para este tipo de filtros, vemos en las gráficas de respuesta unos valores importantes como mostramos en la figura que sigue: AV (dB)

C

0 -3 fc1 < f c2

fc1

f

fc2

Curva de respuesta en frecuencia de un filtro paso banda. Figura 10.45. Dibujo gráfica filtros paso banda.

Las pendientes superior e inferior nos indica la atenuación que sufre la señal fuera de las frecuencias de corte.

10.8.3.4. Filtro activo de rechazo de banda Con este filtro conseguimos que las frecuencias que se encuentren en el intervalo definido por las frecuencias de corte, sean atenuadas. Lo conseguimos con un circuito como el que sigue:

R1

C2

R2

VS

+

C1 Figura 10.46. Dibujo de filtro rechazo de banda.

Para las frecuencias intermedias (las que nos interesa atenuar), la impedancia de C1 es muy pequeña comparada con la de R1, la de C2 es grande respecto a R2, por lo que la ganancia será mínima.


55

Formación Abierta

Para frecuencias muy bajas, la impedancia que tiene C2 se hace tan grande que la ganancia del circuito aumenta mucho. Para frecuencias muy altas, la impedancia de C1 se hace muy pequeña, por la que la ganancia aumenta. Queda claro, que el circuito atenúa las frecuencias comprendidas entre las frecuencias de corte, las fórmulas para el cálculo de los componentes son las siguientes: f1= 1 / (2 · π · R1 · C1)

f2=1 / (2 · π · R2 · C2)

10.8.3.5. Otros tipos de filtros El estudio de los filtros es una ciencia compleja, son famosos los filtros basados en las funciones de aproximación de tres famosos ingenieros, Chebychev, Butterworth y Bessel, ninguno de los filtros se ajustan al filtro ideal, pero se aproximan lo más posible. Como la explicación de éstos es compleja, os mostramos un cuadro con los circuitos y las fórmulas de cálculo. R: todos de igual valor comprendid o entre 4k7 y 10kΩ.

CA

CA R

+

R

-

CB =

CA =

Butterworth. CB =

RA C

CA =

2 πf ⋅ R

2 πf ⋅ R CD =

2 πf ⋅ R

1, 4140

CA =

2 πf ⋅ R

2 , 0000 2 πf ⋅ R

0 , 7071

CD =

2 πf ⋅ R

A1

C

Paso alto: 12 dB/octava


CA =

2 πf ⋅ R

0 , 7560

CC =

2 πf ⋅ R

CB =

0 , 5000

CA =

2 πf ⋅ R

1, 0000

CC =

2 πf ⋅ R

CD Paso bajo: 24 dB/octava

0 , 7298

CB =

2 πf ⋅ R 1, 0046

CD =

2 πf ⋅ R

1, 0824

CB =

2 πf ⋅ R 2 , 6130

CD =

2 πf ⋅ R

RC

-

-

RB

RA

A2

A1

A2 -

CB

0 , 4998

C

+

C

-

RB

CB =

R

A1 -

+

RA

+

R

Paso bajo: 18 dB/octava

0 , 9548

0 , 6809

C

R

+

R

+

CD

CB Paso bajo: 12 dB/octava

0 , 9076

CC

CA

A2

A1 -

CB

Bessel.

56

A1

R

-

CA =

C: todos de igual valor comprendid o entre 4,7nF y 10nF.

+

R

+

R

C

C

+

C

0 , 4998 2 πf ⋅ R 0 , 3872 2 πf ⋅ R 0 , 9239 2 πf ⋅ R 0 , 3872 2 πf ⋅ R

+

C

A2

A1

-

-

RD


RB

RD


10


RA =

Bessel. RB =

RA =

Butterworth. RB =

1,1017 2 πf ⋅ C

RA =

1, 4688

2 πf ⋅ C 1, 4140 2 πf ⋅ C

RA =

RB =

2 πf ⋅ C RD =

2 πf ⋅ C 0 , 7071

1,1017

2 πf ⋅ C

1, 3228

RB =

2 πf ⋅ C

1, 0000 2 πf ⋅ C

2 , 0000 2 πf ⋅ C

1, 3701

RA =

RC =

2 πf ⋅ C

0 , 5000

RD =

2 , 0008

RA =

RC =

2 πf ⋅ C 0 , 9952 2 πf ⋅ C 0 , 9239 2 πf ⋅ C 0 , 3827 2 πf ⋅ C

RB =

RD =

RB =

RD =

1, 4929 2 πf ⋅ C 2 , 5830 2 πf ⋅ C 1, 0824 2 πf ⋅ C 2 , 6130 2 πf ⋅ C

Figura 10.47. Cuadro de los distintos filtros Bessel y su formulación.

10.8.4. Las fuentes de alimentación amplificadores operacionales

utilizando

Las fuentes de alimentación tienen la función de suministrar tensiones continuas y estabilizadas a los circuitos electrónicos, es decir pasamos de una tensión alterna de 220V 50Hz a una tensión continua del valor que deseemos, 5V, 12V… estabilizada, es decir que independiente de la carga, siempre suministra la misma tensión.

ESTABILIZADOR

FILTRO

RECTIFICADOR

TRANFORMADO

Generalmente si no estuvieran estabilizadas, cuando la carga aumentara la tensión disminuiría y el funcionamiento no sería el correcto. Una fuente de alimentación se divide en cuatro partes diferentes, estas son:

CARGA

Figura 10.48. Dibujo partes en que se divide una fuente de alimentación.

1. Con el transformador, reducimos la tensión de 220V a una más pequeña, los circuitos electrónicos funcionan a 5 ó 12V. 2. Con el rectificador convertimos la tensión alterna en una tensión casi continua, queda una señal de impulsos. 3. Con el filtro, convertimos estos impulsos en una tensión continua. Los filtros se componen de condensadores de gran capacidad. 4. Con la regulación y estabilización, regulamos la tensión al valor que necesitamos y la estabilizamos para que en ningún momento varíe.


57

Formación Abierta

Esta última parte es la que vamos a estudiar, pues es la más interesante y la que utiliza generalmente los amplificadores operacionales. Con un solo amplificador operacional, podremos fijar la tensión a la salida y regularla correctamente. El circuito se basa en tener una tensión de referencia que el amplificador operacional comparará con la de la salida y hará lo necesario para igualarla.

10.8.4.1. Fuente de tension de referencia Para obtener tensiones de referencia se utilizan los diodos zener. Estos diodos tienen la capacidad de que cuando se polarizan inversamente mantienen una tensión cte. en sus extremos, pues bien, aprovecharemos esta característica para que un amplificador operacional realice las funciones de fuente de tensión de referencia, es decir, para que podamos tener a la salida una tensión estabilizada. Tendremos que tener una tensión en la que fijarnos para poder así comparar y saber en todo momento si tenemos a la salida más o menos tensión de la deseada. Esta tensión tendrá que ser invariable, y esta sólo nos la ofrecen los diodos zener. El circuito básico de fuente de referencia es el siguiente:

V R2 R0 +V cc

R1 -

VS

+ -

Vz

Vc c

R3

Figura 10.49. Circuito de fuente de referencia

Es el circuito estudiado de adaptador de impedancias, polarizamos el diodo mediante la resistencia R0, que tendrá que tener el valor necesario para que cuando la tensión de entrada V sea mínima, esté polarizado correctamente, la fórmula para su cálculo es la siguiente: R0 =R1 (Vmin – Vz)/(izminR1+Vz)

58



10

A la salida del amplificador operacional como estudiamos en capítulos anteriores, la tensión será siempre la misma que tengamos en la entrada positiva, por lo que siempre tendremos a la salida la tensión del diodo zener. Ya tenemos la tensión de referencia, vamos ahora a ver como estabilizamos esta tensión si varía la carga.

10.8.4.2. Regulador serie Circuito básico Veamos como lo podemos hacer, ya veréis que es muy sencillo. Utilizamos un transistor como regulador porque un amplificador operacional no da la suficiente corriente a la salida. Si quisiéramos más corriente, tendríamos que poner dos transistores en Darlington. El circuito es el siguiente:

Ve No Regulada

VS Regulada R +

Vo

-

VZ

Figura 10.50. Dibujo de regulador serie.

Imaginemos que queremos tener a la salida 5V clavados, colocamos un zener de 5V, conectamos el circuito a la fuente de alimentación y observamos que a la salida tenemos 5V, hasta aquí todo correcto, y ahora conectamos a la salida un circuito por ejemplo una alarma. Este circuito tiene un consumo elevado, la sirena consume bastante y la tensión a la salida baja. ¿Qué sucede? La tensión que tenemos en la entrada negativa del amplificador operacional es más pequeña que la de la entrada positiva (siempre la misma), el amplificador operacional compara y a su salida aumenta la tensión este aumento hace que por el transistor T circule más corriente por lo que la tensión a la salida aumentará hasta el valor de la tensión de referencia.


59

Formación Abierta

Sin embargo, si por el contrario, desconectamos ahora la alarma, la tensión a la salida es mayor que la deseada, la tensión en la entrada negativa es mayor que la de la positiva y el amplificador operacional reaccionará bajando la tensión a la salida, esto implica que circula menos corriente por el transistor, y la tensión se estabiliza a 5V. Todo esto ocurre en microsegundos, así que el circuito apenas lo percibe. Con tensiones de salida inferiores a la de referencia Vz Nos puede surgir el caso de que no existan diodos zener que suministren la tensión de referencia que deseemos, en caso de que esta sea menor, la solución es sencilla, empleamos un divisor de tensión a la entrada de Amplificador Operacional, como la tensión en el zener siempre es la misma, la tensión del divisor será más pequeña, pero constante, el circuito es el siguiente:

T

Ve

V

S Regulada

No Regulada

R R1 +

VZ

R2

-

Figura 10.51. Dibujo esquema regulador tensiones inferiores.

La fórmula para realizar el cálculo del divisor es: Vref = Vz*R2/(R2+R1) ¿Sencillo, no? Con tensiones de salida superiores a la de referencia Vz. Este es el caso contrario, necesitamos una tensión de referencia superior a la del zener. La solución es también sencilla, el esquema es el siguiente:

60



Ve No Regulada

10

VS Regulada R R1

+ -

Z R2

Figura 10.52. Dibujo esquema regulador tensiones superiores.

El amplificador está trabajando como un amplificador no inversor, ya estudiado anteriormente, si aumentamos la ganancia aumentamos la tensión a la salida, lo que implica que por el transistor circula más corriente y la tensión a la salida es mayor. La fórmula para el cálculo de los componentes es la siguiente: Vs = Vz*Av = Vz(R2+R1)/R2 Circuito completo Para rematar la faena, diseñamos un circuito completo, que tendrá la tensión de salida variable y protegida contra cortocircuitos. El circuito es muy sencillo, aprovechando el circuito anterior y añadiendo un circuito protector constituido por un transistor y una resistencia. El circuito es el siguiente:

T1

Ve

R1 VS Regulada

No Regulada

T2 P

+ -

R2

Figura 10.53. Dibujo circuito regulación completo.


61

Formación Abierta

Como se puede observar hemos cambiado la resistencia R1 del circuito anterior por un potenciómetro P, convertimos pues una fuente de alimentación fija en una variable. El valor mínimo de la tensión de salida será cuando el potenciómetro esté en la posición de 0 Ω, por lo que la tensión de salida mínima será la del diodo zener. Cuando movamos el potenciómetro a la posición contraria, la tensión máxima a la salida del circuito será la siguiente: Vs max = Vz (R2 + P/R2) El circuito de protección de sobrecorrientes y cortocircuito es muy sencillo, colocando la resistencia R1 en serie con la salida tenemos el detector de corriente, el transistor T2 se encarga de cortar la alimentación. El funcionamiento es el siguiente: Se calcula la resistencia de manera que cuando la corriente que circula por la salida es la deseada la tensión en bornes de ésta es menor de 0,7V, si por el contrario, se produce a la salida un cortocircuito o una corriente más elevada de la deseada, la tensión en bornes de la resistencia alcanza los 0,7V, saturando al transistor T2, esto hace que el transistor T1 se bloquee y corte la tensión a la salida, esto sucede continuamente hasta que desaparece la sobrecorriente. El cálculo de la resistencia será: R1 = 0,7 /Is max

10.8.4.3. Rectificador de precisión de media onda Existen circuitos, sobre todo en instrumentación electrónica en que se hacen necesarios rectificadores de precisión, exactamente para poder medir en los polímetros digitales la tensión alterna, pues con estos circuitos obtenemos a la salida un valor de tensión continua equivalente al valor eficaz de alterna, siendo así mucho más sencilla la medición de las tensiones. El circuito es el siguiente: R1 R2 Ve

+V cc

R3

D2

-

R4

B A

+

D1

-V cc

Figura 10.54. Dibujo circuito rectificador media onda.

62



10

Como veis es un montaje de amplificador inversor, introducimos la señal de entrada a través de R3. Cuando entra el semiciclo positivo, la salida del amplificador es negativa, por lo que conducen el diodo D2 a través de R2, obtendremos en el punto A, el semiciclo invertido. El diodo D1 no conduce, tendremos en el punto B tensión de salida 0V. Cuando entra el semiciclo negativo, la salida del amplificador es positiva, por lo que conducen el diodo D1 a través de R1, obtendremos en el punto B, el semiciclo invertido. El diodo D2 no conduce, tendremos en el punto A tensión de salida 0V. Tenemos pues un rectificador de media onda en cualquiera de los dos puntos.

10.8.4.4. Rectificadores de onda completa de precisión También se pueden realizar rectificadores de onda completa, el esquema es un poco más complejo pero el funcionamiento es muy sencillo. Se compone básicamente de un amplificador operacional que realiza las funciones de rectificador de media onda y un segundo amplificador que hace la función de amplificador diferencial. El esquema es el siguiente: R5 R3 R2 Ve

R1

R8 D2

R6

-

R4

+

-

D1 R7

VS

+

Figura 10.55. Dibujo 2 de rectificador de onda completa.

Cuando en la entrada están los semiciclos positivos como hemos visto en los rectificadores de media onda, la salida de A1 se hará negativa, conducirá el diodo D1, y obtendremos en la entrada positiva del A2, el semiciclo de entrada invertido, el amplificador A1, se comporta como un inversor (ya que en la entrada positiva tenemos 0V) y obtendremos a la salida el semiciclo ahora positivo. Cuando en la entrada están los semiciclos negativos la salida de A1 se hará positiva, conducirá el diodo D2, y obtendremos en la entrada negativa del A2, el semiciclo de entrada invertido, el amplificador A1, se comporta como un no inversor (ya que en la entrada negativa tenemos 0 V) y obtendremos a la salida el semiciclo positivo. Todo esto lo veis reflejado en la figura anterior.


63


10

• Resumen •

En esta unidad hemos aprendido que es un amplificador operacional y su constitución interna. Dentro de la electrónica es muy utilizado formando parte fundamental de la electrónica analógica.

•

Su constitución interna está formada principalmente por transistores bipolares. Hemos podido aprender la constitución interna real de un “chip” e incluso a entender su funcionamiento eléctrico mucho más sencillo de lo que hubiéramos pensado.

•

La parte primordial del amplificador operacional es el amplificador diferencial, un circuito de dos entradas y una salida. Aplicando diferentes tensiones en las entradas obtenemos a la salida la diferencia de tensiones, es decir un “restador” analógico. Si a este circuito le añadimos un amplificador podemos obtener a la salida la diferencia de tensiones multiplicada por un determinado valor. Para el funcionamiento correcto del circuito se necesitan cuatro circuitos fundamentales; la fuente de corriente constante que alimenta al circuito dotándole de estabilidad, el amplificador diferencial, que realiza las funciones descritas anteriormente apoyado por la fuente de corriente cte. y la etapa de potencia, que proporcionará a la salida corriente suficiente y baja impedancia para una buena operatividad.

•

A la hora de elegir uno u otro amplificador operacional tenemos que estudiar las principales características eléctricas de los diferentes tipos. Las características más importantes de los amplificadores, son:

•

Resistencia:

•

•

Impedancias de entrada y salida.

Tensión:

Margen de tensión de alimentación.

Margen de las tensiones de entrada y salida.

Corriente:

Corrientes de polarización y de salida.


65

Formación Abierta

•

•

66

Específicas:

Ganancia de tensión en bucle abierto.

Factor de rechazo en modo común.

Frecuencia de transición.

Una vez aprendido lo que es un amplificador operacional y cuales son sus características fundamentales, hemos aprendido que hay muchísimos tipos de amplificadores según sea el cometido que tengan que realizar. La elección se realizará teniendo bien en cuenta las necesidades de nuestro circuito. Tenemos diferentes grupos de amplificadores:

De uso general, los mas empleados con características aptas para la mayoría de los circuitos.

De bajo consumo, para aparatos alimentados por pilas etc.

De alta corriente de salida, circuitos con grandes cargas.

De gran velocidad, para aplicaciones de telefonía, televisión etc.

De alta tensión, si necesitamos altas tensiones de salida.

De instrumentación, para aparatos de medida en laboratorio.

•

Una vez estudiada la teoría del funcionamiento interno de los amplificadores operacionales, las características principales y los diferentes tipos, tenemos que tener en cuenta que no son perfectos, aunque están muy bien diseñados. Siempre que utilicemos transistores en electrónica analógica tendremos estos problemas que sin embargo no suceden en electrónica digital, que tiene dos estados ‘1’ o ‘0’; no hay margen de error. En la electrónica analógica tenemos infinitos valores a la entrada y salida de los circuitos y realizar clonaciones perfectas de transistores es muy complicado. Pero todo está previsto y para evitar sorpresas en el funcionamiento de estos circuitos los fabricantes dotan a los “chips” para poder corregir estos problemas. Montando una resistencia entre dos de sus patillas corregiremos la tensión de compensación. También nos avisan que son tan sensibles que con corrientes ínfimas de entrada el operacional puede variar su comportamiento, así que nos recomiendan que no dejemos las entradas de éstos ”al aire”. Tendremos la precaución de conectarlas debidamente.

•

Ya sabemos toda la teoría y hemos pasado a la práctica. Los cálculos de los circuitos son muy sencillos, con operaciones matemáticas básicas se resuelven todos los problemas. Para todos los circuitos utilizamos el famoso 741.



•

Hemos aprendido lo que es la realimentación negativa; introducir en la entrada una pequeña porción de señal (desfasada 180º) que nos evitará que aparezca la temida distorsión.

•

Un amplificador operacional tiene una propiedad muy importante: una gran impedancia de entrada y una impedancia baja de salida. El circuito mas sencillo es el adaptador de impedancias que aprovecha al máximo estas características y se aplica en innumerables circuitos.

•

A la hora de amplificar señales analógicas los amplificadores operacionales son perfectos. Hemos estudiado los dos tipos fundamentales: el inversor y el no inversor. La ganancia (el factor de amplificación) de estos dependerá de las resistencias que acompañan al circuito. Nos hemos encontrado con el inconveniente de la frecuencia de transición que limita la ganancia de estos amplificadores para determinadas frecuencias, solucionándose este problema colocando los amplificadores en cascada.

•

Los sumadores de tensión realizan esta operación de manera sencilla. Podemos incluso realizar sencillas fórmulas con las tensiones de entrada. Su montaje como restador o “diferencial” es también muy sencillo restando efectivamente las señales entre las dos entradas.

•

Como comparador de tensión es perfecto, con mínimas diferencias de tensión (dejando el circuito en lazo abierto), es decir, sin realimentación cambia de estado de la salida instantáneamente.

•

La báscula de Shmitt nos va ha permitir diseñar numerosos circuitos. El funcionamiento es sencillo; tenemos dos márgenes de tensión la de pico y la de valle, la salida no cambiará de estado hasta que no se sobrepasen cualquiera de las dos quedándose la salida en el mismo estado mientras la tensión va cambiando de una a otra. Su diseño y cálculo es sencillísimo aplicándose principalmente en generadores de señal.

•

Estos amplificadores acoplando un condensador bien a la entrada o en la realimentación se comportan como integradores o derivadores; la función matemática no nos interesa demasiado, pero si su comportamiento eléctrico. La carga y descarga de los condensadores se realiza de manera lineal con una pendiente que dependerá de la resistencia de carga, pero siempre será la misma. Esto nos hará mas sencillo generar señales triangulares, dientes de sierra etc.


10

67

Formación Abierta

68

•

También se pueden realizar sencillos montajes para circuitos que necesiten generadores de señales. Con un condensador y el circuito de báscula de Schmitt, se diseñan sencillos circuitos generadores de señales cuadradas. Para generar impulsos utilizamos el mismo circuito pero con diodos que controlarán la carga y descarga del condensador. Si necesitamos un generador de señal triangular no tenemos más que acoplar a un generador de onda cuadrada un circuito integrador.

•

Una aplicación que aglutina estos circuitos es el VCO. Dependiendo de la tensión de entrada a la salida tenemos una frecuencia; a mas tensión mas frecuencia.

•

También son capaces de generar señales senoidales, únicamente con condensadores y resistencias acoplados al operacional.

•

Por su frecuencia son muy efectivos para realizar filtros de señales. Hay cuatro tipos fundamentales de filtros: los paso bajo que sólo permiten el paso de frecuencias bajas, los paso alto que sólo permiten el paso de las frecuencias altas, los paso banda que permiten el paso de una determinada franja de frecuencias y los rechazo de banda que impiden el paso de una determinada franja de frecuencias.

•

También se pueden utilizar como reguladores en fuentes de alimentación. Hemos estudiado los circuitos de aplicación, diseñando y calculando todos los casos que dependen fundamentalmente de la relación de la tensión de salida con la que tenemos de referencia. Hemos visto cómo ampliarle la corriente y protegerlo contra cortocircuitos.


Libro Electronica Analogica

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