SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES

LABORATORIO DE LGICA CAPTULO IV

CAPTULO IV.- COMPONENTES BSICOS

1. ObjetivoEstudiar los diferentes comportamientos de los componentes de los circuitos bsicos.

Realizar varios montajes de circuitos con los diferentes componentes bsicos, donde los clculos se realizan por medios directos e indirectos, tomando en cuenta que los clculos directos se realizaran utilizando varios instrumentos de laboratorio y los indirectos se realizaran mediante clculos matemticos o aplicando leyes circuitales.

2. Introduccin

Se observa el interior de un sistema electrnico tal como un radio, un televisor, un equipo de sonido o una computadora, constan de componentes o partes, estos ltimos se agrupan en un nmero muy limitado de tipos bsicos, cada uno con sus propias variantes. En segundo lugar los componentes se agrupan formando circuitos que cumplen funciones determinadas. Nuevamente, aunque un sistema electrnico puede constar de muchos circuitos, estos pertenecen a un nmero limitado de categoras bsicas. La combinacin de circuitos da origen a sistemas, los cuales se utilizan en comunicaciones, control de potencia, audio, video, entretenimiento y otras aplicaciones.

Los componentes son los bloques constructivos bsicos de los sistemas electrnicos. La funcin de un componente es manipular la corriente elctrica que circula a travs de un circuito, por ejemplo limitarla, almacenarla, interrumpirla, amplificarla, dirigirla, transferirla.

3. Marco Terico

3.1. RESISTORESCul es la definicin de resistencia?

La unidad bsica de medida de la resistencia es el OHM, nombre dado en honor a George Simn Ohm, fsico alemn que vivi de 1787 a 1854. El smbolo literal de la resistencia es R.

3.1.1. Resistores de composicin

Los resistores de composicin, o para fines generales, tienen la tolerancia ms amplia de todos los resistores existentes y son los ms baratos. En la figura 1 se presenta un corte de un resistor de este tipo. Se fabrican depositando partculas de carbono, el material de resistencia, en una envoltura en forma de cilindro. El cilindro y las terminales de alambre se moldean a gran presin y temperatura elevada.

Figura 1. - Corte de un resistor de composicin

Los resistores de composicin se producen con disipaciones de potencia de 1/8, 1/4, 1/2, 1 y 2 W, y en niveles de tolerancia de 5%, 10% y 20% como se muestra en la tabla 1.

Existen valores desde 1 a 100 M, y los valores nominales de resistencia y tolerancia se indican por medio de una serie de bandas de color. El valor de resistencia se indica mediante cuatro bandas de color (o tres para la tolerancia del 20%). Cuando es aplicable, se utiliza una banda adicional para indicar el nivel de seguridad o confiabilidad. Esos resistores se hacen en una serie preferente.

Tabla 1.- Cdigo de colores de Resistencias

Aunque esos resistores se presentan en valores amplios de tolerancia, es posible hacer una resistencia de tolerancia ms estable mediante la combinacin de dos resistores de tolerancia amplia. Esto se puede hacer escogiendo inicialmente un resistor cuyo valor nominal sea cercano al valor deseado, y combinndolo con otro cuyo valor se determine por la diferencia entre el resistor escogido primeramente y el valor deseado. Los resistores se pueden combinar en serie o paralelo, segn se requiera.

3.1.2. Resistores de baja tolerancia

Cuando se requieren resistencia de tolerancias ms bajas, existen tipos de pelcula metlica, pelcula de carbn y devanados de alambre. Los resistores de semiprecisin en los niveles de tolerancia de 0; 0,25; 0,5; 1 y 2%, se producen tambin en un conjunto de valores estndar de resistencia.Los valores de resistencia se pueden indicar mediante un cdigo de colores. El cdigo de colores es el mismo que se muestra anteriormente con las ediciones mostradas en la tabla 2:

Tabla 2 . - Tolerancias de Resistencias

ToleranciaMultiplicador

Caf 1%Rojo 2%Plateado X 0.01

Los resistores de 2% de tolerancia usan el mismo patrn de cuatro bandas de colores. Los resistores de 1% de tolerancia usan la codificacin de cinco bandas de colores que se da en la figura 2.

Figura 2 .- Resistencias de cuatro bandas

Los valores de resistencia para resistores de menor tolerancia se indican con frecuencia mediante un nmero de cuatro dgitos. Los tres primeros dgitos indican las cifras significativas y el ltimo da el nmero de ceros que siguen. Cuando no hay ceros agregados, se usa una letra para indicar el lugar decimal. Por ejemplo,

1271 = 1270

12R7 = 12,7 Otro mtodo para indicar el valor de resistencia consiste en usar tres dgitos significativos y una letra adicional para indicar un multiplicador. Las letras son: R - ohms, k - miles de ohms y M Millones de ohms. Por ejemplo: 53,6 R 53, 6; 53, 6 k - 53 600.

3.1.3. Resistores especiales

Existen resistores fabricados con materiales especiales, comnmente semiconductores, cuya resistencia no es constante, sino que depende de algn parmetro exterior. Por ejemplo en la tabla 3 se muestra algunos de ellos:

Tabla 3 .- Resistores especiales

LDRLDR (Litgh Dependent Resistance) Resistencia dependiente de la luz

VDRVDR (Voltage Dependent Resistance) Resistencia dependiente del Voltaje

PTCPTC (Positive Temperature Coefficient) Coeficiente de Temperatura Positivo

NTCNTC ( Negative Temperature Coefficient) Coeficiente de Temperatura Negativo

Hay otro tipo de categoras de resistores que no caen dentro de las clasificaciones proporcionadas. Algunas de ellas son:

1. Ultra precisin (0,002%) y ultra estable. Se producen devanando cuidadosamente un alambre de resistencia sobre un molde.2. De alto voltaje, para aplicaciones con kilovolt.

3. Alta resistencia, muchos mega ohms. Son de pelcula metlica u xido metlico sobre un ncleo de cermica.

4. Redes de pelcula metlica. Se producen en paquetes con doble hilera DIP, idnticos a los utilizados para circuitos integrados y en un paquete similar de hilera simple SIP. Se utilizan en resistores de aumento y reduccin con circuitos integrados para excitar LED y para redes de escalera DIA y AID. Adems de facilitar la insercin de muchos resistores simultneamente en tablillas PC, la proximidad de los resistores que se encuentran en un mdulo (chip) comn de cermica, permiten que se mantengan las razones de resistores con las variaciones de temperatura.5. No inductivos, de devanado de alambre. Utilizan dos bobinas devanadas en direcciones opuestas, de modo que sus campos magnticos se cancelen uno al otro.6. Resistores de potencia. Son de devanado de alambre, con ste ltimo fijo a un ncleo de cermica mediante un esmalte vtreo. Con frecuencia se fabrican con una corredera ajustable como medio para obtener un valor semivariable de resistencia.Efectos de la temperatura

Una de las consideraciones ms importantes al escoger un resistor, es el modo en que vara su resistencia con la temperatura. A veces se trata simplemente del modo en que vara la resistencia de un resistor individual. En las aplicaciones de divisor de voltaje se trata de igualar las variaciones de resistencia de dos resistores. En las aplicaciones sensoras por medio de termistores el usuario desea una variacin de la resistencia grande; pero controlada y especfica sobre una gama requerida de temperaturas.

Las especificaciones sobre la variacin de la resistencia con la temperatura se expresan por lo comn como coeficiente de temperatura de la resistencia (que se abrevia TCR) en partes por milln por grado Celsius (ppm/C). Representa un porcentaje de cambio la resistencia nominal a 25C. El coeficiente de temperatura de la resistencia puede ser positivo o negativo.Voltaje nominal de trabajo continuo. El voltaje nominal de trabajo continuo (RCWV) es el voltaje mximo que se puede aplicar con seguridad a un resistor, sin sobrepasar su potencia nominal.

3.1.4. Resistencia crtica

La resistencia crtica Rc de una serie de resistores es una resistencia a la que se producen simultneamente el voltaje mximo permitido y la disipacin mxima de potencia.

Ruido

En un resistor, a cualquier temperatura por encima del 0 absoluto, el movimiento aleatorio de los electrones genera pequeas corrientes y bajos voltajes de ruido en las terminales. Esos voltajes se determinan por la temperatura absoluta, al valor absoluto de resistencia y el ancho de banda.

Efectos de alta frecuencia. Debido a la inductancia de los terminales y los conductores en los resistores de devanados, la capacitancia entre los terminales y entre las partculas de carbn en las resistencias de composicin, y la capacitancia entre vueltas de los resistores de devanado, el modelo de alta frecuencia de un resistor difiere del de baja frecuencia.

La potencia nominal es la potencia mxima en watt que puede disipar con seguridad un resistor, a temperaturas ambiente de hasta 70 C. A temperatura ms elevada, la potencia nominal se reduce linealmente.

La potencia nominal es la potencia mxima en watt que puede disipar con seguridad un resistor, a temperaturas ambiente de hasta 70 C. A temperatura ms elevada, la potencia nominal se reduce linealmente.3.1.5. Resistores variables potencimetrosHay veces en que interesa disponer de una resistencia cuyo valor pueda variarse a voluntad. Son los llamados restatos o potencimetros. Se fabrican bobinados o de grafito, deslizantes o giratorios. Se suelen llamar potencimetros cuando poseen un eje practicable, y resistencias ajustables cuando para variarlas se precisa la ayuda de una herramienta, porque una vez ajustados no se van a volver a retocar ms.En la figura 3 se muestra su aspecto fsico y en la figura 4 se muestra el smbolo elctrico de los potencimetros.

Figura 3.- Aspecto fsico de los resistores variables y potencimetros

Figura 4 .- Smbolo elctrico de los potencimetros

Adems de los factores indicados para los resistores fijos, es preciso tomar en consideracin los factores adicionales al escoger resistores variables: Resolucin. El cambio menor de resistencia que se puede obtener al hacer girar el contacto deslizante de ajuste. Esta consideracin es muy importante para los potencimetros de devanado. Corriente de la terminal deslizante. La corriente mxima que puede entrar al terminal deslizante (variable) o salir de el.

Resistencia extrema. La resistencia entre el terminal deslizante y los terminales externos, con el terminal deslizante colocado en el extremo correspondiente.

Ajuste de estabilidad. Repetibilidad del valor de resistencia al reajustar el resistor a la misma posicin. Nmero mximo de rotaciones permitidas. Nmero de vueltas. Nmero de potencimetros acoplados mecnicamente y sus efectos sobre la reduccin lineal de la temperatura. Capacidad para acoplar un eje de potencimetro a un interruptor. Distribucin de la resistencia y linealidad. 3.1.6. TermistoresLos termistores son resistores semiconductores cuya resistencia vara en forma considerable con los cambios de temperatura. Pueden tener un coeficiente de temperatura positivo o negativo y existen en formas de disco, o montura atornillada. Tienen aplicaciones importantes en medicin y control de la temperatura, en retardo cronolgico y en indicadores del nivel de lquidos.3.2. CAPACITORES

Un condensador es un dispositivo almacenador de energa en la forma de un campo elctrico. El capacitor consiste de dos placas, que estn separadas por un material aislante, que puede ser aire u otro material "dielctrico", que no permite que stas (las placas) se toquen. Se parece a la batera que todos conocemos, pero el condensador solamente almacena energa, pues no es capaz de crearla.

Los condensadores se miden en farad (F.), pudiendo encontrarse condensadores que se miden en microfarad (F), picofarad (pF) y nanofarad (nF). A continuacin, en la figura 5 se pueden ver algunas equivalencias de unidades.

1051 (F1000000 pF1000 nF

1040.1 (F100000 pF100 nF

1030.01 (F10000 pF10 nF

1020.001 (F1000 pF1 nF

ver cdigo de valores

Figura 5.- Equivalencias de unidades en un capacitor

Se forma un capacitor cuando se separan dos placas conductoras con un aislador (dielctrico). Si se aplica un voltaje a las placas, se forman lneas de flujo elctrico en el dialctico entre las placas. La cantidad de flujo que se desarrolla es una medida de la capacitancia formada por las placas y el dialctrico.

3.2.1. Aplicaciones de los Condensadores:

Para aplicaciones de descarga rpida, como un flash, en donde el condensador se tiene que descargar a gran velocidad para generar la luz necesaria (algo que hace muy fcilmente cuando se le conecta en paralelo un medio de baja resistencia).Como filtro, un condensador de gran valor (1 000 F 12 000 F) se utiliza para eliminar el "rizado" que se genera en el proceso de conversin de corriente alterna a corriente continua. Para aislar etapas o reas de un circuito: Un condensador se comporta (idealmente) como un corto circuito para la seal alterna y como un circuito abierto para seales de corriente continua, etc. En la figura 6 se puede ver la polarizacin de un condensador.

Nota: Existen condensadores electrolticos de gran valor que en su mayora tienen polaridad, esto quiere decir que su terminal positivo se debe conectar a una parte del circuito donde el voltaje sea mayor que donde se conecta el terminal negativo.

Smbolo condensador(no polarizado)Smbolo condensador electroltico (polarizado)

Figura 5.- Polarizacin de un condensador

Seleccin de capacitoresEn la seleccin de capacitores se incluyen los factores que siguen:- Valor de capacitancia y valores lmites.- Voltaje: de corriente continua (cc), de corriente alterna (ca), pico y de sobrevoltaje (transitorio).- Tamao fsico y requisitos de montaje.- Lmites de temperatura.- Coeficiente de temperatura de la capacitancia.

- Tolerancia y precisin.- Variacin de la capacitancia con el voltaje.- Fugas.- Polarizadas o no.- Factor de calidad (Q).- Efectos parsitos, inductancia en serie, resonancia en serie.- Fijos o variables. En los capacitores variables, l numero mximo permitido de ajuste de variacin- Estabilidad- Efectos ambientales: choques, vibraciones, ciclos de temperatura, humedad, posibilidades de soldadura, resistencia mecnica, altitud, aislamiento, duracin del cdigo de colores- Voltaje mximo de ondulacin- Corriente mxima de ondulacin- Gama de frecuencias.

- Costos.Constante dielctrica relativa

El dielctrico utilizado en los capacitores tiene un efecto considerable sobre el flujo y la capacitancia. La constante dielctrica relativa k compara el flujo en el vaco (k = 1) con el flujo en el material dielctrico. En la tabla 3 se dan valores de constantes dielctricas para algunos materiales utilizados comnmente.

DielctricoK

Vaco

AireTeflnPoliestirenoMylarPapel, parafinaMicaxido de aluminio

xido tantlicoCermica (k baja)Cermica (k alta)11,000622,53457

2510100 10. 000

Tabla 3 .- Valores de constantes dielctricas para algunos materiales

Impedancia de un capacitor

La impedancia de un capacitor no es una reactancia pura, sino que se modifica por la resistencia en serie de sus terminales y las placas, las prdidas en el dielctrico y la resistencia en paralelo, junto con los efectos de fugas. Un modo de manejar esto consiste en combinar todos esos efectos en una resistencia equivalente en serie (ESR), directamente sobre puentes de impedancia, o bien, en forma indirecta, con instrumentos tales como el medidor de Q.Coeficiente de temperaturaLos capacitores y los resistores estn sujetos a variaciones de valor con la temperatura mientras que para un resistor, excepto si se trata de un termistor, la variacin de temperatura no es conveniente, se fabrican algunos capacitores con coeficientes especficos de temperatura y se usan para la compensacin trmica.El coeficiente de temperatura, TC, se expresa como el cambio de capacitancia por grado Celsius de cambio de temperatura. En general se expresa en partes por milln por grado Celsius (ppm/C). Puede ser positivo (P precede al coeficiente), negativo (N) o cero (NPO).

3.2.2. Capacitores variablesHay muchas aplicaciones para capacitores variables, sobre todo en el campo de las comunicaciones. Los capacitores variables se pueden dividir en dos tipos bsicos. En uno de ellos, el capacitor variable se produce de tal modo que se puede ajustar continuamente, como se requiere para la sintonizacin de un receptor de comunicaciones en una banda ancha de frecuencias. Esto se hace con capacitores variables que se pueden acoplar sobre el mismo eje para hacer resonar simultneamente varios circuitos.

Uno de los capacitores tpicos para esa funcin es el variable de aire. Consiste en dos conjuntos de placas de aluminio que se entrelazan uno con el otro. Un conjunto de placas, el estator, est fijo; el otro, el rotor, va sobre un eje montado sobre un cojinete de bolas. Gira y hace variar el rea del capacitor dentro del estator.El segundo tipo es un capacitor parcialmente variable, denominado compensador (trimmer).El nmero de veces que se pueden ajustar los compensadores es limitado. Su funcin es la de poderse ajustar a un valor deseado de capacitancia y, a continuacin, permanecer en ese valor. Se utilizan para la compensacin en los receptores de comunicaciones, la sintonizacin fina de precisin en los receptores de comunicaciones de frecuencias fijas, el ajuste de frecuencias de cristales, la sintonizacin de circuitos resonantes de microondas, la compensacin de microcintas y el ajuste de las caractersticas de los filtros. Los compensadores se hacen con dielctricos de mica, aire, tefln, cermica, cuarzo y vidrio. Para las aplicaciones de frecuencias ultra alta tienen valores muy elevados de Q. Las unidades, los compensadores con dielctricos de aire, vidrio y cuarzo tienen valores muy elevados de Q. Las unidades de mica son del tipo de compresin. Los de cermica giran y hacen variar la capacitancia de un modo similar al de los capacitores variables de aire. En los capacitores con dielctrico de aire, vidrio y cuarzo, se ajusta la posicin de un pistn.

3.2.3. El condensador y la corriente alterna El condensador como la resistencia se opone al flujo de la corriente, pero a diferencia de esta, el valor de esta oposicin se llama reactancia capacitiva (Xc) y se puede calcular con la Ley de Ohm:

Xc = V / I

y con la frmula: Xc = 1 / (2 x Pi x f x C)

Como se puede deducir, y a diferencia del condensador con la corriente continua (ver prrafo anterior), el paso de la corriente alterna por el condensador si sucede. Otra caracterstica del paso de una corriente alterna en un condensador es que el voltaje que aparece en los terminales del condensador est desfasado o corrido 90 hacia atrs con respecto a la corriente.

Qu es estar desfasado?

No es tan difcil, lo que quiere decir es que la sea1 de voltaje se atrasa respecto a la de la corriente (se puede ver en la figura 6), y as el valor mximo del voltaje aparece 90 despus que el valor mximo de la corriente.

Figura 6.- Defasaje corriente - voltaje en el condensador

Qu son condensadores en serie?

De la figura 7 se puede ver si se conectan 4 condensadores en serie, para hallar el condensador equivalente se utiliza la frmula:

1/CT = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + 1/C4Pero fcilmente se puede hacer un clculo para cualquier nmero de condensadores con ayuda de la siguiente frmula1 / CT = 1 / C1 + 1 / C2 + .........+ 1 / CNdonde N es el nmero de condensadores Figura 7 .- Condensadores conectados en serie

Qu son condensadores en paralelo?

De la figura 8 se puede ver si se conectan 4 condensadores en paralelo, para encontrar el condensador equivalente se utiliza la frmula:CT = C1 + C2 + C3 + C4Fcilmente se puede hacer un clculo para cualquier nmero de condensadores con ayuda de la siguiente frmula

CT = C1 + C2 + .........+ CNdonde N es el nmero de condensadores.

Figura 8.- Condensadores conectados en paralelo

Como se observa, para obtener el condensador equivalente de condensadores en paralelo, solo basta con sumarlos3.2.4. Descarga de los condensadores

En la figura 9 se observa:

El interruptor est en B, entonces el voltaje en el condensador Vc empezar a descender desde Vo (voltaje inicial en el condensador). La corriente tendr un valor inicial de Vo / R y disminuir hasta llegar a 0 (cero volt).

Los valores de Vc e I en cualquier momento se pueden obtener con las siguientes frmulas:

Vc = Vo x e-t / T I = -(Vo / R) e-t / TDonde: T = RC es la constante de tiempo

Figura 9.- Descarga del condensador

NOTA: Si el condensador haba sido previamente cargado hasta el valor de E, hay que reemplazar Vo. en las frmulas con E segn figura 10

Figura 10.- Comportamiento del condensador en descarga

3.2.5.- Carga de los Condensadores

Cuando el interruptor se mueve hacia A, la corriente I sube bruscamente (como un cortocircuito) y tiene el valor de I = E / R (como si el condensador no existiera momentneamente en este circuito serie RC), y poco a poco esta corriente va disminuyendo hasta tener un valor de cero (ver la figura 12).

El voltaje en el condensador no vara instantneamente y sube desde 0 V hasta E V (E es el valor de la fuente de corriente directa conectado en serie con R y C, ver figura 11).

El tiempo que se tarda el voltaje en el condensador (Vc) en pasar de 0 V hasta el 63.2 % del voltaje de la fuente est dado por la frmula T = R x C donde R est en ohm y C en milifarad y el resultado estar en milisegundos.

Despus de 5 x T (5 veces T) el voltaje ha subido hasta un 99.3 % de su valor final

Al valor de T se le llama tiempo

Analizando las figuras 11 y 12 se puede ver que estn divididos en una parte transitoria y una parte estable. Los valores de Ic y Vc varan sus valores en la parte transitoria (aproximadamente 5 veces la constante de tiempo T), pero no as en la parte estable.

Figura 11.- Carga de los condensadores

Los valores de Vc e Ic en cualquier momento se pueden obtener con las siguientes frmulas:

Vc = E + (Vo E) x e -t/Vo es el voltaje inicial del condensador (en muchos casos es 0 V).Ic = ( E Vo ) x e-t/ / R

VR = E x e-t/ Donde: T = R x C

Figura 12.- Comportamiento del condensador en carga

3.3. BOBINAS

Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magntico cuando se hacen circular por ellas una corriente elctrica.

Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un ncleo de material ferromagntico o al aire.Su unidad de medida es el henry (H) en el Sistema Internacional pero se suelen emplear los submltiplos.

La bobina es un elemento muy interesante. A diferencia del condensador, la bobina por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energa en forma de campo magntico. Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magntico generado por la corriente, siendo el sentido de flujo del campo magntico el que establece la ley de la mano derecha. Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el campo magntico circula por el centro de la bobina y cierra su camino por su parte exterior.

Una caracterstica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de poder), esta tratar de mantener su condicin anterior.

El valor que tiene una bobina depende de:

El nmero de espiras que tenga la bobina (a ms vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en henry). El dimetro de las espiras (a mayor dimetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en henry). La longitud del cable de que est hecha la bobina.

El tipo de material del que est hecho el ncleo, si es que lo tiene.Existen bobinas de diversos tipos segn su ncleo y segn tipo de arrollamiento, en la figura 13 se muestran algunas de ellas.

Su aplicacin principal es como filtro en un circuito electrnico, denominndose comnmente, choques. 3.3.1. Caractersticas

-Permeabilidad magntica. Es una caracterstica que tiene gran influencia sobre el ncleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los materiales ferromagnticos son muy sensibles a los campos magnticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a los campos magnticos.

BobinaInductanciaBobina con tomas fijas

Bobina con ncleo ferromagnticoBobina con ncleo de ferromagnticoBobina blindada

Bobina electroimnBobina ajustableBobina variable

Figura 13. - Diversos tipos de inductancias

El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnticos se llama permeabilidad magntica.

Cuando este factor es grande el valor de la inductancia tambin lo es.

- Factor de calidad (Q).- Relaciona la inductancia con el valor hmico del hilo de la bobina. La bobina ser buena si la inductancia es mayor que el valor hmico debido al hilo de la misma.

a) Fijas

Con ncleo de aire.- El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas.Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o ms bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie, su aspecto fsico se puede ver en la figura 14. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas.

Figura 14. - Aspecto fsico de bobinas arrolladas

Con ncleo slido.- Poseen valores de inductancia ms altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magntica. El ncleo suele ser de un material ferromagntico. Los ms usados son la ferrita y el ferroxcube, su aspecto se observa en la figura 15. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas, se utilizan ncleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentacin sobre todo).

Las secciones de los ncleos pueden tener forma de EI, M, UI y L.

Bobina de ferritaBobina de ferrita de nido de abejaBobinas de ferrita para SMDBobinas con ncleo toroidal

Figura 15.- Arrollado del ncleo de las bobinas

Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mnimo.

Las bobinas de ncleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magntico cerrado, dotndolas de un gran rendimiento y precisin. Las bobinas de ferrita arrolladas sobre ncleo de ferrita, normalmente cilndricas, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista prctico ya que, permite emplear el conjunto como antena colocndola directamente en el receptor.

Las bobinas grabadas sobre el cobre en un circuito impreso tienen la ventaja de su mnimo coste pero son difcilmente ajustables mediante ncleo, una muestra en la figura 16.

Figura 16.- Bobinas grabadas sobre el cobre en circuitos impresos

b) VariablesTambin se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variacin de inductancia se produce por desplazamiento del ncleo. Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metlica cilndrica o cuadrada, cuya misin es limitar el flujo electromagntico creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma.

c) Identificacin de las bobinas

Las bobinas se pueden identificar mediante un cdigo de colores similar al de las resistencias o mediante serigrafa directa Tabla 4.

Las bobinas que se pueden identificar mediante cdigo de colores presentan un aspecto semejante a las resistencias.

Tabla 4.- Cdigo de colores para las bobinas

Color1 Cifra y 2 CifraMultiplicadorTolerancia

Negro01-

Marrn110-

Rojo2100-

Naranja31000( 3%

Amarillo4--

Verde 5--

Azul6--

Violeta7--

Gris8--

Blanco9--

Oro-0,1( 5%

Plata-0,01( 10%

Ninguno--( 20%

El valor nominal de las bobinas viene marcado en micro henrios (((((3.3.4. Aplicaciones

Una de las aplicaciones ms comunes de las bobinas es la que se encuentra en los autos y forma parte del sistema de ignicin. En los sistemas de iluminacin con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que acompaa al tubo y que comnmente se llama balastro.

En las fuentes de alimentacin tambin se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida

3.4. DIODOS

Es el dispositivo semiconductor ms sencillo y se puede encontrar prcticamente en cualquier circuito electrnico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la ms utilizada) y de germanio. El smbolo elctrico de los diodos se muestra en la figura 17

Constan de dos partes una llamada N y la otra llamada P, separadas por una juntura tambin llamada barrera o unin. Esta barrera o unin es de 0,3 V en el germanio y de 0,6 V aproximadamente en el diodo de silicio.

Figura 17. - Smbolo del diodo ( A nodo, K - ctodo)

3.4.1. Polarizacin del Diodo

Polarizacin directa: Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del nodo al ctodo figura 18. En este caso la corriente atraviesa con mucha facilidad el diodo comportndose ste prcticamente como un corto circuito.

Diodo en polarizacinFigura 18.- Polarizacin de un diodo en directo

Polarizacin inversa: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o se del ctodo al nodo (figura 19). En este caso la corriente no atraviesa el diodo, comportndose ste prcticamente como un circuito abierto. Diodo en polarizacin inverso

Figura 19. - Polarizacin de un diodo en inverso

NOTA: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos), tanto en polarizacin directa como en polarizacin inversa.

3.4.2. Aplicaciones

Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de las ms comunes es el proceso de conversin de corriente alterna a corriente continua . En este caso se utiliza el diodo como rectificador

3.4.3. Diodo Zener

Es un tipo especial de diodo que se diferencia del funcionamiento de los diodos comunes, como el diodo rectificador, en donde se aprovechan sus caractersticas de polarizacin directa y polarizacin inversa, el diodo Zener siempre se utiliza en polarizacin inversa, en donde la corriente desea circular en contra de la flecha que representa el mismo diodo. En la figura 20 se muestra polarizacin y smbolo.

Figura 20.- Smbolo del diodo zener y polarizacin

En este caso analizaremos el diodo Zener, pero no como un elemento ideal, si no como un elemento real y debemos tomar en cuenta que cuando ste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor.Analizando la curva del diodo zener (figura 21) vemos que en el lugar donde se marca como regin operativa, la corriente (Ir, en la lnea vertical inferior) puede variar en un amplio margen, pero el voltaje (Vz) no cambia. Se mantiene aproximadamente en 5,6 V (para un diodo zener de 5,6 V).

Figura 21. - Curva del diodo Zener

Aplicaciones del diodo Zener: La principal aplicacin que se le da al diodo Zener es la de regulador.

Qu hace un regulador con Zener? Un regulador en zener ideal mantiene un voltaje fijo predeterminado, a su salida, sin importar si vara el voltaje en la fuente de alimentacin y sin importar como vare la carga que se desea alimentar con este regulador.

Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo zener), el voltaje de salida no vara conforme vara la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que la tensin de salida disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente.

Para poder saber si una fuente de voltaje es de buena calidad se utiliza la siguiente frmula:Porcentaje de regulacin =

V (sin carga) - V (carga total) / V (carga total) * 100 %

3.4.4. Diodo LED

(Light Emiter Diode - diodo emisor de luz)

El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo comn, pero que al ser atravesado por la corriente emite luz.Existen diodos LED de varios colores y estos dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, mbar, infrarrojo.Debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa. El LED tiene un voltaje de operacin que va de 1,5 V a 2,2 V aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por el va de 10 mA a 20 mA en los diodos de color rojo y de entre 20 mA a 40 mA para los otros LEDs.Tiene enormes ventajas sobre las lmparas indicadoras comunes, como son su bajo consumo de energa, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100 000 horas.3.4.5. AplicacionesSe utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadores de cierta situacin especfica de funcionamiento.Ejemplos:Se utilizan para desplegar contadores

Para indicar la polaridad de una fuente de alimentacin de corriente directa

Para indicar la actividad de una fuente de alimentacin de corriente alterna

3.5. Transistores BJTDispositivo electrnico cuyas siglas provienen de Bipolar Junction Transistor, que significa Transistor de Unin Bipolar. Est hecho habitualmente con silicio (Si) que es un material semiconductor. Uniendo dos tipos de semiconductor (unin PN) se forma el diodo de unin, y uniendo tres capas N-P-N o bien P-N-P se forma el transistor de unin tambin llamado transistor BJT, y que es el ms conocido de los transistores y el que primero se invent.

El parmetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crtico con la temperatura, de modo que esta potencia disminuye a medida que crece el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalacin de un radiador o aleta refrigeradora.

Todos estos valores crticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de caractersticas de los distintos dispositivos.

3.5.1. Zonas de funcionamiento del transistor bipolar :

- ACTIVA DIRECTA: El transistor slo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente), este parmetro lo suele proporcionar el fabricante dando un mximo y un mnimo para una corriente de colector dada (Ic); adems de esto, suele presentar una variacin con la temperatura y la corriente de colector, por lo que en principio se puede conocer su valor.

- SATURACIN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutacin (potencia, circuitos digitales, etc.), y se puede considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor - CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutacin (potencia, circuitos digitales, etc.), y se puede considerar las corrientes que lo atraviesan prcticamente nulas (y en especial Ic).- ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de inters.

Estas regiones de operacin se pueden observar en la figura 22.

Figura 22. - Regiones de operacin de los transistores

El transistor PNP es complemento del NPN de forma que todos los voltajes y corrientes son opuestos a los del transistor NPN.

Para encontrar el circuito PNP complementario:

1. Se sustituye el transistor NPN por un PNP.

2. Se invierten todos los voltajes y corrientes.

3.5.2. Caractersticas de los Transistores:

El consumo de energa es relativamente baja.

El tamao de los transistores es relativamente pequeo.

El peso.

Una vida larga til (muchas horas de servicio).

Puede permanecer mucho tiempo en depsito (almacenamiento).

No necesita tiempo de calentamiento.

Resistencia mecnica elevada.

Los transistores pueden reproducir el fenmeno de la fotosensibilidad (fenmenos sensibles a la luz)

3.5.3. Manejo Instrumental del Transistor como Interruptor

El transistor como interruptor

El uso correcto del transistor como un interruptor depende en muchos casos de que contemos con un mtodo vlido de clculo que se ajuste a las condiciones reales de trabajo. Para introducirlo, facilitar su comprensin y su uso, nos permitimos hacer una somera revisin del funcionamiento del transistor a travs de sus curvas caractersticas tensin-corriente. Las aproximaciones y simplificaciones con que hacemos la exposicin estn orientadas hacia el manejo prctico del transistor como un dispositivo electrnico digital.

El transistor opera en un punto de funcionamiento que corresponde a la interseccin de su curva caracterstica tensin-corriente con la recta de carga que impone la alimentacin Vcc, tal como se muestra en la curva caracterstica generalizada para un transistor NPN (figura 3 (a)). Dicho de otra forma, el punto de operacin del transistor se corresponde con las coordenadas de su caracterstica tensin corriente que satisfacen la ecuacin de la recta de carga.

Vcc = Rc.Ic +Vce

Figura 23.- Transistor NPN

Caracterstica de entrada [Ib=f (Vbe)]Vcb=Vcba

Se observa que indistintamente del valor de Vcb, la caracterstica tensin-corriente de la entrada se corresponde a la de una unin diodo. Cuando la unin se polariza en directo Vb-Ve>0,6 V se establece una corriente de base Ib= (Vb-Vbe)/Rb. La tensin Vbe asume el valor aproximado de 0,6 V. De manera que para que se pueda poder establecer una corriente en el colector, ha de instalarse una corriente en la base para lo cual Vb-Ve >0,6 V. El comportamiento anteriormente descrito permite aprovechar al transistor como detector de corriente, como se ver ms adelante.

Caracterstica de salida: [I c = f (Vce)] ib=ibn

En esta familia de curvas que tienen como parmetro Ib: se distinguen 3 zonas de inters:

a) Lineal: Ic = Ib

Es en la zona lineal donde se verifica el efecto transistor. La corriente de colector Ic es independiente de Vce. La misma es amplificada, pero la energa que se entrega a la carga Rc es suministrada por Vcc. De manera que las variaciones de Ib modulan de manera proporcional a las variaciones de Ic lo que define prcticamente un comportamiento de fuente de corriente, gobernada por corriente.b) Corte

La corriente Ic en ausencia de IB (ICE0) es muy pequea (prcticamente nula Ic 0), para cualquier valor de Vce. Es decir la unin colector-emisor, se comporta como una resistencia de alto valor.

c) Saturacin

En esta zona se verifica Ib >Ic. La corriente de colector se denomina Dic de saturacin es independiente del valor de Ib, como puede verse la unin colector-emisor es resistiva pero con caracterstica de resistencia de bajo valor hnmico.

Ic(sat) = (Vcc-Vce (sat))/Rc. La Vce (sat) vara algo con la temperatura y con la relacin Ic/Ib. Por ello resulta til evaluar el parmetro 1/Rsat que representa el comportamiento del transistor en la zona de saturacin, aunque se desplace Vce (sat).

Los transistores de switcheo de silicio de baja potencia (por ejemplo: 2N2222/2N3904 y equivalentes) muy usados en maniobras de conmutacin en variadas aplicaciones de Instrumentacin y Control Electrnicos; presentan como caracterstica lo siguiente:

Respecto a ICE0 se tiene que aunque Vce est cerca de 20 V se garantiza que esta corriente es inferior a los 25 A. Lo que significa una resistencia OFF mayor a 800 M. En relacin con la zona de saturacin se tiene para IC(sat) = 200 mA, Vc(sat) 0,35 V lo que supone una R(sat) 1,75 . Estos valores que pueden ser sustantivamente mejorados por otras alternativas del mercado suelen ser, entre otros, requisitos de mrito para la escogencia de transistores de conmutacin.

Respecto a la disipacin de potencia, hay que destacar que en condiciones estticas, los estados de corte y saturacin se corresponden con exigencias de mnimo consumo de potencia. No obstante para los casos en que el transistor debe estar sometido a condiciones pulsantes o peridicas, tenemos que de manera transitoria funciona en regiones de alto consumo de potencia, por lo que para escoger el transistor adecuado, se impone evaluar la potencia promedio que demande la aplicacin para comprarla con la especificada por el fabricante. Para ello hay que evaluar los tiempos de bajada de ON a OFF y de subida de OFF a ON, lo que a su vez depende de la capacidad de acumular carga o capacitancias asociadas a las uniones colector base, colector-emisor y base- emisor (explicado ampliamente en diferentes manuales, Transistor Manual de la General Electric 1972).

En el caso que nos ocupa abordaremos los casos de muy baja frecuencia donde (fPmaxICE0.VCE (corte)Ic (sat), cuando el manual no proporcional el min (probable) sugerimos estimarlo como 0,90 tpico.

*VCE (max)

Es el valor mximo de VCE que puede mantener la condicin OFF, en ausencia de corriente de base Ib. En la figura 7 (b) se observa que ese valor se corresponde con Vcc.

*VCB (max)

Es el valor mximo de tensin inversa que soporta la juntura colector-base. Para el caso de saturacin est polarizada en directo. Para el caso de corte es aproximadamente igual Vcc ya que VCE=VCB+VBE.

*VEB

Es el valor mximo en inverso que puede soportar la juntura base emisor, sin avalancha.

*IC (MAX)

Es el valor mximo de corriente que puede soportar la unin colector-emisor sin destruirse.

*PD

Potencia promedio

*Rsat

Cuando el manual no lo proporciona explcitamente, ni tampoco suministre las condiciones de prueba: Vce (sat), Ic (sat). Tendremos el recurso de medirlo, forzando una condicin de saturacin minIb=3Ic(sat). Con ese valor de Vce e Ic medidos tendremos Rsat = Vce(sat)/Ic(sat). No obstante en muchos casos se suele desestimar el valor de R (sat) frente a Rc lo que implica a la prctica una sobreestimacin de la real Ic (sat), ello puede ser beneficioso porque se asegura as la saturacin para condiciones de carga ms exigente que las reales con lo que se independiza una buena conmutacin de la dispersin que puedan tener los valores de los parmetros del transistor de reemplazo de una determinada serie.Consideraciones prcticas

Una manera de saturar al transistor es aumentar la corriente de base Ib, hasta forzar que el punto de funcionamiento se desplace de la zona activa a la zona de saturacin:

En la regin activa si Ic=IB : Vcc=RcIc+VceVce=Vcc-RcIc.

Si Ib Ic Vce si Vce Vce (sat) y Ib>Ic, tenemos entonces que el transistor est saturado con la unin colector-emisor, resistiva.

Cuando se quiere establecer que la activacin de la carga Rc se produzca por una orden VB; sugerimos proceder de la siguiente manera:

*Se estima Ic (sat) para R>> Rsat la aproximacin Ic (sat) Vcc/Rc constituye una mayoracin o sobreestimacin de Ic (sat).*Para forzar la condicin Ib>Ic (sat) recomendamos asumir, minIb = 3Ic (sat)*Calcular con Vbe 0,6 V;

*Elegir uno entre los transistores que satisfagan las exigencias de funcionamiento de acuerdo a la evaluacin que se haga a los parmetros comprometidos en el diseo: Vcemax, Icmax, Pd,, Vcb, etc.

*Los valores prcticos de resistencia deben estar acompaados de la tolerancia y el nivel de potencia que puedan soportar, lo que se establece de acuerdo a las exigencias concretas del montaje.

En este tipo de operacin el transistor hace el papel de relevador, Es una interfaz usual para que sistemas digitales basados en microprocesadores o microcontroladores manejen cargas como leds, display, rel, capacitancias, etc.

4. Parte Prctica

4.1. Ejercicios resueltos

4.1.1. Comprobador acstico de Semiconductores

Con este circuito se pueden ubicar con facilidad cortocircuitos o interrupciones en un circuito lo cual es til para verificar las junturas de los semiconductores. Sin embargo, no nos permitir saber si un transistor o un diodo funcionan salvo que se le retire de la placa de circuito impreso.

Cuando se trata de identificar un corto en un circuito complicado, la funcin del tester es limitada, porque al apoyarse el tester en los puntos necesarios, hay que volver hacia el circuito y otra vez al tester. El probador acstico permite centralizar la atencin en un punto nico, donde apoyamos los dos terminales, porque la presencia de un corto o un transistor quemado o que funciona, se har sentir por medio de un sonido, es decir, si el transistor o diodo funciona se escuchara un sonido corto ; si el empalme est interrumpido, el tester quedara mudo.

De modo tal que al comprobar una pista, si no est interrumpida se escuchar un sonido continuo, si est interrumpida el equipo quedar mudo.

As al habituarse a emplear este mtodo, el tester se usar para hacer mediciones que el comprobador no puede llevar a cabo, como ser las correspondientes a un valor de tensin y de corriente la medida especfica de una resistencia. Dicho de otro modo, el montaje propuesto no es ms que un medidor de continuidad especializado

Diagrama del Circuito (simulacin)

Figura 25.- Comprobador Acstico de Continuidad de Semiconductores

Para la construccin del proyecto se emplea un circuito integrado LM358, para hacer este comprobador que tiene en su interior dos amplificadores operacionales.

El LM358 tiene la ventaja de aceptar una tensin de entrada de 0 V aunque est alimentado con una tensin simple.

En la figura 25 se da el circuito elctrico, se observa que las dos entradas (pines 6 y 5) del primer operacional contenido en el interior del integrado LM358, estn conectadas entre s por medio de las dos resistencias R3-R4, de modo tal que, en las dos entradas debera estar presente la misma tensin dada por el divisor R1-R2, luego, al ser estas resistencias del mismo valor, la tensin equivaldra a la mitad de la tensin de alimentacin.

En el pin inversor (6) hay una tensin mayor a la del otro pin por lo que en la salida (pin 07) habr un nivel lgico 0. Si hubiera que cortocircuitar entre si a ambas entradas A-K, lo que e s igual a un empalme de un transistor en corto; sobre el pin inversor 6 se hallar una tensin equivalente a 0 V, y en el pin 5 la tensin bajar a 0,3 V aproximadamente; tensin que llegar por medio de la resistencia R6, estabilizada en este valor por el diodo.

Debido a la tensin en el pin 05 de valor mayor (0,3 0,35) V a la presente en el pin 6; (0 V) se hallar en la salida una condicin lgica 1 entonces habr una tensin positiva de alrededor de 9 V, alcanzara el pin inversor 2 del segundo operacional conectado como oscilador, lo que har funcionar y generar una nota en una frecuencia de 2 000 Hz, que se emplear para accionar un apequea cpsula piezoelctrica.

As mientras las dos entradas A-K estn cortocircuitadas, el oscilador seguir sonando. La frecuencia podr cambiarse alterando el valor de C5.

Si en vez de cortocircuitar los dos terminales A-K se coloca entre ellos un diodo o bien una unin Emisor-Base o Colector-Base de un transistor, en el terminal A respecto a la tierra (terminal K), tendramos una diferencia de potencial de 0,6 V.

As la de 4,5 V presente en el pin 6, bajar unos 0,6 V (valor de la cada introducido por la unin del semiconductor controlado), mientras que en el pin 5 la tensin quedar por unos segundos, en el valor inicial de 4,1 a 4,3 V, ya que la tensin queda almacenada en el condensador C3, conectado entre el pin y la tierra.

En la salida de este operacional se puede hallar una condicin lgica 1, una tensin positiva que llegar al pin 2 del segundo operacional lo que har que este pueda emitir la nota acstica de 2 000 Hz. Luego C3 por medio de R4, se descargar lentamente y a los pocos segundos, la salida del operacional volver al nivel lgico 0, que bloquear el oscilador y por lo tanto, su cpsula no producir sonido alguno.

Si al probar un diodo o la unin de un transistor, estn en buen estado se escuchar un sonido breve, que confirmar que el semiconductor no est cortocircuitado. Queda claro que invirtiendo las dos entradas A-K en la unin de un transistor comprobado, por ejemplo, conectando el terminal A donde habr que conectar el K y viceversa, no hallaremos sonido, y alcanzar con invertir ambos terminales para volver a la situacin normal de funcionamiento.

Si hay un corto, el sonido ser permanente mientras contine el corto.

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