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    • EnciclopediaV isualde laElectrónicaEl Mundo de la Electrónica Corriente eléctrica CAPITULO 4Audio, TV, Video Computadoras Resistencia eléctrica ASOCIACION DE RESISTORES, ASOCIACION DEMicroprocesadores Conductancia PILAS, POTENCIA ELECTRICA Clasificación de los resistores Asociación de resistores Código de colores para resistores Asociación de pilasCAPITULO 1 Pilas y baterías Potencia eléctricaPRINCIPIOS DE GENERACION DE CONDUCCION DE LA CORRIENTE ELECTRICA Cálculo de potenciaLA ELECTRICIDAD Los conductores y los aislantes Aplicación de la ley de JouleFormas de generar electricidad La electricidad como fluido Potencia y resistenciaElectricidad por fricción o inducción Tipos de conductores CAPACITORESElectricidad por reacción química Campo eléctrico y corriente eléctrica La capacidadComponentes y aplicaciones de las pilas El campo eléctrico Capacitores planos Fabricación de una pila primaria Corriente electrónica y corriente convencional La energía almacenada en un capacitorElectricidad por presión Velocidad de la corriente Los capacitores en la prácticaElectricidad por calor LA REVOLUCION DE LOS MEDIOS OPTICOS Asociación de capacitoresElectricidad por luz Medios de soporte de información Capacitores de papel y aceiteAplicaciones del efecto fotoeléctrico El surgimiento de la tecnología óptica El problema de la aislación Efecto fotoiónico Luz y protuberancias Capacitores de poliéster y policarbonato, de Efecto termoeléctrico Tecnología digital poliestireno, cerámicos, electrolíticos Efecto fotovoltaico Otros sistemas ópticos Capacitores variables y ajustablesElectricidad por magnetismo El disco láser de video Dónde usar los trimmersUN VISTAZO A LA ELECTRONICA DE HOY El CD-ROM - El CD-I Tensión de trabajoEl imperio de los bits El Photo-CD Capacitores variablesVentajas de la tecnología digital Los medios magneto-ópticos Banda de valoresComunicaciones El DVD POR QUE APARECIERON LOS TRANSISTORESAudio y video Comienza la revolución digitalEl DVD CAPITULO 3 En el principio fue la válvula de vacíoLa televisión de alta definición RESISTENCIA ELECTRICA Surge el transistorMétodos de grabación de audio digital La resistencia eléctrica ¿Qué es en realidad un semiconductor?Proceso digital de audio Unidad de resistencia Principio de operación de un transistorProcesamiento de datos La ley de Ohm Transistores contenidos en obleas de silicio Microprocesadores Resistividad Surgen los microprocesadores Capacidad de almacenamiento de datos Circuito eléctrico Familias MOS y MOSFETInternet Otra vez la ley de Ohm Transistores de altas potencias Cálculo de la corriente Futuro del transistor Cálculo de la resistenciaCAPITULO 2 Cálculo de la tensión¿QUE ES LA ELECTRICIDAD Y QUE LA Los resistores en la práctica CAPITULO 5 ELECTRONICA? La ley de Joule MAGNETISMO E INDUCTANCIA MAGNETICAEstructura atómica Unidades de potencia, energía y calor El efecto magnético Atomos: protones, electrones y neutrones Calor específico de los materiales Campo eléctrico y campo magnético Constitución del átomo: protones, electro- DIODOS SEMICONDUCTORES Propiedades magnéticas de la materianes y neutrones Introducción Cálculos con fuerzas magnéticas Iones positivos y negativos Diodos semiconductores, rectificadores, zéner, Dispositivos electromagnéticos Conductores, semiconductores y aislantes de corriente constante, de recuperación en es- Electroimanes y solenoides Flujo de electrones calón, invertidos, túnel, varicap, varistores, Relés y Reed-relés Diferencia de potencial, tensión, fuerza emisores de luz Los galvanómetroselectromotriz Otros tipos de LED Los inductores
    • LOS COMPONENTES DE CORRIENTE ALTERNA miento de la etapa Camino lógicoCorriente continua y corriente alterna EL SURGIMIENTO DE LA TV Conocer la operación de un circuitoRepresentación gráfica de la corriente alterna Qué es la televisión EL LASER Y LOS CONCEPTOS DE LA LUZReactancia El televisor despliega señales eléctricas La luz en la época de las lucesReactancia capacitiva Orígenes de la televisión Los planteamientos de HuygensFase en el circuito capacitivo Se establecen los formatos Los planteamientos de NewtonReactancia inductiva Cómo se convierte la imagen en señales eléctri- Einstein y el efecto fotoeléctricoFase en el circuito inductivo cas Partículas elementales de la materia¿Qué es una señal? La señal de video compuesto Absorción y emisiónTIRISTORES Y OTROS DISPOSITIVOS DE DISPARO Fuentes convencionales de luzLos tiristores CAPITULO 9 Emisión inducida o estimuladaRectificador controlado de silicio INSTRUMENTOS PARA EL TALLER Y MONTAJES DE Estructura básica del láserInterruptor controlado de silicio EQUIPOSFotoSCR El instrumental para reparaciones CAPITULO 12Diodo de cuatro capas Instrumentos para el banco de trabajo TV COLORSUS, TRIAC, DIAC, SBS, SIDAC, UJT Conjunto de instrumentos básicos Cómo transmitir imágenes Probador de semiconductores La transmisión de TV Lista de materiales del conjunto de instrumentos La antena de TVCAPITULO 6 básicos Antenas para varios canalesLAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS Lista de materiales del probador de semicon- a) Antena YagiLa naturaleza de las ondas electromagnéticas ductores b) Antena cónicaPolarización Generador de señales para calibración y prue- c) Antena logarítmica periódicaFrecuencia y longitud de onda bas TV por satéliteEl espectro electromagnético y las ondas de ra- Lista de materiales del generador de señales El cable de bajadadio Instrumentos para equipos de audio El sintonizador de canalesEspectro electromagnético Los galvanómetros La etapa amplificadora de FI de videoEL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR Vúmetro para señales débiles Neutralización y ajustesConfiguraciones circuitales básicas Vúmetro para señales fuertes El control automático de ganancia (CAG)El amplificador base común Indicador de equilibrio Los circuitos de sincronismoEl amplificador emisor común Modo de uso El sincronismo verticalEl amplificador colector común DIODO ZENER El sincronismo horizontalResumen sobre polarización Características de operación Los circuitos de sincronismoRecta estática de carga Ruptura del zéner El oscilador verticalRecta dinámica de carga Curvas características El oscilador horizontalCálculo de los capacitores de paso Resistencia del zéner La deflexión horizontalAcoplamientos interetapas Efectos de la temperatura La deflexión vertical a) Acoplamiento RC Aplicaciones de los diodos zéner Algunos defectos usuales b) Acoplamiento a transformador Características de los diodos zéner comerciales c) Acoplamiento directo Comprobación de los diodos zéner CAPITULO 13FUNDAMENTOS FISICOS DE LA REPRODUCCION LOS MICROFONOS REPARACIONES EN RECEPTORES DE RADIODEL SONIDO ¿Qué es un micrófono? Pequeñas reparacionesPropagación de las vibraciones u ondas Teléfonos y micrófonos 1. Problemas de alimentaciónLa onda de sonido El transductor 2. El defecto “motor de lancha”Características físicas Tipos de micrófonos 3. Fallas y ruidos en el control de volumen Frecuencia o tono Micrófono de carbón 4. Interrupciones en las placas Amplitud Micrófono de capacitor 5. Cambios de componentes Intensidad Micrófono de bobina móvil 6. Problemas del parlante Timbre Micrófono de cristal 7. Problemas de ajusteVelocidad del sonido Características de los micrófonos 8. Los componentesReproducción del sonido Sensibilidad 9. Análisis con el inyector de señalesTipos de reproductores acústicos (parlantes) Direccionalidad 10. Conclusiones Impedancia REPARACION DE EQUIPOS CON CIRCUITOS Inmunidad al ruido INTEGRADOSCAPITULO 7 Cómo procederEL SURGIMIENTO DE LA RADIO CAPITULO 10 Búsqueda de fallasLos experimentos de Faraday PRIMERAS REPARACIONES EN EQUIPOS Cómo usar el inyectorLos planteamientos de Maxwell TRANSISTORIZADOS FIBRAS OPTICASLas ondas de radio y el espectro electromagné- Prueba de transistores con el téster Generalidadestico Análisis de montajes electrónicos Enlace óptico con fibraLa telegrafía sin hilos Lo que puede estar mal Ventajas de las fibras ópticasEstructura simplificada de una válvula diodo Defectos y comprobaciones Física de la luzPrincipio básico de operación de un receptor Mediciones en pequeños amplificadores Construcción de las fibras ópticasde radio Sustitución del componente Tipos de fibrasLas primeras transmisiones Equivalencias Atenuación de la fibraLa evolución de las comunicaciones por ondas MEDICIONES QUE REQUIEREN PRECISION Componentes activosradiales Método de compensación de Dubois-Reymond Diodos emisores de luzEl desarrollo de la radio comercial Método de compensación de Poggendorf Diodo de inyección láserModulación en FM y transmisión en estéreo DISPOSITIVOS ELECTRONICOS DE MEMORIATRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO Dispositivos de memoria CAPITULO 14Los FETs Aplicaciones de los circuitos de memoria INSTRUMENTOS PARA EL SERVICEEl JFET Técnicas de fabricación de las memorias digita- Inyector de señalesEfecto de campo les Fuente de alimentaciónEl MOSFET de empobrecimiento Cómo trabaja una memoria digital Generador de funcionesMOSFET de enriquecimiento Memorias de la familia ROM Generador de barrasProtección de los FETs Memorias ROM Medidor de inductancia Memorias PROM Medidor de capacidadesCAPITULO 8 Memorias EEPROM Probador de CIINSTRUMENTOS PARA CORRIENTE CONTINUA Memorias UV-EPROM Punta de prueba digitalInstrumentos analógicos Memorias de la familia RAM Instrumentos portátiles variosFuncionamiento de algunos instrumentos analó- Memorias SRAMgicos Memorias DRAM CAPITULO 15Empleo como amperímetro Memorias VRAM REGULADORES INTEGRADOS DE LA SERIE 78XXEmpleo como voltímetro Memorias NOVRAM Regulador de tensión patrónOhms por volt en los voltímetros de continua Memorias en equipos de audio y video Regulador fijo con mayor tensión de salidaCausas de errores en las mediciones Memorias en computadoras PC Aumentando la tensión de salida con zénerLas puntas de prueba RAM, Caché, ROM Tensión de salida ajustable con CI regulador fijoPuntas pasivas Memoria Flash Fuente de corriente fijaPuntas activas CMOS-RAM Fuente de corriente ajustableMEDICIONES EN CIRCUITOS TRANSISTORIZADOS Memoria de video Cómo aumentar la corriente de salidaa) apertura de los circuitos de polarización Reguladores 78XX en paralelob) apertura de los elementos del transistor CAPITULO 11 Regulador de tensión fijo de 7Ac) entrada en corto de los elementos del transis- IDENTIFICACION DE COMPONENTES Regulador de 7A con protección contra cortostor Cómo encarar la reparación de equipos elec- Regulador ajustable utilizando CI 7805 y 741d) entrada en corto de elementos de acopla- trónicos Fuente de tensión simétrica utilizando CI 78XX
    • REPARACIONES EN ETAPAS DE SALIDA Definición de computadora El control remoto digitalDE RECEPTORES DE RADIO Antecedentes de las computadoras Propiedades de las emisiones infrarrojasPrimera configuración personales Estructura física de un control remotoSegunda configuración Las computadoras personales en los ‘70 Operación del circuito emisorTercera configuración El surgimiento de la IBM PC El circuito de control de la unidad remotaReparación con multímetro La plataforma PC Operación del circuito receptorCómo medir tensiones en una radio Generaciones de computadoras PC El formato de la señal infrarrojaTEORIA DE FUNCIONAMIENTO DE LOS VIDEOGRA- Elementos de la PC TRATAMIENTO DE LA INFORMACION EN UNABADORES Autotest de funcionamiento COMPUTADORAQué es una videograbadora El primer autotest Cómo suma una computadoraNota histórica El disco de inicialización Cómo se almacena información en los discosLa grabación magnética El proceso de la inicialización Almacenamiento de informaciónGrabación lineal contra grabación helicoidal Conexión de periféricos Almacenamiento de información en discosEl formato VHS Cómo funciona el plug and play Formateo de un discoGrabación de audio Instalación del sistema plug and play La disquetera unidad de disco flexibleGrabación azimuthal Los componentes electrónicos de la PC Funcionamiento de las unidades de discoEl track de control y los servomecanismos Funcionamiento de un transistor La importancia del disco rígidoEl sistema de control Cómo es el transistor La unidades magneto-ópticas y flópticasAlgunas características de las videograbadoras Funcionamiento de una memoria RAM Las unidades de back-up QIC y DATmodernas Cómo se escriben los datos en una RAM Unidades de back-up QICManejo remoto Cómo se leen los datos desde una RAM Unidad de cinta de back-up DAT (cinta de au-Grabación no asistida Cómo funciona un microprocesador dio digital)Sistema de autodiagnóstico El microprocesadorMúltiples velocidades de reproducción Los procesadores RISC y CISC CAPITULO 21Efectos digitales El CISC CODIFICACION DE SEÑALES DE TV Computación por conjunto reducido de ins- Diagrama en bloques del modulador de sonidoCAPITULO 16 trucciones (RISC) Recuperación del audio en el decodificadorLOCALIZACION DE FALLAS EN ETAPAS CON MI- Cómo se comunican los periféricos con la PC CIRCUITO DE CONMUTACIONCROPROCESADORES La barra de direcciones de la PC El transistor unijuntura en la conmutaciónBloques básicos de control para los MP (µP) Placas de expansión de 8 bits Circuitos de aplicaciónFuente de alimentación Placa de 16 bits o placa ISA Comportamiento de las cargas en un semicon-Diagnóstico de fallas en la fuente Placa MCA de 32 bits ductorEl reset Placa EISA de 32 bits Dispositivos efectivos de disparoDiagnóstico de fallas en el reset Placa de bus local VESA (VL-BUS) de 32 bits Rectificador controlado de silicioReloj del µP (MP) Placa de bus local PCI Triac - DiacDiagnóstico de fallas en el reloj Bus local VESA LA SUPERCONDUCTIVIDAD Y SUS APLICACIONESLA TELEVISION DIGITAL (DTV) Bus local PCI Qué se entiende por superconductividad¿Qué es la televisión digital? Características de los superconductoresConversión analógico/digital CAPITULO 19 Aplicaciones de los superconductoresTeorema de muestreo de Nyquist ENSAMBLADO DE COMPUTADORAS Generación de energía eléctricaMuestreo, cuatización y resolución Arquitectura de una PC Mejores dispositivos electrónicosCodificación A/D Periféricos de entrada de datos Transportación terrestreRecomendaciones CCIR-601 Dispositivos de proceso de información AplicacionesCompresión digital Dispositivos de almacenamiento de informaciónReducción de datos Periféricos de salida de datos CAPITULO 22Tipos de compresión Equipo necesario para la reparación MANTENIMIENTO Y REPARACION DETransformación Factores a considerar en la elección de herra- COMPUTADORASTransformación de coseno discreta (DCT) mientas, componentes y programas ¿En qué consiste el servicio a una PC?Cuantización Reparación de máquinas muy básicas emplea- MantenimientoCodificación das en hogares o en empresas pequeñas ReparaciónMétodo de codificación Huffman a) Herramientas y componentes Protección de la informaciónCompresiones de audio b) Discos sistema ActualizaciónNormas internacionales de televisión digital c) Utilerías para el servicio Herramientas y componentes JPEG - MPEG - Perfiles y niveles MANEJO DEL OSCILOSCOPIO Discos con sistema MPEG-1 - MPEG-2 Qué es un osciloscopio Utilitarios para el servicio a PCTransmisión de TV progresiva y entrelazada Principio de funcionamiento del osciloscopio Utilitarios de información del sistemaFormatos múltiples Tipos y marcas de osciloscopios Utilitarios que se incluyen en Windows 95 y Win-Comentarios finales Controles típicos de un osciloscopio dows 98USOS DEL GENERADOR DE BARRAS Conexiones de señal Utilitarios de diagnóstico y ReparaciónDE TV COLOR Mediciones de carácter general Programas integradosUsos en la salida de RF Mediciones en audio y video Programas para mantenimiento y reparaciónUsos en la salida de FI La función delay Reparaciones típicasUsos en la salida de video TEORIA DE CIRCUITOS Mantenimiento correctivo y preventivoUsos en la salidas de sincronismo Principio de sustitución ActualizaciónUsos en el barrido entrelazado y progresivo Teorema de MillmanFunciones y prestaciones del generador Teorema de la máxima transferencia de energía CAPITULO 23 Teorema de la reciprocidad COMUNICACIONES VIA SATELITECAPITULO 17 Métodos de resolución de circuitos Los satélitesMANEJO Y OPERACION DEL FRECUENCIMETRO Planteo de las ecuaciones La TV satelital¿Qué es un frecuencímetro? Método de mallas Elementos necesarios para ver TV satelitalConsejos para la elección de un frecuencímetro Método de los nodos Las antenas parabólicasPrincipio de operación del frecuencímetro Construcción de un sistema para ver TV satelitalAplicaciones del contador de frecuencia CAPITULO 20Mediciones en audio y video CIRCUITOS DE MONTAJE SUPERFICIALREPARACION DE EQUIPOS DE AUDIO Antecedentes de los circuitos impresos CAPITULO 24Medición de tensión en circuitos transistorizados Estructura de un circuito impreso TECNICAS DIGITALES¿Qué efecto causa esa alteración en la calidad Tipos de circuito impreso Lógica digital aplicadadel sonido? Tecnología de montaje superficial Presentación de las principales compuertas¿Qué ocurre si estos componentes presentan Encapsulados y matrículas Lógica positiva y lógica negativaproblemas? Encapsulados para transistores múltiples Compuertas lógicasTensiones en salidas complementarias Transistores de propósito general Relaciones entre las compuertasCircuitos integrados híbridos Introducción Leyes de De MorganTEOREMAS DE RESOLUCION DE CIRCUITOS Diodos de sintonía Ejemplos con compuertasPrincipio de superposición Diodos Schottky Función lógica comparación1) Cálculo por leyes de Kirchhoff Diodos de conmutación Compuertas lógicas comerciales TTL2) Cálculo por el método de superposición Diodos múltiples de conmutación Compuertas lógicas comerciales CMOSTeorema de Thevenin Diodos zéner Diseño de circuitos digitalesTeorema de Norton Herramientas para la soldadura Expresiones canónicas Cómo soldar un componente SMD Qué se puede hacer con las compuertasCAPITULO 18 Procedimiento Diagrama de Veitch y de Karnaugh¿QUE ES UNA COMPUTADORA? EL CONTROL REMOTO Diseño de circuitos lógicosArquitectura de una PC Qué es un control remoto Ejemplos de aplicación
    • Capítulo 1Capítulo 1Principios de Generación de la ElectricidadE l principio físico según el cual rencia entre las acciones magnéti- que hay que liberar los electrones una de las partículas atómicas, ca y eléctrica. de valencia a partir de otra fuente el electrón, presenta una car- En esa época, aún no estaban de energía para producir el flujoga a la que por convención se le totalmente sentadas las bases de eléctrico; sin embargo, no es nece-considera negativa, constituye el la revolución científica de la que sario analizar esta fundamenta-fundamento de una de las fuentes surgiría la física clásica, y que to- ción para entender el tema cen-de energía más importantes de la maría forma definitiva en el siglo tral del presente capítulo.vida moderna: la electricidad. En XVIII, con Isaac Newton, quien es- Las formas en que la electricidadeste capítulo, de nivel básico, se tableció una serie de principios puede ser generada son las si-explican las seis principales formas que darían base al método cientí- guientes: por fricción o inducción,de generación de electricidad: fico. No obstante, a partir de en- por reacción química, por presión,por fricción o inducción, por reac- tonces se produjeron avances im- por calor, por luz y por magnetis-ción química, por presión, por ca- portantes que culminarían en el si- mo.lor, por luz y por magnetismo. Y glo XIX, cuando diversos investiga-también se aprovechan las expli- dores desarrollan toda la base teó-caciones para sugerir algunos ex- rico-práctica para la generación, ELECTRICIDAD POR FRICCIÓNperimentos. aprovechamiento y distribución de O INDUCCIÓN Si bien la electricidad fue cono- la electricidad, y que tendrían co-cida por los antiguos griegos apro- mo punto final el establecimiento Ya mencionamos que la fricciónximadamente en el año 600 AC, de las primeras redes de distribu- entre materiales como forma decuando Tales de Mileto observó ción de fluido eléctrico hacia los producir electricidad, fue descu-que el ámbar adquiere la propie- hogares y la industria (figura 1). bierta desde la antigua Grecia. Pordad de atraer objetos ligeros al ser mera casualidad, Tales de Miletofrotado, el primer estudio científico observó que al frotar en la piel dede los fenómenos “eléctricos” fue FORMAS DE GENERAR los animales una pieza de ámbar,publicado en 1600, por William Gil- ELECTRICIDAD ésta adquiría la propiedad debert, un médico británico que utili- atraer pequeños trozos de virutaszó el término eléctrico (del griego Básicamente, existen seis formas de madera.elektron, que significa “ámbar”) diferentes de generar electricidad, Actualmente, sabemos quepara referirse a la fuerza que ejer- aunque sólo algunas pueden con- cuando dos cuerpos se frotan en-ce esa sustancia al ser frotada, y siderarse fuentes eficaces de ener- tre sí, uno de ellos “cede” electro-quien también estableció la dife- gía. Lo característico en todas es nes al otro. Es decir, mientras de uno de esos cuerpos se despren- den tales partículas subatómicas, Fig. 1 el otro las recibe; como resultado, el primero queda con déficit de electrones y el segundo con exce- so. Cuando un átomo tiene déficit de electrones, la carga total del material es positiva; cuando tiene exceso de electrones, el material adquiere una carga total negativa (figura 2). Para comprobar este fe- nómeno, frote varias veces en su cabeza un globo inflado; notará que éste puede atraer pequeños trozos de papel o mantenerse ad- herido a la pared por tiempo inde- terminado (figura 3). Otro experi- 5
    • Principios de Generación de la Electricidad se le conoce como plo, tenemos las pilas y baterías uti- “electricidad estática”. lizadas en equipos portátiles, ra- Uno de los medios dios, automóviles, etc.; se puede más conocidos para decir que una pila es un medio generar grandes canti- que transforma la energía química dades de electricidad en eléctrica, ya que está formada estática, es la Máquina por un electrolito (que puede ser lí- de Wimshurst (figura 4). quido, sólido o de pasta), un elec- Este aparato consiste trodo positivo y un electrodo nega- en dos discos plásticos tivo. colocados frente a fren- El electrolito, una sustancia quí- te, que giran en senti- mica, reacciona con los electro- Fig. 2 dos opuestos; sobre uno dos, de tal forma que a uno de de ellos se encuentran ellos llegan los electrones liberados varias laminillas con- por la reacción -haciéndose nega- ductoras. tivo-, mientras que el otro, habién- La mutua influencia dolos perdido, adquiere carga po- ejercida, origina un des- sitiva (figura 5). Esta diferencia de plazamiento de cargas. cargas entre los dos electrodos se La carga eléctrica de conoce como “diferencia de po- los discos es recupera- tencial”. Si se conecta un cable da mediante un par de conductor externo que los comuni- electrodos, los cuales se que, la diferencia de potencial ori- colocan de modo que gina un camino por el que los elec- estén en contacto con trones del electrodo negativo pa- Fig. 3 la superficie del disco san al electrodo positivo. Precisa- que tiene las laminillas; mente, al desplazamiento de los cuando la cantidad de electrones a través de un conduc- carga acumulada en la tor se le conoce con el nombre demento consiste en peinarse el ca- superficie de los discos es grande, “corriente eléctrica” (figura 6). Bá-bello seco, estando frente a un es- se llegan a producir arcos eléctri- sicamente, podemos hablar depejo y dentro de un cuarto oscuro; cos entre las terminales externas dos tipos de pilas: primarias y se-luego de pasar varias veces el pei- del dispositivo. cundarias. En el caso de las prima-ne, podremos observar que se pro- rias, la sustancia química utilizadaducen chispas luminosas; esto se se transforma lentamente en sus-debe al efecto de desplaza-mien- ELECTRICIDAD POR tancias diferentes; y es que, a cau-to de cargas. REACCIÓN QUÍMICA sa de la reacción química que li- Conforme a lo que acabamos bera los electrones, el electrolitode explicar, la electricidad se pro- Una de las formas más eficientes no puede transformarse en la sus-duce por el paso de los electrones y ampliamente utilizadas para ge- tancia original que era antes dede un material a otro; es decir, por nerar electricidad, es la de las suceder aquélla (es cuando se di-efecto de la fricción. Por lo tanto, reacciones químicas. Como ejem- ce que “las pilas se han descarga- Fig. 4 Fig. 5 6
    • Capítulo 1 COMPONENTES Y nera aproximadamente 1,34 volts APLICACIONES DE (figura 8). LAS PILAS Por lo que se refiere a la pila se- cundaria o acumulador (que co- Una de las pilas pri- mo ya se dijo puede ser recargada marias más comunes es al invertir la reacción química), ca- la Leclanché o “pila se- be mencionar que fue inventada ca”, inventada en los en 1859 por el físico francés Gaston años 60 por el químico Planté. Está formada por un elec- francés Georges Le- trolito de ácido sulfúrico y agua, clanché. El electrolito con electrodos de plomo y óxido consiste en una pasta de plomo; internamente, está Fig. 6 de cloruro de amonio y constituida por un conjunto de pi- cloruro de zinc. Una lá- las individuales conectadas en se- mina que se emplea rie (figura 9). Las pilas secundarias como el electrodo ne- las encontramos en automóviles, gativo, sirve también aviones y en sistemas de almace- como envase, y está namiento de energía eléctrica de construida con base en fuentes de energía alternativa; zinc; el electrodo positi- ejemplo de estas últimas, son los vo es la combinación paneles solares o los generadores de una barra de carbo- movidos por viento. no con dióxido de man- ganesio, y al momento de combinar los tres FABRICACIÓN DE UNA elementos, se obtienen PILA PRIMARIA Fig. 7 aproximadamente 1,5 volts entre la terminal Para fabricar una pila primaria, central y el envase (fi- se requiere solamente de un limón gura 7). grande, una laminilla de cobre y Otro ejemplo de pila una zinc, ambas de 5 x 1 cm. Lo primaria, es aquella que único que hay que hacer es inser- se utiliza en equipos pe- tar las laminillas, una en cada cara queños (tales como los del limón, procurando que entren relojes de pulso digita- lo más profundamente posible pe- les). En esta pila -con ro sin llegar a tocarse. forma de disco cilíndri- Con ayuda de un voltímetro, se Fig. 8 co-, el electrolito es una puede comprobar fácilmente la solución de hidróxido diferencia de potencial que existe de potasio, el electrodo entre las laminillas. La terminal ne-do”). Las pilas de este tipo tam- positivo se hace con óxido de mer- gativa se forma en el electrodo debién reciben el nombre “voltai- curio y el electrodo negativo con zinc, mientras que la terminal posi-cas”. zinc. La pila de este tipo, conocida tiva en el de cobre; el electrolito Por su parte, las pilas secunda- como “batería de mercurio”, ge- de nuestra pila es precisamente elrias, baterías o acumuladores, tie-nen la característicade que en ellas el elec-trolito sí puede ser re-convertido después deutilizarse en las sustan-cias originales; para lo-grarlo, basta con pasara través de él una co-rriente eléctrica, peroen sentido contrario alde su operación nor-mal (esto es a lo que sellama “recarga de lapila”). Fig. 9 7
    • Principios de Generación de la Electricidad bada en forma de surcos en los discos de acetato negro (fi- gura 12). Además, los mate- riales piezoeléctricos tienden a deformar- se cuando se les aplica un voltaje. Es- te fenómeno es ex- plotado para gene- Fig. 10 rar señales electróni- cas de una frecuen- de donde proceden. cia fija y altamente estable. Sustancias como las sa- les de Rochelle y las ce- rámicas de titanato de ELECTRICIDAD POR CALOR bario, son especialmen- te efectivas para gene- Cuando se aplica energía calorí- rar éste efecto. fica a determinados metales, éstos El punto momentá- aumentan el movimiento cinético neamente abandona- de sus átomos; así, se origina el do por los electrones a desprendimiento de los electronesFig. 11 causa de la aplicación de las órbitas de valencia. Otros de la fuerza, se torna metales, se comportan de manera entonces positivo; por inversa.ácido cítrico que contiene el zumo contra, el extremo más alejado de Supongamos que un metal delde limón. Vea la figura 10. él se hace negativo: surge así entre primer tipo es unido superficial- ambos una diferencia de carga (fi- mente a un metal de comporta- gura 11). miento contrario, y que se les apli- ELECTRICIDAD POR PRESIÓN Los materiales piezoeléctricos se ca calor. Mientras que uno será cortan en formas especiales, de cada vez más positivo conforme Los materiales piezoeléctricos modo que sea posible controlar los se vayan liberando sus electrones,son aquellos que liberan electro- puntos en donde existe la diferen- el otro -que los absorbe- se haránes cuando se les aplica una fuer- cia de potencial. Este efecto se muy negativo al almacenar car-za. Su nombre se deriva del térmi- aprovecha para generar señales gas negativas.no griego Piezo, que significa “pre- electrónicas de audio en los micró- Tras retirar la fuente de calor, lossión”. fonos “de cristal”, los cuales están metales se irán enfriando y enton- Cuando se aplica la fuerza sobre formados por un cristal piezoeléc- ces los electrones “extras” que fue-el material, los electrones son obli- trico sobre el que se coloca una ron de momento alojados por unogados a salir de sus órbitas y se tapa que lo deforma conforme a de los metales, regresarán al de sudesplazan hacia el punto opuesto las variaciones de los sonidos que procedencia. Cuanto más calor sea aquel en que se está ejerciendo logran desplazarla. Años atrás, los aplique a la unión de esos metales,la presión; cuando ésta cesa, los cristales piezoeléctricos se utiliza- mayor será la cantidad de cargaelectrones regresan a los átomos ban para recuperar la música gra- eléctrica que pueda producirse. A Fig. 12 8
    • Capítulo 1 para aumentar la canti- cirse cargas en los extremos de los dad total de corriente y materiales semiconductores, se ori- de voltaje. Este dispositi- gina una diferencia de potencial vo, en su conjunto, es (como en el caso de las pilas). conocido como “ter- c) Efecto de fotoconducción. mopila”. En general, po- Puesto que son liberados los elec- demos decir que las ter- trones de materiales cristalinos mopilas transforman la (que normalmente presentan alta energía calorífica en resistencia eléctrica), aumenta su energía eléctrica. conductividad y disminuye su resis- tencia eléctrica al paso de la luz (figura 14). ELECTRICIDAD POR LUZ Fig. 13 Fue en 1905, cuando el físico ale- El “efecto fotoeléctri- mán Albert Einstein propuso por pri- co” consiste en la libe- mera vez una teoría que explicabaéste fenómeno se le conoce como ración de electrones de un mate- de manera satisfactoria el efecto“termoelectricidad”. rial, cuando la luz incide sobre és- fotoeléctrico. Su teoría señala que A aquellos dispositivos formados te. El potasio, el sodio, el cesio, el la luz está formada por fotones (espor la unión de dos metales y que selenio, el sulfuro de plomo, el ger- decir pequeños paquetes de ener-presentan el efecto de termoelec- manio, el silicio y el cadmio, son al- gía), los cuales chocan contra latricidad, se les denomina “termo- gunos de los materiales que pre- superficie de las sustancias; si tie-par” (figura 13). sentan tal característica. nen suficiente energía, serán ca- El fenómeno de la termoelectri- paces de liberar a los electronescidad puede ser fácilmente com- de valencia del material y, porprobado mediante un sencillo ex- Aplicaciones del efecto consecuencia, provocarán exce-perimento. Haciendo uso de un fotoeléctrico sos y déficit de cargas.alambre de cobre y uno de zinc, El efecto fotovoltaico se explotahay que formar una trenza de Al efecto fotoeléctrico se le pue- para generar electricidad, me-aproximadamente 30 cm de largo; den dar tres distintas aplicaciones diante el uso de celdas solares fo-se deben dejar libres unos 5 cm de en electrónica: tovoltaicas. Para ello, se necesitacada alambre. Enseguida, con montar una gran cantidad de pa-una vela, se calienta el principio a) Fotoionización. La luz aumen- neles solares, donde las celdas vie-de la trenza; finalmente, con un ta la conducción que se realiza del nen de fábrica en grupos dispues-voltímetro se mide la diferencia de cátodo a la placa de una válvula tos en serie/paralelo para generarpotencial en los extremos que se de gas (bulbo), debido a la ioniza- grandes cantidades de voltaje ydejaron libres. En aplicaciones rea- ción (liberación de los electrones corriente.les se unen varios dispositivos ter- de valencia del gas contenido). Actualmente ya existen subesta-mopar, en circuitos serie/paralelo, b) Efecto fotovoltaico. Al produ- ciones piloto, en las que se genera Fig. 14 9
    • Principios de Generación de la Electricidad za magnética de un utiliza para recargar al acumula- imán, los fotones del dor (pila secundaria) del propio campo obligan a los vehículo. electrones de dicho Los generadores de este tipo son conductor a desplazar- ampliamente utilizados en el cam- se; de esta forma, dado po de la electricidad comercial. que en uno de sus extre- Para ello se recurre a diferentes mos se produce un acu- fuerzas que hacen girar a los gene-Fig. 15 mulamiento de electro- radores, entre las que se cuenta al nes y en el otro un défi- vapor de agua, las presas, las cen-electricidad a partir de la energía cit, se obtiene un conductor con trales nucleoeléctricas, etc. Parasolar que llega a la Tierra durante un extremo positivo y otro negati- comprobar esta forma de generarel día. Para su consumo durante la vo. Esto es a lo que se llama “mag- electricidad, habrá que conseguirnoche, parte de esta energía es al- netoelectricidad” (figura 15). un motor pequeño (como los utili-macenada en acumuladores. Con este principio, se construyen zados en los juguetes); una vez ob- Si se toma en cuenta que es muy generadores eléctricos con cien- tenido, se coloca en sus terminalesfácil conseguir celdas solares, no tos de espiras de alambre que ro- de alimentación un voltímetro enhabrá problema alguno para, con dean un núcleo ferromagnético. el rango más bajo; al hacer giraruna de al menos 10 x 10 cm, gene- Todo se monta sobre un eje girato- manualmente el eje del motor, serar potenciales de hasta 1,5 volts - rio, dentro de un campo magnéti- observará que el valor leído por elverificables mediante voltímetro- co intenso. Al girar, las espiras de voltímetro aumenta -lo cual indicaque bien pueden alimentar a mo- alambre cortan cientos de veces la presencia de una diferencia detores pequeños. las líneas de fuerza magnética; potencial- (figura 16). con esto se obliga a los electrones de cada una de las espiras a esta- ELECTRICIDAD POR blecer una acumulación de car- CONCLUSIÓN MAGNETISMO gas, la cual se globaliza para final- mente obtener magnitudes consi- Queda claro, por las explicacio- ¿Ha notado la capacidad que derables de voltaje y de corriente nes anteriores, que la electricidadtienen algunas personas de orien- aprovechables. es un fenómeno físico asociado atarse aun en lugares donde no hay Los generadores eléctricos los cargas eléctricas estáticas o enpuntos de referencia claros? Esta encontramos, por ejemplo, en las movimiento; por lo tanto, es unacapacidad algo que puede expli- bicicletas, con el nombre de “di- manifestación de la estructura ató-carse: existe en la nariz un depósito namos”. Cuando la rueda de la bi- mica de la materia.de un compuesto basado en el cicleta gira, la dinamo también lo El hombre conoció la electrici-hierro, el cual tiene la misma fun- hace y entonces genera suficiente dad por diversos acontecimientosción de una brújula; dicho depósi- electricidad para alimentar a una naturales como los rayos y las pro-to tiene conexiones nerviosas al pequeña lámpara. En los autos, el piedades del ámbar, pero no fuecerebro, de tal manera que la inte- generador eléctrico se llama “al- sino hasta el siglo XIX -cuando yaracción de su campo con el cam- ternador”, debido a que produce estaban bien sentadas las basespo magnético de la Tierra, produ- electricidad alterna en vez de di- de la física clásica- que surgió lace una cierta respuesta o estímulo recta; su estructura es práctica- ciencia de la electricidad y delque el cerebro procesa, permitien- mente igual a la de cualquier ge- magnetismo, que a la postre per-do la orientación del individuo. Esa nerador convencional, ya que gira mitiría la generación, aprovecha-capacidad está casi perdida en gracias al impulso que le suministra miento y distribución de esta fuen-los humanos, pero no en otros or- el propio motor del auto. La ener- te de energía para beneficio de laganismos como el atún, el delfín y gía producida por el alternador se humanidad.otros más, que la utilizan como me-dio de orientación durante sus mi-graciones masivas. El magnetismo es una forma deenergía capaz de atraer metales,gracias al campo de fuerza quegenera. A su vez, el campo mag-nético de un imán está formadopor fotones, pero de una frecuen-cia distinta a la de la luz. Cuandoun alambre conductor cruza per- Fig. 17pendicularmente las líneas de fuer- 10
    • Capítulo 1Un Vistazo a la Electrónica de HoyE s muy probable que ésta sea la lar concibió tantos mitos y leyen- versión analógico/digital y digi- primera vez que lee una publi- das, pues los pueblos sin comuni- tal/analógico, la electrónica de los cación de electrónica, es por caciones son campo fértil para la bits ha invadido de forma exitosaello que haremos un pequeño re- superstición. áreas que se consideraban verda-sumen de lo que está ocurriendo No es el caso de este fin de siglo, deros bastiones de las señales aná-en la actualidad en materia de que se caracteriza por su dimen- logas.“electrónica”. sión a escala del planeta y por sus Ya sea que usted encienda el te- cambios tan profundos y tan rápi- La tecnología digital puedelevisor, escuche un CD, hable por dos. La tecnología, y especialmen- expresar sonidos, imágenes yteléfono, utilice el cajero automáti- te la electrónica, es quizás la mues- datos con sólo dos estadosco, navegue por Internet o consul- tra más perceptible de ese mudar lógicos: ausencia y presenciate una base de datos computari- incesante que llega a producir vér- de voltaje, o unos y ceros.zada, lo más probable es que esté tigo y desconfianza.haciendo uso de alguna tecnolo- ¿Quién, siendo adulto, no ha Esto permite manejar informa-gía digital. Es por ello que haremos sentido alguna vez recelo por los ción con un gran margen de segu-un breve recuento del panorama nuevos sistemas de entretenimien- ridad, pues un 1 y un 0 siempre se-tecnológico que se avizora en el to como los videojuegos y el Tama- rán 1 y 0, mientras que los nivelespresente y en el que, de una u otra gotchi? de voltaje de una señal análogaforma, intervienen sistemas y circui- ¿Quién no se ha impresionado pueden sufrir degradaciones du-tos digitales. por la capacidad de procesa- rante los procesos electrónicos, ser miento de las computadoras? influenciadas por ruidos externos, ¿Quién, especialmente si su área sufrir pequeños errores en el proce- EL IMPERIO DE LOS BITS de trabajo es la electrónica, está so de almacenaje y/o recupera- completamente seguro que no ne- ción, etc. Y aunque las señales di- La tecnología digital no sólo ha cesita adaptarse y asimilar nuevos gitales también son susceptibles depermitido la fabricación de nuevos conocimientos? las mismas alteraciones, es posibleaparatos de consumo que ofrecen Algo es muy cierto de esta épo- aplicar poderosos métodos de de-prestaciones inéditas, tal es el caso ca: el mundo se nos mueve, y mu- tección y corrección de erroresde los televisores con efectos digi- cho. Ese es justamente uno de los que garantizan la fiabilidad de latales, los reproductores de CD, las rasgos de lo que algunos especia- información grabada, transmitida,agendas y traductores de bolsillo e listas llaman “era digital”. procesada o recuperada.incluso las nuevas “mascotas vir- Otras ventajas de la tecnologíatuales”; también ha modificado digital sobre la analógica son las si-nuestra percepción del mundo y VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA DIGITAL guientes: la posibilidad de compri-de nosotros mismos por el surgi- mir los datos de manera muy efi-miento de nuevos sistemas de co- Si bien la tecnología digital no ha ciente; la capacidad de mezclarmunicación, de los que la red Inter- desplazado a la tecnología analó- múltiples señales en un solo canalnet y la televisión por satélite son gica, y no sabemos si llegue a ha- sin que se interfieran entre sí; el usoalgunos ejemplos. E igualmente ha cerlo, sí ha mostrado una mayor de razones variables de datos; etc.propiciado una revolución en eficiencia en cuanto al tratamien- Por supuesto, al igual que todosnuestros sistemas de aprendizaje, to de señales y el almacenamiento los avances que son profunda-laborales, fabriles, de diagnóstico y procesamiento de información, mente innovadores, la tecnologíaclínico y en numerosos campos lo que a su vez ha dado origen a digital es resultado de los desarro-más, gracias a los microprocesa- nuevos sistemas electrónicos y llos en otros campos: la construc-dores. En resumidas cuentas, la hu- nuevas prestaciones de los equi- ción de circuitos integrados de ba-manidad no es la misma ni piensa pos. Y es que un aparato que an- jo costo y muy alta complejidad;igual que hace una generación. tes requería de una enorme y las nuevas técnicas de manejo de Las sociedades antiguas evolu- compleja circuitería analógica pa- datos numéricos, que permitencionaban de manera muy lenta, ra llevar a cabo cierto proceso, operaciones más eficientes y sim-en parte porque no había medios ahora, con los recursos digitales, plifican procesos muy complica-de comunicación ágiles y, por no sólo puede incorporar novedo- dos; la fabricación de poderososconsecuencia, no había mucho sas funciones, sino también ser sim- microprocesadores capaces decontacto entre culturas distintas. plificado en su construcción. Ade- efectuar millones de operacionesNo en vano la imaginación popu- más, gracias a los circuitos de con- por segundo; y, en general, de una 11
    • Principios de Generación de la Electricidadcontinua evolución en el manejo transmitir igualmente voz e ima- de señal incluidos en los satélites,de señales digitales. gen. Por supuesto, la imagen trans- han avanzado a tal grado que un mitida es de muy baja resolución y satélite moderno puede manejar con una frecuencia de refresco de cientos de canales de TV y audio a COMUNICACIONES apenas unos cuantos cuadros por la vez, al tiempo que transfiere segundo, pero se espera que, con- enormes cantidades de datos de- Ya sabemos que las comunica- forme se desarrollen las tecnolo- rivados de los flujos de llamadas te-ciones electrónicas van mucho gías de codificación y de compre- lefónicas.más allá de una simple conexión sión de datos, su calidad mejore. Conforme se desarrolló todo untelefónica. Revisemos algunos sis- Hasta el momento ningún siste- sistema de satélites comerciales,temas que ya se están empleando ma ha sido aceptado por las gran- las grandes compañías televisorasen nuestros días y que posiblemen- des compañías telefónicas como pudieron vender directamente suste se vuelvan elementos cotidianos un estándar, aunque ya está en señales a los usuarios. Fue enton-en un futuro cercano. uso una alternativa muy promete- ces cuando se comenzó a instalar dora: por medio de la red Internet en muchos hogares del mundo las Videoconferencia es posible enlazar dos o más com- tradicionales antenas parabólicas No obstante que ya tiene más putadoras utilizando las líneas tele- que toman la señal que “baja” delde 100 años de haber sido inventa- fónicas tradicionales, y entre sus satélite y la entregan a un receptordo, el teléfono ha mostrado pocos mensajes intercambiados se pue- especial que finalmente recuperacambios significativos en sus princi- de hacer una combinación de au- las emisiones televisivas. La desven-pios básicos de operación (de he- dio y video comprimido, en pe- taja de dicho sistema, es que se re-cho, es posible utilizar un aparato queños “paquetes” que se deco- quiere una antena de grandes di-antiguo en las modernas líneas di- difican en el sistema receptor y se mensiones y un enorme mecanis-gitales). Sin embargo, desde hace presentan al usuario como voz pro- mo que permita cambiar su orien-varios años se ha trabajado en sis- veniente de la tarjeta de sonido e tación hacia tal o cual satélite.temas que permiten además ob- imagen expedida en el monitor. La Ese sistema de recepción de TVservar en una pequeña pantalla al ventaja de esta innovación, es que vía satélite ha quedado obsoletointerlocutor. las computadoras pueden estar gracias a las técnicas digitales, Se han hecho múltiples experi- ubicadas en puntos muy distantes que mediante una poderosa com-mentos en esa dirección, aunque del planeta, pero el costo de la lla- presión de datos hacen posible laun obstáculo muy importante es la mada no es de larga distancia, si- transmisión y codificación de va-inversión necesaria para sustituir los no local, de la misma manera que rios canales en el mismo ancho detradicionales cables de cobre de los demás servicios de Internet. banda dedicado normalmente ala red telefónica, por un tendido un solo canal. De esta manera, esde fibra óptica que permite un an- No está de más recordar otro posible utilizar una pequeña ante-cho de banda muy amplio. Cuan- servicio moderno que constituye na orientada de manera perma-do sólo se maneja una señal de una alternativa de comunicación nente hacia una misma dirección,audio (y ni siquiera de muy alta ca- barata, eficiente e instantánea: el desde donde transmite su señallidad), es suficiente el cableado correo electrónico. Si usted está uno o más satélites geoestaciona-tradicional, pero cuando se re- conectado a Internet sabe a qué rios. A este nuevo sistema se le co-quiere enviar el enorme flujo de nos referimos. noce como DTH-TV (siglas de Di-datos que implica la transmisión de rect-to-Home TV o televisión direc-una imagen en movimiento, la pér- ta al hogar).dida de fidelidad en el trayecto es Televisión vía satélite Internet también ha sido plan-tal que la comunicación se vuelve Seguramente usted ha sido testi- teado como un recurso para laprácticamente imposible. go de la propagación de antenas transmisión de programas televisi- A pesar de esta limitante, a la fe- parabólicas que reciben directa- vos, aunque igualmente se ha to-cha se han realizado algunos ex- mente la señal de un satélite. pado con la barrera del ajustadoperimentos que permiten la trans- En los años 60’s, en plena carrera ancho de banda de las líneas tele-misión de imágenes de baja reso- entre norteamericanos y soviéticos fónicas tradicionales; sin embar-lución, utilizando las mismas líneas por la conquista del espacio, co- go, es posible que con la aparicióntelefónicas y el mismo estándar de menzaron las primeras transmisio- de los llamados Cable Modemscomunicaciones que emplean mi- nes de televisión por satélite. Al (dispositivos que utilizan las líneasllones de teléfonos alrededor del principio, con el lanzamiento del de TV por cable para establecermundo. Compañías tan importan- Early Bird apenas se consiguió un enlaces vía Internet) y el consi-tes como Casio, AT&T, Laboratorios flujo de 240 llamadas telefónicas si- guiente aumento en la velocidadBell, Matsushita y otras más, han multáneas entre Europa y Estados de transferencia de datos, la TVpresentado prototipos funcionales Unidos; sin embargo, de entonces por esta red se convierta en algode sistemas que son capaces de a la fecha los circuitos de manejo cotidiano. 12
    • Capítulo 1 se envía en formato digital y El DVDFig. 1 se despliega en una pantalla Recientemente entró al merca- de cristal líquido mediante do de consumo y de computación caracteres alfanuméricos. un nuevo sistema de almacena- Pero hay todavía un sistema miento de información que segu- de localización personal no ramente va a reemplazar a las cin- muy conocido. tas de video y al CD convencional: ¿Ha observado en algunos nos referimos al formato de audio y camiones repartidores la le- video digital conocido como DVD yenda “Protegido con sistema o disco versátil digital. de localización vía satélite”? Estos discos tienen un aspecto Esta forma de ubicación se muy similar al de un CD común; de basa en un pequeño aparato hecho, su tecnología de fabrica- denominado GPS (Global Po- ción es similar, con la salvedad de sitioning System o Sistema de que pueden almacenar una canti- Posición Global), el cual reci- dad de datos seis veces mayor a la be las señales enviadas por de un disco de audio digital debi- tres o más satélites colocados do a que es menor el tamaño de en órbita estacionaria; mi- los pits de información (figura 1); y diendo de forma muy precisa aun esa capacidad podría llegar a el tiempo que tarda cada se- ser hasta más de 20 veces superior ñal en llegar, es posible deter- a la que alcanza un CD, gracias a Comunicación y minar la ubicación del camión (lo un sistema de grabación por ca- localización personal cual se logra con un margen de pas (figura 2). La telefonía celular es un medio error de pocos metros); para llevar Esto hace que el DVD se convier-de comunicación que apareció a cabo este cálculo, los GPS nece- ta en un medio de almacenamien-hace pocos años y que ha tenido sitan forzosamente de una compu- to ideal para video digitalizado,buena aceptación, y si bien las tadora que mide los retardos de con la ventaja de que proporcio-emisiones son analógicas, su tec- las señales de los satélites, realiza la na mejor calidad de imagen quenología depende en los centros de triangulación de señales y localiza las tradicionales cintas magnéti-control de sistemas digitales muy con exactitud el punto del globo cas, y que además ofrece las ven-complejos. Además, se le han in- terrestre en que se encuentra. tajas del medio óptico: su nulo des-corporado recursos digitales de Este método también ha revolu- gaste y la posibilidad de añadirencriptación de conversaciones cionado los sistemas de orienta- datos de control y de detección ypara evitar que personas ajenas ción en la navegación marítima y corrección de errores en la lectura.puedan interceptar llamadas, así aérea, pues permiten a los capita-como “llaves de seguridad” que nes de barco y a los pilotos consul- La televisión de alta definiciónpermiten precisar si una llamada tar en tiempo real la posición del Aunque ya tiene más de 50efectivamente proviene de un barco o la nave a través de una años, el formato de televisión NTSCcierto teléfono o si algún “pirata” computadora a bordo que recibe sigue rigiendo la transmisión y re-está tratando de utilizar la línea sin las señales del GPS. cepción de señales televisivas enderecho. Una adición más, es elcálculo automático de factura-ción, por medio del cual el usuario AUDIO Y VIDEO Fig. 2puede ir controlando sus consu-mos telefónicos. Esta es una área También han surgido sistemas donde los cambios sonmasivos de radiolocalización, los percibidos muy rápi-llamados beeper, los cuales pue- damente por el públi-den transmitir mensajes sin importar co consumidor y por elel punto de la ciudad donde se especialista electróni-encuentre el usuario. Para ello, las co, y probablementecompañías proveedoras del servi- es la que más influyecio poseen estaciones radiales, en nuestros hábitos deque emiten en todas direcciones el entretenimiento. Ense-mensaje, pero con una clave digi- guida haremos refe-tal única para que sólo pueda ser rencia a algunos dedecodificada por el receptor desti- sus principales avan-natario. Incluso, el mismo mensaje ces. 13
    • Principios de Generación de la Electricidadla mayor parte del mundo. transmitirse utilizando el mismo an- fue el primero que ofreció al públi- Este formato fue diseñado a fina- cho de banda que necesita un ca- co consumidor la posibilidad deles de los años 40´s, y aunque gra- nal de TV común, lo cual es muy grabar audio en formato digital;dualmente se le han añadido cier- conveniente porque amplía la fle- no obstante sus ventajas, no tuvotas innovaciones (como la inclu- xibilidad en el manejo del espectro mucha aceptación, excepto ensión del color o del audio en esté- electromagnético (de por sí ya los estudios de grabación y en lasreo), en un aspecto tan importante cercano al punto de saturación). radiotransmisoras.como la resolución de imagen no Una desventaja de dicho siste- El DCC es también un sistema deha habido mejoras. Dicho formato ma de televisión, es que es incom- cinta, aunque trabaja con base enpuede manejar un máximo de al- patible con los actuales recepto- cabezas múltiples que graban losrededor de 350 líneas horizontales, res PAL o NTSC; es decir, los televi- tracks de manera paralela (figuralo cual queda muy por debajo del sores actuales no podrán captar la 3). Este sistema es una patente demanejo de video en computado- nueva señal, como sí ocurrió con el Philips y tiene la ventaja de que elras personales, donde las imáge- surgimiento de la TV color, y los re- aparato, a pesar de grabar y re-nes son de 600, 700 o más de 1000 ceptores en blanco y negro pudie- producir cintas en formato digital,líneas de resolución horizontal. ron seguir funcionando normal- es compatible con los cassettes de Ya hace más de diez años que mente. audio analógicos, que también esen Europa, Japón y Estados Unidos una patente de Philips de 1963.se han planteado nuevos formatos Con esto se buscó que los consu-de televisión de alta definición in- Métodos de grabación midores tuvieran un incentivo adi-cluso, en Argentina, hace unos de audio digital cional para adquirir este nuevo for-meses hemos asistido a la primera A pesar de que el manejo digital mato, aunque hasta la fecha sustrasmisión en HDTV realizada por el del audio no es novedoso (se po- resultados no son muy exitosos (sucanal 13 de Bs. As. Sin embargo, el pularizó en 1981, con el surgimien- principal punto de venta es Euro-problema de su estandarización es to del disco compacto), hasta ha- pa).que requieren un tipo de televisor ce algunos años no existía un me- Finalmente, el Mini-Disc, otra pa-especial para dichos formatos, y dio que fuera no solamente de lec- tente de Sony, trabaja por medioslos millones de aparatos que ya tura, sino también de escritura. En magnetoópticos, lo que le permiteexisten son incompatibles con los la actualidad existen varias opcio- combinar las ventajas del disconuevos sistemas. No obstante, des- nes a nivel de consumidor para la compacto y la flexibilidad de laspués de años de investigación y grabación de audio digital: el DAT, cintas en cuanto a su capacidaddiscusiones, finalmente en 1997 se el DCC y el Mini-Disc. Cada uno de de grabación (figura 4). Este desa-aprobó en Estados Unidos un nue- estos sistemas funciona con princi- rrollo parece ser el más promete-vo estándar que ofrece una resolu- pios particulares y son incompati- dor de los tres métodos de graba-ción horizontal superior a las mil lí- bles entre sí. ción de audio digital a nivel consu-neas, lo cual permite el despliegue El DAT o cinta de audio digital, es midor, aunque con la próxima ge-de imágenes con calidad equiva- un sistema patentado por Sony neración de DVD’s grabables, eslente a la de una película de 35 que trabaja con base en un tam- posible que no alcance su consoli-mm. bor giratorio similar al de una vi- dación. Para conseguir este impresionan- deograbadora; puede almacenarte incremento en la resolución sin una señal estereofónica de audio Proceso digital de audioque se dispare el ancho de banda muestreada con una precisión de Los fabricantes equipos de au-requerido, se necesita forzosamen- 16 bits y una frecuencia de 48kHz, dio, están incluyendo en sus dise-te del proceso digital de imáge- garantizando una buena captura ños sistemas que ofrecen novedo-nes, las cuales, una vez converti- de toda la gama dinámica audi- sas experiencias auditivas, talesdas en 1’s y 0’s, pasan por comple- ble por el ser humano. Este sistema como la emulación del sonido en-jos métodos decompresión dedatos que per-miten reducir elancho de ban-da de la señal aaproximada-mente una sex-ta parte de sutamaño origi-nal. Esta señal re- Fig. 3ducida puede 14
    • Capítulo 1volvente de una sala de concier- res de quintatos, de un espacio abierto, de un y sexta gene- Fig. 4concierto al aire libre, etc. ración de la Esta reproducción de ambientes plataformasonoros es posible gracias al pro- PC, estánceso digital de señales, que identi- constituidosfican las características fundamen- por más detales de las distintas locaciones co- cinco millo-munes y, por métodos lógicos, los nes de tran-emulan para dar al espectador la sistores queimpresión de estar en un recinto trabajan acompletamente distinto a la sala altísimas ve-de su casa. locidades, al- Estos aparatos incluyen comple- canzandojos procesadores que, a partir de 900MHz deuna señal original, pueden recrear frecuencialos ecos y rebotes de sonido que de reloj. Tan sólo el Pentium III de deojuegos de la consola Nintendoprodu-cen ciertas salas o sitios es- Intel incluye unos 10 millones de 64 incluyen un microprocesador depecíficos, “rodeando” al auditorio transistores y trabaja con velocida- 64 bits de Silicon Gra-phics y pue-con sonidos que le dan la sensa- des que van de 300 a 800MHz, y ya den generar animaciones de mejorción de encontrase en dicha loca- se anunciaron frecuencias todavía calidad que las de obtenidas enlidad. mayores. TRON y ni que hablar de las moder- Otros desarrollos en el campo de nas máquinas de 128 bits. los microprocesadores, es la incor- PROCESAMIENTO DE DATOS poración de grandes magnitudes Capacidad de de memoria caché de rápido ac- almacenamiento de datos No hay rama de la tecnología ceso para la ejecución predictiva Actualmente, una computadoraque avance a un ritmo tan acele- de operaciones, la inclusión de con microprocesador Pentium,rado como la informática, tanto múltiples líneas de ejecución que equipo multimedia, disco duro deen sus aspectos de hardware co- permiten realizar más de una ope- más de un gigabyte, tarjeta demo de software. A tal grado han ración por ciclo de reloj, la amplia- fax-módem, etc. llega a costarevolucionado las computadoras ción de los buses de comunica- menos de mil dólares. En cambio,en los últimos años, que se estima ción que permite la adquisición o hace unos quince años tan sólo unque la potencia de cálculo con- expedición de varios bytes a la vez, disco duro de 10 ó 20 megabytesjunta de todos los ordenadores la inclusión de las unidades de pun- (el 1% de la capacidad típica ac-que controlaron la misión Apolo 11 to flotante en la misma estructura tual), podía costar unos $1.500.que llevó por primera vez al hom- del chip, etc. De hecho, aproxima- Al igual que la mayoría de com-bre a la Luna en 1969, es menos damente cada seis meses los fabri- ponentes de una computadora,poderosa y versátil que una com- cantes de microprocesadores pre- los discos duros han experimenta-putadora moderna. Analicemos sentan alguna innovación que ha- do una caída sensible en sus pre-algunos puntos relevantes de esta ce a sus dispositivos más poderosos cios asociada a crecientes mejo-tecnología. y flexibles. ras tecnológicas; en este caso, ha- Esto ha puesto al alcance de blamos de un extraordinario incre- Microprocesadores cualquier usuario promedio de mento en la capacidad de alma- Desde que se desarrollaron los pri- computadoras, una capacidad de cenamiento, disminución de losmeros circuitos integrados en la dé- procesamiento de datos que hasta tiempos de acceso a los datos ycada de los 60´s, se vislumbró la po- hace pocos años estaba destina- fiabilidad de la información. Ello sesibilidad de condensar en una sola da a grandes empresas o universi- ha conseguido gracias a avancespastilla de silicio todos los elemen- dades. Como un dato interesante, en la tecnologías de fabricacióntos necesarios para efectuar los le diremos que TRON, una película de los platos magnéticos, de lascomplejos cálculos que se llevan a de Disney filmada en la segunda cabezas de lectura/escritura y decabo en una computadora; sin em- mitad de los 70´s, fue una de las pri- los circuitos que codifican y mane-bargo, es posible que los investiga- meras cintas que incorporó anima- jan la información.dores no imaginaran que se po- ciones en computadora con gráfi- Incluso, desde hace algunosdrían incorporar cientos de miles e cos renderizados en tres dimensio- años se viene utilizando la tecnolo-incluso millones de elementos semi- nes. Pues bien, en aquella época gía magnetoóptica como alterna-conductores en un chip de apenas se requirió toda la potencia de una tiva para el almacenamiento dealgunos milímetros cuadrados. computadora Cray de 64 bits para datos (figura 5). Y no hay que olvi- Los modernos microprocesado- realizarlas; en la actualidad, los vi- dar que el CD-ROM (la misma tec- 15
    • Principios de Generación de la Electricidad que interfaces similares a las queFig. 5 se utilizan en los programas multi- media, es decir, pantallas con tex- to, gráficos, sonidos, animación y otros elementos de control que se utilizan en los programas con inter- face gráfica. Y al igual que en un progra-ma multimedia, la pantalla tiene textos e imágenes sensibles que, al colocar el puntero del ra- tón y hacer clic, permiten “saltar”nología del disco compacto de ofrece una serie de servicios que de un punto a otro de la mismaaudio digital, pero aplicada a siste- definitivamente han modificado el página o hacia otra página.mas de cómputo) por muchos concepto de la comunicación. In- La Web es la parte más exitosaaños se mantuvo como el medio ternet es una red mundial de com- de Internet y la que de hecho hapor excelencia para la venta de putadoras conectadas entre sí por popularizado a esta red mundialprogramas multimedia, debido a medio de líneas de rápido acceso, de computadoras, debido a susu alta capacidad de almacena- a través de comunicaciones vía sa- manejo extraordinariamente senci-miento (hasta 640 MB de informa- télite o por simples líneas telefóni- llo. Cualquier persona, aunque noción) y muy bajo costo. cas. Estos son los servicios de Inter- tenga conocimientos de compu- Es más, pruebas de laboratorio net más utilizados, y todos al costo tación, puede “navegar” en laen las que también se combinan de una llamada telefónica local: Web. Además, otra de sus ventajaslas tecnologías óptica y magnéti- es que hay millones de páginas enca, prometen multiplicar por un 1) Correo electrónico. Permite el todo el mundo, puestas por las em-factor de 10 la capacidad de al- intercambio de información escrita presas, por las universidades y pormacenamiento, utilizando básica- (pueden enviarse también imáge- particulares, que brindan accesomente los mismos discos magnéti- nes, gráficos o cualquier otro tipo gratuito a todo tipo de informa-cos; al mismo tiempo, se están ex- de archivo computacional) de for- ción. De hecho, es muy importanteperimentando métodos para gra- ma prácticamente instantánea y a que usted, ya sea estudiante,bar información en cristales foto- cualquier parte del mundo. hobista, técnico en electrónica osensibles e incluso para utilizar me- 2) IRC. Permite entrar a grupos profesional, vaya pensando en ad-morias tipo RAM como principal virtuales de conversación escrita, quirir una computadora (si no lamedio de almacenamiento de da- en los que navegadores de distin- tiene) y conectarse a Internet, si estos, con el consiguiente aumento tas partes del planeta “se reúnen” que aún no lo ha hecho. A travésde la velocidad de acceso. para intercambiar experiencias so- sus páginas en la Web, los fabri- Gracias a estos avances, se cal- bre un tema específico; lo que un cantes de equipos electrónicoscula que hacia principios del próxi- usuario escribe en su computado- brindan mucha información gratui-mo siglo una computadora están- ra los otros lo reciben. A estos servi- ta y sumamente valiosa; además,dar podría contener decenas o cios también se les conoce como se pueden intercambiar experien-cientos de gigabytes de informa- chats. El concepto también ha cias con otros usuarios de diferen-ción en dispositivos de tamaño evolucionado hacia la conversa- tes partes del mundo, etc.muy reducido. ción directa como si fuera una lla- Existen otros servicios disponibles mada telefónica (los llamados In- en Internet, como grupos de discu- Internet ternet-phone) e incluso hacia la sión, listas de correo, transferencia Pocos temas han generado tanta transmisión de la imagen de los in- de archivos de un servidor haciaexpectativa como Internet, aun en- terlocutores. cualquier computadora que lo so-tre el público que raramente traba- 3) La World Wide Web (telaraña licite (FTP), etc., pero sin duda estosja con una computadora; y es que mundial). Es un sistema basado en son los más empleados por el usua-la red mundial de computadoras “páginas “, que no son otra cosa rio típico. ****************
    • TVAUDIOVIDEOCOMPUTADORAS - MICROPROCESADORES
    • EnciclopediaV isualde laElectrónica CONDUCCION DE LAINDICE DEL CORRIENTE ELECTRICACAPITULO 2 Los conductores y los aislantes....................24 La electricidad como fluido.........................24 Tipos de conductores ...................................25¿QUE ES LA ELECTRICIDAD Y QUE LA Campo eléctrico y corriente eléctrica.......27 ELECTRONICA? El campo eléctrico........................................27Estructura atómica ........................................19 Corriente electrónica y corrienteAtomos: protones, electrones y convencional .................................................28 neutrones ....................................................19 Velocidad de la corriente ............................29Constitución del átomo: protones, electrones y neutrones..............................19Iones positivos y negativos ...........................19Conductores, semiconductores LA REVOLUCION DE LOS MEDIOS OPTICOS y aislantes....................................................19 Medios de soporte de información ............29Flujo de electrones ........................................19 El surgimiento de la tecnología óptica ......30Diferencia de potencial, tensión, Luz y protuberancias.....................................30 fuerza electromotriz ...................................20 Tecnología digital ..........................................31Corriente eléctrica ........................................20 Otros sistemas ópticos...................................31Resistencia eléctrica ....................................20 El disco láser de video...............................31Conductancia ...............................................21 El CD-ROM - El CD-I....................................32Clasificación de los resistores.......................21 El Photo-CD.................................................32Código de colores para resistores ..............22 Los medios magneto-ópticos...................32Pilas y baterías................................................23 El DVD ..........................................................32
    • Capítulo 2Capítulo 2¿Qué es la Electricidad yqué es la Electrónica? ESTRUCTURA ATOMICA En el centro del átomo está el Iones positivos y negativos núcleo, que tiene dos clases de Cuando por cualquier circuns- Atomos: protones, partículas: los protones y los neutro- tancia un átomo gana o pierde electrones y neutrones nes; alrededor del núcleo giran los electrones, se dice que dicho áto- La corriente eléctrica es el paso electrones en órbitas electrónicas, mo se ha ionizado.de electrones por un conductor. así como ocurre con los planetas Se denomina ION POSITIVODichos electrones están en todas que giran en torno al sol. cuando el átomo tiene más proto-las cosas pero arraigados a la es- Una característica importantísi- nes que electrones e ION NEGATI-tructura de un átomo constituyen- ma de los protones y neutrones es VO cuando tiene más electroneste de un elemento químico. que tienen carga eléctrica, vale que protones. Como cargas de Para aclarar el tema, digamos decir: tienen una energía intrínse- distinto signo se atraen, cuando es-que todos los cuerpos están forma- ca y natural, puesta de manifiesto tán cerca iones negativos y positi-dos por elementos químicos (el por las fuerzas que pueden ejercer vos, éstos se unen, pero tambiénagua, por ejemplo, está formada sobre otras partículas del mismo ti- puede ocurrir que solamente sepor los elementos químicos hidró- po y que originan fenómenos de desprendan los electrones que tie-geno y oxígeno), y que un átomo atracción y repulsión entre partícu- ne de más el ión negativo y se diri-es la parte más pequeña a la que las cargadas eléctricamente. Se jan hacia el ión positivo para neu-puede ser reducido un elemento ha constatado que dos electrones tralizar su carga.químico. o dos protones se repelen entre sí; Cuando esto ocurre, se dice que es indudable que las dos partículas el paso de los electrones "neutrali- Constituci n del tomo: tienen cargas eléctricas de distinto zadores de carga" constituyen una protones, electrones y signo: se las denominó carga eléc- CORRIENTE ELECTRICA. neutrones trica positiva (+) al protón y, al Si se pudiera dividir el átomo de electrón, carga eléctrica negativa Conductores,un elemento, tendríamos pequeñí- (-). Sin embargo, los neutrones del semiconductores y aislantessimas partículas que son las que núcleo son partículas que tienen Existen materiales que permitendan a los átomos sus particulares igual cantidad de carga positiva el paso de los electrones con ma-características. Debemos saber que de negativa; por lo tanto, tie- yor facilidad que otros. Se denomi-que un átomo de un elemento se ne un efecto neutro por la anula- na conductor de la corriente eléc-diferencia de un átomo de otro ción mutua entre los dos, el neu- trica a todo aquel material queelemento en el número de ciertas trón no ejerce fuerza eléctrica so- ofrece muy poca resistencia al pa-partículas subatómicas que tiene bre un electrón o protón y tiene la so de los electrones (cobre, plata,cada uno de ellos, y éstos son los función de separar los protones oro, platino, etc.) Un aislante de laelectrones. que están en el núcleo. Un átomo corriente eléctrica es todo aquel es eléctricamente neutro material que ofrece una elevada y eso quiere decir que la resistencia al paso de los electro- cantidad de electrones nes. Existen otros materiales que,Fig. 1 es igual al número de según como se los trate, se com- protones; ese número de portan como conductores o como electrones se denomina aislantes. Dicho de otra manera, "NUMERO ATOMICO". Los son materiales sobre los cuales se neutrones tienen inter- puede "regular" el paso de la co- vención en la masa ató- rriente eléctrica; a dichos materia- mica, que está práctica- les se los denomina SEMICONDUC- mente en el núcleo; el TORES. resto es espacio vacío donde los electrones gi- Flujo de electrones ran a grandes velocida- Se denomina corriente eléctrica des (figura 1). al paso de los electrones por un 19
    • ¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? se produzca un movimiento de vos del material y retroceden y electrones y, entonces, una co- vuelven a ser acelerados por la rriente eléctrica (figura 2). fuerza electromotriz. Los choques Algo parecido es lo que sucede son el motivo por el cual el con- en un río, para que ocurra un des- ductor se calienta cuando lleva plazamiento de agua: el terreno corriente eléctrica, ya que cual- tiene que estar en desnivel; de una quier choque entre 2 cuerpos oca- misma forma, si hay una diferencia siona un desprendimiento de ener-Fig. 2 de potencial en electricidad, ésta gía en forma de calor. es comparable a una diferencia La corriente eléctrica por unconductor de la corriente eléctrica de presión entre 2 extremos de una conductor se define como:(o semiconductor). Su unidad es el cañería que lleva agua o cual-ampere (A) y "mide" la cantidad quier fluido, y es producida por "el n mero de electrones libresde electrones que atraviesan a un una bomba. En la atmósfera, el que pasa una secci n cualquieraelemento en una unidad de tiem- viento es similar a una corriente del conductor en un momento es-po. eléctrica, que se produce por una pec fico". Para que pueda establecerse diferencia de presión que existeuna corriente eléctrica tiene que entre una zona ciclónica y otra an- Los electrones llevan una cargaexistir algo que impulse a los elec- ticiclónica. La unidad denomina- eléctrica medida en COULOMB ytrones a circular de un lado a otro. da VOLT, se utiliza para medir la podemos decir que la corriente tensión eléctrica; se abrevia "V". eléctrica es la carga eléctrica Una pila de carbón genera entre transportada por esos electrones Diferencia de potencial, bornes una tensión de 1,5V, un durante el intervalo de tiempo tensi n, fuerza electromotriz acumulador de auto genera una considerado. Si la carga eléctrica Como hemos dicho, para que se tensión de 12V y la que genera la es de 1Cb y el tiempo es de 1s, seestablezca una corriente eléctrica compañía de electricidad es de obtendrá una corriente eléctricadebe existir algo que impulse a los 220V, en Argentina. Muchas veces, de 1A (inicial de AMPERE, por el fí-electrones para que se muevan. en electrónica usaremos tensiones sico francés AMPERE), siendo laPor ejemplo, colocando iones ne- más pequeñas que el VOLT, pero unidad de corriente eléctrica. Engativos de un lado de un conduc- en electricidad industrial es común electrónica, esta unidad de medi-tor e iones negativos del otro, se hablar de KILOVOLT (kV), que equi- ción resulta grande, por tal motivoestablecerá una corriente eléctri- vale a 1.000V. se utilizan los submúltiplos del am-ca que será más grande cuanto pere.mayor sea la "diferencia de cargas 1 volt = 1.000 milivoltentre los iones". 1V = 1.000mV 1mA = 0,001A Se dice que para que exista un 1A = 1.000mA (miliampere)flujo de electrones debemos apli- 1 volt = 1.000.000 microvolt 1µA = 0,000001Acar "energ a al conductor". Cuando 1V =1.000.000µV 1A = 1.000.000µA (microampere)la energía proviene de una fuerza 1µA = 0,001mAdel tipo eléctrico, se la denomina 1 volt = 0,001 kilovolt 1mA = 1.000µA"fuerza electromotriz" porque per- 1V = 0,001kVmite el desplazamiento de electro-nes al desprenderse de los átomos. RESISTENCIA ELECTRICA Esa fuerza electromotriz puede CORRIENTE ELECTRICAoriginarla una batería. Ejemplo: el Definamos la resistencia eléctri-acumulador de un auto, una pila o Un flujo de electrones en movi- ca de un conductor como unaun generador para alimentar una miento —como causa de la apli- propiedad del material que repre-ciudad, como los que usan las cación de una fuerza electromotriz senta la oposición del mismo frentecompañías de electricidad. Estas o fuente de tensión a un conduc- al paso de la corriente eléctrica.fuentes de energía tienen 2 termi- tor eléctrico— es lo que llamamos La oposición se origina como con-nales, o polos negativo y positivo, corriente eléctrica. El flujo está for- secuencia de los choques entre losy se dice que existe una tensión mado por electrones libres que, electrones libres de la corriente yeléctrica o diferencia de poten- antes de aplicarles la tensión, eran los iones positivos del metal. Lacial, que produce la fuerza eléctri- electrones que estaban sujetos por causa de estos choques es el ca-ca ya mencionada. la atracción de los núcleos de los lentamiento del conductor, el que, Consideremos a una tensión o di- átomos que constituyen el con- a su vez, lo transmite al medio am-ferencia de potencial como un ductor. biente."desnivel" que debe existir entre 2 En sus trayectos, los electrones li- La resistencia se mide en OHM,puntos de un conductor para que bres chocan contra los iones positi- llamado así por el físico alemán 20
    • Capítulo 2 Fig. 4 Fig. 3que lo descubrió. La resistenciaeléctrica del material dependeráde tres factores: la longitud, la sec-ción transversal y la resistividad delmaterial. Veamos cómo es la fór-mula matemática: ρxl R = ______ (ver fig. 3) S La resistividad del material (ρ) esun número y su valor nos muestra sies bueno, o no, pequeño o gran-de; o sea, cómo es el material co- simboliza con la letra G y se mide 3) Resistores de alambremo conductor de electricidad, y se en mho (al revés de ohm) o en SIE-mide en Ω x m (fig. 4). Cabe acla- MENS. 1) Resistores de composici nrar que, normalmente, la resistivi- de carb ndad de un metal aumenta con la 1 Estos se fabrican mezclando pol-temperatura. G= ______ = R vo de carbón y un aglomerante CONDUCTANCIA: se denomina hasta darle forma de barrita, paraasí a la inversa de la resistencia, se La unidad es: fijar los terminales. El conjunto se en- mho = SIEMENS capsula con una resina fenólica o CLASIFICACION baquelita para protegerlo de la hu- DE LOS RESISTORES: medad y la temperatura, tiene un Veamos una definición de los re- rango de valores de resistencia en- sistores. Son componentes electró- tre 1 y 22MΩ. En electrónica son los nicos fabricados especialmente resistores más usados por su bajoFig. 6 para que tengan ciertos valores de costo (figura 6). resistencia. En varios casos, los va- lores en ohm de los resistores son 2) Resistores de pel cula met lica muy altos, utilizando múltiplos del Estos se fabrican depositando ohm, como, por ej., el kilo-ohm, una película metálica, que está a igual a 1.000 ohm, que tiene una alta temperatura, sobre un tubito abreviatura k, y el mega-ohm, de vidrio, al que se fijan los termina- igual a 1.000.000 ohm, que tiene les y se los encapsula como dijimos una abreviatura M. Entonces: anteriormente.Fig. 7 Tienen un alto costo y se usan so- 1kΩ = 1000Ω lamente cuando se necesita una 1MΩ = 1000000Ω gran exactitud en el valor de resis- = 1000kΩ tencia; ejemplo: instrumentos elec- trónicos (figura 7). Podemos agru- par a los resistores 3) Resistores de alambre (figura 5) en: Se fabrican arrollando un alam- bre hecho de aleaciones de cro- 1) Resistores de mo, níquel, etc., sobre un cilindro composici n de car- de cerámica. El conjunto se recu- b n brirá de barniz, así se protege el 2) Resistores de pe- alambre de la influencia de la hu- Fig. 5 l cula met lica medad y temperatura. Estos son 21
    • ¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? cu nto puede estar el valor por encima o Tabla 1 por debajo del compo- COLOR DIGITO MULTIPLICADOR nente. NEGRO 0 1 Fig. 8 Es un méto- MARRON 1 10 do práctico ROJO 2 100 del fabrican- NARANJA 3 1000 te para ase- AMARILLO 4 10000 gurar al usua- VERDE 5 100000 rio los límites AZUL 6 1000000 máximos y VIOLETA 7 10000000 mínimos del valor de un GRIS 8 Fig. 9 BLANCO 9 resistor. Comograndes y se utilizan para la con- el proceso de DORADO 0,1ducción de altas corrientes. El ran- fabricación PLATEADO 0,01go de valores de resistencia está no permiteentre 1 y 100kΩ (figura 8). establecer valores precisos con con la potencia. Para mayores po- anterioridad, en los resistores de tencias se utilizan resistores de composición de carbón la con- alambre; los de película metálica CODIGO DE COLORES vención es ésta: pueden disipar hasta 1W. Los resis- PARA RESISTORES tores de composición de carbón COLOR DE LA TOLERANCIA se fabrican con valores nominales Por el código de colores se lee el 4ª BANDA de resistencia ya normalizados y elvalor de resistencia, que está im- número dependerá del valor de lapreso sobre el cuerpo del resistor. DORADO ±5 % tolerancia. Para una tolerancia delCada color representa un dígito PLATEADO ±10 % 20%, las cifras significativas de losdecimal: las 2 primeras bandas de SIN COLOR ± 20 % valores nominales son: 10, 15, 22,colores, que están ubicadas más 33, 47, 68.cercanas de un extremo, represen- La potencia de un resistor no vie- Las cifras significativas para unatan el valor en Ω; la 3ª banda re- ne impresa en el resistor, pero se re- tolerancia del 10% son: 10, 12, 15,presenta el número por el que hay conoce por su tamaño. Esa poten- 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. Pa-que multiplicar el valor anterior pa- cia tiene un significado de la máxi- ra una tolerancia del 5% las cifrasra obtener el valor final de resisten- ma cantidad de calor que puede significativas de los valores nomi-cia; la 4ª banda representa la tole- dar el resistor por el paso de co- nales son: 10, 11, 12, 13, 15, 16, 18,rancia, cuyo valor se explicará más rriente y, si ésta excede, se quema- 20, 22, 24, 27, 30, 33, 36, 39, 43, 47,adelante (figura 9). rá por la alta temperatura obteni- 51, 56, 62, 68, 75, 82, 91. En la figura La correspondencia entre un co- da. Se mide en watt (W). Los resis- 10 se dan ejemplos de valores delor y su valor se muestra en la tabla tores de carbón se fabrican de resistores de composición de car-1. 1/8W; 1/4W; 1/2W; 1W y 2W, y el ta- bón mediante el código de colores. La tolerancia de un resistor es un maño aumenta gradualmente Vea ejemplos de valores de resisto-número expresado en porcentaje,que representa el margen superioro inferior que puede tomar un va-lor nominal (por el código de colo-res) del resistor. Ejemplificando, di-remos que para resistores de car-bón se tienen tolerancias del ±5%,±10% y ± 20%. Si el valor nominal esde 100 y la tolerancia de ±10%, elvalor real estará comprendido en-tre 100 y 90; finalmente, para unatolerancia de ± 20%, el valor realserá entre 120 y 80. Fig. 10 La tolerancia nos indica hasta 22
    • Capítulo 2res en la figura10. Fig. 11 Fig. 12 Digamosque a los resis-tores se lospuede clasifi-car tambiénen variables;éstos están re-presentadospor los poten-ciómetros ylos presets opreajustes (fi-gura 11). La constitución de los potenció- PILAS Y BATERIASmetros se debe a una pista circularde carbón desplazándose por un Los componentescontacto móvil (cursor) solidario a básicos capaces de suministrar una derá de los materiales de los elec-un eje vertical. tensión continua estable a un cir- trodos y del electrolito. Los extremos de la pista de car- cuito electrónico son las pilas, con Por ejemplo, una pila de cinc-car-bón y el cursor tienen una conexión la capacidad de generar una ten- bón tiene una tensión: V = 1,5V.a terminales, es decir, que la resis- sión eléctrica por medios químicos. Si conectamos una lamparita en-tencia entre uno de los terminales y La más común está formada por tre los electrodos, ésta iluminará yael cursor depende de la posición de un electrolito (sal, ácido o base di- que se producirá el pasaje de loséste (figura 12). suelto en agua) y 2 electrodos. Vea- electrones desde A hasta B a través En el primer caso, los potenció- mos cómo se comporta un electro- de ella, y se cerrará el circuito pormetros pueden ser lineales o logarít- lito cualquiera, diluido en agua; ej. medio de la solución electrolítica.micos; la variación de resistencia es el cloruro de sodio (fig. 13). Mientras este fenómeno sucede,proporcional al ángulo girado por La sal es eléctricamente neutra, uno de los electrodos (B) se va con-el cursor, y en el 2º caso la variación pero cuando se disuelve en el agua sumiendo, mientras que el otro sees logarítmica, esto hace que, al se disocia en los iones que la com- va engrosando por la deposicióncomienzo, la resistencia varíe con ponen, es decir, en iones positivos de material sobre su superficie. Larapidez con el ángulo de giro; des- de sodio y en iones negativos de reacción química continuará hastapués la variación será más lenta y cloro. que B se consuma en su totalidad;tendrá un uso común en el control Si sumergimos 2 electrodos consis- en ese momento, la lamparita sede volumen de radios y TV. Llama- tentes en 2 metales diferentes A y B, apagará porque la corriente se de-mos presets a los resistores variables una determinada cantidad de io- tuvo (figura 15).que se ajustan una sola vez, hasta nes negativos será atraída por el En una pila seca, el electrolito eslograr una perfecta posición, y que electrodo A y otra porción de iones una pasta húmeda (pilas comunes)no tienen posibilidad de ser varia- positivos será atraída por el electro- mientras que se denominan húme-dos por los usuarios. do B; entonces, A se carga negati- das cuando el electrolito es un líqui- El tamaño es reducido y tiene un vamente y B, positivamente (figura do (acumulador de plomo utilizadoajuste con un pequeño destornilla- 14). en los autos).dor, que es aplicado a una ranura A la diferencia de carga eléctrica La pila seca más común es la deque tiene el contacto móvil. que existe entre A y B, se la denomi- cinc-carbón y la desarrolló Le Clan- na diferencia de potencial o ten- ché (1869), tiene un bajo costo y es sión de la pila. La tensión V depen- de uso general. Fig. 14 Fig. 15 Fig. 13 23
    • ¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica?Conducción de la Corriente Eléctrica CONDUCTORES Y AISLANTES Fig. 1 El hecho de que algunos cuerpospueden retener la electricidad yque otros permiten que se escape,nos revela que en la naturalezaexisten dos comportamientos de es-te "fluido" representado por las car-gas. De hecho, los dos grupos decuerpos serán estudiados en estalección. Veremos que en un caso setrata de los denominados aislantesy, en el otro, de los conductores. Losdos tipos de material tienen igualimportancia en la electricidadelectrónica modernas y son utiliza-dos en una infinidad de aplicacio- nes en un cuerpo esnes. Conocer las propiedades de posible si tienen una Fig. 2estos materiales es muy importante cierta libertad en elen el estudio de la electrónica. interior del material que lo constituye. La electricidad como fluido Luego veremos de Vimos que podemos sacar con qué modo ocurrecierta facilidad electrones de un ésto.cuerpo (de sus átomos) y llevarlos a Para nosotros, en-otro que quedará con exceso de tonces, es importan-estas partículas. te saber que existen El pasaje de electrones de un tipos de materiales,cuerpo a otro, cuando puede ser en los que las cargasestablecido, tiene mucha impor- no se puede mover,tancia en nuestro estudio, pues es que son denomina- Fig. 3lo que puede llevar energía de un dos aislantes, y ma-punto a otro, así permiten la aplica- teriales en los queción práctica de la electricidad. las cargas se mue- Lo importante para nosotros es ven con facilidad,saber que las cargas eléctricas, que son denomina-constiutidas por los electrones, pue- dos conductores.den no sólo saltar de un cuerpo a Sabemos que exis-otro en forma de chispas, como vi- ten materiales quemos en el caso del rayo, sino tam- pueden ser electri-bién moverse a través de ciertos zados de diferentesmateriales, como en el caso del ca- formas (serie triboe-ble utilizado en el pararrayos o de la léctrica), lo que re-cadena fijada al camión de com- vela que existen áto-bustibles (figura 1). mos que tienen más Mientras tanto, existen también dificultades en per-cuerpos en que la electricidad que- der sus electrones Fig. 4da "atrapada", como en el caso del que otros.peine frotado, en que los electro- Así, para los mate-nes ganados se mantienen en la riales en que los elementos están fir- gar, este lugar quedará libre, puesposición en que son colocados, o la memente unidos a los átomos, exis- aunque el cuerpo posee otros elec-falta de electrones permanece en te mucha dificultad para que ocu- trones disponibles, ésos no puedenel lugar de donde fueron retirados rra un movimento de cargas. ocupar el lugar vacío. Del mismo(figura 2). El movimiento de electro- Si sacamos un electrón de un lu- modo, si agregamos un electrón al 24
    • Capítulo 2Fig. 5 electrones. Pero, a) S lidos cuando hablamos de Los materiales sólidos que condu- un cuerpo cargado cen la electricidad, o sea, en los positivamente, o sea, que las cargas se pueden mover, en que existe una falta son los metales (que son los mejores de electrones, en ver- conductores) y el grafito. dad ¡nada existe que se pueda mover! Po- b) L quidos demos, sin embargo, Determinados líquidos también para ayudarnos en permiten que las cargas eléctricas Fig. 6 nuestro razonamiento, se muevan. Estas cargas, en ver- hablar de "falta de dad, se mueven junto al propio áto- electrones" o lagunas mo que puede "nadar", por así de- (vacantes o vacíos) cirlo, y desplazarse en el medio lí- que se mueven. quido. Estos átomos, que pueden Así, mientras en un tener falta o exceso de electrones y cuerpo cargado ne- que se desplazan en un medio líqui- gativamente los elec- do, son denominados "iones" (ex-material, se quedará en ese lugar, trones se distribuyen en su superfi- presión griega que traducida espues no tiene facilidad para mover- cie, en un cuerpo cargado positiva- "caminante"). Los iones positivos sese (figura 3). mente son las lagunas las que se llaman "cationes" y los negativos Por otro dado, existen materialesdistribuyen en su superficie (figura "aniones" (figura 8).en los que los electrones son libres y 6). Las cargas eléctricas no se mue-pueden moverse con mucha facili- Volviendo al problema de los ma- ven a través del agua, por ser ais-dad en su interior. Esto ocurre, porteriales conductores, vemos que la lante. Sin embargo, si disolvemos enejemplo, en los metales. Si carga- facilidad de movimiento, tanto de esta agua una sustancia como lamos un cuerpo metálico con una los electrones como de las lagunas, sal de cocina, que está forma dacierta cantidad de cargas, agre- es total. por átomos de cloro y sodio (NaCI),gando electrones libres, por ejem- Los electrones pueden saltar de las partículas de sodio y cloro se di-plo, estos electrones se pueden mo- átomo en átomo, mientras que las socian en aniones de cloro(CI-) yver "saltando” de átomo en átomo lagunas son llenadas por átomos cationes de sodio (Na+), figura 9.hasta distribuirse de manera más o adyacentes que saltan libremente Con esto, los aniones y cationesmenos uniforme (figura 4). Si por y provocan su desplazamiento (fi- existentes en solución pueden servirotro lado, sacamos una cierta can- gura 7). Entre los materiales consi- de "medio de transporte" para lastidad de electrones apenas de un derados aislantes, en que los elec- cargas eléctricas y el agua en estaspunto de este cuerpo, los electro- trones tienen grandes dificultades condiciones se vuelve conductora.nes de las cercanías "corren" a lle-para moverse, tenemos: el vidrio, el Muchas sustancias del tipo salnar el vacío formado y forman papel seco, el plástico, la mica, la (cloruro de sodio, bicarbonato de"nuevos vacíos" en otros puntos con porcelana, la cerámica, etc.una distribución también uniforme Entre los materiales consideradosde las cargas positivas (vacíos). Fi- conductores tenemos: los metales, Fig. 8gura 5. el grafito, etc. En este punto el lector debe pres-tar atención a este hecho. Cuandohablamos de un cuerpo cargado TIPOS DE CONDUCTORESnegativamente, las cargas que semueven o que participan del pro- Podemos clasificar los materialesceso, los que se pueden mover, son conductores en tres grupos: Fig. 7 25
    • ¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? Fig. 9 Fig. 10sodio, sulfato de cobre), del tipo A partir de este valor y de otros tación exponencial). Estos electro-ácido (ácido sulfúrico, ácido clorhí- que daremos a continuación, va- nes forman, en el interior del metal,drico, etc.) o bien de tipo base (hi- mos a "jugar" un poco con los cál- una especie de "nube" que se estádróxido de sodio, o sea soda cáus- culos para aprender cosas intere- "agitando" constantemente. Verifi-tica) cuando se disuelven en agua santes sobre la electricidad. camos que los electrones puedentambién se disocian y forman así Como vimos, cada tipo de sus- incluso ver aumentada su cantidaduna solución conductora. tancia simple (elemento) posee un con la elevación de la temperatu- Vea que, en el total, cuando di- átomo con cantidades diferentes ra, fenómeno de gran importanciasolvemos sal en agua, separamos de partículas internas (protones y en electrónica.partículas positivas y negativas, pe- neutrones). Así, en función de esta ¿Qué ocurre si multiplicamos laro en cantidades iguales, lo que cantidad podemos saber exacta- cantidad de electrones libres quequiere decir que el agua que tene- mente cuántos átomos de una cier- tenemos en un trocito de metal pormos mantiene su neutralidad. ta sustancia existen en una canti- la carga de cada electrón? dad cualquiera que tomamos de Evidentemente, obtenemos la c) Gaseosos ella. carga total, en Coulombs, del pe- Los gases, en condiciones norma- Verificamos entonces que, si divi- dacito de metal en cuestión.les, o sea neutros, son excelentes dimos esta cantidad de una sustan- Suponiendo que nuestro trocitoaislantes y no permiten que las car- cia por el "peso" relativo de las par- de metal tenga 10 electrones y quegas eléctricas se muevan con facili- tículas que forman el átomo, obte- la carga de cada uno sea de = 1,60dad. Pero, si por medio de una bue- nemos un número constante. x 10-19 C, tenemos:na cantidad de energía consegui- De este modo 1 gramo de hidró-mos arrancar electrones de los ga- geno tiene la misma cantidad de Q = 1022 x 1,6 x 10-19ses, de modo que pasen a quedar átomos que 16 gramos de oxígeno, Q = 1,60 x 103Cen un estado de electrizamiento que a su vez, tiene la misma canti- Q = 1.600 Coulombdenominado "ionización", entonces dad de átomos que 108 gramos dese convierten en excelentes con- plata y 197 gramos de oro (figura ¿Será mucho o poco, esto?, seductores. 11). preguntará el estudiante. En los gases ionizados ocurren fe- El número de partículas (átomos) A título de curiosidad, si la lámpa-nómenos interesantes, como por es enorme: ra de su cuarto está encendida enejemplo, la emisión de luz, lo que es este momento consume energía a n = 6,02 x 1023aprovechado para la fabricación razón de apenas una carga dede las lámparas fluorescentes (figu-¡Esto significa 6 seguido de 23 ce- 1/Coulomb por segundo.ra 10). El aire, que es aislante en ros! ¡Todos esos átomos en apenas Una carga de 1.600 Coulomb,condiciones normales, se vuelve algunos gramos de material! ciertamente, quemaría esta lámpa-conductor por acción de una des- Suponiendo que en un metal, co- ra y si los electrones no estuvierancarga fuerte como la producida mo el oro, cada átomo pueda con- "equilibrados" en el interior del me-por el rayo, que entonces puede tribuir con un electrón libre, en un tal y pudieran revelar toda su "fuer-atravesarlo con facilidad. trocito de, digamos, 1 gramo, ten- za", bastaría que usted tocara un dremos nada más y nada menos trocido de oro ¡para morir instantá- Un poco de cálculos que 1022 electrones disponibles (10 neamente fulminado! Hasta ahora dimos interesantes seguido de 22 ceros, para los que En verdad, en la práctica, no po-explicaciones sobre cómo funcio- no están familiarizados con la ano- demos manejar sino una parte muynan las cosas en loque se refiere a cargas Fig. 11eléctricas y su movili-dad. El único valor nu-mérico que vimos fuela llamada carga ele-mental, que era: e = 1,60 x 10-19 C 26
    • Capítulo 2 comporta de manera muy quiera, queda sujeta a una fuerza especial. Otros cuerpos tam- que está siempre orientada en el bién poseedores de cargas sentido de coincidir o ser tangente eléctricas, colocados en las (tocar la línea de fuerza del campo proximidades de aquéllos, en el lugar considerado), figura 14. quedarán sujetos a la acción Las propiedades principales que de fuerzas. poseen las líneas de fuerza son: Si las cargas de los cuerpos próximos fueran de signos * Siempre salen de los cuerpos po- opuestos, la fuerza será de sitivos y llegan a los negativos. atracción, mientras que si las * Nunca se cruzan.Fig. 12 cargas fueran del mismo sig- * Est n m s concentradas donde no, la fuerza será de repul- el campo es m s fuerte. Fig. 13 sión, como ilustra la figura 12. Podemos decir que el espa- La intensidad del campo eléctri- cio en torno de un cuerpo co en un determinado punto del cargado queda lleno de al- espacio, a una cierta distancia de go invisible, algo que corres- la carga que lo produce, puede ser ponde a la acción de natura- calculada. leza eléctrica sobre los cuer- Este cálculo tiene gran importan- pos que también están car- cia en los estudios de electroestáti- gados. ca y en consecuencia para la elec- El espacio en torno de un trónica. cuerpo cargado goza de Teniendo como base la ilustración propiedades especiales que de la figura 15, la fórmula que nos pueden explicarse por la pre- permite calcular la intensidad delpequña de los electrones que están sencia de una entidad llamada campo eléctrico en el punto P dellibres en el metal, para agregar o "campo eléctrico", normalmente re- espacio es:quitar algunos. De ningún modo po- presentada por la letra E. 1 Qdemos contar con todos en los pro- El campo eléctrico no es algo físi- E = _____ . ___cesos eléctricos. co, en el sentido que podamos ver- 4πε0 d2 lo, pero sí una entidad física que describe un estado alrededor de un Donde: E es la intensidad del CAMPO ELECTRICO Y cuerpo cargado. campo medida en N/C (Newtons CORRIENTE ELECTRICA Para representar este estado usa- por Coulomb) mos entonces líneas imaginarias, 1/4πε0 es la constante que vale 9 ¿Qué hace que las cargas eléctri- denominadas líneas de campo. El x 109 N. m2/C2cas se muevan en un cuerpo? conjunto de estas líneas imaginarias Q es la carga que provoca el¿Qué estado especial existe en tor- alrededor de un cuerpo cargado campo en Coulombno de un cuerpo cargado, para representan su campo eléctrico. d es la distancia de la carga alque su influencia se haga sentir a Por una convención, las líneas se punto P.distancia? ¿Qué ocurre cuando orientan saliendo de los cuerpos car- Como vimos, una carga eléctricauna gran cantidad de cargas eléc- gados positivamente y entrando en colocada en un punto del espacio,tricas se mueve en un material con- los cuerpos cargados negativamen- sujeta a la acción de un campo, esductor? te, como muestra la figura 13. En el forzada a moverse. Todo esto será el tema de esta primer caso, tenemos la representa- La fuerza que aparece en el casolección. ción del campo de una carga posi- Veremos de qué modo la "influen- tiva (a); en el segundo, el campo de Fig. 14cia" de las cargas en un cuerpo se una carga negativa (b) y, en el ter-"propaga" por el espacio y provoca cero, el campo provocado por dosel movimiento de cargas incluso a cargas de signos opuestos próximos,la distancia y de qué modo un flujo lo que se llama "dipolo".de cargas forma una corriente, un Vea que las líneas se diluyenmovimiento muy especial para las cuando están más lejos de las car-aplicaciones prácticas. gas, lo que indica el debilitamiento del campo. El campo el ctrico Una carga eléctrica (un electrón, Un cuerpo cargado de electrici- por ejemplo) colocado en el cam-dad, ya sea positiva o negativa, se po eléctrico de una carga cual- 27
    • ¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? Fig. 15 Fig. 17 Fig. 16 dirigirse al cuerpo cargado positiva- Corriente electr nica mente (figura 16). y corriente convencional Si hubiera un medio conductor en- Observe un hecho interesante: co- tre los dos cuerpos que permita el mo las únicas cargas que se pueden movimiento de estas cargas, los mover, en realidad, son los electro- electrones podrán desplazarse con nes, las corrientes eléctricas fluyen cierto orden, pasando de un cuerpo desde los cuerpos negativos hacia hacia el otro. Los electrones saltarán los cuerpos positivos (figura 20). Esta Fig. 18 de átomo en átomo, así formarán corriente se denomina corriente un flujo de cargas. electrónica, pero no siempre es con- Decimos que el movimiento orde- siderada en el estudio de la electrici- nado de cargas eléctricas que ocu- dad. De hecho, sabemos que los nú- rre en este caso se denomina "co- meros negativos son menores que rriente el ctrica" (figura 17). los positivos, lo que vuelve muy ex- En el caso específico que toma- traño decir que el agua fluye de un Fig. 19 mos de ejemplo, en que el conduc- lugar de menos presión (negativo) tor es el metal, el movimiento real es hacia uno de mayor presión (positi- de cargas negativas (electrones), vo), cuando en realidad ocurre todo pero puede ser de otro tipo de partí- lo contrario. Si las cargas que se culas, como por ejemplo, los iones, mueven fueran las positivas, las co- en los casos de los gases y solucio- sas podrían ser explicadas del mismo Fig. 20 nes. modo y no tendríamos este proble- Está claro que sólo los protones no ma. pueden moverse en realida, por es- Pero, si no podemos ver los elec- tar presos en los núcleos de los áto- trones o cargas de ninguna especie, mos. ¿qué nos impide "imaginar" el fenó-puede ser calculada por la expre- Por otro lado, los electrones que se meno como si ocurriera en sentidosión: mueven de un cuerpo hacia otro, "contrario"? no lo hacen todos instantánemente. De hecho, cuando una carga ne- F=QxE Existe un límite para la cantidad y gativa sale de un cuerpo (electrón) la velocidad con que ocurre el pa- y va a neutralizar otra positiva en un donde: F es la fuerza en Newtons, saje. La cantidad y la velocidad son cuerpo cargado de este modo, el Q es el valor de la carga que es establecidas por la intensidad del efecto final es cero, lo mismo que sicolocada en el punto P en Cou- campo y, naturalmente, por la ca- consideráramos una carga positivalombs y pacidad que el conductor tenga de que sale del que está cargado de d es la distancia en metros hasta la permitir que las cargas se muevan. Si este modo y va hacia el otro (figuracarga que produce el campo. consideramos un intervalo de tiem- 21). po en que no hay alteración per- En verdad, el efecto de considerar ceptible en la carga total de las es- que los electrones saltan hacia la es- LA CORRIENTE ELECTRICA feras, vemos que el flujo de cargas fera de la derecha, como muestra la en el conductor se mantiene cons- figura 22, corresponde exactamente Si tuviéramos dos cuerpos carga- tante.dos con cargas de signos opuestos, Podemos entonces hablar de unael campo eléctrico que existe en tor- intensidad para este flujo, que va ano de ellos es tal que procurará mo- corresponder a la intensidad de laver las cargas de uno hacia el otro corriente eléctrica (figura 18).en el sentido de establecer su neu- La intensidad de una corriente co-tralidad. rresponde entonces a la cantidad Los electrones tenderán a salir del total de carga que pasa en cadacuerpo cargado negativamente y segundo por un conductor. Fig. 21 28
    • Capítulo 2a la formación de "vacíos" o "aguje- Fig. 23ros" que se desplazan hacia la iz-quierda, que a su vez correspondenjustamente al movimiento "contrario"de cargas positivas. Todo esto signi-fica que podemos perfectamenterepresentar corrientes eléctricas quesalen de cuerpos positivos (polos po-sitivos) y van hacia cuerpos negati-vos, sin que esto esté equivocado.En verdad, es común hacer este tipode represenación. En este caso, de-cimos que estamos representandola corriente convencional y no la co- cidad es instantáneo, mientras querriente real o electrónica. la velocidad de las cargas en sí no lo es. Velocidad de la corriente Analicemos el fenómeno: Cuando Usted acciona el interruptor de la usted acciona el interruptor el esta-luz y ¡zas!, la luz se enciende instan- blecimiento del campo eléctrico Fig. 22táneamente. Por más largo que sea (acción) en el conductor se propa-el cable, no conseguirá notar retraso ga con una velocidad muy grande,alguno entre los dos momentos: el del orden de los 300.000 km por se- rresponde a la circulación de la co-accionamiento del interruptor y el gundo... `o sea la velocidad de la luz! rriente (figura 23). Pero la velocidadencendido de la lámpara son simul- Esta acción hace que prácticamen- media de los electrones en este mo-táneos. te todos los electrones que tienen vimiento es muy pequeña compara- En verdad, lo que ocurre es que el movilidad pasen a saltar de átomo da con la velocidad con que sefenómeno de la acción de la electri- en átomo en la dirección que co- establece la corriente.La Revolución de los Medios OpticosE l surgimiento del disco compacto las barreras del tiempo y, por conse- pergaminos; la imprenta para el es- de audio digital, desencadenó cuencia, incrementar el bagaje in- tampado en papel; los campos una revolución en los medios de telectual de los pueblos. La primera magnéticos para la grabación enalmacenamiento de información, forma material que se supone se cinta y discos; surcos grabados enconsiderada ésta en sentido amplio empleó en la antigüe-dad, fue la la superficie de discos de acetato y(datos, texto, audio, imágenes, vi- tableta de arcilla, en la cual se protuberancias microscópicas so-deo), pues permitió grabar enormes grababan incisiones que represen- bre la superficie de un disco de po-cantidades de datos en un disco de taban letras o números (la escritura licarbonato, para ser leídos median-apenas doce centímetros de diáme- cuneiforme de los antiguos babilo- te un rayo láser.tro. El CD musical y todos los formatos nios); luego vino el rollo o tira conti- El surgimiento de los medios ópti-que se derivaron de dicha tecnolo- nua de papiro (el antecesor del pa- cos, constituyó una transformacióngía, tienen una base física común: el pel) usado por los antiguos egipcios; rotunda de los métodos de almace-registro y lectura de información por más tarde el códice o cuaderno de namiento de información, puesmedios ópticos. En este artículo, revi- pergamino, que con los siglos evolu- permitió grabar enormes cantida-saremos los principios en que se apo- cionó hasta el concepto de hojas des de datos en un disco de ape-ya esa tecnología y haremos un re- de papel agrupadas para formar nas doce centímetros de diámetro.cuento de los principales formatos un volumen (libro); y, finalmente, en El primer dispositivo óptico fue el vi-que se han derivado del CD musical. nuestro siglo, el disco de acetato, la deodisco láser, aunque el medio cinta magnética, el disco magnéti- que desencadenó la revolución de co y los discos ópticos. los sistemas ópticos fue el disco MEDIOS DE SOPORTE DE INFORMACION Esta amplia variedad de medios compacto de audio digital, capaz de almacenamiento, ha implicado de almacenar hasta 74 minutos de Los medios de registro de informa- una diversidad de recursos y disposi- audio; de ahí se derivaron múlti-plesción, constituyeron una base funda- tivos para conservar la información: formatos y variantes, siendo el másmental en el desarrollo de las civili- incisiones (bajorrelieve) en las tabli- importante el disco compacto parazaciones, pues permitieron aumen- llas babilónicas; tintas y plumas de computadora o CD-ROM (Com-tar la memoria colectiva, remontar ave para la escritura sobre papiros y pact Disc-Read Only Memory), el 29
    • ¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? Sin embargo, tal vez por tratarse Los ingenieros de Sony habían de- Fig. 1 en ese tiempo de una tecnología sarrollado a fines de los 70 un proce- muy avanzada para las condiciones dimiento muy efectivo para la gra- de la industria en el mundo, o por re- bación de audio análogo en forma sultar muy costosa con relación a las digital a través de una codificación videocintas, Philips no obtuvo el éxi- PCM (Pulse Code Modulation). Inclu- to esperado con el videodisco en sive, algunos de sus mo-delos de vi- esos años. deograbadoras Beta, llegaron a in- Mas este gran avance sentó las cluir circuitos que permitían la adi- bases del disco compacto digital. Al ción de un módulo especial para elcual permitió almacenar hasta 640 respecto, conviene precisar que en manejo del audio estéreo Hi-Fi digi-megabytes de información. el videodisco láser la información no tal. Finalmente, de la unión de tec- La ventaja principal del CD-ROM, se graba digitalmente, sino de ma- nologías de estas dos grandes em-fue que permitió a las compañías fa- nera analógica. presas mundiales, surgió en 1982 elbricantes de software, desarrollar Por otra parte, hacia fines de los disco compacto de audio digital.programas de computadora de una 70, las técnicas digitales habían al- Rápidamente, este novedoso siste-clase llamada “multimedia interacti- canzado un grado de maduración ma atrajo la atención de otros fabri-va”, en la cual se combinan texto, que los hacía susceptibles de apli- cantes de equipos, pues el CD ofre-imágenes, sonido, animacio-nes y vi- carse en electrónica de consumo, ció indudables ventajas sobre los tra-deo, brindando además al usuario la en buena medida estimuladas por dicionales medios de almacena-posibilidad de interactuar de forma los avances en la producción de cir- miento de audio: el disco negro dedinámica con esa información hete- cuitos de gran escala de integra- acetato y la cinta en casete.rogénea. Y es que el CD-ROM ofre- ción.ció por primera vez un soporte ligero Este panorama, aunado a las ven- Luz y protuberanciasy barato para la grabación digital tajas de las técnicas digitales sobre En un disco de acetato la informa-de enormes cantidades de datos, las analógicas, llevó a Philips a con- ción se graba mediante pequeñosjustamente como las que requiere la siderar el desarrollo de un disco láser surcos en forma de espiral; es en lasmultimedia interactiva. para grabación de audio basado paredes de dicho surco donde se Todos los formatos ópticos que se en procedimientos numéricos. graba el audio analógico que pos-derivaron del CD musical, así como El inconveniente fundamental que teriormente es recuperado por unalos desarrollos conceptuales y tec- enfrentaba Philips para desarrollar aguja de zafiro o de diamante (figu-nológicos que propició el CD-ROM, un medio de almacenamiento con ra 1). La aguja, al recorrer el surco,mantienen una base física común: el estas características, era el proceso vibra según las ondulaciones graba-almacenamiento y lectura de infor- de conversión de la señal analógica das en las paredes del mismo ymación por medios ópticos. en un formato digital y su posterior transmite la información de audio En este artículo, revisaremos los reconversión a la expre-sión análo- analógico hacia una pastilla mag-principios de grabación y lectura de ga. Por entonces ya existían desa- nética, donde se obtiene la señaldatos por procedimientos ópticos y rrollos comerciales de circuitos con- eléctrica respectiva, misma que esharemos un recuento de los princi- vertidores de análogo a digital (A/D) filtrada y amplificada para su poste-pales formatos que se han derivado y de digital a análogo (D/A), pero rior salida por los altavoces.del CD musical. como Philips había dedicado mu- cho tiempo a la investigación y de- ¿Cuál es el principio de almace- El surgimiento de la sarrollo de la tecnología para el al- namiento y lectura de información tecnolog a ptica macenamiento y recuperación de en los sistemas ópticos? En este ca- A finales de la década de los 70, la datos en formato óptico, no dispo- so, no existe aguja ni contacto físicocompañía Philips había desarrollado nía de un desarrollo propio para la entre el medio recuperador y el me-un método para grabar información conversión A/D/A de señales de au- dio de almacenamiento, como tam-en surcos microscópicos y recu- dio. poco existe un surco con pare-desperarla mediante un rayo láser. La Conscientes de que desarrollar un grabadas.aplicación que los ingenieros de es- método propio para resolver está En los discos ópticos, para alma-ta compañía le dieron a tan nove- cuestión técnica podría tomarles va- cenar los datos, se utiliza un track odoso sistema fue en el “disco láser rios años, los directivos de Philips de- pista de información constituida porde video”, cuyo lanzamiento al mer- cidieron establecer alianzas estraté- minúsculas elevaciones de longitudcado se dio en 1980, con la inten- gicas con otras compañías que ya variable, a las cuales se les llama pitsción de ofrecer una alternativa via- disponían de esa tecnología. Con- (en inglés pit significa hueco, pero seble a los formatos de videocinta Be- cretamente, llegaron a un acuerdo emplea este término porque en elta y VHS, que por entonces inaugu- con la firma japonesa Sony, para el disco matriz, que es como el negati-raban una era en el terreno del vi- lanzamiento común del nuevo disco vo del CD, la información va codifi-deo doméstico. compacto de audio digital. cada en microscópicos huecos o 30
    • Capítulo 2 De anal gico a digital 0 (ceros). Estos pulsos en serie se gra- En la tecnología del ban en la superficie del disco maes- Fig. 2 disco óptico, excep- tro en forma de pits de tamaño mi- tuando la información croscópico; y esto se hace con un de video de los discos rayo láser muy fino. láser, las señales analógi- En la mayoría de las grabaciones, cas son convertidas en cada valor analógico muestreado señales digitales. Duran- (44,100 por segundo) es convertido te este proceso, la señal en una línea de 16 bits en vez de los analógica de audio y/o tres que se acaban de ejemplificar; video es dividida en va- de esta manera, se obtiene un total rias partes y convertida de más de 1 millón de bits por segun-depresiones). El pit es la célula o en una serie de valores llamada do. Un número de 16 bits de 1 (unos)unidad básica de información en muestreo . En cada muestreo se ex- y 0 (ceros) puede expresar un máxi-los discos ópticos digitales. Las di- plora una forma de onda que repre- mo de 65.536 diferentes valores; omensiones de estos pits son sorpren- senta una señal de audio o de video, sea, que dos posibles valores paraden-tes: tienen un ancho de sólo y esta exploración se lleva a cabo en cada bit = 216 = 65.536 posibilidades.0,5 micras (una micra = una milési- intervalos iguales. La fuerza y la pola-ma de milímetro); su altura es de ridad de la señal analógica originaltan sólo 0,11 micras, y su longitud en estos intervalos, pueden expresar- OTROS SISTEMAS OPTICOSpuede variar desde 0,83 hasta 3,5 se con números decimales (1, 2, 3,micras (figura 2). A su vez, la sepa- etc.); así, tanto la magnitud como la Como ya mencionamos principio,ración entre tracks adyacentes es polaridad de dicha señal ( + ó - ) esta tecnología tan poderosa no só-de tan sólo 1,6 micras. quedan indicadas de punto a punto. lo se aprovecha en los discos digita- Estas dimensiones probablemen- Vea la figura 4. les de audio, sino que también sete no tengan para usted un signifi- La frecuencia y el número de bits aplica en otros formatos. A conti-cado en primera instancia; sin em- con que se mide la magnitud de la nuación se describen algunos de losbargo, para brindarle una pers- señal en una forma de onda, deter- formatos derivados del disco com-pectiva más apropiada, en la figu- minan la exactitud del registro de la pacto de audio digital.ra 3 se muestra una comparación forma de onda original; por consi-de los tracks de un CD musical con guiente, el número de bits debe ser El disco l ser de videoun surco de un disco de acetato y tal que estos pasos deben ser muy Si bien el disco láser de video escon el grueso de un cabello huma- pequeños; y por lo que se refiere a la anterior al disco compacto de au-no. frecuencia, ésta debe ser lo suficien- dio, ya que fue presentado por Phi- temente elevada para garantizar la lips en 1980, dos años antes que el Tecnolog a digital correcta captura de todo el ancho primer CD de audio llegara al mer- La tecnología digital tiene nota- de banda de la señal original. Un cado, como tuvo una acogida muybles ventajas en comparación con conversor A/D transforma los valores pobre por parte de la industria,los medios de almacenamiento de decimales en una notación binaria: prácticamente fue archivado entreaudio y video analógicos, como el bits. Los bits sólo consisten en 1 los múltiples formatos que compitie-disco de acetato y la cinta de video (unos) y 0 (ceros), y mediante la ron por la supremacía en el mundomagnética. combinación de éstos se pueden del video casero. Con las técnicas analógicas, cual- expresar los números de- Fig. 3quier imperfección durante las eta- cimales en forma de no-pas de registro, almacenamiento o tación binaria.reproducción de la grabación afec- Estos son ejemplos de no-ta la calidad de la señal de audio tación binaria en tres bits:y/o video. Por ejemplo, un disco sucio provo- Decimal Binariaca ruido. 1 001 Estas imperfecciones no ocurren 2 010en el almacenamiento digital, don-de gracias a la naturaleza binaria de La señal analógica selos datos almacenados, cualquier convierte entonces enfuente de ruido externo se elimina una señal digital querápida y eficientemente, permitien- ahora consiste en unado la recuperación de una señal serie de pulsos: pulsosque es virtualmente idéntica a la ori- para los 1 (unos) y au-ginal. sencia de pulsos para los 31
    • ¿Qué es la Electricidad y qué es la Electrónica? El CD-ROM para conectarlos al televi- Ya mencionamos que los CD-ROM sor, utilizando el disco co-son físicamente idénticos y de la mis- mo lbum de fotos ; sinma tecnología que un disco com- embargo, en la actualidadpacto de audio digital. Justamente prácticamente toda estapor esas propiedades, es un medio tecnología se ha desplaza- Fig. 4que puede almacenar hasta 640 do al mundo de las com-megabytes de información, una putadoras personales. ción más elevadas, es posible redu-cantidad extraordinaria en un redu- cir aun más el tamaño de los pits ycido espacio, comparada con un Los medios magneto- pticos del espacio entre pistas de informa-disco duro promedio. Una situación especial la tenemos ción; esto permite una mayor densi- Precisamente por esa capacidad en un desarrollo relativamente re- dad de información y, por lo tanto,de almacenamiento, los CD-ROM’s ciente, el cual permite la utilización un incremento significativo en lase utilizan sobre todo en aplicacio- de tecnología óptica combinada cantidad de datos que se puedennes de multimedia interactiva, don- con fenómenos magnéticos: los me- grabar en un solo disco de 12 cm, dede los gráficos y el audio consumen dios de almacenamiento magneto- hecho, las dimensiones físicas exter-grandes cantidades de espacio; ópticos para grabar y leer informa- nas de ambos formatos son las mis-aunque cada vez se les emplea con ción digital. mas.mayor frecuencia en la distribución Empleando un rayo láser que ca- Un DVD puede contener hasta 4,7de programas diversos, librerías de lienta la superficie de un material gigabytes, y gracias al desarrollo deprogramas, etc. metálico al tiempo que se le aplica novedosos métodos de escritura por un campo magnético, se puede al- capas, esta capacidad puede au- El CD-I macenar información digital, con la mentar hasta casi 18 gigabytes de El Disco Compacto Interactivo ventaja de que la densidad de al- información en un solo disco de 12(CD-I) fue un desarrollo de Philips macenaje es extraordinariamente cm.que trató de competir con el CD- elevada; por ejemplo, en un disco Esa enorme capacidad de alma-ROM, ya que su utilidad era prácti- de 3,5 pulgadas, se pueden grabar cenamiento podría parecer exage-camente la misma; esto es, en un desde 100 hasta varios cientos de rada para el usuario de computado-CD-I también podían grabarse tex- megabytes. ras; sin embargo, resulta ideal paratos, imágenes, animaciones, soni- Muchas compañías están compi- la distribución de películas digitaliza-dos, etc. Su ventaja inicial era que tiendo para conseguir que su forma- das, por lo que se calcula que enpara aprovechar un CD-ROM se ne- to de discos magneto-ópticos sea el pocos años el DVD se convertirá encesitaba una computadora perso- reemplazo de los tradicionales dis- el medio de venta de películas másnal poderosa, mientras que para uti- quetes de 1,44MB; el más usual, aun- popular, por encima de las cintaslizar los CD-I tan sólo se requería un que ya en vías de la obsolescencia VHS, ofreciendo además la ventajaaparato lector que se conectaba al técnica. Ejemplos de discos magne- de una calidad de imagen y sonidotelevisor. to-ópticos son el MiniDisc de Sony, superiores a las de las cintas analógi- las unidades IOmega, etc. cas. Disco compacto para fotograf a Sin duda, los medios ópticos (Photo-CD) El DVD constituyen una alternativa impor- Este es un desarrollo que hizo Ko- El próximo paso en la evolución de tante en el futuro inmediato, paradak a finales de los 80, como una los medios de almacenamiento ópti- el registro de cantidades extraordi-opción para almacenar un gran nú- cos es, sin duda alguna, el DVD, si- narias de información. No obstan-mero de fotografías en un CD idénti- glas de Disco Versátil Digital. Este dis- te, los medios magnéticos tambiénco al de audio en dimensiones y tec- co se fabrica con la misma tecnolo- se encuentran en gran efervescen-nología, pero cuyo formato interno gía de un CD de audio normal, pero cia; incluso, la vertiente donde seestaba especialmente dedicado al llevado un paso adelante: gracias a combinan las tecnologías óptica ymanejo de imágenes. la utilización de nuevas tecnologías magnética resulta cada vez más Durante algún tiempo se vendie- de fabricación de diodos láser y al atractiva para los usuarios de com-ron lectores especiales de Photo-CD empleo de frecuencias de opera- putadoras. *****************
    • TVAUDIOVIDEOCOMPUTADORAS ES UNA EDICION ESPECIAL DE SABER EDICION ARGENTINA Resistencia ELECTRONICA EléctricaDiodosSemiconductores MICROPROCESADORES
    • EnciclopediaV isualde laElectrónicaINDICE DEL DIODOS SEMICONDUCTORES Introducción ...................................................44CAPITULO 3 Diodos semiconductores ..............................45 Diodo rectificador .......................................46 Diodo zéner....................................................47RESISTENCIA ELECTRICA Diodo de corriente constante .....................47La resistencia eléctrica .................................35 Diodo de recuperación en escalón, .........47Unidad de resistencia ...................................35 Diodo invertido .............................................47La ley de Ohm ...............................................36 Diodo túnel.....................................................47Resistividad .....................................................37 Diodo varicap ................................................48Circuito eléctrico ...........................................38 Diodo varistor .................................................48Otra vez la ley de Ohm ................................39 Diodo emisor de luz.......................................48Cálculo de la corriente ................................40Cálculo de la resistencia ..............................40Cálculo de la tensión....................................41Los resistores en la práctica .........................41La ley de Joule...............................................42Unidades de potencia,energía y calor...............................................43Calor específico de los materiales..............44
    • Capítulo 3Capítulo 3Resistencia Eléctrica LA RESISTENCIA EL CTRICA na Resistencia El c- Fig. 1 trica. La cantidad de agua que sale de Podemos definir laun caño, como se muestra en la figu- resistencia eléctricara 1, depende de la altura del tan- como:que (comparable a la "presión" otensión) y del espesor del caño. La "Una oposici n alanalogía eléctrica de este fenóme- pasaje de la corrien-no se estudiará enseguida. te." Pensando en la analogía con undepósito de agua, vemos que el flu- La resistencia eléc-jo por el caño depende en gran par- trica de un conduc-te del espesor del mismo. En un caño tor depende de di-más grueso el agua encuentra me- versos factores, co-nor "resistencia" y puede fluir con mo la naturaleza delmás facilidad. El resultado es un flujo material de que estámucho más intenso y por consiguien- hecho el conductorte una cantidad mayor de agua. y del formato (longitud, espesor,con la electricidad ocurre lo mismo. etc.). Si tenemos una fuente cualquierade energía eléctrica capaz de pro-porcionar cargas en cantidades limi- Unidad de resistenciatadas, que a la vez hace de tanque, Si conectamos un conductor a unla unión con un cable conductor en- generador (pila) u otra fuente detre los polos de la fuente hace que la energía que establezca una tensióncorriente pueda fluir y eso nos lleva a de 1V y verificamos que es un reco-un comportamiento semejante al rrido por una corriente de 1A (1 am-del tanque de agua (figura 2). pere) de intensidad, podemos deci- Fig. 2 La intensidad de la corriente que dir entonces que el conductor pre-va a fluir, es decir, el número de "am- senta una resistencia de 1 ohm (Ω).peres" no depende sólo de la tensión El ohm, abreviado Ω, es la unidadde la fuente sino también de las ca- de resistencia. La letra griega ome-racterísticas del conductor. Estudia- ga mayúscula se utiliza para la abre-mos que los materiales se comportan viatura (figura 4).de modo diferente en relación a la Podemos, como en el caso de latransmisión de cargas. No existen corriente y la tensión, usar múltiplos yconductores perfectos. Y además, el submúltiplos del ohm para represen-cable conductor puede ser fino o tar resistencias grandes y chicas. Es Del mismo modo, si tuviéramos unagrueso, largo o corto. más común el uso de múltiplos. resistencia de 1.500.000 ohm pode- Si el cable fuera fino y largo, de Es así que si tuviéramos una resis- mos escribir 1M5 ó 1,5MΩ donde Mmaterial mal conductor de la electri- tencia de 2.200 ohms, podemos, en significa "Mega" o millones de ohm.cidad, el flujo será muy pequeño. La lugar de ese número, escribir 2k2 ó Vea en este caso que también lacorriente encontrará una gran "re- 2,2k, donde ksistencia" u "oposici n" a su circula- significa "kilo" Fig. 3ción. Si el cable fuera de un buen o 1.000 ohm.material conductor, corto y grueso, Vea que po-la oposición al pasaje de corriente demos usarloserá mínima y la corriente intensa (fi- al final delgura 3). número o en El efecto general de un cable o lugar de lade un cuerpo cualquiera que es re- coma deci-corrido por una corriente se denomi- mal. 35
    • Resistencia EléctricaFig. 4 correspondientes sión (V) por la corriente (I). (En las fór- para este conduc- mulas representamos las tensiones tor determinado y por E o V y las corrientes por I). Pode- formar una tabla: mos establecer la importante fórmu- la que expresa la Ley de Ohm: Tensi n Corriente (V) ...................(A) V R = ____ (1) 0 .........................0 I 1 ......................0,2 2 ......................0,4 Para calcular la resistencia de un 3 ......................0,6 conductor (o de otro elemento cual- 4 ......................0,8 quiera) basta dividir la tensión entre 5 ......................1,0 sus extremos por la corriente que cir- 6 ......................1,2 cula en el elemento. De la fórmula 7 ......................1,4 obtenemos otras dos: 8 ......................1,6 9 ......................1,8 V=RxI (2) 10 ...................2,0 I = V/R(3)Fig. 5 Analizando la ta- La primera nos permite calcular la bla sacamos dos "ca da de tensi n en un cable" o concluisones impor- cuántos volt cae la tensión a lo largo tantes: de un conductor en función de su re- sistencia. 1) Dividiendo la La segunda nos da la corriente, tensión por cual- cuando conocemos la tensión y la quier valor de la co- resistencia de un conductor. rriente obtenemos siempre el mismo 2) Graficando los valores de las número: tensiones y corrientes de un conduc- tor obtenemos la representación si-letra M puede usarse al final del nú- 1/0,2 = 5 guiente (figura 6).mero o en lugar de la coma deci- 5/1,0 = 5 Unidos los puntos obtenemos unamal. 8/1,6 = 5 recta inclinada. Esta recta es la "cur- va características de una resisten- El "5", valor constante, es justamen- cia". LA LEY DE OHM te la resistencia. Si se tienen dos conductores con La resistencia depende, por lo tan- otras resistencias, podemos hacer los Una de las leyes más importantes to, de la tensión y de la corriente y gráficos y obtener "curvas" con incli-de la electricidad es la Ley de Ohm. puede calcularse dividiendo la ten- naciones diferentes (figura 7). Para enunciarla, conectemos a lafuente de energía eléctrica que es-tablezca tensiones diferentes, un ca- Fig. 6ble conductor que presente ciertaresistencia y midamos las corrientescorrespondientes, comprobaremosque se dan determinadas situacio-nes que permitirán verificar esta im-portante ley (figura 5). Lo que hacemos entonces es apli-car al conductor diferentes tensionesy anotar las corrientes correspon-dientes. Si tenemos una tensión de 0V lacorriente será nula. Si tenemos una tensión de 1V, lacorriente será de 0,2A. Si tenemos una tensión de 2V, lacorriente será de 0,4A. Podemos ir anotando sucesiva-mente las tensiones y las corrientes 36
    • Capítulo 3 Fig. 7 mensiones del cuerpo final que for- mará, sea un cable, una barra, una esfera, etc. La resistividad se representa con la letra griega ρ (ro) y al final de esta lección se dará una tabla compara- tiva de resistividades de los metales comunes. Vemos entonces que, res- pecto de las resistividades, al del alu- minio es de: 0,028 ohm. mm2/m y la del cobre es bastante menor: 0,017 ohm.mm2/m ¿Qué significan esos valores? Sifnifica que si hacemos un cable (alambre) de cobre de 1 m de longi- tud y 1 mm2 de sección, tendrá una La inclinación de la "curva" se mi- jando de lado la longitud y el espe- resistencia de 0,0175 ohm.de por la tangente (tg) del ángulo. sor, podemos analizar los diversos La sección recta es el área del cor- Esa tangente es justamente el va- materiales en función de una magni- te transversal del alambre comolor dado de la tensión por la corrien- tud que caracteriza a los conducto- muestra la figura 11.te correspondiente, como muestra la res de la electrici-figura 8. La tangente del ángulo A dad.(tgA) corresponde entonces a la re- Es así que deci-sistencia del conductor. mos que el cobre es mejor conductor Es importante que recuerde que: que el aluminio, en - El cociente de la tensión y la co- el sentido de que sirriente en un conductor es su resis- preparáramos untencia. cable de cobre y - En un conductor la corriente es otro de aluminio, dedirectamente proporcional a la ten- la misma longitud ysión. espesor, el cable de - La "curva característica" de un cobre presentaráconductor que presente una cierta menor resistenciaresistencia, es una recta. (figura 10). Existe entonces Vea que todos los conductores una magnitud, lapresentan curvas como las indica- "resistividad" quedas. Los componentes o elemento caracteriza el ma-que presentan este tipo de compor- terial de que estátamiento se denominan "dipolos li- hecho el conductorneales" y podemos citar a los resisto- eléctrico y que no Fig. 8res y a los conductores como depende de las di-ejemplos. Existen también di- Fig. 9polos no lineares cuyas "cur-vas" pueden presentar confi-guraciones diferentes comose ve en la figura 9. RESISTIVIDAD Como vimos la resistenciade un conductor dependede tres factores: longitud, es-pesor y tipo de material. De- 37
    • Resistencia Eléctrica como buen o mal con- Fig. 12 ductor de la electrici- dad. ¿Qué es lo que real- mente causa la resis- tencia de un material, un metal, por ejem- plo? —La oposición al pasaje de la corriente Fig. 10 eléctrica por el mate- rial, o sea que la resis- tencia depende de la Vea que tenemos alambres con cantidad de electrones libres que elcorte circular y también con corte material posee, además de la exis-cuadrado. Si sus superficies fueran tencia de fuerzas que pueden alte-iguales, en el cálculo son equivalen- rar su movimiento.tes. En un metal, por ejemplo, la can- siempre con el exponente "1". La fórmula que permite calcular la tidad de electrones libres depende, En este caso, la tensión y la co-resistencia de un cable de metal en parte, de su temperatura, pero la rriente en la Ley de Ohm no estáncualquieira, conociendo su resistivi- misma temperatura hace que la agi- elevadas al cuadrado ni a otro ex-dad, es: tación de las partículas aumente, es- ponente como sucede en otros tipos to dificulta el movimiento de las car- de relación. l gas. Entonces, tenemos para los me- En la relación X = Y2, por ejemplo, R = ρ . _____ (4) tales una característica importante: existe una relación de proporción di- S como la agitación de las partículas recta al cuadrado. Puede decirse en (átomos) predomina en relación a la este caso que "X es directamente Donde: liberación de las cargas, la resistivi- proporcional al cuadrado de Y". ρ es la resistividad en ohms. dad aumenta con la temperatura. Vea que todos los valores están enmm2/m Para los metales puros, el coefi- el numerador. l es la longitud del cable en ciente de temperatura, o sea la ma- En la relación X = 1/Y2 puede decir-metros nera en que aumenta la resistividad, se que X es inversamente proporcio- S es la superficie de la sec- está cerca del coeficiente de ex- nal al cuadrado de Y, pues Y está alción transversal en mm2 pansión térmica de los gases que es cuadrado y en el denominador. Si el cable fuera de sección circu- 1/273 = 0,00367. En la figura 12 se muestran curvaslar, la superficie puede calcularse en que representan relaciones directa-función del diámetro mediante la ¿Qué significa decir que la corrien- mente proporcionales al cuadrado efórmula siguiente: te es directamente proporcional a la inversamente proporcionales al cua- tensión, en el caso de la Ley de drado. Ahora bien, ¿siempre que ha- π D2 Ohm? ya una tensión y un cable va a circu- S = _____ — Tiene mucha importancia en- lar corriente? 4 tender ese significado pues aparece La respuesta es NO. Para que cir- en muchas leyes físicas relativas a la cule corriente y se verifique la Ley de Donde: electricidad. Decir que una corriente Ohm, debe existir un circuito cerra- D es el diámetro del cable es directamente proporcional a la do; por ello, veamos que nos dice laen mm. tensión significa que a cualquier au- Ley de Ohm desde otro enfoque. La resistividad es una magnitud in- mento o disminución de la tensiónherente al material, que lo caracteriza (causa) corresponde en relación di- recta un aumento CIRCUITO EL CTRICO o disminución de Fig. 11 corriente. En el ca- La aplicación de cargas eléctricas so de aumentar la con signo contrario a los extremos de tensión el 20%, la un conductor no es suficiente para corriente aumenta- lograr una corriente eléctrica cons- rá en la misma pro- tante, pues solo se lograría la circula- porción. En la rela- ción, por un momento, de flujo de ción de proporción corriente eléctrica, hasta que las directa, las magni- cargas de los extremos se hayan tudes que intervie- neutralizado, tal como se muestra en nen aparecen la figura 13. 38
    • Capítulo 3 un circuito se inte- tencia de la carga, podemos hacer Fig. 13 rrumpe en cual- las siguientes observaciones: quier punto, la co- Recordemos que una fuente de rriente dejará de tensión origina una corriente eléctri- AL APLICAR CAR- fluir y se dice que es ca en un circuito cerrado, y que la GAS ELECTRICAS A UN CONDUCTOR, un circuito abierto; resistencia del circuito se opone a SE PRODUCE UNA éste puede abrirse ella; por lo tanto, hay una estrecha CORRIENTE ELEC- deliberadamente relación entre la tensión, la corriente TRICA QUE DESA- PARECE CUANDO por medio de un in- y la resistencia, lo que fue descubier- SE NEUTRALIZAN terruptor, u ocurrir to por el físico alemán OHM, quien DICHAS CARGAS como consecuen- después de varios experimentos hizo cia de fallas o des- estas comprobaciones: perfectos en un ca- ble o una resisten- a) Si la resistencia del circuito se Fig. 14 cia quemada, por mantiene constante y se aumenta la ejemplo. Por lo ge- tensión, la corriente aumenta. BATERIA neral se usan fusi- (TENSION) bles como protec- b) Si en el mismo circuito se dismi- ción del circuito nuye la tensión, la corriente disminu- LAMPARA contra excesos de ye proporcionalmente. I - CORRIENTE (CARGA) corrientes que pue- Ohm, de lo anterior, dedujo que: dan perjudicar la "la corriente, en cualquier circuito, es fuente de tensión. directamente proporcional a la ten- Sepamos que el fu- si n aplicada". sible tiene la fun- FUSIBLE QUEMADO ción de abrir el cir- Y además: cuito cuando la co- Fig. 15 rriente excede el c) Si la tensión de la fuente se valor límite, ya que mantiene constante y se cambia la en un circuito serie resistencia del circuito por otra ma- abierto no hay flujo yor, la corriente disminuye. de corriente, y no hay caída de ten- d) Si en el mismo circuito la resis- sión sobre las resis- tencia disminuye, el valor de la co- tencias que forman rriente aumenta. NO HAY CORRIENTE la carga (Figura 15). En el circuito de OHM dedujo: "la corriente es inver- Para que en un conductor haya corriente continua, la resistencia es samente proporcional a la resisten-corriente eléctrica, los electrones li- lo único que se opone al paso de la cia del circuito".bres deberán moverse constante- corriente y determina su valor. Si elmente en una misma dirección, lo valor de la resistencia fuera muy pe- La relación entre corriente, tensiónque se consigue por medio de una queño, la corriente a través del cir- y resistencia constituye la ley funda-fuente de energía para aplicar las cuito sería demasiado grande. Por lo mental de la electricidad y se cono-cargas de signo contrario a los extre- tanto, el cortocircuito es la condi- ce como "LEY DE OHM", que se re-mos del conductor; las cargas nega- ción de resistencia muy baja entre sume así:tivas serán atraídas por las cargas los terminales de una fuente de ten-positivas del otro extremo. Por cada sión. Se dice que un circuito está en "en todo circuito el ctrico, la co-electrón que dé la fuente al conduc- corto cuando la resistencia es tan rriente es directamente proporcionaltor por el lado negativo, existirá otro baja que el exceso de corriente pue- a la tensi n aplicada e inversamenteen el lado positivo; entonces la co- de perjudicar los componentes del proporcional a la resistencia del cir-rriente fluirá de manera constante circuito; los fusibles y los tipos de inte- cuito".mientras se mantengan aplicadas al rruptores automáticos protegen losconductor las cargas eléctricas de la circuitos contra el peligro de los cor- Matemáticamente se expresa así:fuente de energía, por tanto, se lla- tocircuitos. Vma circuito cerrado o completo (fi- I = ____gura 14). R Un claro ejemplo de fuentes de OTRA VEZ LA LEY DE OHMenergía eléctrica son las baterías y que nos muestra que la corrientelas pilas. Para que haya flujo cons- Sabiendo que la corriente que flu- en un circuito es igual al valor de latante de corriente, el circuito deberá ye por un circuito cerrado depende tensión dividido por el valor de la re-estar cerrado o completo. Ahora, si de la tensión aplicada y de la resis- sistencia. Hay también otras dos fór- 39
    • Resistencia Eléctrica de la corriente que circulará Fig. 18 FUSIBLE DE 6AFig. 16 R en el circuito de la figura, for- mado por: una fuente de energía de 200V, una resis- tencia de 40Ω y un fusible V que soporta 6A máximo. V R I 40Ω 200V ¿Se excederá la capaci- dad del fusible al cerrar el in- I terruptor? El primer paso será el deFig. 17 determinar el valor de la co- rriente que circulará por el Fig. 19 circuito cuando se cierre el FUSIBLE QUEMADO V interruptor. Usaremos la ecuación: V V I R I = _____ R R 200V 10Ω entonces: V 200Vmulas útiles de la ley de Ohm y son: I = _______ = ________ = 5A R 40Ω NO HAY CORRIENTE V R = ___ Teniendo como resultado I que si la corriente es sola- Fig. 20 mente de 5A, la capacidad que nos muestra que la corriente del fusible no será sobrepa- V = 30Ves igual a la tensión dividida por la sada y éste no se quemará; R = ?Ωcorriente y pero, pensemos qué pasará I = 5A V=I.R si se usa una resistencia de 10Ω en el circuito. que nos muestra que la tensión es Hagamos el mismo cálculoigual a la corriente multiplicada por usando la misma ecuación:la resistencia (figura 16). Recordemos siempre las 3 fórmulas V 200V Fig. 21de la Ley de Ohm, ya que son muy I = ____ = _____ = 20Aimportantes, y las usaremos frecuen- R 10Ω V = 30Vtemente. Al comienzo es imprescin- R=?dible tener el gráfico de la figura 17 La corriente de 20 amperea la vista, pues ahí tenemos las for- I = 10A resultante excederá la ca-mas de la ley de Ohm. Si necesita- pacidad del fusible, que esmos calcular I, la tapamos y nos que- solamente de 6 ampere, yda V/R, si queremos calcular R, ta- éste se fundirá al cerrar el in-pamos y nos queda V/I; y si necesita- terruptor (figura 19).mos calcular V, tapamos y nos que- el reostato se ajusta a la mitad de suda I . R. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA valor. ¿Cuál será el valor de la resistencia Si queremos calcular el valor de la del circuito si la batería es de 30 volt? C LCULO DE LA CORRIENTE resistencia necesaria para producir una cierta cantidad de corriente en V 30V Si necesitamos calcular cualquiera un circuito con una tensión dada, R = _____ = _______ = 6Ωde los 3 factores intervinientes en un usaremos la segunda ecuación de la I 5Acircuito eléctrico, es mejor estar se- ley de Ohm:guros, en primer término, de cuál es La figura 21 nos muestra que la co-el factor que se desconoce, —la in- V rriente por el circuito es de 10A;cógnita— y después elegir la ecua- R = _____ ¿cuál será en este caso el valor de la Ición apropiada para resolver el pro- resistencia?blema, tal como se muestra en la fi- En el circuito de la figura 20 fluye Usamos otra vez la misma ecua-gura 18. Se debe encontrar el valor una corriente de 5 ampere cuando ción para resolver el problema. 40
    • Capítulo 3 V 30V Los resistores son, de todos los S R = ___ = ______ = 3Ω componentes electrónicos, los más I 10A comunes y aparecen en gran canti- Fig. 22 dad en los aparatos. El funciona- R Entonces queda expuesto que, miento de los resistores es uno de los V 200Ωpara duplicar el valor de la corriente, temas de esta lección. ?debe disminuirse la resistencia a la El otro tema se refiere a lo que su- I = 1Amitad. cede con la energía eléctrica en los resistores. El efecto térmico que es- tudiamos anteriormente es el más C LCULO DE LA TENSI N: importante manifestado por los re- S sistores y su tratamiento es funda- La tensión de un circuito puede mental en los proyectos de apara-calcularse por la tercera fórmula de tos. la importante ley que rige la R Fig. 23la ley de Ohm: V=I R transformación de energía eléctrica 200Ω El foquito del circuito señalado en en calor, en los resistores, es la Ley Vel diagrama de la figura 22 tiene una de Joule, que también se trata en ?resistencia de 200Ω y al cerrar el inte- este capítulo. I = O.5Arruptor circula por él una corriente Los resistores son bipolos que si-de 1 ampere; guen la Ley de Ohm, o sea, dispositi- ¿Cuál será la tensión de la bate- vos en los que dentro de una bandaría? determinada de tensiones, la co- Aquí la incógnita es la tensión; lue- rriente es directamente proporcio- Fig. 24go, la ecuación a usar será: nal, lo que significa una resistencia constante. V = IR En la figura 24 mostramos los tres símbolos más comunes que se usan V = I.R = 1A x 200Ω = 200V en la representación de resistores. Después de estar encendido du- En los diagramas en que se repre-rante algunas horas, por el circuito sentan muchos resistores, éstos sedel foco solamente circulan 0,5 am- identifican con la letra "R" seguidapere. La batería se agotó, ¿cuál será del número de orden 1, 2, 3, etc. que ohm puede obtenerse cortando unla tensión que ahora entrega el cir- indica la posición del componente trozo de conductor de largo y espe-cuito? (figura 23). en el circuito. Junto con la identifica- sor determinados. Para una resisten- ción del resistor puede citarse su va- cia mayor, digamos 1.000Ω o V = I R = 0,5A . 200Ω = 100V lor en las unidades que ya conoce- 100.000Ω, necesitamos ya un com- mos, como el ohm y sus múltiplos (ki- ponente específico pues el cable La corriente disminuyó a la mitad lohm y megahom). empleado para eso tendría una lon-porque la tensión se redujo a la mi- En la figura 25 se ven algunos tipos giutd prácticamente imposible. Es asítad de su valor. de resistores (cuya construcción se que el material usado en la construc- tratará en la próxima lección). ción de los resistores depende fun- En verdad, los conductores pue- damentalmente de la resistencia LOS RESISTORES EN LA PR CTICA den considerarse como resistores de que deseamos que presente. valores muy bajos, ya que no existen En las aplicaciones prácticas pue- conductores perfectos. Solamente cuando necesitamos resistencia por La Ley de Joulede resultar necesario ofrecer unacierta oposición al pasaje de la co- encima de un cierto valor es que ha-rriente. Eso puede hacerse con finali- cemos uso de componentes especí- La energía eléctrica puede con-dades diversas, como por ejemplo: ficos. Una resistencia de fracción de vertirse en energía térmica, o sea enreducir la intensidad de una corrien-te muy intensa para un fin detemina- Fig. 25do, transformar la energía eléctricaen calor y también reducir la tensiónque se aplique a un elemento de unaparato. En electrónica encontra-mos, entonces, el uso de dispositivoscuya finalidad es justamente ofreceruna oposición al pasaje de una co-rriente, o sea que presentan "resisten-cia eléctrica". Estos dispositivos sedenominan "resistores". 41
    • Resistencia Eléctrica calor es una forma de lante. Llamando P a la potencia, I aFig. 26 energía mientras que la la intensidad de la corriente y V a la temperatura indica el tensión entre sus extremos, podemos estado de agitación de escribir la expresión matemática de las partículas de un cuer- la Ley de Joule: po. Cuando calentamos P=VxI un cuerpo, aumenta la agitación de sus partícu- Eso queire decir que, para calcular las y eso significa que la la potencia que se convierte en ca- temperatura sube. Pero lor en un resitor, debemos multiplicar si tenemos dos porciones la corriente por la tensión en el resis- diferentes de agua, ve- tor y el resultado se obtendrá en watt mos que una necesita (si la corriente estuviera dada en am- más tiempo que la otra pere y la tensión en volt, ¡claro!). para calentarse a la mis- Ejemplo: en un resistor conectadoFig. 27 ma temperatura. Esto a una fuente de energía de 10V, cir- significa que la cantidad cula una corriente de 2A. de energía térmica que ¿Cuál es la potencia convertida debemos entregar a en calor? una es mucho mayor que la otra, o sea que I = 2A precisa mayor cantidad V = 10V de calor (figura 27). Por lo tanto: Es así que después de calentadas, las dos can- P=IxV tidades de agua, aun P = 2 x 10 con la misma tempera- P = 20 watt tura, representan distin-calor. El efecto térmico de la corrien- tas cantidades de calor. El resistor convierte en calor unate eléctrica, que fue tema de leccio- La cantidad de calor que puede potencia de 20 watt.nes anteriores, mostró al lector que proporcionar una corriente cuando Ahora, como la circulación de lasu utilidad práctica es muy grande, circula por un resistor, obedece a la corriente en un resistor está regidapor la cantidad de aparatos que po- Ley de Joule que se explica a conti- por la Ley de Ohm, podemos calcu-demos construir. nuación. La cantidad de energía lar también la potencia en función Pero, ¿cuál es el origen del efecto que se convierte en calor en cada de la resistencia. Partiendo de la re-térmico? segundo en un resistor, se mide en lación R = V/I podemos llegar a dos Cuando una corriente eléctrica watt (W). El watt puede usarse tam- nuevas expresiones de la Ley de Jou-encuentra oposición a su pasaje, el bién para medir otros tipos de poten- le."esfuerzo" que tiene que efectuar cia (potencia es la cantidad depara poder pasar se convierte en energía por segundo). P = V2 /Rcalor. Podemos usar el watt para medir P = R x I2 Los portadores de carga que for- la potencia de un motor (potenciaman la corriente eléctrica "chocan" mecánica), la potencia de un amplifi- La primera se usará cuando que-con los átomos del material conduc- cador (potencia sonora) o la poten- ramos calcular la potencia en fun-tor y aumentan su agitación y, por cia de una lámpara eléctrica (po- ción de la tensión y la resistencia, enconsiguiente, su temperatura (figura tencia luminosa) y muchas otras. cambio, la segunda, cuando quera-26). Podemos sacar en conclusión En nuestro caso trataremos ahora mos calcular la potencia a partir deque en todo medio que presenta exclusivamente la potencia térmica, la resistencia y la corriente.una cierta resistencia al pasaje de o sea la cantidad de ener-una corriente, siempre hay produc- gía que los resistores con-ción de calor. En un resistor, todo es- vierten en calor. Fig. 28fuerzo que se gasta para que pase la Es importante observarcorriente se transforma en calor. que en los resistores toda la energía que reciben se Recuerde convierte en calor (figura —En los resistores, la energía eléc- 28). La potencia que setrica se convierte en calor (energía convierte en calor en untérmica). resistor depende tanto de Por supuesto que el lector no debe la tensión en sus extremos,confundir calor con temperatura. El como de la corriente circu- 42
    • Capítulo 3 Fig. 29 Fig. 31 Fig. 30 vección, que ocurre porque el agua y el aire calentados son más livianos que el agua o el aire fríos. Los globos llenos de aire caliente ascienden por esta razón. Cuando el aire toca un cuerpo caliente, se calienta, se hace más liviano y as- cendiendo forma corrientes de con- vección que pueden "llevar" el calor lejos. UNIDADES DE POTENCIA, ENERGŒA Y CALOR UN POCO DE TERMODIN MICA por el mango y se calienta la punta No debemos confundir de manera al fuego, en poco tiempo, por con- alguna, las tres magnitudes que he- El calor generado en los circuitos ducción, el mango también estará mos citado en esta lección: poten-electrónico, en vista de la Ley de caliente. cia, energ a y calor.Joule, no puede quedar en los circui- La potencia es el centro de nues-tos. Es importante saber cómo pue- 2. Radiaci n: todos los cuerpos tra atención pero debemos empezarde "disiparse" el calor o sea cómo que estén por encima del cero abso- por la energía.puede transferirse al medio ambien- luto (-27 3°C) tienen sus partículas en Decimos que un resorte contienete para asegurar la estabilidad térmi- estado de vibración continua. Esa vi- energía porque puede realizar unca del conjunto, para evitar que la bración hace que los electrones sal- trabajo, o sea, puede mover algunatemperatura se eleve por encima de ten a niveles diferentes de energía y cosa, puede accionar algo, o ejer-los límites que pueden soportar las en esos saltos, emiten radiación cer una fuerza durante un ciertopiezas. Las maneras por las que se electromagnética (figura 30). tiempo (figura 32).propaga el calor deben formar par- Si la temperatura del cuerpo fuera Un cuerpo cargado, que puedate, entonces, de nuestro curso, por la inferior a 1.500°K, la mayoría de los producir una corriente eléctrica,importancia que tienen en este ca- saltos de los electrones se producen también posee energía que puedeso. Hay tres formas de propagación entre niveles tales que la emisión de usarse para establecer una corrientedel calor: radiación se efectúa en el espectro en un conductor o en un resistor. infrarrojo (entre 8.000Å y 40.000Å) En los dos casos, la energía dispo- 1. Conducci n: esta forma se pare- No podemos ver esta radiación, nible se mide en joule (J).ce mucho a la electricidad. Del mis- pero la sentimos cuando acercamos El efecto que pueda tener la ener-mo modo que los portadores pue- la mano a una plancha caliente (fi- gía, depende de la cantidad que seden "saltar" de átomo en átomo, el gura 31). El hecho es que esta radia- gaste en un segundo. Un resistor pue-calor producido por la agitación de ción significa que el "calor" está sien- de "gastar" energía más o menos rá-las partículas puede transmitirse de do irradiado al espacio en forma de pidamente, precisará más o menosátomo a átomo de un cuerpo (figu- ondas que se propagan ¡a 300.000 energía en cada segundo. Esa "velo-ra 29). kilómetros por segundo! cidad" con que la energía se gasta, Como ocurre con la electricidad, Los cuerpos pintados de negro irra- es la potencia. Un motor de mayortambién hay buenos y malos con- dian mejor el calor que los claros. potencia "consume" más combusti-ductores de calor. ble (o más rápidamente) que un mo- Los metales son buenos conducto- 3. Convecci n: finalmente tene- tor de menor potencia. Esa potenciares de calor. Si se toma un cuchillo mos la irradicación de calor por con- se mide en watt (W). 43
    • Resistencia Eléctrica Por otra parte, para in- Q es la cantidad de calor en calo- Fig. 32 dicar la energía que se rías gasta en el calenta- m es la masa del cuerpo en gra- miento de los cuerpos, mos existe una unidad pro- ˘ t es la variación de temperatura pia que es la caloría que ocurre (cal), (figura 33). El calor que puede transferirse de 1 caloría = 4,18 joul, o: un cuerpo a otro por conducci n, ra- 1 joule = 0,24 cal diaci n o convecci n. Hay una fórmula que Fig. 33 permite establecer el CALOR ESPECŒFICO DE LOS MATERIALES calentamiento de un cuerpo (si no hay cam- La tabla 4 da el calor específico bio de estado, esto es, de diversas sustancias, medido a fusión o ebullición) en 20°C. Por lo tanto, se trata de la can- función de su capaci- tidad de calorías que se necesitan dad térmica: para elevar en un grado centígrado la temperatura de 1 gramo de la sus- Q = c x m x ∆t tancia que se encontraba a 20°C. Por último, en la tabla 5 se da la Donde: conductividad térmica de algunos 1 watt = 1 joule por segundo c es el calor específico del cuerpo materiales. Tabla 5 Tabla 4 Sustancia Conductividad térmica Sustancia Calor específico Punto de fusión (kcal/m . h . °C) (X cal/g.°C) (°C) Aluminio 180 Acetona 0,52 -94,3 Hierro 54 Aluminio 0,21 658,7 Cobre 335 Benceno 0,407 5,5 Oro 269 Bronce 0,0917 900 Mercurio 25 Cobre 0,094 1.083 Plata 360 Alcohol etílico 0,58 -114 Acero 39 Glicerina 0,58 -20 Amianto 0,135 Oro 0,032 1.063 Concreto 0,1 a 0,3 Agua 1 0 Baquelita 0,25 Hierro 0,119 1.530 Vidrio 0,64 Plomo 0,03 327 Granito 1,89 Mercurio 0,033 -38,9 Hielo 1,9 Níquel 0,11 1.452 Papel 0,12 Plata 0,056 960Diodos Semiconductores INTRODUCCI N registra un exceso relativo de elec- tes combinaciones de materiales ti- trones dentro del material, y tipo P, po P y N, y las características eléctri- Un semiconductor es un material en los que se presenta un déficit de cas de cada uno de ellos están de-(generalmente silicio o germanio) electrones (figura 1). Los dispositivos terminadas por la intensidad del do-cuyas características de condución electrónicos se forman con diferen- pado de las secciones de los semi-eléctrica han sido modificadas. Paraesto, como sabemos, ha sido combi- Fig. 1nado, sin formar un compuesto quí-mico, con otros elementos. A este proceso de combinación sele llama dopado. Por medio de éste,se consiguen básicamente dos tiposde materiales: tipo N, en los que se 44
    • Capítulo 3 amplia para definir a muchos ro cuando el polo positivo se conec- Fig. 2 dispositivos semiconductores ta a la sección N del diodo y el polo que únicamente tienen dos negativo a la sección P, entonces el terminales de conexión; esto, diodo está polarizado de manera in- a pesar de que su formación versa. interna sea de más de dos Cuando el diodo se encuentra en secciones de material semi- polarización directa, los electrones conductor. A la sección P de libres de la sección N y los huecos un diodo se le conoce con el de la sección P son repelidos hacia nombre de nodo , y a la la unión P-N debido al voltaje apli- sección N con el de c t o- cado por la fuente externa. Si el vol- do . taje de polarización es más grande En un diodo, su sección N que el valor de la barrera de poten- tiene impurezas que le permi- cial, entonces un electrón de la sec- ten tener un exceso de elec- ción N cruzará a través de la unión trones libres en su estructura; para recombinarse con un hueco Fig. 3 así, dicha sección se hace de en la sección P. El desplazamiento cierta forma negativa. Y co- de los electrones hacia la unión, ge- mo en su sección P las impu- nera iones positivos dentro de la rezas provocan un déficit de sección N, los cuales atraen a los electrones libres, la misma se electrones del conductor externo torna positiva. Cuando no hacia el interior del cristal. Una vez hay una tensión aplicada en dentro, los electrones pueden des- las secciones del diodo, se plazarse también hacia la unión pa- desarrolla un fenómeno inte- ra recombinarse con los huecos de resante en la unión P-N: los la sección P, mismos que se convier- electrones libres de la sec- ten en electrones de valencia y son ción N se recombinan (se atraídos por el polo positivo del con- unen) con los huecos cerca- ductor externo; entonces salen del nos a la unión de la sección cristal (semiconductor P), y de ahí seconductores, así como por el tama- P. A esta recombinación en la unión dirigen hacia la batería (figura 3).ño y organización física de los mate- del diodo, se le denomina dipolo . El hecho de que un electrón deriales. Gracias a esto es posible fabri- La formación de dipolos en la zona valencia en la sección P se muevacar, por ejemplo, un transistor para de unión, hace que en esa parte se hacia el extremo izquierdo, es equi-corrientes pequeñas y otro para co- registre un déficit de portadores; por valente a que un hueco se despla-rrientes elevadas, aunque la forma eso se le llama zona de deplexi n ce hacia la unión. Este proceso debásica de los dos sea la misma. (figura 2). flujo de corriente en el diodo se Cada dipolo tiene un campo mantiene, en tanto exista la polari- Diodos semiconductores eléctrico entre los iones positivo y zación directa con el valor de volta- negativo. Los electrones son repeli- je mayor a la barrera de potencial. Los diodos realizan una gran varie- dos por este campo, cuando tratan Si el diodo está polarizado de ma-dad de funciones; entre ellas, la rec- de cruzar la zona de deplexión para nera inversa, los huecos de la sec-tificación de señales de corriente al- recombinarse con huecos más ale- ción P son atraídos hacia el polo ne-terna en fuentes de poder y en ra- jados del otro lado. Con cada re- gativo de la batería y los electronesdios de AM, reguladores de voltaje, combinación aumenta el campo de la sección N son atraídos haciaformadores de onda, duplicadores eléctrico, hasta que se logra el equi- el polo positivo. Puesto que huecosde voltaje, selectores de frecuencia, librio; es decir, se detiene el paso de y electrones se alejan de la unión, ladetectores de FM, disparadores, in- electrones del semiconductor tipo N zona de deplexión crece de acuer-dicadores luminosos, detectores de hacia el tipo P. El campo eléctrico do con el valor del voltaje inversohaz, generadores láser, etc. Las apli- formado por los iones, se denomina aplicado a las terminales del diodo.caciones de los diodos son muchas barrera de potencial ; para los dio- Por tanto, la zona de deplexión dejay muy variadas; de ahí la importan- dos de germanio, es de 0,2 volt; pa- de aumentar cuando tiene una di-cia de conocerlos más a fondo. ra los diodos de silicio, es de 0,7 volt. ferencia de potencial igual al valor Los diodos semiconductores son Si se conecta una fuente de po- de la tensión inversa aplicada. Condispositivos conformados por dos tencial eléctrico (por ejemplo, una la zona de deplexión aumentada,secciones de material semiconduc- pila o batería) a las terminales del no circula entonces corriente eléc-tor, una tipo P y la otra tipo N. Su diodo, de forma que el polo positivo trica; la razón es que el dispositivo,nombre proviene de la contracción de la fuente coincida con la sec- en cierta forma, aumentó al máxi-de las palabras dos electrones , en ción P del diodo y el polo negativo mo su resistencia eléctrica internainglés. En la actualidad, la palabra con la sección N, se dice que el dio- (figura 4). diodo se utiliza de manera más do está en polarización directa. Pe- Aunque de manera práctica con- 45
    • Resistencia Eléctrica ca. En polarización inversa DIODOS RECTIFICADORES hay una diminuta corriente de fuga; pero cuando el Un diodo rectificador es uno de los valor de la tensión inversa dispositivos de la familia de los dio-Fig. 4 aumenta, los electrones de dos más sencillos. El nombre diodo la corriente de fuga incre- rectificador” procede de su aplica- mentan su energía; y cuan- ción, la cual consiste en separar los do los electrones adquieren ciclos positivos de una señal de co- energía suficientemente rriente alterna. grande, chocan contra los Si se aplica al diodo una tensión átomos del material y así se de corriente alterna durante los me- liberan los electrones de és- dios ciclos positivos, se polariza en tos, que a su vez se suman a forma directa; de esta manera, per- la corriente eléctrica de fu- mite el paso de la corriente eléctri-sideremos que no hay flujo de co- ga. Este proceso se sucede en cade- ca. Pero durante los medios ciclosrriente eléctrica a través del diodo na; de modo que si un electrón libe- negativos, el diodo se polariza deen polarización inversa, realmente sí ra a dos, éstos liberarán a otros dos y manera inversa; con ello, evita el pa-se genera un pequeño flujo de co- así sucesivamente; por eso es que la so de la corriente en tal sentido.rriente eléctrica inversa. El calor del corriente crece muy rápido. Durante la fabricación de los dio-ambiente, hace que de manera es- Mediante una gráfica se puede re- dos rectificadores, se consideran trespontánea se generen pares hueco- presentar el comportamiento del factores: la frecuencia máxima enelectr n suficientes para mantener diodo en términos de corriente y ten- que realizan correctamente su fun-un diminuto flujo de corriente eléctri- si n. El fabricante de semiconducto- ción, la corriente máxima en queca. A la corriente eléctrica inversa res proporciona una curva caracte- pueden conducir en sentido directotambién se le conoce como co- rística para cada tipo de diodo; en y las tensiones directa e inversa má-rriente de portadores minoritarios . ella se representan las variaciones ximas que soportarán.Hay otra corriente que se genera de de corriente, dependientes de la Una de las aplicaciones clásicasmanera paralela a la corriente inver- tensión aplicada en sentido directo de los diodos rectificadores, es en lassa, y es la eléctrica superficial de fu- e inverso. fuentes de alimentación; aquí, con-gas; ésta es producida por impure- En la figura 5, se muestra la gráfica vierten una señal de corriente alter-zas en la superficie del cristal e im- representativa de un diodo semicon- na en otra de corriente directa ( loperfecciones en su estructura inter- ductor. estudiaremos en el capítulo 5).na. El eje horizontal representa la ten- Existen diodos denominados ME- Los diodos tienen un valor de vol- sión aplicada al diodo (hacia la iz- GAHERTZ que son un conjunto detaje inverso máximo, que puede ser quierda se indica la tensión en pola- rectificadores ultrarrápidos, diseña-aplicado en sus terminales sin ser rización inversa, y hacia la derecha dos para proveer gran eficiencia endestruido. Este valor depende de la el voltaje en polarización directa); el la conmutación de señales de muyconstrucción interna del diodo. Para eje vertical, representa la corriente alta frecuencia en fuentes de poder;cada diodo, el fabricante especifica que circula a través del diodo (hacia no obstante, también se utilizan co-el valor de tensión inversa. arriba indica corriente en sentido di- mo correctores de factor en circuitos Para efectos prácticos, se conside- recto, y hacia abajo corriente en de potencia.ra al diodo como si fuera perfecto; sentido inverso). La gráfica se divide Los SCANSWITCH, son rectificado-es decir, en polarización directa por- en dos partes: la zona de polariza- res ultrarrápidos que ofrecen altoque así no presenta resistencia eléc- ción directa y la de polarización in- rendimiento cuando son utilizadostrica (permite el paso libre de la co- versa. en monitores de muy alta resoluciónrriente); en polarización inversa tiene y en estaciones de trabajo en dondeuna resistencia infinita, y por eso no En la zona de polarizaci n directa, se requiere de un tiempo de recupe-permite el paso de la corriente eléc- se observa que no hay conducci n a ración muy corto y de tensiones detrica. En la práctica se utilizan las dos trav s del diodo antes de que se al- polarización de 1.200 a 1.500V.formas de polarizar al diodo y se apli- cance la tensi n de umbral de la ba- En el mercado de semiconducto-can tensiones y corrientes diversas, rrera de potencial. Una vez que el vol- res han aparecido un nuevo tipo dede manera que el diodo funcione taje es mayor que este valor, la con- diodos conocidos como SWITCHMO-dentro de diferentes puntos de ope- ducci n de la corriente aumenta a pe- DE. Se trata de rectificadoresración, según sea la función que de que as variaciones de voltaje. Schottky de potencia, para alta fre-él se desea. cuencia y baja tensión; estas carac- Si a un diodo en polarización inver- En la zona de polarizaci n inversa, terísticas se logran gracias a la uniónsa se le aumenta continuamente el el diodo se mantiene sin conducir de silicio y metal. A diferencia de lasvalor del voltaje aplicado, se llegará hasta que se llega a la tensi n de rup- uniones clásicas de silicio — silicio,al punto de ruptura; entonces el dio- tura en donde la corriente en sentido este tipo de diodos pueden conmu-do conducirá de manera repentina inverso a trav s de l, se hace muy tar en tiempos menores a 10 nanose-y descontrolada la corriente eléctri- grande. gundos y se construyen para rangos 46
    • Capítulo 3de corriente que Fig. 6van desde 0,5 a600 amper y contensiones inversasde hasta 200V. DIODOS Z NER Un diodo zéneres básicamenteun diodo de unión, pero construido DIODOS DE CORRIENTEespecialmente para trabajar en la CONSTANTEzona de ruptura de la tensión de po- Fig. 7larización inversa; por eso algunas Estos diodos funcio-veces se le conoce con el nombre nan de manera inversade diodo de avalancha . Su principal a los diodos zéner. Enaplicación es como regulador de vez de mantener cons-tensión; es decir, como circuito que tante la tensión en susmantiene la tensión de salida casi terminales, estos diodosconstante, independientemente de mantienen constante el consumo de peración son ampliamente utilizadoslas variaciones que se presenten en corriente; por eso se les conoce co- como multiplicadores de frecuencia;la línea de entrada o del consumo mo “diodos reguladores de corrien- es decir, para circuitos en donde lade corriente de las cargas conecta- te . Son dispositivos que mantienen frecuencia de salida es un múltiplo dedas en la salida del circuito. entonces constante el consumo de la frecuencia de entrada (figura 7). El diodo zéner tiene la propiedad corriente, independientemente dede mantener constante la tensión las variaciones de tensión. DIODOS INVERTIDOSaplicada, aun cuando la corriente El diodo 1N5305 es regulador desufra cambios. Para que el diodo ze- corriente con un valor de corriente Los diodos zéner tienen tensionesner pueda realizar esta función, de- de 2 miliampers y un rango de ten- de ruptura superiores a los 1,8V. Si sebe polarizarse de manera inversa. sión aplicable de 2 a 100V. incrementa el nivel de dopado delGeneralmente, la tensión de polari- diodo se logra que el efecto zéner dezación del diodo es mayor que la DIODOS DE RECUPERACI N regulación ocurra cerca de los 0V. Latensión de ruptura; además, se colo- EN ESCAL N conducción en polarización directaca una resistencia limitadora en serie se logra a partir de los 0,7V; pero lacon él; de no ser así, conduciría de El diodo de recuperación de esca- conducción inversa (punto de ruptu-manera descontrolada hasta llegar lón tiene un dopado especial, ya ra) se inicia a partir de los –0,1volts. Aal punto de su destrucción (figura 6). que la densidad de los portadores los diodos que tienen esta caracterís- En muchas aplicaciones de regu- disminuye cuanto más cerca está de tica se les conoce con el nombre delación de tensión, el diodo zéner no la unión de las secciones de semi- diodos invertidos , ya que condu-es el dispositivo que controla de ma- conductor. Esta distribución poco cen mejor en polarización inversa quenera directa la tensión de salida de común de portadores, genera un fe- en polarización directa. Se los usa pa-un circuito; sólo sirve de referencia nómeno conocido como desplome ra amplificar señales débiles cuyaspara un circuito más complejo; es en inversa . amplitudes pico a pico se encuentrandecir, el zéner mantiene un valor de Si se aplica una tensión de corrien- entre 0,1 y 0,7V.tensión constante en sus terminales. te alterna en las terminales del dispo-Esta tensión se compara mediante sitivo durante los semiciclos positivos DIODOS T NELun circuito amplificador a transisto- de la onda de corriente alterna, elres o con circuito integrados con una diodo se comporta igual que un dio- Si durante su construcción a untensión de salida. El resultado de la do rectificador común. Pero durante diodo invertido se le aumenta el ni-comparación permite definir la ac- los semiciclos negativos, la corriente vel de dopado, se puede lograr queción a efectuar: aumentar o disminuir inversa aparece sólo durante un su punto de ruptura ocurra muy cer-la corriente de salida, a fin de mante- tiempo muy corto, reduciéndose re- ca de los 0V. Los diodos construidosner constante la tensión de salida. Es pentinamente hasta cero. de esta manera, se conocen comoimportante hacer notar que los dio- La corriente de desplome de un diodos t nel . Estos dispositivos pre-dos zéner se construyen especial- diodo de recuperación de escalón, sentan una característica de resis-mente para que controlen sólo un está plagada de frecuencias armó- tencia negativa; esto es, si aumentavalor de tensión de salida; por eso es nicas; éstas pueden ser filtradas, pa- la tensión aplicada en los terminalesque se compran en términos de la ra obtener una señal senoidal de del dispositivo, se produce una dismi-tensión de regulación (zéner de 12V x una frecuencia más alta. Esta es la nución de la corriente (por lo menos1 ampere, por ejemplo). razón por la que los diodos de recu- en una buena parte de la curva ca- 47
    • Resistencia Eléctricaracterística del diodo). Este fenóme- sión o varia-no de resistencia negativa es útil pa- ciones en la Fig. 8ra aplicaciones en circuitos de alta forma defrecuencia como los osciladores, los onda, en elcuales pueden generar una señal se- voltaje de lí-noidal a partir de la energía que en- nea que lle-trega la fuente de alimentación. ga a las ca- sas. A tales DIODO VARICAP picos y va- riaciones, se Es un dispositivo semiconductor les conoce con el nombre de tran- la sección P. En la unión se efectúa laque puede controlar su valor de ca- sitorios . recombinación, en donde los elec-pacidad en términos de la tensión La continua presencia de transito- trones se unen a los huecos. Al unirse,aplicada en polarización inversa. Es- rios en la red, poco a poco causa la se libera energía mediante la emi-to es, cuando el diodo se polariza in- destrucción de los circuitos que con- sión de un fotón (energía electro-versamente no circula corriente tienen los aparatos electrónicos; por magnética). Esta emisión de ener-eléctrica a través de la unión; la zo- eso es que para prolongar la vida de gía, que en un diodo normal es pe-na de deplexi n actúa como el die- éstos, es necesario adecuar ciertas queña, puede aumentar medianteléctrico de un capacitor y las seccio- protecciones. la utilización de materiales como elnes de semiconductor P y N del dio- Uno de los dispositivos empleados galio, el arsénico y el fósforo en lugardo hacen las veces de las placas de para estabilizar la línea, es el varistor; del silicio o el germanio. Así, los dio-un capacitor. La capacidad que al- también es conocido como supre- dos diseñados especialmente paracanza el capacitor que se forma, es sor de transitorios . Este dispositivo emitir luz son conocidos como LED.del orden de los pico o nanofara- equivale a dos diodos zéner conec- El color de la luz emitida dependedios. Cuando varía la tensión de po- tados en paralelo, pero con sus pola- del intervalo de energía del material;larización inversa aplicada al diodo, ridades invertidas y con un valor de por ejemplo, el fosfato de galio arse-aumenta o disminuye de igual forma tensión de ruptura muy alto. nídico (GaAsP) emite luz de color ro-la zona de deplexión. En un diodo, Los varistores son construidos para jo y el fosfato de galio (GaP) emiteesto equivale a acercar o alejar las diferentes valores de tensión de rup- luz de color verde. Los LED puedenplacas de un capacitor (ampliare- tura; por ejemplo, un varistor con un emitir radiaciones desde el infrarrojomos en el capítulo 4). voltaje de ruptura de 320V conecta- hasta la luz visible. Es importante re- Los diodos varicap se controlan do a la línea comercial de 220V, se saltar que los LED se polarizan de ma-mediante la tensión que se les apli- mantendrá como un dispositivo nera directa y soportan una tensiónca; por lo que el cambio de capaci- inactivo hasta que en sus extremos máxima al cual emiten la mayor ra-dad se puede hacer mediante otro se presente un transitorio con un vol- diación. Si se sobrepasa este valor, elcircuito de control, ya sea digital o taje igual o superior a los 320V; en- LED puede dañarse.analógico. Las aplicaciones de los tonces el dispositivo, disparándose, Las aplicaciones de los LED sonvaricap son la mayoría de las veces conduce (su resistencia interna se muchas; entre ellas, las siguientes: in-en circuitos resonantes, los cuales hace casi cero) y reduce el efecto dicadores luminosos, displays alfanu-permiten seleccionar una señal de dañino del transitorio en el circuito. méricos, transmisores para fibras óp-una frecuencia específica, de entre En suma, el varistor como dispositivo ticas, optoacopladores, en controlmuchas señales de diferentes valores de protección recorta a todos los remoto de videos, televisores o co-(vea en la figura 8 los símbolos de al- transitorios que se presenten en la lí- nexión de computadoras.gunos diodos semiconductores). nea; con ello, se evitan daños a los En el mercado de semiconducto- circuitos posteriores. res han aparecido versiones más DIODOS VARISTORES complejas de LED; por ejemplo, el DIODOS EMISORES DE LUZ LED bicolor es un dispositivo de tres Los relámpagos que se producen terminales dentro del cual se han in-durante una tormenta eléctrica, los Cuando un diodo semiconductor cluido dos diodos en colores diferen-motores eléctricos y los fallos comu- se polariza de manera directa, los tes. Otro modelo de LED, es el tipones en la red de alimentación co- electrones pasan de la sección N del Flasher; al ser polarizado, enciendemercial, inducen picos de alta ten- mismo, atraviesan la unión y salen a de manera intermitente. ************
    • TVAUDIOVIDEOCOMPUTADORAS CAPACITORES Asociación de Asociación de Resistencias ResistenciasPor qué aparecieron losTransistores MICROPROCESADORES
    • EnciclopediaV isualde laElectrónica Capacitores electrolíticos............................59INDICE DEL Capacitores variables y ajustables.............60 Dónde usar los trimmers ...............................60CAPITULO 4 Tensión de trabajo ........................................60 Capacitores variables ..................................61ASOCIACION DE RESISTORES, ASOCIACION Banda de valores..........................................61DE PILAS, POTENCIA ELECTRICAAsociación de resistores...............................51 POR QUE APARECIERON LOS TRANSISTORESAsociación de pilas ......................................52 Comienza la revolución digital ...................61Potencia eléctrica ........................................52 En el principio fue la válvula de vacío.......61Cálculo de potencia....................................54 Surge el transistor ..........................................62Aplicación de la ley de Joule .....................54 ¿Qué es en realidad un semiconductor? ..........62Potencia y resistencia...................................54 Principio de operación de un transistor.....62 Transistores contenidos en obleas de silicio63CAPACITORES Surgen los microprocesadores ....................63La capacidad ...............................................55 Familias MOS y MOSFET ................................64Capacitores planos ......................................56 Transistores de altas potencias....................64La energía almacenada en un capacitor.........57 Futuro del transistor .......................................64Los capacitores en la práctica...................57Asociación de capacitores.........................57 Cupón Nº 4Capacitores de papel y aceite..................58 Guarde este cupón: al juntar 3 deEl problema de la aislación .........................58 éstos, podrá adquirir uno de los videos de la colección por sólo $5Capacitores de poliéster y policarbonato...........58 Nombre: ________________________Capacitores de poliestireno ........................59 para hacer el canje, fotocopie este cupón yCapacitores cerámicos ...............................59 entréguelo con otros dos.
    • Capítulo 4Capítulo 4Asociación de Resistencias - Capacitores ASOCIACIÓN DE RESISTORES riores y, así, sucesivamente, has- En la figura 5 se tiene otro cir- ta terminar con el último resistor. cuito eléctrico del cual se desea A los fines de simplificar cir- Para el caso de la figura re- calcular la resistencia equivalen-cuitos electrónicos es necesario sulta, tomando a R1 y R2, lo si-conocer las características de guiente:las diferentes combinaciones de 6Ω . 6Ω 36Ωresistores para establecer com- Req1-2 = ___________ = ______ =ponentes equivalentes. Se dice 6Ω + 6Ω 12Ωque dos o más resistores estánen serie cuando por ellos circula Req1-2 = 3Ωla misma corriente, de manera Req1-2 . R3que no debe haber ninguna de- Req = _________________ = Fig. 1rivación en el camino que origi- Req1-2 + R3ne un cambio en la intensidad 3Ω . 3Ω 9de la corriente que circula por Req = __________ = ______ =ellos. En la figura 1, los resistores 3Ω + 3Ω 6R1, R2 y R3 están en serie. Req = 1,5Ω Resistencia equivalente: esuna resistencia que puedereemplazar a las del circuito, sin Veamos algunos casos deque se modifiquen los paráme- aplicación; para ello sea el cir-tros del mismo. Para calcular la cuito de la figura 3, y se desea Fig. 2resistencia equivalente de dos o calcular su resistencia equiva-más resistores en serie, simple- lente. Evidentemente, R1 no estámente se suman sus valores. En en serie con R2 ni con R3 debidoel caso anterior, la resistencia a la derivación en A, pero R2 y Fig. 3equivalente es: R3 están en paralelo pues están soldados en A y en B; por lo tan- Re = 100Ω + 120Ω + 100Ω = 320Ω. to, hallamos la Req de R2 y R3 con la fórmula dada anterior- En general, para resistores en mente:serie, la resistencia equivalente es: 120Ω x 40Ω Req 2-3 = _________ = Req = R1 + R2 + R3 + ... 120Ω + 40Ω Fig. 4 Se dice que dos o más resis- 4800 Req 2-3 = ______ = 30Ωtores están conectados en para- 160lelo cuando soportan la mismatensión eléctrica, y eso implica Luego, el circuito queda co-que los resistores estén conecta- mo lo muestra la figura 4. Se vedos a puntos comunes. Por claramente que ambos resisto-ejemplo, en la figura 2, R1, R2 y res están en serie, por lo cual:R3 están en paralelo porque lostres soportan la misma tensión Req= 10Ω + 30Ω = 40Ω Fig. 5(3V). Para calcular la resistenciaequivalente, usamos la siguientefórmula: Fig. 6 R1 . R2 Req = _____________ R1 + R2que sirve para dos resistores; lue-go, se vuelve a aplicar al tercerresistor con la resistencia equiva-lente de los dos resistores ante- 51
    • Asociación de Resistencias - Capacitores Fig. 7 serie con R2 ni con R3 o R4 debi- Fig. 10 do a que existe una derivación. Por el momento, calculamos la Req de R3 y R4: R3-4 = 60 + 30 = 90Ω ASOCIACI N DE PILAS Fig. 11 En muchas oportunidades ne- Fig. 8 cesitamos asociar pilas para co- nectarlas a un aparato electróni- co; así, no es lo mismo conectar polos negativos entre sí que polos de distinto signo. Por ejemplo, en el caso de una radio que lleva cuatro pilas, cuando éstas deben ser reemplazadas para poder ob- Fig. 12 Fig. 9 tener una tensión correcta, las cuatro pilas de 1,5V tienen que estar en serie, con el polo positivo haciendo contacto con el polo negativo de la otra. Así, los dos terminales que quedan libres se conectan al circuito y la tensión equivalente de las fuentes en se- rie es mayor que la de una sola dete. Observando la figura, con- ellas, tal como muestra la figura 8. Fig. 13cluimos que R1 y R2 están en pa- Las pilas pueden estar en serie,ralelo, así como R4 y R5; sus res- pero algunas de ellas pueden co-pectivas resistencias equivalen- nectarse al revés; entonces, la ten-tes son: sión es la diferencia entre las tensio- nes de las pilas conectadas en for- 60Ω . 60Ω ma directa y las de las pilas conec- R1 - 2 = __________ = 30Ω tadas en forma inversa, como ve- 60Ω + 60Ω mos en la figura 9. También pueden conectarse en rías es más lento, entonces la dura- 20Ω . 40Ω 800Ω forma paralela a una resistencia de ción es mayor; vale decir que las R4-5 = _________ = ______ = 13,3Ω carga y, en tal caso, la corriente to- "corrientes" de las pilas se suman, se- 20Ω + 40Ω 60Ω tal que pasa por ella es la sumatoria gún lo mostrado en la figura 11. de las corrientes que da cada pila Las tensiones de las pilas en opo- Luego, el circuito se reduce en forma separada. Cuando se co- sición se restan, tal como observa-al de la figura 6. nectan en forma paralela se tendrá mos en la figura 12. La conexión en Es fácil notar que los 3 resisto- especial cuidado en que la tensión paralelo solamente es posible si lasres están en serie (figura 7), y, en de las dos sean iguales, de lo con- tensiones de las pilas son iguales, su-consecuencia, su resistencia trario la pila de tensión más alta tra- madas las corrientes que ellas sumi-equivalente será: tará de "empujar" una corriente por nistran (figura 13). medio de la tensión más baja, y se- Req = 30 + 20 + 13,3 = 63,3Ω rá una corriente que pierde ener- gía, lo que como consecuencia POTENCIA EL CTRICA Debemos, ahora, calcular la traerá el deterioro de las pilas, co-resistencia equivalente del cir- mo se ve en la figura número 10. Se dice que energía es todocuito de la figura 7. Hallar la Req Una fuente solamente puede aquello que se mueve, capaz dede la combinación de resistores entregar una corriente máxima de- realizar un trabajo, sin importar cuálencerrada por la línea puntea- terminada; es por eso que se usan fuere. Por lo tanto, todo es energía,da. Observando el circuito ve- dos o más fuentes en paralelo, de es decir, la materia lleva implícita al-mos que R3 y R4 están en serie, manera que si se necesita una co- guna forma de energía por el soloya que por ellos circula la misma rriente mayor, se deberá conectar hecho de estar formada por áto-corriente y entre ellos no hay nin- dos o más fuentes de tensión en pa- mos en constante movimiento.guna derivación. R1 no está en ralelo. El agotamiento de las bate- En física, el trabajo está relacio- 52
    • Capítulo 4 Fig. 14 diferencia de Trabajo Eléctrico potencial apli- Potencia Eléctrica = ________________ cada en los tiempo extremos del conductor. También: De esta manera, se T V.Q Q P = ______ = ______ = V . ( ___ ) realizará un t t t Trabajo Eléctri- co debido a la En la fórmula anterior, lo que fi- energía que gura entre paréntesis (Q/t), es el co- adquieren los ciente entre la carga eléctrica que electrones im- circula y el tiempo durante el cual lo pulsados por está haciendo, lo que simboliza a lanado con la distancia que recorre una diferencia de potencial. A la corriente eléctrica I.una fuerza para mover un cuerpo. energía así desarrollada se la deno- Si reemplazamos este conceptoComo ejemplo podemos citar el mina: Energía Eléctrica, la cual de- en la fórmula anterior nos queda:trabajo que realiza una fuerza F pa- pende de la tensión aplicada alra mover un cuerpo M desde un conductor y de la cantidad de car- P=V.I (1)punto a hasta otro punto b, reco- ga transportada, es decir, de larriendo una distancia d, de acuerdo cantidad de electrones en movi- O sea que la potencia eléctricaa lo mostrado en la figura 14. miento. Matemáticamente: es el producto de la tensión aplica- El trabajo realizado se calcula da a un circuito multiplicada por lacómo: Energ a El ctrica = Tensi n . Carga El ctrica corriente que por él circula. En otras palabras, podemos decir que Po- T=F.d También: tencia Eléctrica es la cantidad de trabajo que realiza una carga por También realiza un trabajo un E=V.Q unidad de tiempo o el trabajo quecuerpo que cae desde una altura h desarrolla una carga para vencerdebido al propio peso P del cuerpo Como hemos estudiado en lec- una diferencia de potencial.que actúa como fuerza, según se ciones anteriores, la tensión se mide La unidad de potencia eléctricamuestra en la figura 15. en volt y la carga eléctrica en cou- es el watt y se la designa con la le- El cuerpo, al caer, es acelerado lomb. De estas dos unidades surge tra W. Podemos decir que en unapor la gravedad terrestre y alcanza la unidad de la Energía Eléctrica, carga se desarrolla una potenciasu máxima velocidad inmediata- que se denomina joule y se abrevia de 1W cuando se le aplica una ten-mente antes de chocar contra el con la letra J. sión de 1V y que por ella circula unasuelo. Además, su velocidad antes Podemos decir entonces que corriente de 1A, tal como muestrade comenzar su caída era nula, lo cuando se aplica a un circuito eléc- la figura 16.que significa que el cuerpo fue ad- trico una tensión de 1V transportán- En electrónica de potencia sue-quiriendo una energía como pro- dose una carga eléctrica de 1C, se le utilizarse un múltiplo del watt lla-ducto del trabajo realizado por la pone de manifiesto una energía mado kilowatt (kW), que representafuerza (cuerpo) al caer. A esta ener- eléctrica de 1J. 1.000W.gía se la denomina Energía Cinética En cambio, para la mayoría de(energía de movimiento) y es la 1J = 1V . 1C los circuitos electrónicos de peque-energía que ha adquirido el cuerpo ña señal, el watt resulta una unidadal realizar un trabajo, o sea: No es lo mismo que esta energía muy grande, razón por la cual se eléctrica se desarrolle en un tiempo emplean submúltiplos como el mili- Trabajo = Energ a Cin tica de 1s (1 segundo), que en 10s. watt (mW), que corresponde a la Cuanto menor sea el matemáticamente: Fig. 15 tiempo en que se ha de- T = Ec sarrollado la misma can- tidad de energía, mayor Como se sabe, la electricidad se será la potencia puestacompone de electrones en movi- en juego. Por lo dicho, semiento, por lo que podemos aplicar define Potencia Eléctricaun razonamiento análogo al recién como la cantidad deefectuado. Los cuerpos en movi- energía eléctrica desa-miento serán, en este caso, electro- rrollada dividida por elnes que poseen una carga eléctri- tiempo en que ha sidoca impulsados por una fuerza (fuer- desarrollada dicha ener-za electromotriz o tensión) que es la gía; matemáticamente: 53
    • Asociación de Resistencias - Capacitores mida es el producto de Fig. 16 la potencia puesta en luego: P = V . I = 12V . 0,5A = 6W juego durante un tiempo determinado. Si con una tensión de 12V apli- cada a una carga, se desea obte- ner una potencia de 300mW, C LCULO DE LA POTEN- ¿Cuál debe ser la corriente que CIA debe circular?. Del diagrama de la figura 17, Para calcular la po- como queremos calcular I, la tapa- Fig. 17 tencia eléctrica en cualquier circui- mos y nos queda: to basta con multiplicar la tensión aplicada por la corriente que circu- P I = _______ la. V El mismo concepto es aplicable para cualquier parte constituyente Reemplazando valores, tenien- de un circuito siempre que se co- do en cuenta que 300mW corres- nozcan las tensiones y corrientes co- ponden a 0,3W: rrespondientes. De la fórmula (1) puede obte- 0,3W I = _______ = 0,025A nerse el valor de la tensión presen- 12V te en un circuito, o parte de él, si se conocen la potencia y la Luego, por el circuito deberá cir- Fig. 18 corriente que circula. Des- cular una corriente de 25mA ( 25mA pejando: = 0,025A ). Si, para el mismo circuito, deseamos conocer ahora cuál es la P tensión que se debe aplicar para V = ______ I obtener una potencia de 300mW cuando circula una corriente de Puede calcularse la co- 100mA, aplicando el diagrama de rriente en cualquier parte la figura 17 y reemplazando valores, del circuito, cuando se co- podemos conocer el valor de dicha nocen la potencia y la ten- tensión:milésima parte del watt, o el micro- sión aplicada. De la fórmulawatt (µW), que representa a la millo- (1) se tiene: P 300mWnésima parte del watt. V = ______ = _______ = P I 100mA I = _______ 1kW = 1.000W V 1mW = 0,001W 0,3W 1µW = 0, 000001W En la figura 17 se ve el gráfico re- V = ______ = 3V presentativo de la Ley de Joule, 0,1A Suelen confundirse los concep- que, al igual que lo que ocurre contos de potencia y energía eléctrica, la Ley de Ohm, permite calcular un parámetro cuando se conocen los POTENCIA Y RESISTENCIAespecialmente cuando se trata demensurar el consumo eléctrico. otros dos. Analizando el ejemplo que he- Por ejemplo, una carga de 100W mos dado anteriormente, podemosconsume una energía eléctrica de APLICACI N DE LA LEY DE JOULE comprender que muchas veces nos100J por cada segundo de funcio- vamos a encontrar con circuitos ennamiento. De esta manera, luego Se desea calcular la potencia los cuales se conoce la tensión apli-de una hora (60s) habrá consumido que consume el resistor de la figura cada y el valor de la resistencia. Deuna energía igual a: 18, sabiendo que la tensión aplica- esta manera, en primer lugar debe- da es de 12V y la resistencia tiene mos encontrar el valor de la corrien- E = P . t = 100W . 60s = 6.000J un valor de 24Ω. te que circula por dicho resistor pa- Para resolver el problema prime- ra poder efectuar el cálculo de la Las compañías de electricidad ro calculamos la corriente que fluye potencia. Podemos evitar este pasofacturan a los usuarios la energía por el circuito. Aplicando la ley de sabiendo que en un resistor la co-consumida en un período, es decir, Ohm tenemos: rriente viene dada por:lo hacen en kilowatt-hora (kW-h) y V 12Vno en joule. De todos modos, el kW- I = _______ = _______ = Vh es una unidad de energía y no de R 24Ω I = ______potencia, ya que la energía consu- R I = 0,5A 54
    • Capítulo 4 Fig. 19 Según lo visto, la potencia que E2 32 disipa la carga del circuito de la fi- P = _____ = _________ gura 18 puede calcularse directa- R 90Ω mente, o sea: 9V P = _____ = 0,1W = 100mW E2 12V2 144V 90Ω P = ______ = ______ = ______ = 6W R 24Ω 24Ω Puede ocurrir que en un circuito, Como podemos observar, se ob- o parte de él, se conozca la corrien- tiene el mismo resultado si se aplica te y el valor de la resistencia que po- un cálculo directo. see la carga; luego, si se desea co- Queremos conocer ahora cuál nocer la potencia que maneja di- Luego, reemplazando el valor es la potencia que suministra la ba- cha carga y sabiendo que V = I . R,de la corriente en la fórmula de po- tería del circuito de la figura 19; pa- se tiene:tencia, tenemos: ra ello calculamos primero la resis- P = V . I = (I . R) . I = I . I . R E tencia total. Teniendo en cuenta P = E . ______ que las resistencias están en serie: P = I2 . R R De lo cual surge que: R = R1 + R2 = 70Ω + 20Ω = 90Ω Se obtiene así una forma más di- recta para calcular la potencia de Luego, aplicando la fórmula de una carga cuando se conoce su E2 potencia para las tensiones, se ob- valor de resistencia y la corriente P = ______ R tiene: que la atraviesa.Capacitores INTRODUCCCI N Al cargar de electricidad un con- ductor esférico, verificamos que las La tentativa de almacenar elec- cargas pueden comprimirse más otricidad en algún tipo de dispositivo menos según el diámetro del con-es muy antigua. Se tiene constancia ductor y también según la cantidadde que en 1745, simultáneamente, en que pretendemos colocar en esela Catedral de Camin (Alemania) y conductor.en la Universidad de Leyden (Holan- Eso significa que esa compresiónda), dos investigadores desarrollaron de las cargas almacenadas se mani- Fig. 1dispositivos cuya finalidad era alma- fiesta como potencial V. La carga Qcenar electricidad o, como se decía en un conductor de radio R manifies-entonces, "condensar" electricidad. ta un potencial V.La botella de Leyden, como se ve en Si intentamos colocar más cargasla figura 1, fue el primer "condensa- en el cuerpo, éstas aumentan el gra-dor" y dio origen, por su principio de do de compresión y, por consiguien-funcionamiento, a los modernos ca- te, el potencial también debe au-pacitores (o "condensadores" como mentar. Se verifica que, independien-todavía los denominan algunos) utili- temente del radio del conductor, enzados en aparatos electrónicos. La las condiciones indicadas existe una Fig. 2estructura de los componentes mo- proporcionalidad directa entre lasdernos es muy diferente de la que te- cargas que podemos almacenar y lanían los primeros, de 250 años atrás, tensión que se manifestará (figura 2). C = Q/V (1)pero el principio de funcionamiento Si el cuerpo tuviera un radio R y sees el mismo. carga con 0,01 coulomb (unidad de En estas condiciones, el conduc- carga), manifestará 100 volt y el mis- tor esférico funciona como "capaci- mo cuerpo manifestará 200 volt si se tor esférico". LA CAPACIDAD carga con 0,02 coulomb. Podemos La capacidad de almacena- Para entender cómo un conduc- entonces definir una magnitud llama- miento de carga depende del radiotor eléctrico puede almacenar elec- da "capacidad" como la relación en- del conductor, y este tipo de disposi-tricidad, imaginemos la situación si- tre la carga almacenada (Q) y la ten- tivo no es de los más apropiados pa-guiente que puede ser el tema de sión a que se encuentra (V). Escribi- ra los usos electrónicos, pero veremosuna experiencia práctica: mos entonces: más adelante cómo hacer algunos 55
    • Asociación de Resistencias - Capacitores capacitor básico de placas paralelas Fig. 18Fig. 3 se ve en la figura 4. Consiste de dos placas de mate- rial conductor separadas por material aislante denominado dieléctrico. El símbolo usado para representar este tipo de capacitor recuerda mucho su disposición real y se muestra en la mis- ma figura. Hay capacitores con dispo-cálculos interesantes que lo tienen en siciones diferentes, pero como la es-cuenta. Nos interesa ahora la cons- tructura básica se mantiene (un ais-tancia de la relación Q/V que define lante entre dos conductores) el sím-la capacidad cuya unidad es el Farad bolo se mantiene por lo general con(F). Un capacitor (no necesariamente pocas modificaciones.esférico) tendrá una capacidad de 1 Cuando conectamosFarad si almacena la carga de 1 Cou- la estructura indicada alomb y tiene 1 volt de tensión. un generador, como se ve (Usamos la palabra tensión y no en la figura 5, las cargaspotencial pero el lector sabe que en fluyen hacia las placas deeste caso la diferencia no importa manera que una se vuel-porque la unidad es la misma - Figura va positiva y la otra nega- Fig. 53). En la práctica, una esfera con la tiva.capacidad de 1 Farad debiera ser Se dice que el capacitor tiene una Para un capacitor plano como elenorme, de manera que los capaci- placa (armadura) positiva y otra negati- indicado, la capacidad puede calcu-tores que usamos en los aparatos tie- va. larse en función de las característicasnen capacidades que son submúlti- Aun después de desconectar la físicas, a saber: superficie de las pla-plos del Farad. batería, como se mantienen las car- cas, distancia entre ellas y naturaleza Tres son los submúltiplos del Farad gas, por efecto de la atracción mu- del aislante.que más se usan: tua, en las armaduras el capacitor, se Podemos aplicar la fórmula si- - Microfarad (µF) que es la millonési- dice que éste está "cargado". guiente:ma parte de 1 Farad o 0,000001 Farad Como la carga en Coulombs de-que representado en forma exponen- pende no sólo de la capacidad sino C = ε A/d (3)cial es 10-6 Farad. también de la tensión del generador, - Nanofarad (nF) que es la billonési- para calcularla es necesaria la rela- donde:ma parte del 1 Farad o 0,000000001 Fa- ción: C es la capacidad en Farad (F)rad y 10-9 Farad en forma exponencial. d es la distancia entre placas en - El picofarad (pF) que es la trilloné- C = Q/V metrossima parte de 1 Farad o 0, A es la superficie de las placas en000000000001 Farad o 10-12 Farad. Es así que si un capacitor de 100µF metros cuadrados Vea que de la relaciones indica- (100 x 10-6) se conecta a un generador ε es una constante que dependedas se tiene que: de 100 volts, la carga será: de la naturaleza del dieléctrico. - 1 nanofarad equivale a 1.000 pi- El valor depende del material con-cofarad (1nf = 1.000pF) Q = CV (2) siderado. 1 microfarad equivale a 1.000 nano- Q = 100 x 100 x 10-6 Ese valor puede calcularse me-farad (1µF = 1.000nF) Q = 10.000 x 10-6 diante la fórmula: - 1 microfarad equivale a 1.000.000 Q = 104 x 10-6picofarad (1µF = 1.000.000pF) Q = 10-2 = 0,01 Coulomb ε =εo.K (4) Acostúmbrese a convertir estasunidades, porque aparecen con mu- Para descargar un capacitor bas- donde:cha frecuencia en los trabajos de ta interconectar las armaduras me- ε o es la pérmisividad del vació yelectrónica. diante un alambre. Las cargas negati- vale 8,85 x 10-12 F/m vas (electrones) de la armadura ne- K es la constante dieléctrica y de- gativa pueden fluir a la positiva neu- pende del material usado. CAPACITORES PLANOS tralizando así sus cargas. Vea qe no importa cuál es Puede obtenerse una capacidad el capacitor pues la cantidadmucho mayor con una disposición de cargas de una armadura esadecuada de los elementos conduc- igual a la cantidad de cargastores. Con eso, una cantidad mucho de la otra; sólo es diferente la Fig. 6mayor de cargas puede almacenarse polaridad.en un volumen menor, dando así un En la descarga, la neutrali-componente de uso más práctico. Un zación es total (Figura 6). 56
    • Capítulo 4 LA ENERGŒA ALMACENADA tella de Leyden y ca- Fig. 7 EN UN CAPACITOR pacidades miles de veces mayores. Para obligar a una cierta cantidad Estos son los ca-de cargas a permanecer en un capa- pacitores que encon-citor debemos gastar una cierta can- tramos en los apara-tidad de energía. En realidad esa tos eléctrónicos y queenergía que se gasta para colocar las pueden variar muchí-cargas en el capacitor queda dispo- simo en forma y valor.nible para usarla en el futuro, queda Fig. 8 Estudiaremos en es-almacenada en el capacitor. Cuan- ta lección lo que suce-do descargamos un capacitor me- de cuando conecta-diante un conductor que presenta mos varios capacitorescierta resistencia, como muestra la Fi- entre sí y los distintos ti-gura 7, la energía que estaba conte- pos de capacitoresnida en el capacitor se disipa en for- que encontramos en lama de calor. práctica. Puede imaginarse la carga del ca-pacitor con el gráfico de la figura 8.Vea que a medida que va aumentan- ASOCIACI N DEdo la cantidad de carga, debemos CAPACITORESforzarlas cada vez más y eso implica La capacidad equivalente es ma-una elevación de tensión. Podemos obtener un efecto ma- yor que la capacidad del mayor ca- El área de la figura hasta el punto yor o menor de almacenamiento de pacitor asociado.en que dejamos de cargar el capaci- cargas, según se asocien distintos ca- pacitores, del mismo modo que obte- b) Asociaci n detor, representada por W en la figura nemos efectos diferentes de resisten- capacitores en seriecorresponde a la energía almacena- cias al asociar resistores. En la asociación en serie de capa-da en el capacitor. Podemos calcular Los capacitores pueden conec- citores, éstos se conectan como sela energía a partir de dos fórmulas: tarse en serie o en paralelo. muestra en la figura 10. W = 0,5 x Q x V (5) La armadura positiva del primero o a) Asociaci n de pasa a ser la armadura positiva del W = 0,5 x C x V2 (6) capacitores en paralelo equivalente; la negativa del primero Decimos que dos o más capacito- se une a la positiva del segundo; la Donde: negativa del segundo da la positiva W es la energía de Joule (J) res están asociados en paralelo cuan- do sus armaduras están conectadas del tercero y así sucesivamente hasta Q es la carga en Coulomb (C) que la negativa del último queda co- C es la capacidad en Farad (F) de la manera siguiente: las armaduras positivas están conectadas entre sí mo la armadura negativa del capaci- V es la tensión en Volt (V) tor equivalente. para formar la armadura positiva equivalente al capacitor; las armadu- Vea que si conectamos de esta Podemos comparar un capacitor ras negativas están conectadas entre manera un conjunto cualquiera decargado a un resorte comprimido. sí y forman la armadura negativa capacitores (aun de valores total-Gastamos energía (potencial) para equivalente al capacitor, según mues- mente diferentes) ocurre un procesocomprimir el resorte, éste "guarda" esa tra la figura 9. Vea el lector que en de inducción de cargas, de modoenergía que luego puede usarse para esas condiciones los capacitores que- que todas las armaduras queden conponer en movimiento un mecanismo. dan sometidos todos a la misma ten- las mismas cantidades (figura 11). Se-Es claro que, según veremos, la canti- sión (V) cuando se cargan. Las cargas gún el valor del capacitor (capaci-dad de energía que puede almacenar dependen de las capacidades. dad) la tensión hallada tendrá valoresun capacitor no es grande y entonces La capacidad equivalente en es- diferentes.su utilidad como fuente de energía es ta asociación está dada por la suma Puede darse la fórmula:muy restringida, pero este componen-te tiene otras propiedades que son de de las capacidades asociadas. C1 = Q/V1; C2 = Q/V2; C3 = Q/V3...gran utilidad en electrónica. C = C1 + C2 + C3 + ... + Cn (7) Cn = Q/Vn Se pueden deducir las siguientes Como la suma de las tensiones de LOS CAPACITORES EN LA PR CTICA propiedades de la asociación de ca- estos capacitores asociados debe ser pacitores en paralelo: A diferencia de la botella de Ley- - Todos los capacitores Fig. 9den que nada tenía de práctica por quedan sometidos a la mismasus dimensiones y propiedades, los ca- tensión.pacitores modernos son compactos y - El mayor capacitor (el deeficientes, con volúmenes centenas mayor capacidad) es el quede veces menores que la antigua bo- más se carga. 57
    • Asociación de Resistencias - Capacitores C1 es el valor de cada uno de pacitor puede mantener indefinida-Fig. 10 los capacitores asociados. mente la carga de sus armaduras. n es el número de capacitores. Una resistencia, por grande que sea, deja pasar una cierta corriente y una b) Paralelo: C = n x C1 corriente es un flujo de cargas queFig. 11 donde acaba por descargar el capacitor. Un C, C1 y n son los del caso ante- capacitor que tenga una resistencia rior. por debajo de los límites tolerados en las aplicaciones prácticas se dice que tiene una "fuga". CAPACITORES DE PAPEL Y ACEITE Volviendo a los capacitores dela tensión en las armaduras del capa- papel y aceite, éstos se usan en los cir-citor equivalente; podemos escribir: En muchos aparatos antiguos, cuitos de bajas frecuencias y corrien- V = V1 + V2 + V3 + ... + Vn principalmente en radios y televisores tes continuas. de válvulas, pueden encontrarse con Reemplazando el valor de V en el aspecto que se ve en la figura 12.cada una de las expresiones de ca- Son capacitores tubulares de papel o CAPACITORES DE POLI STER Ypacidad: aceite (el tipo viene marcado normal- POLICARBONATO mente en el componente). Para fabri- V = Q/C1 + Q/C2 + Q/C3 + ... + Q/Cn car estos capacitores se enrollan al- El poliéster y el policarbonato son Sacando Q como factor común: ternadamente dos hojas de aluminio termoplásticos que presentan exce- que forman el dieléctrico y se coloca lentes propiedades aislantes y buena V = Q (1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn) entre ellas un aislante que puede ser constante dieléctrica, por lo que sir- Dividiendo por Q ambos miembros una tira de papel seco (en el tipo de ven para la fabricación de capacito-de la igualdad, tenemos: papel) o de papel embebido en acei- res. En la figura 13 tenemos algunos ti- te (en el caso de los capacitores de pos de capacitores hechos con esos V/Q = 1/C1 + 1/C2 = + 1/C3 aceite). Esos capacitores, así como materiales y que pueden ser planos o V/Q = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... + 1/Cn los otros, presentan dos especificacio- tubulares. nes: En el tipo plano, las armaduras se Pero: a) La capacidad que se expresa depositan en las caras de una pelícu- en microfarads (µF), nanofarads (nF) y la de dieléctrico, entonces se obtiene V/Q es 1/C picofarad (pF) y que puede variar en- una estructura que recuerda la aso- Luego: tre 100pF (o,1nf) hasta 1µF. ciación de muchas capas de capaci- b) La tensión de trabajo que es la tores planos. En la disposición tubular,1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ... + 1/Cn (8) tensión máxima que puede aplicarse un filme de poliéster o de policarbo- entre armaduras sin peligro de que se nato tiene en sus caras depositada De esta fórmula podemos deducir rompa el dieléctrico. Esta tensión va- una fina capa de conductor (alumi-las siguientes propiedades de la aso- ría, en los tipos comunes, entre 200 y nio) que hace las veces de dieléctri-ciación en serie de capacitores: 1.000 volt. co. Las especificaciones fundamenta- Los capacitores de papel y aceite les de estos capacitores son: -Todos los capacitores quedan con pueden tener hasta una tolerancia de a) Gama de capacidades com-la misma carga. 10% a 20% y presentan las siguientes prendida entre 1nF y 2,2µF o más. - El menor capacitor queda someti- características principales: b) Banda de tensiones de trabajodo a la mayor tensión. - Son relativamente chicos en rela- entre 100 y 600 volt. - La capacidad equivalente es me- ción a su capacidad. c) Tolerancia de 5%, 10% y 20%.nor que la capacidad del menor capa- - Tienen buena aislación a tensiones Otras características de interéscitor asociado. altas. son: - Todos los capacitores se cargan y - Pueden obtenerse en una banda - Buena gama de valores en di-descargan al mismo tiempo. buena de altas tensiones. mensiones reducidas del elemento en - Su gama de valores es apropiada relación a la capacidad. para la mayoría de las aplicaciones - Gama de tensiones elevadas. Conclusi n electrónicas. - aislación muy buena, común- Dos casos particulares son intere- Vea que la aislaciónsantes en las asociaciones en serie y es un problema que me-en paralelo de capacitores. rece estudiarse en deta- Cuando los capacitores son igua- lle:les, la asociación puede tener la ca-pacidad equivalente calculada con El problema de la ais-más facilidad por las fórmulas siguien- laci ntes: Ningún dieléctrico es a) Serie: C = C1/n perfecto. No existe un donde aislante perfecto, lo que C es la capacidad equivalente. significa que ningún ca- Fig. 12 58
    • Capítulo 4 puede enrollarse ni do- que garantiza la obtención de capa- blarse como los aislan- cidades muy elevadas. tes plásticos. Pero aun Los electrolíticos tienen una carac- así tenemos una buena terística más en relación a los otros variedad de capacito- capacitores: la armadura positiva de- res cerámicos, como se be cargarse siempre con cargas de ve en la figura 15. ese signo. Si hubiera inversión de las Las especificacio- armaduras, podría destruirse la pelícu- nes de estos capacito- la dieléctrica y quedar inutilizado el res son las siguientes: capacitor.Fig. 13 a) capacidades en Las principales características son: la gama de 0,5pF hasta a) Capacidades en la gama de 1µF 470nF, a 220.000µF. b) banda de tensio- b) Tensiones de trabajo entre 12 y nes de operación des- 1.000V.mente por arriba de 20.000MΩ. de 3V hasta 3.000V o más, c) Tolerancia entre -20% y +50% co- - Banda de tolerancias según las c) tolerancias entre 1% y 5,0%. múnmente.aplicaciones prácticas en electróni- Otras características de importan- En la figura 17 vemos algunos tiposca. cia son: comunes de capacitores electrolíti- Los capacitores de poliéster y poli- - Relativamente chicos en relación cos, obsérvese su polaridad. Otras ca-carbonato pueden usarse en circuitos a la capacidad. racterísticas importantes de estos ca-de bajas frecuencias, corrientes conti- - Banda relativamente amplia de- pacitores son:nuas y aplicaciones generales. tenciones de trabajo. - Tamaño pequeño en relación a la - Son adecuados para operar en capacidad alta. circuitos de altas frecuencias. - Banda de capacidades que llega CAPACITORES DE POLIESTIRENO - Banda de tolerancia buena para a valores muy altos. aplicaciones que exigen precisión. - La corriente de fuga es relativa- El poliestireno también es un ter- Estos capacitores son de los más mente alta o sea que la aislación no esmoplástico que tiene excelentes pro- utilizados en las aplicaciones prácti- excelente.piedades aislantes, que puede apare- cas de electrónica y se los encuentra - Son polarizados (debe respetarsecer con nombres diversos según el fa- en los circuitos de altasbricante, como: STYRON, LUSTREX, RE- frecuencias, audio yXOLITE, POLYPENCO. también de corriente En la figura 14 vemos el aspecto continua.de estos capacitores. Fig. 14 Estos capacitores pueden tenerestructura plana o tubular. Las especi- CAPACITORESficaciones básicas son: ELECTROLŒTICOS a) Capacidad entre 10pF y 10nF. b) Tensiones entre 30 y 500 volt. Los capacitores elec- c) Tolerancias entre 2,5% y 10%. trolíticos o electrolíticos Otras características importantes de de aluminio son, de to-estos capacitores son: dos, los que tienen una - Tamaño reducido en relación a la técnica de construccióncapacidad. muy diferente y es por - Buena estabilidad térmica. eso que se los encuentra - Tensiones de trabajo altas. en una gama de valores Fig. 15 - Tolerancia baja (2,5%). muy determinada. En la - Aislación muy alta: normalmente figura 16 tenemos lapor arriba de 100.000 MΩ. construcción interna típi- - Adecuados para operar en circuitos ca de un electrolítico dede altas frecuencias. aluminio con fines didác- Estos capacitores son especial-ticos.mente indicados para los circuitos de En contacto con unaRF (radiofrecuencia) y aplicacionessustancia electrolítica, elque exijan alta estabilidad. aluminio es atacado y se forma en su superficie una película aislante. Este ma- CAPACITORES CER MICOS terial presenta una cons- tante dieléctrica muy alta, Fig. 16 La cerámica presenta excelentes pero su espesor es de sólopropiedades dieléctricas, pero no milésimos de milímetro, lo 59
    • Asociación de Resistencias - Capacitores capacidad una vez, para llegar al esos dos valores. Un problema que punto deseado de funcionamiento y hay que analizar en este tipo de ca- dejarlo después de esta manera, inde- pacitor es que el ajuste excesivo del finidamente. tornillo o también problemas mecáni- b) Los capacitores variables en los cos, no permiten una precisión de que alteramos continuamente la ca- ajuste muy grande, lo que lleva a que pacidad, siempre que deseamos alte- se usen en casos menos críticos. Para rar el funcionamiento del circuito. los casos más críticos existen trimmers de precisión. Capacitores regulablesFig. 17 Tal como estudiamos, la capaci- D nde usar los trimmers dad presentada por un capacitor Existen casos en los que necesita- depende de algunos factores. mos regular el punto de funciona- a) Tamaño de las placas (área). miento de un circuito después de ha- b) Separación entre las placas. berlo montado, sin que sea posible es- c) Existencia o no de un material tablecer la capacidad exacta quela polaridad de la placa o armadura). entre las placas (dieléctrico). Vea la fi- debemos usar, con antelación, como - La capacidad aumenta a medi- gura 18. para poder usar un capacitor fijo. Nor-da que el capacitor envejece. Podemos variar la capacidad de malmente los trimmers aparecen en - Tiene una duración limitada. un capacitor si alteramos cualquiera los circuitos que operan en frecuen- - La capacidad varía ligeramente de esos factores, pero por cierto exis- cias elevadas, como receptores ycon la tensión. ten algunos en los que esa tarea resul- transmisores, en los que es preciso ha- Los capacitores electrolíticos no se ta más fácil. En el caso de los capaci- cer un ajuste del punto de funciona-usan en circuitos de altas frecuencias; tores ajustables o regulables, pode- miento de circuitos que determinan lase usan en circuitos de frecuencias mos variar la capacidad para modifi- frecuencia de operación. Encontra-bajas, uso general y corriente conti- car dos de esos factores, según el tipo mos los trimmers en los siguientes tiposnua. de componente. El tipo más común de aparato: de capacitor ajustable es el "trimmer" de base de porcelana, que tiene la Radio, Transceptores, Transmisores, CAPACITORES VARIABLES Y AJUSTABLES construcción que se muestra en la fi- Generadores de señales, Oscila- gura 19. En este "trimmer" tenemos dores de alta frecuencia En determinadas aplicaciones, una base de porcelana en la que es-necesitamos disponer de capacitores tán montadas dos placas (armadu- Tensi n de trabajocuya capacidad pueda ser alterada ras), una de las cuales es fija y la otra Del mismo modo que los capaci-en una cierta franja de valores, por móvil. El dieléctrico es una fina hoja tores fijos, los trimmers también tienenmotivos diversos. Podemos dar el de plástico o mica, colocada entre limitaciones en relación a la tensiónejemplo de un proyecto en el que el las armaduras. máxima que puede existir entre sus ar-funcionamiento, por ser crítico, no nos Un tornillo permite el movimiento maduras. Tensiones mayores que laspermite establecer con exactitud de la armadura móvil, para que se especificadas por los fabricantes pue-cuál es la capacidad que necesita- aproxime o aleje de la armadura fija.mos para llevar el circuito al compor- Con la aproximación (menor dis-tamiento deseado. Podemos calcular tancia) tenemos una capacidad ma- Fig. 18con cierta aproximación el valor de yor y con el alejamiento (distanciaesta capacidad y después ajustar su mayor) tenemos una capacidad me-valor para tener el comportamiento nor, estos capacitores permiten varia-deseado. En este caso precisamos un ciones de capacidad en una propor-capacitor ajustable o regulable. Otra ción de 10:1. Es común tener un capa-aplicación es el caso en que durante citor de este tipo en que la capaci-el funcionamiento del aparato debe- dad mínima obtenida es de 2pF y lamos cambiar la capacidad de un ca- máxima de 20pF, al pasar de la posi-pacitor para que cambie el compor- ción del tornillo totalmente flojo (de-tamiento según nuestras necesida- satornillado - aleja-des. Es el caso en el que debemos miento máximo) a lausar un capacitor variable, como en de fuertemente apre-la sintonía de un aparato de radio pa- tado (alejamiento mí-ra cambiar de estación en el momen- nimo). Los trimmers re-to querido. Separamos entonces los sultan especificadoscapacitores que pueden cambiar de por la banda de capa-valor según nuestra voluntad en 2 gru- cidades en que se en-pos. cuentran. Un trimmer 2- 20pF es un trimmer en a) Los capacitores regulables, en los Fig. 19 el que podemos variarque prácticamente sólo alteramos la la capacidad entre 60
    • Capítulo 4 ble común, del tipo deno- biera estar entre 0 y un cierto valor minado "con dieléctrico máximo dado por la cantidad de de aire", pues ningún ais- placas y otros factores. Y con las pla- lante especial existe entre cas todas abiertas (armadura móvil) las placas del conjunto todavía con un efecto residual se móvil y fijo. manifiesta una cierta capacidad. El conjunto de placas Esta capacidad se denomina resi- móviles se acciona media- dual y está especificada en los ma- ne un eje, para penetrar nuales de los fabricantes. en el conjunto de placas fijas en forma recta. Banda de valores Fig. 20 A medida que el con- Básicamente, los capacitores va- junto de placas penetra riables se encuentran en dos franjas en la parte fija, aumenta de valores determinadas por las apli-den causar la ruptura del material la superficie efectiva y con eso la ca- caciones más comunes. Tenemos lasusado como dieléctrico y así inutilizar pacidad presentada por el compo- variables de mayor capacidad queel componente. nente. Con el capacitor abierto, es pueden tener valores máximos entre decir, las placas móviles fuera de las 150pF y 410pF y que se usan en radios Capacitores variables placas fijas, el capacitor tiene una de ondas medias y cortas, o transmi- El principio de funcionamiento de capacidad mínima. Con el capacitor sores para la misma banda. En ellos,los capacitores variables es el mismo cerrado, tenemos la capacidad má- tenemos conjuntos de 10 a 20 placasque el de los trimmers. La diferencia xima. que forman las armaduras. Para laestá en el hecho de tener un acceso Las dimensiones de las placas fijas banda de FM los variables son de ca-más fácil al conjunto de placas móvi- y móviles, además de su cantidad y pacidad mucho menor, normalmen-les de modo que alteramos la capa- separación, determinan la variación te con máximos inferiores a 50pF, és-cidad en cualquier momento. En la fi- de capacidad que se puede obte- tos están formados por un númerogura 20 tenemos un capacitor varia- ner: teóricamente, la variación de- mucho menor de placas.Por qué aparecieron los Transistor esE l transistor es el elemento más im- menta la revolución digital: el transis- vestigaciones que lo llevaron a in- portante de los dispositivos semi- tor. ventar la bombilla incandescente. conductores, pues es el “ladrillo” Hace más de 50 años, el 23 de di- Lee de Forest encontró que una re-con el que se construye el edificio de ciembre de 1947, científicos de los jilla de alambre electrificada origina-la tecnología electrónica moderna. Laboratorios Bell demostraron que un ba un flujo de electrones cuando se dispositivo construido con base en la colocaba dentro de un tubo o vál- materiales sólidos, podía comportar- vula de vacío. COMIENZA LA REVOLUCI N DIGITAL se de forma prácticamente idéntica Dicho flujo podía ser controlado a las válvulas de vacío, pero sin sus de distintas maneras: se le podía in- Intel es la empresa que fabricó por inconvenientes. terrumpir, reducir o incluso detenerprimera vez un microprocesador, una Por su descubrimiento, William por completo; así por ejemplo, unapastilla de circuito integrado que Shockley, John Bardeen y Walter muy baja corriente de electrones encontiene todos los elementos nece- Brattain fueron acreedores al Premio la entrada del tubo llegaba a sersarios para realizar los complejos cál- Nobel de Física en 1956. amplificada por éste, a fin de produ-culos numéricos y lógicos que se eje- cir una intensa corriente en la salida,cutan en una computadora. Nos re- por lo que este dispositivo fue utiliza-ferimos al ya legendario 4004, un mi- EN EL PRINCIPIO FUE LA V LVULA DE VA Œ C O do en televisores, radios y en cual-croprocesador con apenas 2.300 quier otro equipo electrónico en eltransistores, pero con la misma capa- El transistor desplazó a otro gran que se requiriera aumentar el nivelcidad de cómputo que la ENIAC, la dispositivo, en el que descansó por de una señal de entrada.primera computadora (1947), la cual décadas la incipiente tecnología Con todo este potencial en el con-contenía unas 18 mil válvulas, ocu- electrónica: la válvula triodo, inven- trol de la electricidad, el hombre pu-paba una habitación entera para al- tada en 1906 por Lee De Forest, do manejar señales electrónicas ybergar sus gigantescas proporciones quien a su vez se apoyó en la válvu- así surgieron y se desarrollaron nue-y pesaba 30 toneladas. Pero los mi- la diodo, inventada en 1905 por John vas formas de comunicación comocroprocesadores no son sino un eco A. Fleming, que se basó en un fenó- la radio y la televisión, y nuevoso resultado de otro invento sobre el meno (el efecto Edison) descubierto avances tecnológicos, como el ra-que en última instancia se funda- por Tomas A. Edison durante las in- dar y las primeras computadoras. 61
    • Asociación de Resistencias - Capacitores SURGE EL TRANSIS- Fig. 1TOR A B C El primer transistorfue construido enuna base plásticaen forma de C, en lacual se montarondos piezas de unelemento por en-tonces no muy conocido, el germa- te. Entre los semiconductores más co- cristal semiconductor es capaz denio, sostenidas por un resorte elabora- munes pueden mencionarse el silicio conducir electricidad cuando se dado a último momento con un clip de y el germanio, que tienen aproxima- la presencia de impurezas. Con baseoficina. De los terminales de esta es- damente un electrón libre por cada en ello, fue diseñado un método detructura salían delgados hilos de oro, mil átomos; esto contrasta con el co- control de electrones o huecos en unque hacían las veces de conectores bre, que suministra un electrón por cristal, que los científicos de los labo-para la entrada y salida de señales. cada átomo. ratorios Bell consideraron en el inven-Con este dispositivo los investigadores Una investigación específica sobre to del transistor. Dependiendo del ti-pudieron amplificar señales de igual las propiedades eléctricas de los se- po de impurezas introducidas en elforma como lo hubieran hecho con miconductores, fue lo que condujo al cristal, existen dos tipos de material: eluna válvula triodo; y no había necesi- desarrollo del transistor. Con el propó- material tipo N o negativo y el mate-dad de una envoltura de cristal al va- sito de apreciar el comportamiento rial tipo P o positivo. Estos materialescío, de filamentos incandescentes o eléctrico de una de estas sustancias, se combinan entre sí para construir di-de elevadas tensiones de operación. veamos la figura 1A. versos tipos de dispositivos, el más co- En efecto, el transistor (llamado así Podemos observar un cristal de ger- mún de todos ellos es el transistor bi-debido a que transfiere la señal eléc- manio (o silicio) que tiene en su capa polar, cuya operación explicaremostrica a través de un resistor) pudo rea- externa cuatro electrones, llamados a continuación.lizar las mismas funciones del tubo al “electrones de valencia”, que envacío, pero con notorias ventajas: no conjunto enlazan a los átomos. Preci-sólo sustituyó el complejo y delicado samente, como todos los electrones PRINCIPIO DE OPERACI N DE UN TRANSIS-tubo por un sencillo montaje que se encuentran ocupados en unir a los TORconsiste básicamente en un conjunto átomos, no están disponibles parade finos alambres bigotes de gato , generar electricidad. A los transistores con las caracterís-acoplado en un pequeño cristal se- Supongamos que alguna impureza ticas citadas se les denomina “bipola-miconductor, sino que hizo innecesa- con cinco electrones en la órbita de res” y su estructura interna es como seria la condición de vacío. Además, valencia entra al cristal (fósforo). Esto muestra en la figura 2A. Note que seno requería de previo calentamiento provoca que cuatro de los electrones forma con tres capas alternadas depara empezar a funcionar, ni de un formen enlaces con los átomos de material semiconductor: una N, otra Pgran volumen para su encapsulado; germanio, pero el quinto queda libre y finalmente otra N (es por ello que sesu estructura fija hacía de él un dispo- para conducir la corriente (figura 1B). les llama NPN). Observe también quesitivo más confiable y duradero; y su Otro caso similar muy interesante, es al terminal conectado en la parte su-consumo de energía era insignifican- el del átomo de boro introducido en perior del dispositivo se le denominate. el cristal de germanio (figura 1C). El “colector”, a la capa intermedia “ba- La conducción de electricidad en átomo de boro es una impureza con se” y a la inferior “emisor”. Veamosun sólido depende del grado de liber- tres electrones de valencia. cómo funciona el conjunto.tad de sus electrones. Aquí, uno de los puntos necesarios En primer lugar, para que un transis- Los conductores son materiales que para la unión con los átomos de ger- tor funcione tiene que estar polariza-poseen uno o dos electrones en la manio está ausente; se crea enton- do en cierta forma; en el caso quecapa externa de los átomos que lo ces un estado de desequilibrio, don- nos ocupa (transistor NPN), esta pola-forman. de alguno de los átomos de la estruc- rización implica un voltaje positivo Los llamados “aislantes” son ele- tura tan sólo cuenta con siete elec- aplicado entre colector y emisor ymentos que, como en el caso del trones, lo que deja un espacio libre una alimentación positiva de peque-azufre, por tener sus electrones con- que puede ser llenado con un elec- ña magnitud entre base y emisor (fi-tenidos en estrechos enlaces con los trón viajero. Por consecuencia, la fal- gura 2B). Cuando esto sucede y lanúcleos y con otros átomos, no con- ta de un electrón (a la que se consi- polarización de base es inferior a laducen electricidad. dera una entidad física y se le deno- tensión de ruptura del diodo formado Pero existe un tercer tipo de mate- mina “hueco”) posee todas las pro- entre base y emisor, la tensión entreriales que no se comporta ni como piedades de esta partícula; es decir, colector y emisor forma un campoconductores ni como aislantes puros: tiene masa y carga; aunque, como eléctrico considerable en el interiorlos semiconductores; esporádica- está ausente, su carga es positiva en del dispositivo; pero como se enfrentamente, éstos proporcionan un elec- vez de negativa. a una estructura semejante a un dio-trón libre o un espacio hueco para De acuerdo con este comporta- do invertido, no puede haber un flujopermitir la conducción de la corrien- miento, se pudo establecer que un de corriente entre el colector y el 62
    • Capítulo 4 comportamiento de riedad de dispositivos, que pueden ir tales dispositivos resul- desde diodos hasta transistores de ta prácticamente efecto de campo. Gracias a ello, el idéntico al anterior, só- transistor pudo ser reducido hasta al- lo varía el sentido de canzar la dimensión de unas cuantas las tensiones de polari- micras, es decir, una milésima de milí- zación aplicadas en metro. los terminales. Vea en Cabe hacer la aclaración de que, la figura 4D la simbolo- para que estos circuitos sean capa- gía con que se identi- ces de realizar cálculos matemáticos fica a los transistores complejos en fracciones de segundo, bipolares tipo NPN y se aprovecha una característica muyFig. 2 PNP. especial de los transistores: su capaci- dad de funcionar como llaves o inte- rruptores de corriente o tensión; esto TRANSISTORES CONTENI- es, un transistor puede presentar dos DOS estados básicos: uno de conducción EN OBLEAS DE SILICIO y otro de no conducción. A esta apli- cación de los transistores se le deno- Ya desde fines de mina electr nica digital . los 50 se advertía que la miniaturización de los transistores podía SURGEN LOS MICROPROCESADORES alcanzar niveles ex- traordinarios. Precisa- Intel es la empresa pionera en la fa- mente, en 1958 en los bricación de microprocesadores. Fue laboratorios Fairchild fundada en 1968 por Gordon E. Moo- por primera vez se lo- re, Andrew Grove y Ted Hoff, quienes gró algo que parecía previamente habían trabajado para imposible: en la super- IBM y/o Fairchild y, por lo tanto, teníanemisor. Sin embargo, se tiene una ficie de un bloque de silicio se graba- experiencia en la fabricación en seriecondición tal de excitación de los ron varios dispositivos a la vez, conec- de circuitos integrados, lo que les per-electrones y huecos en el dispositivo, tados entre sí para realizar un trabajo mitió manufacturar los primeros chipsque bastaría con cualquier impulso en conjunto, y se introdujo este cristal de memoria RAM. En 1970, una firmaexterno para que el conjunto entrara semiconductor en un encapsulado japonesa fabricante de calculadorasen conducción. único, de tal manera que se podía electrónicas (Busicom) los contactó Este impulso proviene justamente manejar como un bloque funcional. para que desarrollaran trece nuevosde la corriente aplicada en la base, Fue así como nacieron los circuitos in- circuitos integrados que serían el co-misma que se dispara al momento en tegrados, siguiente paso en la evolu- razón de su nueva línea de modelos.que la tensión aplicada en la base su- ción de la tecnología electrónica. Enfrentados a este compromiso, lospera el punto de ruptura antes men- Más adelante, las técnicas de fabri- ingenieros de Intel advirtieron que nocionado; entonces, la corriente que cación de cristales de silicio mejora- tendrían el tiempo suficiente para de-circula entre base y emisor provoca ron, la producción de máscaras de sarrollar los trece circuitos individua-una avalancha de electrones entre grabado se depuró y se desarrollaron les; pero a dos de sus fundadores e in-colector y emisor. Pero esta avalan- nuevos e ingeniosos métodos para el vestigadores más brillantes (Ted Hoff ycha no es desordenada, sino que de- dopado de los materiales semicon- Gordon E. Moore), se les ocurrió lapende muy estrechamente de la ductores. idea de crear un núcleo común quecantidad de electrones que circulen Fue posible, entonces, fabricar cir- sirviera a los trece modelos por igual;a través de la base (figura 2C); de he- cuitos integrados mediante un proce- y los pequeños cambios que atendie-cho, una de las características princi- so de fotograbado, en el que se tiene ran a las particularidades de cadapales de un transistor es un factor de una delgada oblea de silicio sobre la modelo se grabarían en una memo-ganancia de corriente , el cual indica cual se proyectan las sombras de ria ROM independiente, en forma decuántas veces será amplificada la unas máscaras donde vienen graba- un programa de instrucciones.corriente de la base en el colector. A das las delgadas pistas que posterior- Este circuito de propósito generallos fines prácticos, esto significa que mente se convertirán en las termina- fue el primer microprocesador de lael transistor amplifica por un factor les de los transistores. historia; mas los derechos de comer-Hfe la corriente de su entrada. Utilizando métodos fotoquímicos se cialización no pertenecían a Intel, La estructura NPN no es la única aprovechan las sombras para sem- pues todo el diseño se había hechoque se ha desarrollado, sino que tam- brar impurezas en el sustrato semi- por encargo de Busicom. Sin embar-bién existen transistores con una l g i- conductor, y al ir apilando capas al- go, la fortuna le fue favorable a Intel,ca negativa ; esto es, formados por ternativas de cristales tipo N y tipo P, ya que en poco tiempo Busicom secapas alternas de material P, N y P. El finalmente se obtiene una amplia va- vio en serias dificultades financieras y 63
    • Asociación de Resistencias - Capacitoresle vendió los derechos de explota- menor o mayor será el “canal” Fig. 3ción comercial del circuito que había conductor que se abra entresalido de sus laboratorios. Surge así, drenaje y fuente, de modo queen 1971, el primer microprocesador tendremos un comportamientode venta al público: el Intel 4004, un idéntico al de un transistor tradi-dispositivo que podía manejar pala- cional, pero con la diferenciabras de 4 bits de longitud y que esta- de que ahora la corriente de sa-ba construido a partir de un circuito lida es controlada por voltaje,integrado de 2.300 transistores. no por corriente. Agrupar millones de transistores bi- La estructura tan sencilla depolares en un pequeño bloque de si- este tipo de transistores permitiólicio que apenas rebasa el área de fabricar, mediante avanzadasuna uña, requirió de profundas inves- técnicas fotoquímicas y el uso de dis- tales cantidades hasta la fecha, quetigaciones en el ámbito de los semi- positivos ópticos muy sofisticados, resultan muy pequeños y baratos; aconductores. transistores de dimensiones franca- pesar de ello, son varias las limitacio- mente inconcebibles. En el mundo de nes físicas que han tenido que supe- los microprocesadores circula casi rarse para que el tamaño de estos FAMILIAS MOS Y MOSFET como un acto de fe, un principio que dispositivos continúe reduciéndose. hasta la fecha se ha cumplido casi Asimismo, puesto que la tarea de Los transistores que se utilizan en la puntualmente: la ley de Moore, se- interconectar elementos cada vezconstrucción de circuitos integrados gún la cual cada aproximadamente más diminutos puede volverse prácti-extremadamente complejos, como 18 meses los circuitos integrados du- camente imposible, los investigadoresmicroprocesadores o bloques de me- plican la cantidad de transistores que deben considerar también el tamañomoria, son del tipo semiconductor utilizan, al tiempo que también multi- del circuito. Si los transistores se some-metal óxido o MOS (figura 3). Estos plican por 2 su potencia de cómputo. ten a fuertes campos eléctricos, éstostransistores tienen dos regiones princi- pueden afectar en varias formas elpales: la fuente (source) y el drenado movimiento de los electrones y pro-(drain); como en este último hay TRANSISTORES DE ALTAS POTENCIAS ducir lo que se conoce como efectoselectrones en abundancia, se dice cuánticos.que los transistores son también del ti- Otra vertiente en el desarrollo de En el futuro, el tamaño de los tran-po N. Entre la fuente y el drenado se los transistores, paralela a la miniaturi- sistores puede ser de tan sólo algunosencuentra una región del tipo P en la zación, ha sido el manejo y control de cientos de angstrom (1 angstrom =que faltan muchos electrones; como grandes magnitudes de energía. Pa- una diezmilésima de micra); por estoya se dijo, a estas regiones se les lla- ra ello, se diseñaron transistores y, en mismo, la presencia o ausencia de al-ma “huecos”. general, semiconductores de swit- gunos átomos, así como su compor- En su parte superior, el sustrato de si- cheo que son capaces de manejar tamiento, será de mayor importan-licio tiene una capa de dióxido de si- elevadas potencias. cia.licio aislante; a su vez, la parte supe- Los transistores de este nuevo tipo, Al disminuirse el tamaño, se incre-rior es un metal que corresponde a la llamados transistores bipolares de menta la densidad de transistores encompuerta (gate). Precisamente, de compuerta aislada” (IGBT), son del un chip; entonces éste aumenta lala anterior combinación de un metal tamaño de una estampilla postal y cantidad de calor residual despedi-con un óxido se deriva el nombre de pueden agruparse para manejar in- do. Además, tomando en cuenta semiconductor metal xido . Cuan- cluso 1.000 ampere de corriente en que por su reducido tamaño los ele-do un voltaje positivo es aplicado en rangos de hasta varios miles de volts. mentos del circuito pueden quedarla compuerta de metal, se produce Lo más importante, sin embargo, es por debajo del rango en que se de-un campo eléctrico que penetra a que los dispositivos IGBT s pueden senvuelve la longitud de onda de lastravés del aislante hasta el sustrato. conmutar esas corrientes con una formas de radiación más comunes,Este campo atrae electrones hacia la gran velocidad. existen métodos de manufactura ensuperficie del sustrato, justo debajo riesgo de alcanzar sus máximos lími-del aislante, que permite que la co- tes. Finalmente, podemos señalarrriente fluya entre la fuente y el drena- FUTURO DEL TRANSISTOR que la revolución continúa y que, taldo. Dependiendo de la magnitud de como ha sucedido en los últimos 50la tensión aplicada en la compuerta, Los transistores se han producido en años, seguiremos viendo progresos
    • TVAUDIOVIDEO EDICION ARGENTINALOS COMPONENTESEN CORRIENTE ALTERNATIRISTORES MICROPROCESADORES
    • EnciclopediaV isualde laElectrónica Reactancia.....................................................75INDICE DEL Reactancia capacitiva.................................76CAPITULO 5 Fase en el circuito capacitivo......................77 Reactancia inductiva ...................................77 Fase en el circuito inductivo ........................78MAGNETISMO E INDUCTANCIA ¿Qué es una señal?.......................................78MAGNETICAEl efecto magnético......................................67 TIRISTORES Y OTROS DISPOSITIVOS DE DISPAROCampo eléctrico y campo magnético......67 Los tiristores......................................................78Propiedades magnéticas de la materia ....69 Rectificador controlado de silicio................78Cálculos con fuerzas magnéticas ...............69 Interruptor controlado de silicio...................79Dispositivos electromagnéticos....................70 FotoSCR ...........................................................79Electroimanes y solenoides...........................70 Diodo de cuatro capas ................................79Relés y Reed-relés ..........................................70 SUS, TRIAC, DIAC, SBS, SIDAC, UJT................80Los galvanómetros.........................................71Los inductores ................................................71LOS COMPONENTES DE CORRIENTE ALTERNACorriente continua y corriente alterna .......72Representación gráfica de lacorriente alterna ............................................75
    • Capítulo 5Capítulo 5Magnetismo e Inductancia Magnética EL EFECTO MAGN TICO Fig. 1 Un profesor dinamarqués de laescuela secundaria llamado HansChistian Oersted observó que colo-cando una aguja imantada cercade un alambre conductor, cuandose establecía la corriente en el con-ductor, la aguja se desplazaba ha-cia una posición perpendicular alalambre, como se muestra en la fi-gura 1. Como seguramente sabránlos lectores, las agujas imantadas Fig. 2procuran adoptar una posición de-terminada según el campo magnéti-co terrestre, dando origen a la brúju-la (figura 2). El movimiento de la aguja iman-tada sólo revelaba que las corrienteseléctricas producen campos mag-néticos y también facilitaba el esta-blecimiento exacto de la orienta-ción de este campo, o sea su modode acción. Como en el caso de loscampos eléctricos, podemos repre-sentar los campos magnéticos por lí-neas de fuerza. En un imán, como semuestra en la figura 3, esas líneas sa-len del polo norte (N) y llegan al po- determinar cómo se manifiesta el Fig. 3lo sur (S). campo. Con la flecha entrando en Para la corriente eléctrica que la hoja (corriente entrando) las lí-fluye en el conductor, verificamos neas son concéntricas, con orienta-que las líneas de fuerza lo rodean, tal ción en el sentido horario (sentidocomo muestra la figura 4. Represen- de las agujas del reloj). Para la co-tando con una flecha la corriente rriente saliente, las líneas se orientanque fluye del positivo hacia el nega- en el sentido antihorario (figura 5).tivo, tenemos una regla que permite El hecho importante es que dispo- niendo conductores recorri- trico cuyas líneas de fuerza se orien- dos por corrientes de formas tan como muestra la figura 6. Una determinadas, podemos ob- carga eléctrica en reposo (deteni- tener campos magnéticos da) posee sólo campo eléctrico. Sin embargo, si se pone en movimiento muy fuertes, útiles en la cons- una carga eléctrica, lo que tendre- trucción de diversos dispositi-Fig. 4 vos. mos será una manifestación de fuer- zas de naturaleza diferente: tendre- CAMPO EL CTRICO Y mos la aparición de un campo mag- CAMPO MAGN TICO nético. Este campo tendrá líneas de fuerza que envuelven la trayectoria Si tenemos una carga de la carga, como muestra la figura eléctrica, alrededor de esta 7. El campo eléctrico puede actuar carga existe un campo eléc- sobre cualquier tipo de objeto, pro- vocará atracción o repulsión según 67
    • Magnetismo e Inductancia Magnética dos dotan al material de propiedades que caracterizan un Fig. 5 propiedades magnéti- imán. cas. Tenemos así, cuer- Entre los artificiales destacamos pos denominados ima- el Alnico, que es una aleación (mez- nes permanentes. Un cla) de aluminio, níquel y cobalto, imán permanente tiene que no tiene magnetismo natural dos polos, denominados hasta que es establecido por proce- NORTE (N) y SUR (S), cu- sos que veremos posteriormente. Los yas propiedades son se- materiales que podemos convertir mejantes a las de las car- en imanes son llamados materiales gas eléctricas. magnéticos; podemos magnetizar Fig. 6 un material que lo admita orientan- Podemos decir que do sus imanes elementales. Para ello polos de nombres dife- existen diversas técnicas: rentes se atraen (Norte a) Fricci n: de tanto usar una he- atrae a Sur y vicerversa). rramienta, una tijera, por ejemplo, los Polos del mismo imanes elementales se orientan y és- nombre se repelen (Norte ta pasa a atraer pequeños objetos repele a Norte y Sur repe- de metal, o sea, se vuelve un imán le a Sur). (figura 9). Frotando una aguja contra un imán, orienta sus imanes elemen- Los imanes perma- tales y retiene el magnetismo. nentes pueden ser natu- Advierta que existen cuerpos que rales o artificiales. Entre no retienen el magnetismo, como los naturales destaca- por ejemplo el hierro. mos la magnetita, una Si apoyamos un imán contra un forma de mineral de hie- hierro, éste se magnetiza, como Fig. 7 rro que ya se obtiene en muestra la figura 10, pero en cuanto los yacimientos con las lo separamos del imán, el hierro pier- de la propiedad de atraer peque-su naturaleza. El campo magnético ños objetos, debido a que sus ima-sólo actúa atrayendo o repeliendo, Fig. 9 nes elementales se desorientan.sobre materiales de determinada b) Mediante un campo intenso:naturaleza de forma más eminente. colocando un objeto magnetizableTeniendo en cuenta el origen del en presencia de un campo magné-campo magnético podemos expli- tico fuerte, podemos orientar suscar fácilmente por qué ciertos cuer- imanes elementales y, de esta ma-pos son imanes y por qué una co- nera, convertirlos en un imán. Elrriente puede actuar campo de una bobi-sobre una aguja mag- na puede ser suficien-netizada. te para esto. Del mis- En un cuerpo co- mo modo que los ma-mún los electrones que teriales pueden rete-se mueven alrededor ner magnetismo, tam-de los átomos lo hacen bién pueden perderlode manera desordena- bajo ciertas condicio-da, de modo que el Fig. 8 nes.campo producido no Si calentamos unaparece. trozo de magnetita, o Sin embargo, pode- sea un imán perma-mos orientar estos mo- nente natural, a unavimientos de modo de temperatura deconcentrar el 585°C, el magne-efecto de una ma- Fig. 10 tismo desapare-nera determinada, ce. Esta tempe-como muestra la fi- ratura es conoci-gura 8. da con el nombre Obtenemos, de Punto Curie yentonces, "imanes varía de acuerdoelementales", cu- a los diferentesyos efectos suma- materiales. 68
    • Capítulo 5 PROPIEDADES MAGN TICAS En cambio, si la concentra- DE LAMATERIA ción de las líneas de fuerza fue- Fig. 14 ra muy grande (susceptibilidad Imaginemos los polos de un imán mucho mayor que 1), entoncespermanente, como muestra la figura el material se denomina "ferro-11. Tenemos un campo uniforme, da- magnético", siendo atraídodo que las líneas de fuerza son para- fuertemente por el imán. Ellelas (dentro del espacio considera- nombre mismo nos está dicien-do). Pues bien, colocando diversos ti- do que el principal material de este importantes. Así, podemos dar comopos de materiales entre los polos del grupo es el hierro. ejemplo el caso de un tubo de rayos Los materiales ferromagnéticos catódicos, (tubo de rayos catódicos Fig. 11 son usados para la fabricación de de TV, por ejemplo) en el que la ima- imanes y para la concentración de gen está totalmente determinada efectos de los campos magnéticos. por fuerzas de naturaleza eléctrica y Los materiales diamagnéticos se magnética que determinan la tra- utilizan en la construcción de blinda- yectoria de los electrones que inci- jes, cuando deseamos dispersar las lí- den en una pantalla fluorescente (fi- neas de fuerza de un campo mag- gura 15). Es, por lo tanto, necesario nético. que el técnico electrónico sepa ha- Fig. 12 cer algunos cálculos elementales re- lativos al comportamiento de cargas C LCULOS CON en campos eléctricos y también FUERZAS MAGN TICAS magnéticos. Si colocamos una carga eléctri- a) Fuerza en un campo el ctrico ca bajo la acción de un campo Suponiendo dos placas parale- eléctrico, la misma queda sujeta a las, como muestra la figura 16, some- Fig. 13 una fuerza; esta fuerza puede ser tidas a una tensión V (+Ve; -V), entre calculada mediante: ellas existe un campo eléctrico uni- forme cuya intensidad es: F=q.E E = V/d donde: F es la intensidad de la fuerza (N). (V = Potencial y d = distancia) q es el valor de la carga (C) y E es Si entre las placas lanzamos unaimán, podemos observar lo siguien- la intensidad del campo (N/C). carga eléctrica, un electrón, o unate: Para el caso del campo magné- carga, ésta quedará sujeta a una a) El material "dispersa" las l neas tico, podemos definir una magnitud fuerza que depende de dos facto-de fuerza del campo magn tico, como equivalente a E (Vector de intensi- res: su polaridad y su intensidad. Si lamuestra la figura 12. dad de Campo), que se denomina carga fuera positiva, la fuerza se El material en cuestión se llama Vector de Inducción Magnética, el ejercerá en el sentido de empujarla"diamagnético", tiene una suscepti- cual es representado por la B (figura hacia la placa negativa y, si fuerabilidad magnética menor que 1 y 14). La unidad más común para me- negativa, al contrario. La intensidadpresenta la propiedad de ser ligera- dir el Vector Inducción Magnética es de la fuerza estará dada por:mente repelido por los imanes (cual- el Tesla (T), pero también encontra-quiera de los dos polos). Entre los ma- mos el Gauss (G). F=q.Eteriales diamagnéticos citamos elCOBRE, el VIDRIO y el BISMUTO. 1 T = 104G Donde: b) El material concentra las l neasde fuerza de un campo magn tico, co- El lanza- Fig. 15mo muestra la figura 13. miento de Si la concentración fuera peque- una cargaña (susceptibilidad ligeramente ma- eléctrica enyor que 1), diremos que la sustancia un campoes paramagnética, como por ejem- eléctrico oplo el aluminio, el aire, el platino y el en un cam-tungsteno. po magnéti- Si bien existe una fuerza de atrac- co es la ba-ción de los imanes por estos materia- se de dispo-les, la misma es muy pequeña para sitivos elec-ser percibida. trónicos muy 69
    • Magnetismo e Inductancia Magnética responsable de la apari- Fig. 17 Fig. 16 ción de un campo mag- nético. Ese campo mag- nético tiene la misma natura- leza que el F es la fuerza en Newtons. que se produce con q es la fuerza en Coulombs. una barra de imán E es la intensidad de campo en permanente y puedeV/m o N/C. atraer o repeler obje- En el caso de un campo magné- tos de metal.tico, el comportamiento de la carga En el caso dellanzada es un poco diferente. campo producido por una corriente Si en el interior de la bobina colo- De hecho, sólo existirá la fuerza si en un conductor, no sólo tenemos el co un núcleo de hierro, el campola carga estuviera en movimiento. control de su intensidad sino que magnético se incrementa, y puedeUna carga estática no es influencia- también podemos intervenir en la atraer a otros objetos ferrosos másda por campos magnéticos. "geometría" del sistema, darle formas pesados. y disposiciones mediante las que se Al conjunto así formado se lo lla- b) Fuerza en campos magn ticos puede aumentar, dirigir y difundir las ma electroimán y posee innumera- La fuerza a que queda sometida líneas de fuerza del campo según se bles aplicaciones, por ejemplo enuna carga eléctrica lanzada en un desee. Hay varias maneras de lograr grúas, válvulas en lavarropas, maqui-campo magnético es denominada eso, lo que nos lleva a la elaboración narias textiles, etc.Fuerza de Lorentz y tiene las siguien- de distintos dispositivos de aplicacióntes características: en electrónica. Dirección perpendicular al Vec- RE L SY REED-RE L Stor B y al vector v (velocidad), la In-tensidad está dada por la fórmula: ELECTROIMANES Y SOLENOIDES La estructura de un relé se mues- tra en la figura 20. Se puede apreciar F = q . v . B sen ¿ El campo creado por una co- que en las cercanías del electroimán rriente que recorre un conductor rec- recién estudiado se coloca un juego Donde: tilíneo es muy débil. Se necesita una de contactos eléctricos. En el caso F = fuerza en Newtons corriente relativamente intensa, ob- q = carga en Coulombs tenida de pilas grandes o de batería, Fig. 18 v = velocidad en m/s para que se observe el movimiento ø = ángulo entre V y B de la aguja imantada. Para obtener un campo magnético mucho más Sentido dado por la regla de la intenso que éste, con menos corrien-mano izquierda de Fleming, como te y a partir de alambres conducto-muestra la figura 17. res, pueden enrollarse los alambres Representando el campo (B) con para formar una bobina o solenoide,el dedo índice y la velocidad (v) con como muestra la figura 18.el dedo del medio, la fuerza que ac- Cada vuelta de alambre se com-tuará sobre la carga estará dada porta como un conductor separadopor la posición del pulgar (F). y, entonces, el conjunto tiene como Si la carga fuera negativa, se in- efecto la suma de los efectos de lasvierte el sentido de F. Observe que si corrientes. De esta manera, en el in-lanzamos una carga paralela a las lí- terior del solenoide tenemos la suma Fig. 19neas de fuerza del campo magnéti- de los efectos magnéticos.co (B paralelo a v), entonces, el seno En la figura 19 se grafica la formaø será nulo. En estas condiciones, no de obtener el sentido del campo Fig. 20habrá ninguna fuerza que actúe so- magnético generado cuando se co-bre la carga. noce la polaridad de la corriente. Se DISPOSITIVOS observa que la bobina se comporta ELECTROMAGN TICOS como un imán en forma de barra con los polos en los extremos. Cual- Sabemos que cuando una co- quier material ferroso, en las cerca-rriente recorre un conductor rectilí- nías de la bobina, será atraído por elneo, el movimiento de las cargas es campo magnético que ésta genera. 70
    • Capítulo 5 Fig. 21 las chispas que se producen durante de dos ejes que sirven también de el cierre y apertura de los contactos contactos eléctricos. Resortes espira- no les causan daños (no se que- lados limitan el movimiento de la bo- man). bina, el que se hace más difícil cuan- Con eso, contactos relativamen- do se acerca al final del recorrido. te chicos pueden soportar corrientes En la bobina se coloca una agu- intensas y, además, la operación es ja que se desplaza sobre una escala. relativamente alta en relación con la Cuando circula corriente por la bobi- distancia que separa a los contactos na se crea un campo magnético en la posición "abierto". El "reed- que interactúa con el campo del switch", que es un interruptor de lámi- imán permanente, surgiendo, enton-Fig. 22 nas, se acciona, en condiciones nor- ces, una fuerza que tiende a mover males, por la aproximación del imán. el conjunto. El movimiento será tanto Una aplicación importante de este mayor cuanto más intensa sea la co- componente está en los sistemas de rriente. alarma, en los que la apertura de Podemos, así, calibrar la escala una puerta o una ventana hace que en función de la intensidad de la co- un imán abra o cierre los contactos rriente. Son comunes los galvanóme- de una reed-switch activando la tros que tienen sus escalas calibra- alarma. das con valores máximos, llamados En el caso de un reed-relé, el ac- también "fondo de escala", entre cionamiento de los contactos lo 10µA (microamperes) y 1mA (miliam-de la figura, cuando no circula co- efectúa el campo magnético de un pere). Los galvanómetros puedenrriente por el solenoide (bobina), los solenoide que envuelve la ampolla. formar parte de diversos instrumen-contactos permanecen abiertos. Con muchas espiras de alambre bar- tos que miden corrientes (miliamperí-Cuando la bobina es energizada, el nizado pueden obtenerse relés ultra metros o amperímetros), que midencampo magnético atrae el conta- sensibles, capaces de cerrar los con- tensiones (voltímetros, resistenciasdor móvil que se "pega" con el fijo, y tactos con corrientes de bobina de ohmímetros), o que miden todas lascierra, de esta manera, algún circui- pocos miliamperes. La corriente de magnitudes eléctricas (multímetros).to eléctrico. contacto depende exclusivamente En la figura 21 se da un ejemplo del "reed-switch" que se use, perode relé con 3 contactos; el principio son típicas las del orden de 100 a LOS INDUCTORESde funcionamiento es el mismo, sólo 1.000mA. La ventaja principal de es-que ahora existe un contacto nor- te relé, además de la sensibilidad, es Podemos reforzar en forma consi-mal cerrado (bobina sin energía) y la posibilidad de montaje en un es- derable el campo magnético crea-otro normal abierto. Otro tipo de relé pacio muy reducido, pues el compo- do por una corriente que circula enes el llamado "reed-rel ", cuyo as- nente es de pequeñas dimensiones.pecto funcional se ve en la figura 22. Se tiene un interruptor de láminas Fig. 24encerradas en un tubo de vidrio lle- LOS GALVAN METROSno de gas inerte. Con el gas inerte, El galvanómetro de bo-Fig. 23 bina móvil o de DArsonval es un componente elec- trónico que utiliza el efecto magnético de la corriente. Se usa este dispositivo para medir corrientes eléctricas para aprovechar justa- mente el hecho de que el campo magnético y, por consiguiente, la fuerza que actúa con el imán, es pro- porcional a la corriente que pasa por la bobina. En la figura 23, vemos este componente en forma simplificada. Entre los polos de un imán permanente se coloca una bobina que puede moverse respecto 71
    • Magnetismo e Inductancia Magnéticaun conductor, si enrollamos el con- mientras que los que se usan para Si en el interior del solenoide oductor para formar una bobina. La frecuencias medias y bajas pueden bobina se colocara un núcleo deinductancia de una bobina es tam- tener inductancias hasta de algunos material ferroso, debemos multiplicarbién mucho mayor que la de un henrys. la permeabilidad del material por elconductor rectilíneo. Tenemos, en- La oposición o inercia que pre- resultado.tonces, componentes llamados in- senta el inductor a las variaciones de Partiendo de esta fórmula del flu-ductores (que aparecen en los dia- intensidad de la corriente depende jo se puede, fácilmente, llegar a lagramas representados por espirales de la cantidad de líneas de fuerza fórmula de la inductancia propia-con letras "L") que presentan induc- que cortan el conductor o espiras de mente dicha, que será válida paratancias, o sea una inercia a las varia- la bobina. solenoides en los que la longitud nociones bruscas de la corriente (figura Denominamos flujo magnético, sea mucho mayor que el diámetro.24). Los inductores pueden tener di- representado por Ø, al número de lí- Tenemos, entonces:versas características de construc- neas de fuerza que atraviesan unación según la aplicación a la que se cierta superficie (S). Calculamos el 1,257 . n2 . S . 10-8destinan. Tenemos, entonces, los in- flujo en una espira de la bobina me- L= ______________________ductores de pequeñas inductancias, diante la fórmula: Iformados por pocas espiras dealambre, con o sin un núcleo de ma- Ø = B. S. cos α En la que:terial ferroso en su interior. La presen- L es la inductancia en henry (H).cia del material ferroso aumenta la En la que: n es el número de espiras del so-inductancia, multiplicada por un Ø es la intensidad del flujo mag- lenoide.factor que puede ser bastante gran- nético que se mide en weber, cuyo I es la longitud del solenoide ende. símbolo es Wb. centímetros. La unidad de inductancia es el B es la intensidad de la inducción S es la superficie rodeada porhenry, H en forma abreviada. magnética medida en Tesla (T). una espira, en centímetros cuadra- El múltiplo más usado es: S es la superficie rodeada por la dos. -El milihenre (mH) que vale 0,001 espira, en metros cuadrados. Los valores 1,257 y 10-8 son cons-henry, o mil sima parte del Henry. Si tuviéramos una bobina con n tantes que dependen de la permea- Los pequeños inductores para espiras, basta multiplicar el segundo bilidad magnética del medio, en es-aplicaciones en frecuencias eleva- miembro de la fórmula por n: te caso del aire, además de las uni-das tienen inductancias que varían dades de longitud y superficie queentre pocos microhenry y milihenry, Ø = n.B.S.cos α se utilicen.Los Componentes en Corriente AlternaL la corriente que tomamos de la Esta es una corriente continua y varía su intensidad es una corrien- línea es alterna y es muy diferen- porque: "Circula siempre en el mis- te alterna. te de la que obtenemos de pilas mo sentido y tiene intensidad cons- A nosotros va a interesarnos alo baterías. Pero ¿cuál es la diferen- tante". Una corriente continua se re- principio la corriente alterna sinusoi-cia y de qué modo influye en el presenta en forma abreviada por dal, que explicaremos enseguida.comportamiento de los distintos CC (corriente continua) o DC (direct Un conductor que corte las lí-componentes que estudiamos has- current). Pero existe otro tipo de co- neas de fuerza de un campo mag-ta el momento? rriente. nético, manifestará en sus extremos Vamos a suponer que se esta- una fuerza electromotriz que puede Si conectamos un resistor, un ca- blezca una corriente en un conduc- calcularse mediante la expresión:ble conductor o una lámpara a una tor, resistor u otra clase de carga, depila o batería, se establecerá una manera que su in- Fig. 1corriente que es un flujo de electro- tensidad no esnes libres. Esos electrones van a diri- constante sinogirse del polo negativo (que los tie- que varía cíclica-ne en exceso) al polo positivo (que mente, es decir,los tiene en defecto). siempre de la mis- Suponiendo que la resistencia ma manera. Unadel resistor, conductor o lámpara no corriente quevaríe en el transcursor del tiempo, el cambia en formaflujo de electrones será constante constante su senti-como ilustra el gráfico de la figura 1. do de circulación 72
    • Capítulo 5 E = B x L x sen α za y entonces no Fig. 2 hay inducción. Donde: En la figura 5 se E es la fuerza electromotriz tiene la representa- B es el vector inducción magnéti- ción gráfica de loca que ocurre con el L es la longitud del alambre valor de la tensión α es el ángulo en que el conduc- en estos arcos detor corta las líneas del campo. 90° (0° a 90° y 90° a Vea que la inducción de una ten- 180°).sión será tanto mayor cuanto mayor Recorriendosea el ángulo según el que el con- ahora 90° más, deductor corta las líneas de fuerza del 180 a 270°, la espiracampo magnético. vuelve a "penetrar" Partiendo de ese hecho, vamos en el campo mag-a suponer que montamos una espira nético en forma más(una vuelta completa del alambre acentuada pero enconductor) de manera de girar den- sentido opuesto altro del campo magnético uniforme, del arco inicial. Asícomo se ve en la figura 2. ocurre la inducción Un campo magnético uniforme pero la polaridad dese caracteriza por tener la misma in- tensión en los extre-tensidad en todos sus puntos, lo que mos de la espira senos lleva a representarlo por líneas ha invertido, es decir, Fig. 3de fuerza paralelas. Vamos a repre- si tomamos una refe-sentar esta espira vista desde arriba rencia inicial que lle-para comprender con mayor facili- ve a una representación positi- Fig. 4dad los fenómenos que se produci- va en los 180 grados iniciales, arán cuando la giramos, como mues- partir de este punto la repre-tra la figura 3. sentación será negativa como Partiendo entonces de la posi- muestra la figura 6.ción de la figura 3, hacemos que la Igualmente, la tensión as-espira gire 90° en el sentido indicado, ciende, pero hacia valores ne-de modo que corte las líneas de gativos máximos, hasta llegarfuerza del campo magnético. en los 270 grados al punto de En estas condiciones, a medida corte, prácticamente perpen-que la espira "entra" en el campo, el dicular aunque sea por un bre-ángulo se va acentuando de mane- ve instante. En los 90° finales de lara que al llegar a 90, el valor va des- vuelta completa, de 270 a 360 gra-de cero hasta el máximo. dos, nuevamente el ángulo en el En esta posición, la espira corta el que la espira corta las líneas de fuer-campo en forma perpendicular aun- za, disminuye y la tensión inducidaque sólo sea por un instante. Como cae a cero.la tensión inducida depende del án- El ciclo completo de representa-gulo, vemos que en este arco de 90°, ción de la tensión generada se ve enel valor va desde 0 hasta el máximo, la figura 7.lo que puede representarse median- Si tuviéramos un circuito externote el gráfico de la figura 4. Conti- para la circulación de la corriente ynuando la rotación de la espira, ve- si la resistencia fuera constante, la in-mos que entre 90° y 180° tiende a tensidad dependerá exclusivamente"salir" del campo y se va reduciendo de la tensión). La corriente circulanteel ángulo según el cual corta las lí- tendrá entonces las mismas caracte- rísticas de la tensión, es decir, variará Fig. 5neas de fuerza del campo magnéti-co. La tensión inducida en estas con- según la misma curva.diciones cae hasta el mínimo en este Como la tensión generada estáarco. regida por la función seno (sen α) Vea que realmente la tensión que determina el valor según el án-cae a cero pues a 180°, aunque sólo gulo, ya que B y L son constantes, lapor un instante, el movimiento de la forma de la onda recibe el nombreespira es paralelo a las líneas de fuer- de sinusoide. Se trata, por lo tanto de 73
    • Magnetismo e Inductancia Magnéticauna corriente alterna sinusoidal. Paragenerar esta corriente alterna sinu- Los alternadores de las usinas hi-soidal se establece una tensión tam- droeléctricas (y atómicas) que en-bién sinusoidal. Esa tensión, también vían energía eléctrica a nuestras ca-alterna tiene la misma representa- sas, operan con una frecuencia deción gráfica. 50 hertz (50Hz). Podemos decir entonces: Decimos entonces que la corrien- te alterna obtenida en las tomas de "Una tensi n alterna produce una energía tiene una frecuencia de 50corriente alterna que es aquella cuya hertz.intensidad var a en forma constante Esto significa que en cada segun-seg n una funci n peri dica y su do, la corriente es forzada a circularsentido se invierte constantemente." 50 veces en un sentido y 50 veces en el opuesto, pues ése es el efecto de Vea que una "función periódica" la inversión de la polaridad (vea nue- Fig. 7es la que se repite continuamente vamente la figura 8).como la sinusoide que es la misma a Alimentando una lámpara incan-cada vuelta de espira (figura 8). descente común, en cada segundo existen 100 instantes en que la co- Una corriente alterna s lo puede rriente se reduce a cero, pero la lám-ser establecida por una tensi n alter- para no llega a apagarse por la iner-na. cia del filamento que se mantiene caliente. La tensión producida pue- El tiempo que la espira tarda en de variar y es de 220V. No podemos bierta en un intervalo se relacionadar una vuelta completa determina hablar de un valor fijo de tensión o con la cantidad de energía que te-un valor muy importante de la co- de corriente pues el cambio de la nemos a disposición. Entonces nosrriente alterna, que podemos medir. polaridad y del valor es constante. basta hacer la pregunta siguienteEste tiempo de una vuelta es el pe- ¿Qué significa entonces 220V? para tener la respuesta a nuestroriodo que se representa con T y se Si tenemos en cuenta la tensión problema:mide en segundos. sinusoidal de la toma de energía de ¿Cuál debe ser el valor de la ten- El número de vueltas que da la la red, vemos que lo cierto sería ha- sión continua que nos produce elespira en un segundo determina otra blar de valores instantáneos, es de- mismo efecto que determinada ten-magnitud importante que es la fre- cir: de la tensión que encontramos sión alterna?cuencia, representada por f y medi- en cada instante, que depende del En la figura 9 vemos que, si la ten-da en hertz (Hz). instante de cada ciclo considerado. sión alterna llega a un valor máximo Numéricamente, la frecuencia es Podemos encontrar tanto un mínimo X, el valor que la tensión continuala inversa del período: negativo como un máximo positivo, debe tener para producir el mismo o cero, según el instante dado. efecto se consigue dividiendo X por T = 1/f Es claro que a los efectos prácti- la raíz cuadrada de 2, o sea: 1,4142. cos, eso no tiene mucho sentido. Es El valor máximo alcanzado en un ci- así que, para medir tensiones y co- clo (el mínimo también) se llama va- rrientes alternas es preciso estable- lor de pico, mientras que el valor que cer una manera que nos dé una produce el mismo efecto, se llama idea del efecto promedio o real ob- valor eficaz o r.m.s. ("root mean squa- tenido. Esto puede entenderse de la re"). Para la red de 220V, los 220V re- siguiente manera: presentan el valor r.m.s. Existen ins- Si alimentamos una lámpara co- tantes en que la tensión de la red lle- mún con tensión alterna en los ins- ga a 220V multiplicados por 1,4142 y tantes en que la corriente circula por así obtenemos que el valor pico es el filamento, en un sentido o en otro, 311,12V. se produce el calentamiento y la Este valor se logra dividiendo el lámpara se enciende. El efecto es el promedio de todos los valores en ca-Fig. 6 mismo que tendríamos si la alimentá- da instante del semiciclo, o sea la mi- ramos con una tensión continua de tad del ciclo completo, pues si entra- determinado valor. sen en el cálculo valores negativos, ¿Cuál sería ese valor? el resultado sería cero (figura 10). Po- Si comparamos el gráfico que re- demos entonces resumir los "valores" presenta la circulación de corriente en la forma siguiente: continua por un circuito y el gráfico que representa la circulación de una VALOR PICO: es el valor máximo corriente alterna, la superficie cu- que alcanza la tensión o la corriente 74
    • Capítulo 5 tocar el polo vivo (figura 11), habrá una diferencia de potencial respec- to de tierra (variará 50 veces por se- gundo), pero ella puede causar la circulación de una corriente eléctri- ca y producir el shock eléctrico. REPRESENTA C I N GR FICA DE LA CORRIENTE ALTERNAFig. 8 VALOR MEDIO: obtenemos este va- Los lectores deben acostumbrar- Fig. 9 lor dividiendo la suma de los valores se a la representación de fenómenos instantáneos de un semiciclo por su de naturaleza diversa mediante grá- cantidad, o sea: sacamos la media ficos. artimética de los valores instantá- Cuando se tiene un fenómeno neos en un semiciclo. que ocurre de manera dinámica, No podemos hablar de polaridad una magnitud varía en función de para una tensión alterna, ya que otra; por ejemplo, en el caso de la cambia constantemente. Una co- corriente alterna, la intensidad de la rriente de cualquier carga conecta- corriente o la tensión son las que va- da a un generador de corriente al- rían con el tiempo. terna invierte su sentido en forma Para representar esas variaciones constante. En el caso de la red, sa- hacemos un gráfico de tensión ver- bemos que uno de los polos "produ- sus tiempo (V x t) como muestra la fi- ce shock" y el otro, no. Eso nos lleva gura 12. Colocamos, entonces, en el a las denominaciones de polo vivo y eje vertical (Y) los valores de tensión, polo neutro. graduamos este eje en la forma adecuada y en el eje horizontal (X) Fig. 10 ¿Qué sucede entonces? colocamos los valores del tiempo (t), Si tenemos en cuenta que el ge- graduamos también el eje en forma nerador de energía de las compa- adecuada. Después definimos cada ñías tiene uno de los cables conec- punto del gráfico como un par de tado a tierra, que se usa como con- valores (X e Y), dado por el valor de ductor de energía, resulta fácil en- la tensión en un determinado instan- tender lo que ocurre. te. Para el caso de la tensión alterna, Al estar en contacto con la tierra, si dividimos el tiempo de un ciclo cualquier objeto, en cualquier ins- (1/50 de segundo) en 100 partes, por tante, tendrá el mismo potencial del ejemplo, podemos determinar 100 polo generador conectado a tierra puntos que unidos darán la curva que es entonces la referencia. Este que representa la forma de onda deen un ciclo, pudiendo ser tanto ne- es el polo neutro, que tocado por esta tensión.gativo como positivo. Es un valor ins- una persona no causa shock porque Es claro que el gráfico ideal setantáneo, es decir, aparece en un estando al mismo potencial no hay obtiene con infinitos puntos pero esobreve instante en cada ciclo de co- circulación de corriente. no siempre es posible.rriente o tensión alternada. La tensión varía alrededor del va- Mientras, por distintos procedi- VALOR EFICAZ O R.M.S.: es el valor lor del polo de referencia según la si- mientos podemos tener una aproxi-que debería tener la tensión o co- nusoide del otro polo. Es así que en mación que haga continua la curvarriente si fuese continua para que se relación al neutro, el otro polo, es de- y se obtenga así un gráfico (curva)obtuvieran los mismos efectos de cir el polo vivo, puede estar positivo ideal. A partir de esta representaciónenergía. o negativo, 50 veces por segundo. Al podemos entonces obtener el valor instantáneo de la tensión en cual- Fig. 11 quier momento y del mismo modo, dado el valor podemos encontrar el instante en que se produce. REACTANCIA Los capacitores e inductores pre- sentarán una propiedad denomina- 75
    • Magnetismo e Inductancia Magnética cuando la corriente se des- te en circulación por el capacitor,Fig. 12 conecta. Ya estudiamos carga y descarga con la misma fre- ampliamente los fen me- cuencia de la red. La intensidad de nos que se producen en la corriente de carga y descarga va esos instanes. a depender del valor del capacitor y Pero, ¿qué sucedería si también de la frecuencia de la co- se conectara el inductor o rriente alterna. el capacitor a un circuito Cuanto mayor es la capacidad de corriente alterna en el del capacitor, mayor será la intensi- que la tensión varía con ra- dad de la corriente (la corriente es pidez, en forma repetitiva? entonces directamente proporcio- ¿Qué fenómenos impor- nal a la capacidad) y cuanto mayor tantes se producirían? sea la frecuencia, mayor será la in- tensidad de la corriente (la corriente también es proporcional a la fre- REACTANCIA CAPACITIVA cuencia). Entonces se verifica que el capacitor, alimentado con corriente Vamos a empezar con alterna, se comporta como si fueseda "reactancia" cuando se los some- el capacitor, lo conectamos, por una "resistencia" y permite mayor ote al paso de una corriente alterna ejemplo, a un circuito de corriente menor circulación de corriente en Si se conecta un capacitor a un alterna de 50 hertz, de la red. Duran- función de los factores explicadosgenerador de corriente continua, te el primer cuarto del ciclo, cuando antes.como una pila, por ejemplo, una vez la tensión aumenta de cero a su va- Como el término "resistencia" noque cierta cantidad de cargas fluya lor máximo, el capacitor se carga es el adecuado para el caso puesa sus armaduras y se cargue, desa- con la armadura A positiva y la B ne- no se trata de un valor fijo, como enparece cualquier movimiento de gativa. Eso sucede en un intérvalo el caso de los resistores, sino que va-esas cargas y la corriente en el circui- de 1/200 de segundo. En el segundo ría con la frecuencia y no es sólo in-to pasa a ser indefinidamente nula. cuarto, cuando la tensión cae a ce- herente al componente, se prefiere En esas condiciones, el capacitor ro desde el valor máximo, se invierte decir que el capacitor presenta unaestá totalmene cargado, posee una la corriente en el capacitor y se des- "reactancia" y en el caso específicoresistencia infinita y no deja circular carga. En el tercer cuarto se invierte del capacitor, una "reactancia ca-la corriente. la polaridad de la red de manera pacitiva" (abreviada Xc). Por otra parte, si conectamos al que la corriente de descarga conti- Podemos, entonces, redefinir lamismo generador un inductor ideal núa en el mismo sentido pero carga reactancia capacitiva así:(que no presenta resistencia en el positivamente la armadura B. El ca-alambre del cual está hecho) una pacitor invierte su carga hasta un va- "Se denomina reactancia capaciti-vez que la corriente se haya estable- lor máximo. En el último cuarto, va (Xc) a la oposici n que un capaci-cido y el campo magnético adquie- cuando la tensión vuelve a caer a tor ofrece a la circulaci n de una co-ra la intensidad máxima, no encon- cero, la corriente se invierte y la car- rriente alterna."tramos efecto alguno de inductan- ga del capacitor cae a cero.cia. Las cargas podrán fluir con la in- En la figura 13 tenemos la repre- Para calcular la reactancia ca-tensidad máxima como si el inductor sentación del proceso que ocurre en pacitiva, se tiene la fórmula siguien-no existiera. un ciclo y que se repite indefinida- te: La presencia del capacitor y del mente en cada ciclo de alimenta-inductor en un circuito de corriente ción. Como se tienen 50 ciclos en 1continua es importante sólo en el ins- cada segundo, el capacitor se car- XC = ________________ (1)tante en que ocurren variaciones: ga y descarga positivamente prime- 2 . 3,114 . f . Ccuando la corriente se establece o ro y luego negativamente, 50 veces por segundo. Donde, Fig. 13 Al revés de lo Xc es la reactancia medida en que ocurre cuan- ohm. do la alimenta- 3,14 es la constante pi (π) ción es con co- f es la frecuencia de la corriente rriente continua, alterna en hertz. en la que, una C es la capacidad del capacitor vez cargado, ce- en farad. sa la circulación El valor "2 . 3,14 . f" puede repre- de corriente; con sentarse con la letra omega (ω) y es- corriente alterna te valor se llama "pulsaci n". La fór- ésta queda en mula de la reactancia capacitiva forma permanen- 76
    • Capítulo 5 señales están en oposición bleciendo un campo magnético Fig. 14 de fase. que se expande. Finalmente, en el Conectando un resistor último cuarto, encontramos oposi- en un circuito de corriente ción del inductor a la circulación de alterna, es evidente que la corriente. Las líneas de fuerza se siendo la tensión la causa y contraen durante este cuarto de ci- la corriente el efecto, de- clo. ben estar en concordan- En realidad, según veremos va a cia de fase, es decir, cuan- existir un pequeño atraso en esta re- do la tensión aumenta, la tracción de las líneas. corriente debe aumentar Lo importante es observar que en la misma proporción . mientras en el circuito de corriente Pero si conectamos un ca- continua, una vez establecido el pacitor en un circuito de campo, la resistencia (oposición) de- corriente alterna, las cosas saparecía y la corriente circulaba li- no suceden de este modo. bremente, en este caso la oposición Si consideramos un ca- es permanente. pacitor de capacidad C En la figura 15 se ve la represen-queda entonces: conectado a un generador de co- tación de este proceso. 1 rriente alterna cuya tension esté da- Vea entonces que se establece Xc = ______ (2) da por E = Eo sen ωt, veremos que la un campo magnético alterno en el ω.C diferencia de potencial entre las pla- inductor que varía constantemente cas del capacitor varía con el tiem- en intensidad y polarización. * La reactancia capacitiva es po. La oposición constante manifes-menor cuanto más alta es la fre- La corriente estar ADELANTADA tada por el inductor a las variacionescuencia, para un capacitor de valor 90 grados respecto de la tensi n . de la tensión va a depender tantofijo. de la inductancia como de la fre- Puede decirse que los capacito- cuencia de la corriente.res dejan pasar con más facilidad las REACTANCIA INDUCTIVA Cuanto mayor sea la inductan-señales de frecuencias más altas. cia, mayor será la oposición a la cir- * La reactancia capacitiva es Cuando conectamos un inductor culación de la corriente.menor en los capacitores de mayor de inductancia L a un generador de El inductor también se comportavalor, para una frecuencia constan- corriente alterna, durante el primer como una "resistencia" a la circula-te. Puede decirse que los capacito- cuarto del ciclo, la tensión sube a ción de la corriente alterna, pero elres mayores ofrecen menos oposi- cero hasta el valor máximo qe co- término resistencia tampoco cabeción al pasaje de las corrientes alter- rresponde a una variación a la que en este caso pues no es algo inhe-nas. el inductor se opone. En estas condi- rente sólo al componente sino tam- ciones, comienza a circular una co- bién a las características de la ten- Fase en un Circuito Capacitivo= rriente por el inductor que crea el sión aplicada. Dos señales pueden estar en fa- campo magnético, hasta su máxi- Nos referimos entonces a reac-ses diferentes o en concordancia de mo. En el segundo cuarto, la tensión tancia inductiva, representada porfase, conforme sus formas de onda cae a cero lo que también es una XL, como la oposición que un induc-coincidan por superposición en un variación a la que el inductor se opo- tor presenta a la circulación de unainstante dado y siempre que tengan ne. En estas condiciones, comienza corriente alterna. La reactancia in-la misma frecuencia (figura 14). a circular una corriente por el induc- ductiva se mide en ohms como la Podemos hablar también de la tor que crea el campo magnético, reactancia capacitiva y puede cal-diferencia de fase entre dos señales hasta su máximo. En el segundo cularse mediante la siguiente fórmu-de corriente alterna y entre una co- cuarto, la tensión cae arriente alterna y una tensión si llega- cero lo que también esran a los puntos de máximo (o de mí- una variación a la quenimo) en distintos instantes. el inductor se opone. Esta diferencia entre los instantes Pero aun así, el camponos da la diferencia de fase que magnético se contraepuede expresarse con un ángulo co- hasta desaparecer. En Fig. 15mo muestra la figura 14. el tercer cuarto, la ten- Si dos señales estuvieran en con- sión invierte su polari-cordancia de fase, es evidente que dad y aumenta de va-la diferencia sería cero. Si la diferen- lor hasta un máximo ne-cia fuera de 90 grados, diremos que gativo; variación a lalas señales están en cuadratura y si que el inductor se opo-fuera de 180 grados, diremos que las ne pero lo hace esta- 77
    • Magnetismo e Inductancia Magnética Fig. 16 cuencia. Puede decirse continuas puras, continuas pulsantes que los inductores ofrecen y alternas con diversas formas de on- una oposición mayor a las da. En el caso específico de los apa- corrientes de frecuencias ratos de sonido, por ejemplo, las for- más altas. mas de onda son "retrasos" del soni- * la reactancia inducti- do que debe reproducirse y que va es mayor para los induc- aparecen en una amplia variedad tores de mayor valor para de formas de onda y de frecuencias. una frecuencia determina- Las corrientes con que trabajan da. Los inductores de ma- los circuitos —amplificadoras, pro- yor valor ofrecen una opo- ductoras, reproductoras o captado- sición mayor a la circula- ras— se denominan señales. Encon- ción de corrientes alternas. tramos, en los circuitos electrónicos,la: señales que pueden ser desde sim- Fase en el ples corrientes continuas hasta seña- XL = 2 . 3,14 . f . L (3) Circuito Inductivo les cuyas frecuencias pueden llegar Donde: Si conectamos un inductor a un a centenas de millones de hertz. XL es la reactancia inductiva en circuito de corriente alterna, la co-ohms rriente no estará en fase con la ten- ¿Es importante conocer las fór- 3,14 es la constante pi (π) sión. mulas solamente o saber deducirlas? f es la frecuencia de la corriente * La corriente tiene la misma fre- La deducción de una fórmula sealterna en hertz. cuencia que la tensión. hace para demostrar su validez, me- L es la inductancia en henry. * La corriente tiene su fase atrasa- diante la descripción de un fenóme- Como la expresión "2 . 3,14 . f" da 90 grados (π/2) en relación a la no y de un raciocinio lógico. En lapuede expresarse como "ω" (pulsa- tensión. deducción de algunas de las fórmu-ción), podemos escribir: El gráfico de la figura 16 muestra las que presentamos, utilizamos el XL = ω . L (4) lo que ocurre con la tensión respec- cálculo diferencial e integral, que el to de la corriente . lector no necesita conocer. En estos Tenemos finalmente las propie- casos, aunque la deducción no sedades de los inductores en los circui- comprenda bien, bastará que el lec- QUE ES UNA SE AL?tos de corriente alterna: tor sepa la fórmula pues le será de * La reactancia inductiva es tan- En los circuitos electrónicos apa- utilidad en cálculos futuros.to mayor cuanto mayor sea la fre- recen corrientes de distintos tipos: Sugerimos que los lectores queTiristores y Otros Dispositivos de Disparotengan dificultades con matemáti- CIO polarización directa; esto significacas y que deseen profundizar sus es- que se mantiene en estado de no-tudios de electrónica, estudien algo El SCR o Rectificador Controla- conducción. Para que el dispositi-más de esa ciencia importante. do de Silicio, es un dispositivo semi- vo inicie la conducción, es necesa- LOS TIRISTORES conductor de cuatro capas con rio un pequeño pulso de tensión en tres terminales externas llamadas el terminal compuerta; esto lo Los tiristores funcionan como c todo , nodo y compuerta ; mantendrá en conducción, a me-una especie de interruptor del con- cada una de éstas se encuentra nos que la corriente que lo atravie-trol electrónico y se emplean preci- conectada a una sección del se- sa disminuya por debajo de unsamente para controlar grandes miconductor. cierto valor crítico (figura 1).corrientes de carga en motores, Un SCR se comporta como un El circuito equivalente del SCRcalentadores, sistemas de ilumina- interruptor; al aplicarle la alimenta- se comporta como un interruptorción y demás circuitos similares. In- ción por primera vez, se encontra- abierto, cuando se polariza conternamente están conformados rá abierto; pero si se aplica un pul- una batería VCC y en serie conpor cuatro capas de material semi- so de disparo a la terminal com- una resistencia de carga RC. Co-conductor; algunas de sus seccio- puerta, se cerrará (permitiendo así mo los transistores no están polari-nes se conectan de manera exter- que la corriente eléctrica lo atra- zados correctamente, no condu-na a terminales conductoras. viese). Esto es, si el SCR se conecta cen; en consecuencia, no circula en serie con una batería y un resis- corriente eléctrica a través del cir- tor, el dispositivo resultante será cuito. Para que la corriente fluya, RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILI- considerado como un diodo en se necesita aplicar un pulso de dis- 78
    • Capítulo 5 va al estado de corte. Otra forma de hacer que el circuito se “abra”, consiste en aplicar un pulso negati- vo a la compuerta (base de T2). INTERRUPTOR CONTROLADO DE SILICIO El interruptor controlado de sili- cio o SCS (Silicon Controlled Switch), es una versión modificada del SCR; está formado por cuatro capas de material semiconductor Fig. 1 dopado, donde cada una de las secciones se conecta a una termi- rectamente la unión Base-Emisor nal. Este dispositivo se comporta de del transistor T2, poniéndolo así manera similar al SCR, con la dife- en estado de saturación. La co- rencia de que puede ser disparado rriente de colector de T2 ingresa por medio de cualquiera de las dos a la base del transistor T1, polari- compuertas (ánodo y cátodo); zando también la unión Emisor- además, está diseñado para traba- Base; esto provoca que T1 esté jar con corrientes eléctricas peque- en saturación (figura 2). ñas del orden de los miliampers (fi- Si se dan las condiciones arri- gura 3).Fig. 2 ba señaladas, el voltaje de VP ya no será necesario; por lo que FotoSCR (fig. 4a) al retirar éste, el circuito se man- Es un dispositivo con tres termi- tendrá en conducción. La co- nales; su encapsulado en la parte rriente de colector de T2 mantie- superior dispone de una lente que ne polarizada directamente la permite el paso de la luz, para ilumi- unión Base-Emisor de T1; a su vez, nar el semiconductor que forma al la corriente de colector de T1 fotoSCR. La luz incidente en el semi- mantiene la polarización directa conductor provoca la liberación de de la unión Base-Emisor de T2. los electrones en la compuerta. Es- Cuando esto sucede, el dispositi- tos electrones forman una corrienteparo a la terminal compuerta; pue- vo se comporta como un interrup- eléctrica suficiente para lograr quede ser aplicado por medio de una tor cerrado. Desconectando la ali- el fotoSCR conmute al estado debatería VP. La batería polariza di- mentación de la fuente Vcc el SCR conducción, si es que el dispositivo se encuentra en polarización direc- ta. Diodo de Cuatro Capas (fig. 4b) El diodo Shockley o diodo de cuatro capas conduce la corriente cuando se le aplica una tensión de polarización en sentido directo. La estructura de este dispositivo es de cuatro capas de material semicon- ductor, en cuyos extremos se ha co- Fig. 3 locado un par de terminales exter- nas. Se considera un diodo, porque dispone de dos terminales (no con- fundir con el diodo Schottky); tam- bién se le conoce como diodo PNPN. La única forma de hacer que el diodo deje de conducir, es redu- ciendo la corriente que lo atraviesa hasta un valor inferior a la corriente Fig. 4 de mantenimiento (valor mínimo de corriente requerido para que el dis- positivo se mantenga en estado de 79
    • Magnetismo e Inductancia Magnéticaconducción). cada en las terminales Fig. 5 MT. SUS (fig. 4.c) Los parámetros a con- El interruptor unilateral de siliciosiderar cuando se elige uno SUS (Silicon Unilateral Switch), es TRIAC, son iguales a losun dispositivo que permite el paso utilizados para el SCR; lade la corriente eléctrica en un solo única diferencia es que elsentido cuando la tensión aplicada VRRM o voltaje inverso noa sus terminales en sentido directo existe en el caso de lossupera cierto valor. Es muy parecido TRIAC’s, debido a que noal diodo Shockley, con la diferencia importa la polaridad enque posee un terminal extra de dis- sus extremos.paro con la que se controla la con-dición de disparo en la que opera . DIACUn SUS opera con valores de ten- El DIAC o diodo bidireccional de xibilidad en el disparo.sión y corriente eléctrica bajos. disparo (Diodo de Corriente Alter- SIDAC na, por su nombre en inglés) es un El disparador bilateral de alto dispositivo semiconductor muy pa- voltaje o SIDAC, es un dispositivo TRIAC recido al diodo Shockley, con la di- electrónico de reciente aparición. ferencia de que permite el paso de Permite la manipulación de voltajes El TRIAC es un dispositivo semi- la corriente eléctrica en ambos sen- altos de disparo, lo que amplía laconductor bidireccional con tres tidos; también tiene un valor de vol- gama de aplicaciones de los dispo-terminales; o sea, puede conducir taje de conducción (breakover) sitivos disparadores; de esta mane-la corriente eléctrica en ambos sen- que es el mismo en ambos sentidos. ra, se ahorran gastos en compo-tidos. Las terminales ánodo y cáto- El circuito equivalente del DIAC es nentes extras que serían necesariosdo se han cambiado por MT1 y MT2, un par de diodos Shockley en para- para ciertas clases de circuitos.que es la abreviatura de Terminal lelo, pero con polaridades opues-Principal 1 y Terminal Principal 2. tas. Cuando se aplica una tensión UJT El circuito equivalente para el en los extremos del DIAC, éste se El UJT o transistor uniunión (Uni-TRIAC se puede formar con dos SCR mantiene en estado de noconduc- junction Transistor), es utilizado co-en paralelo, pero con sus polarida- ción mientras no se supere la ten- mo dispositivo de disparo. Se tratades invertidas (figura 5). Cuando se sión nominal de conducción. Por ser de un elemento semiconductor deaplica el pulso de activación en el un dispositivo de tipo bidireccional, conmutación por ruptura, muy utili-terminal compuerta, no importa la es utilizado como disparador de zado en circuitos industriales, tem-polaridad aplicada a las terminales compuerta en los TRIAC’s. porizadores, osciladores, generado-MT; la razón, es que uno de los dos res de onda y como circuitos deSCR se encontrará polarizado direc- SBS control de compuerta para TRIAC ytamente y conducirá. Es un dispositivo de control para SCR. La zona P del emisor está alta- Si el SCR1 se encuentra polariza- el disparo de la compuerta en mente dopada, mientras que la zo-do en forma inversa y el SCR2 en TRIAC’s. Tiene la propiedad de con- na N del semiconductor tiene unforma directa cuando se aplica el ducir la corriente eléctrica en am- dopado pequeño. Cuando el emi-pulso a la compuerta G, solamente bos sentidos; cuando la tensión al- sor del transistor no se encuentraeste último conducirá. Si se invierte canza el valor de conducción, a di- conectado a ningún circuito exter-la polaridad de la batería y se apli- ferencia de un DIAC, el SBS adquie- no, la resistencia entre las termina-ca el pulso de disparo nuevamente re un voltaje de conducción mucho les Base 1 y Base 2 es de unos 4,000en la compuerta G, sólo el SCR1 más pequeño. Está formado por un a 10,000Ω. Este dispositivo tiene laconducirá. conjunto de dispositivos discretos, y característica de presentar resisten- El efecto total del dispositivo es se fabrica más bien como un circui- cia negativa; es decir, a un aumen-el de permitir el paso de la corrien- to integrado; además, cuenta con to de corriente se sucede una dis-te eléctrica, independientemente una terminal extra llamada com- minución de voltaje en las termina-de la polaridad de la tensión apli- puerta que proporciona mayor fle- les del mismo. ******************
    • TV TV AUDIO AUDIO VIDEO VIDEO MICROPROCESADORES MICROPROCESADORESFundamentos Físicos de la Reproducción del SonidoFundamentos Físicos de la Reproducción del Sonido
    • EnciclopediaV isualde laElectrónica a) Acoplamiento RC..................................93INDICE DEL b) Acoplamiento a transformador...........93 c) Acoplamiento directo...........................94CAPITULO 6 FUNDAMENTOS FISICOS DE LA REPRODUCCION DEL SONIDOLAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS Propagación de lasLa naturaleza de las ondas vibraciones u ondas ......................................94electromagnéticas .......................................83 La onda de sonido ........................................95Polarización.....................................................84 Características físicas ....................................95Frecuencia y longitud de onda...................84 Frecuencia o tono......................................95El espectro electromagnético y las Amplitud ......................................................95ondas de radio...............................................85 Intensidad....................................................95Espectro electromagnético..........................85 Timbre...........................................................95 Velocidad del sonido ...................................96EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR Reproducción del sonido .............................96AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES Tipos de reproductores acústicos ...............96Configuraciones circuitales básicas............87El amplificador base común ........................87El amplificador emisor común......................87El amplificador colector común ..................90Recta estática de carga ..............................91Recta dinámica de carga ...........................92Cálculo de los capacitores de paso ..........92Acoplamientos interetapas ..........................93
    • Capítulo 6Capítulo 6Las Ondas ElectromagnéticasL as ondas electromagnéti- Fig. 1 muestra la figura 3. cas fueron previstas antes Partiendo entonces de ser descubiertas. En de una posición inicialverdad, las ecuaciones de en que la misma se en-Maxwell que describían los cuentre detenida, sólocampos magnéticos pre- existe campo eléctrico aveían también la existencia su alrededor, comode radiaciones, de la misma muestra la figura 4.naturaleza que la luz, y que se El campo magnéticopropagaban en el espacio es nulo, pues la carga secon una velocidad de encuentra en reposo. El Fig. 2300.000 kilómetros por segun- campo eléctrico, a sudo. vez, es máximo. Las ecuaciones de Max- A medida que la car-well fueron presentadas en ga se desplaza hacia la1865, pero solamente en 1887 posición central, el cam-Hertz consiguió comprobar la po eléctrico se reduce,existencia de "ondas electro- mientras que el campomagnéticas" según las ya pre- magnético aumenta. Envistas y las produjo en su labo- el medio de la trayecto-ratorio. Del mismo modo, estudiamos ria, cuando la velocidad es máxima, No nos preocuparemos tanto del otro tipo de influencia causado por el campo magnético también esaspecto histórico del descubrimien- cargas en movimiento, o sea, por las máximo, mientras que el campoto, como del estudio de su naturale- corrientes eléctricas, que difería mu- eléctrico se reduce a cero (mínimo,za, pero también añadiremos algu- cho del campo eléctrico, y que fue figura 5).nos datos importantes del pasado denominado "campo magn tico". En dirección al otro extremo derelacionados con la investigación y También representábamos el la trayectoria, la velocidad se redu-su utilización. campo magnético por medio de lí- ce gradualmente, con lo que se re- neas de fuerza pero de una forma duce también el campo magnéti- bien diferente: las líneas eran con- co. El campo eléctrico vuelve a au- LA NATURALEZA DE LAS céntricas, envolviendo la trayectoria mentar de intensidad (figura 6). ONDAS ELECTROMAGN TICAS de las cargas (figura 2). El tipo de influencia para los dos Una carga eléctrica, o un cuer- campos también se diferencia: el Fig. 3po cargado, es responsable por una campo eléctrico actúa sobre cual-perturbación en el espacio que lo quier cuerpo cargado, atraen o re-rodea y que denominamos "campo pelen conforme a la polaridad,el ctrico", como muestra la figura 1. mientras que el campo magnético Vimos que podríamos represen- actúa sobre determinados materia-tar esta "influencia; por medio de lí- les, independientemente de su car-neas imaginarias, denominadas lí- ga, atraen (materiales ferrosos) o re-neas de fuerza. (El uso de las líneas pelen (materiales diamagnéticos).de fuerza fue propuesto por Fara- ¿Qué ocurriría con una cargaday). eléctrica que, al mismo tiempo, pu- Fig. 4 Las líneas de fuerza realmente no diera producir un campo eléctrico yexisten, pero pueden ayudar a eva- un campo magnético?luar el comportamiento de la "in- Para explicar este fenómeno im-fluencia" de la carga en el espacio. portante, vamos a imaginar unaLa influencia es mayor en los puntos carga eléctrica que pueda entraren que las líneas son más concentra- en vibración alrededor de un punto,das. o sea que pueda "oscilar" como 83
    • Las Ondas Electromagnéticas El resulta- el campo magnético varía según el Fig. 5 do de este eje H, también como semiciclos po- fenómeno es sitivos y negativos. la produc- Cuando deseamos recibir una ción de una onda electromagnética, lo que te- perturbación nemos que hacer es interceptarla única que se de modo de tener una corriente en propaga por un conductor que pueda ser ampli- el espacio ficada y trabajada por circuitos es- con veloci- peciales. Esto se hace, por ejemplo, dad finita. mediante una antena que no es Vea que más que un alambre conductor co- Fig. 6 existe un tiempo determinado de locado en el camino de la onda (fi- contracción de las líneas de fuerza gura 10). tanto del campo eléctrico como del Para que ocurra la inducción de magnético, así como para la expan- una corriente en esta antena, la mis- sión. ma debe ser colocada de determi- Así, independientemente de la nada forma. Si los lectores observa- velocidad con que la carga oscile, ran las antenas de televisión de su o sea, de su frecuencia, la veloci- localidad, podrán tener una idea de dad con que la perturbación se pro- la necesidad de esta colocación.Fig. 7 paga es bien definida y constante. Se puede demostrar que esta ¿Por qué las antenas no se po- perturbación se propaga en el va- nen en posición tal que las varillas cío a una velocidad de 2,997793 x estén en forma vertical como mues- 1010 centímetros por segundo, o, re- tra la figura (B) 11, y sí como en (A) fi- dondeando hacia arriba, ¡300.000 ki- gura 11? lómetros por segundo! ¡Esto ocurre porque la polariza- ción de las ondas se hace horizon- Esta perturbaci n da origen a lo talmente, no verticalmente! que denominamos "onda electro- magn tica". FRECUENCIA Y LONGITUD DE ONDA Polarizaci n Para una corriente alterna, la fre- cuencia se define como el número Para representar una onda elec- tromagnética precisamos tener en Fig. 8 cuenta tanto su componente eléc- trica como magnética, pues, como Cuando la carga llega al extre- vimos, la misma corresponde a unamo de la trayectoria, por algunos "alternancia" entre los dos campos.instantes se detiene para invertir el Para esta finalidad, hacemos usomovimiento. En este instante, el de la representación mostrada en lacampo eléctrico nuevamente es figura 9. El campo eléctrico varía se-máximo y el campo magnético se Fig. 10 gún el eje E con semiciclos tanto po-reduce a cero (figura 7). sitivos como negativos, mientras que En la inversión del movimiento,tenemos nuevamente el crecimien-to de la intensidad del campo mag-nético hasta el medio de la trayec-toria y la reducción al mínimo del Fig. 9campo eléctrico y después, hasta elextremo, el aumento del campoeléctrico y la disminución del cam-po magnético. Vea entonces que,en esta "oscilaci n", el campo mag-nético y el eléctrico se alternan (fi-gura 8). Hay un desfasaje de 90 gradosentre los dos campos. 84
    • Capítulo 6 Fig. 11 EL ESPECTRO ELECTROMAGN TICO Y LASONDAS DE RADIO ¿Cuáles son las frecuencias que dan origen a las ondas electromag- néticas? ¿Qué tipo de naturaleza tiene cada radiación en función de su fre- cuencia? Si distribuimos las ondas electro- magnéticas de acuerdo con su fre- cuencia o longitud de onda, vere- mos que, para cada sector de esta distribución, tendremos comporta- mientos diferentes. Las radiaciones de longitudes de ondas menores tie- nen comportamientos bien diferen- tes de las de mayores longitudes. Su Fig. 12 propia utilización es distinta. Llamamos espectro a la distribu- ción de las diversas frecuencias de radiaciones electromagnéticas, y en el caso es un espectro continuo, pues no existen saltos entre los valo- res que las mismas pueden asumir. El espectro de las radiaciones Tomemos como ejemplo una ra- electromagnéticas, en verdad, se Fig. 13 diación electromagnética cuya fre- extiende de 0 a infinito, ¡ya que se cuencia sea de 1MHz, o sea, conocen fuentes que emiten "seña- 1.000.000Hz. les" de frecuencias tan elevadas co- En un segundo, partiendo de la mo 1023Hertz, o sea 1 seguido de 23 fuente emisora, o sea, las cargas ceros! que oscilan, las ondas recorren un Vamos al análisis del espectro: espacio de 300.000 kilómetros, pues ésta es su velocidad, como muestra Espectro electromagn tico la figura 12. Podemos percibir enton-de veces en que ocurre la inversión ces que las ondas individualmente, Frecuencia: 0 a 20kHzde su sentido de circulación. La fre- o cada oscilación divide el “espa- Denominación: ondas eléctricascuencia es numéricamente igual a cio” de 300.000 kilómetros o acústicaseste valor y es dada en hertz, cuya 300.000.000 metros. Cada onda, en- La longitud de onda varía entre elabreviatura es Hz. En el caso de una tonces, "se quedará" con un espacio infinito y 15.000 metros. En verdad, estasonda electromagnética, su frecuen- ondas no tienen mucha "penetración" de 300 metros, o sea, tendrá unacia es dada por el número de vibra- en el espacio, siendo usadas para la "longitud" que equivale a 300 metros transmisión de energía por cable, o enciones por segundo de la carga (o (figura 13). la producción de sonidos.cargas) que la producen, siendo nu- Para las ondas electromagnéti-méricamente igual a este valor y cas es común expresar su naturaleza Frecuencia: 20kHz a 30kHztambién medida en hertz. tanto por la frecuencia como por su Denominación: VLF (Very Low Fre- Si una onda electromagnética longitud de onda. Hablar de una ra- quency = frecuencia muy baja)fuera producida por una carga que diación de 1 MHz es, pues, lo mismo Las ondas electromagnéticas de es-vibra a razón de 1.000.000 de veces que hablar de una radiación de 300 ta banda, de 15.000 a 10.000 metros,por segundo, la frecuencia de esta metros. Podemos fácilmente calcu- pueden ser usadas en los servicios deradiación será de 1MHz. lar la longitud de onda de cualquier telecomunicaciones a larga distancia, El espectro electromagnético es radiación, conocida su frecuencia pues siendo muy estables, no están in-el conjunto de frecuencias en que fluenciadas por la hora del día ni por las por la fórmula:puede haber radiaciones electro- estaciones del año. Vea el lector que el Sol es un "ene-magnéticas y es muy extenso, se v=Lxf (2) migo" de las ondas electromagnéticas,analizará más adelante. Para una pues la radiación que él emite tambiéndeterminada radiación electromag- Donde: v es la velocidad de pro- puede influenciar su propagación y difi-nética, además de la frecuencia, pagación (300.000.000 m/s); L es la cultar el uso de determinados tipos depodemos definir otra magnitud, que longitud de onda en metros; f es la ondas de radio, como ésta, en mayor oes la longitud de onda. frecuencia en Hertz. menor intensidad. 85
    • Las Ondas Electromagnéticas Frecuencia: 30kHz a 300kHz Frecuencia: 300MHz a 3.000MHz diación muy importante para nosotros Denominación: LF (Low Frequency = Denominación: UHF (Ultra High Fre- que es la luz que podemos ver, o luz vi-baja frecuencia) quency = frecuencia ultra alta) sible. Su longitud de onda está entre Pueden ser usadas en servicios de Estas ondas de radio tienen longitu- 4.000 Angstrons y 7.000 Angstrons. El co-radiocomunicaciones de larga distan- des de onda entre 1 metro y 10 centí- lor de la luz que percibimos está relacio-cia, como por ejemplo en comunica- metros. Son pues ondas muy cortas de nada con su frecuencia, conforme a lación naval, o incluso para ayudar en comportamiento semejante al VHF, con siguiente tabla aproximada:navegación al orientar naves y aviones. la diferencia que son mucho más afec- Violeta - 4.000 a 4.500 AngstronEstas ondas ya son más afectadas en su tadas por obstáculos. Estas ondas son Azul - 4.500 a 5.000 Angstronpropagación que las de la banda ante- usadas en TV, radar, comunicaciones a Verde - 5.000 a 5.700 Angstronrior, pues, según la hora del día y la es- distancia corta y mediana. Amarillo - 5.700 a 5.900 Angstrontación del año, pueden ocurrir peque- Anaranjado - 5.900 a 6.100 Angstronñas atenuaciones. Frecuencia: 3GHz a 30.000MHz Rojo - 6.100 a 7.000 Angstron Denominación: SHF (Super High Fre- La particularidad más importante Frecuencia: 300kHz a 3.000kHz quency = frecuencia super alta) de esta banda del espectro está, en- Denominación: MF (Medium Fre- Estas ondas tienen longitud de on- tonces, en el hecho de que poseemosquency = frecuencia media) da entre la banda de 10 centímetros a "sensores" sensibles capaces de percibir Las ondas de esta banda, que son 1 centímetro. Estamos en el dominio de las radiaciones, que son justamenteondas de radio, tienen longitudes entre las llamadas microondas, usadas en ser- nuestros ojos.1.000 y 100 metros, pudiendo ser usadas vicios de comunicaciones en línea vi-en diversos tipos de servicios de comuni- sual, radar, etc. Frecuencia: 3 x 1014 a 3 x 1017cación, como por ejemplo, la propia ra- Las mismas no pueden sobrepasar Denominación: radiación ultraviole-diodifusión (AM), comunicaciones entre obstáculos, incluso de pequeño tama- ta o simplemente ultravioleta.aeronaves, barcos, policía, etc. Estas ra- ño, son pues usadas en las comunica- Tenemos aquí una penetrante formadiaciones son influenciadas por la hora ciones visuales, o sea, en aquéllas en de radiación electromagnética del tipodel día: su alcance es mayor durante la que el transmisor prácticamente "ve" el de la luz cuyas longitudes de onda estánnoche y menor durante el día. Igual- receptor. entre 4.000 Angstron y 10-7 centímetros.mente, en invierno la atenuación es me- Este tipo de radiación es producida pornor que en verano. Frecuencia: 30GHz a 300GHz la vibración molecular y atómica y en- Denominación: Microondas cuentra aplicaciones industriales de di- Frecuencia: 3.000 kHz a 30 MHz No hay realmente una sigla para las versos tipos. Denominación: HF (High Frequency ondas de radio en esta banda. Su longi-= alta frecuencia) tud está entre 1 mm y 10 mm y aquí el Frecuencia: 3 x 1017 a 3 x 1020 Hz También tenemos aquí ondas de ra- comportamiento de las radiaciones co- Denominación: Rayos Xdio cuya longitud de onda estará entre mienza a sufrir una transición. Podemos Tenemos aquí una forma muy pene-100 metros y 10 metros. Estas ondas agrupar las radiaciones de esta banda trante de radiación electromagnéticapueden usarse en comunicaciones de en ondas centimétricas, milimétricas, e que puede, por su longitud de ondalarga distancia, en determinados hora- incluso submilimétricas. Su uso es el ra- muy pequeña, penetrar en los cuerposrios del día y en dependencia de las es- dar; las comunicaciones por microon- materiales de diversos tipos. Esta formataciones del año. das también son producidas por cuer- de radiación es usada en medicina y Lo que ocurre es que estas ondas pos calentados como las lámparas de en la industria de diversas formas.pueden ser reflejadas por las capas al- vapor de mercurio. Se trata pues de ra- Cuanto menor es la longitud de ondatas de la atmósfera (la ionosfera), así diación cuya naturaleza comienza a de los rayos X, mayor es su penetración.vencen el problema de la curvatura de estar próxima a la de la luz.la Tierra. Las ondas de esta banda son Frecuencia: 3 x 1020Hz a 3 x 1021Hzutilizadas por las estaciones de radiodi- Frecuencia: 300GHz (3 x 1011) a 3 x Denominación: Rayos Gammafusión, radioaficionados, y servicios di- 1014Hz Esta forma peligrosa de radiaciónversos de comunicación a distancias Denominación: Radiación infrarroja electromagnética es producida tantolargas y medianas. o simplemente infrarrojo. Ya tenemos por vibraciones atómicas y moleculares aquí un tipo de radiación de comporta- como también por las reacciones nu- Frecuencia: 30MHz a 300MHz miento bastante semejante al de la luz cleares. Los rayos gamma tienen enor- Denominación: VHF (Very High Fre- visible. La radiación infrarroja es produ- me penetración, por lo que puedenquency = frecuencia muy alta) cida por cuerpos calientes. Cuando atravesar obstáculos de concreto o Son también ondas de radio cuya acercamos la mano a un hierro calien- plomo de bastante espesor.longitud de onda estará entre 10 metros te, "sentimos" esta radiación a la distan-y 1 metro. Estas ondas se propagan en cia en forma de calor. Las longitudes de Frecuencia: 3 x 1021 Hz y máslínea recta, como las demás, pero son onda son medidas en esta banda en Denominación: rayos cósmicosinfluenciadas fuertemente por la pre- micrones (µ), o millonésimas de metro, o Son partículas de increíble penetra-sencia de obstáculos. Así, no podemos bien en otra unidad que es el Angston ción producidas por reacciones nu-usarlas en servicios que sobrepasen la lí- (Å) que equivale a 10-8 metros o a la mi- cleares o aceleración en campos mag-nea visual o línea del horizonte. Las on- llonésima parte del milímetro. néticos de particulas cargadas y pue-das de esta banda son usadas en servi- den atravesar toda la masa de la Tierracios de radiodifusión (FM), televisión, Frecuencia: 3 x 1014 Hz. como si no existiera. Estas partículas soncomunicaciones a distancias cortas y Denominación: Luz visible detectadas con dificultad, y felizmentemedianas como por ejemplo policía, En este punto del espectro electro- llegan en poca cantidad a nuestro pla-aviación, etc. magnético tenemos una forma de ra- neta. 86
    • Capítulo 6El Transistor como AmplificadorAmplificadores con TransistoresE xisten distintas configuraciones y Ic existen varias formas de polari- α = ——— < 1 Ie zar un transistor, cada una consus ventajas y desventajas. α es menor que la unidad pero se Se dice que un amplificador de asemeja a 1; varía entre 0,98 y 0,999,audio es aquel que incrementa el ni- pero lo que aquí importa es que la Fig. 1vel de una determinada señal que ganancia de resistencia es muyposee una frecuencia comprendida grande (aproximadamente Rs/Re =dentro del espectro audible (20Hz a 1500) con lo cual la etapa posee fasada 180° respecto de la señal20kHz). Para el diseño de un amplifi- gran ganancia de tensión. Existe aplicada a la entrada.cador interesan características tales una familia de curvas que caracteri-como la potencia de salida, impe- zan el funcionamiento de cada Tensi n de entrada = Tensi n Ba-dancia de carga, impedancia de transistor en la configuración base se-emisorentrada, nivel de la señal de entra- común, y se llaman curvas caracte- Tensi n de salida = Tensi n Co-da, tensión de alimentación, etc. rísticas para conexión base común lector-Emisor (o base a tierra, o base a masa). Corriente de entrada = Corriente Muchas veces es cómodo traba- de Base CONFIGURACIONES CIRCUITALES B S I- jar con una sola batería y para ello Corriente de salida = Corriente deCAS se polariza al transistor (figura 2). Los Colector resistores de base Rb y Ra dan a la Básicamente, a un transistor se lo base una polarización positiva res- Desarrollemos este tema anali-puede utilizar en tres configuracio- pecto de emisor a los fines de que la zando el circuito de un amplificadornes distintas a saber: juntura BE quede polarizada en di- emisor común (figura 3). a- Configuraci n Base Com n recta mientras que el colector es po- La resistencia de entrada varía b- Configuraci n Emisor Com n sitivo respecto del emisor. C1 es un con la polarización, siendo un valor c- Configuraci n Colector Com n camino a masa para la señal alter- normal 5.000Ω, aunque puede variar na a los fines de obtener máxima se- entre 100Ω y 10.000Ω, según la pola- ñal sobre la resistencia de carga Rc. rización. La resistencia de salida es EL AMPLIFICADOR BASE CO M N La señal a la salida está en fase con moderada, es decir, unos 50.000Ω la señal de entrada, pues un au- según el transistor y su polarización. Las principales características son: mento de la tensión de base provo- Aquí la corrriente de colector se cará un incremento de la corriente controla con la corriente de base, • Baja impedancia de entrada de colector y, a su vez, aumentará de aquí que con pequeñas variacio-(entre 50 ohm y 300 ohm) la señal sobre Rc que es la carga nes de la corriente de base se ob- • Alta impedancia de salida (en- (salida) del circuito. Observe que C1 tengan grandes variaciones de latre 100 kilohm y 1 Megohm). es un cortocircuito para corriente al- corriente de colector, razón por la • Posee alta ganancia de ten- terna; anula los resistores Ra y Rb ya cual, actuando como amplificadorsión. que no hay caída de tensión de se- de corrriente, se define lo que se lla- • No posee ganancia de corriente. ñal alterna sobre éstos. ma factor β. • La señal de salida no está des-fasada respecto de la de entrada. Fig. 2 EL AMPLIFICADOR EMISOR CO M N En la figura 1 vemos el circuito deun amplificador base común. En este tipo de circuito, la señal Si observamos el circuito, la pola- de entrada se aplica entre base yrización del emisor es tal que la jun- emisor del transistor. Aquí también latura base-emisor queda en directa, polarización del transistor es tal queconstituye así un circuito de muy ba- el emisor queda polarizado en direc-ja resistencia de entrada (diodo en ta, condiciones imprescindibles para Fig. 3directa) que oscila entre 50 y 300Ω, que el transistor funcione como tal.mientras que el colector queda po- Se trata de un amplificador delarizado en inversa, lo que hace que impedancia de entrada moderada,la salida tenga una resistencia ele- no muy alta impedancia de salida,vada que oscila entre 100kΩ y 1MΩ. posee ganancia de tensión y co- La ganancia de corriente: rriente y la señal de salida está des- 87
    • Las Ondas Electromagnéticas Ic la base. Para hacer el cálculo de Rb β = ——— Fig. 4 se emplea la malla formada por Ib Vcc, Rb y la juntura BE del transistor β = Ganancia de corriente del (figura 5).transistor en la configuración emisorcomún Ejemplo Por lo dicho, en un amplificador Si consideramos la Vbe = 0,6V ybase común se utiliza el parámetro: queremos una corriente de base de 50µA con una Vcc = 6V, la Rb debe Ic ser de: α = —— Ie 6V - 0,6V Fig. 5 y aquí se usa: Rb = ————— = 108.000Ω 50 x 10-6 A Ic β = ——— Un valor comercial que se ase- Ib meje a este valor es 100kΩ: por lo Pero la diferencia fundamental tanto, adoptamos una Rb = 100kΩ.es que este circuito (emisor común) Es fácil notar que, pase lo quetiene ganancia de corriente y tam- pase, la Ib permanece constantebién ganancia de tensión, por lo frente a variaciones de temperaturacual se puede tener una ganancia o por cambios de transistor pues pa- Fig. 6de potencia que puede llegar a ra todos los transistores Vbe = 0,6V10.000 veces (40dB), lo que lo hace (Si) o Vbe = 0,2V (Ge) aproximada-muy popular. Nótese que, si al apli- mente.car una señal de entrada aumenta Icla tensión de base, aumentará la Ib, β = ——lo que hará aumentar la Ic; si esto Ibocurre, aumentará la caída de ten- Con lo cual:sión sobre RL y, por ley de Kirchhoff(que veremos en la próxima lec- Ic = β . Ibción), disminuirá la tensión colector- Fig. 7 Ocurre que todos los transistoresemisor (tensión de salida) pues: “no” son iguales y su b puede variar Vcc = VRL + Vce por cambios de temperatura (ade- más de variar entre transistores), con Como Vcc es constante, si au- lo cual, si es fundamental que Ic nomenta VRL deberá disminuir Vce. En varíe, tendría que cambiar el valorsíntesis, un aumento de la señal de de Rb cada vez que se cambia deentrada provocará una disminución transistor, lo que complica el análisis.(mayor) de la tensión de salida por Esto hace que la polarización fijalo cual hay una inversión de fase en- no sea la más adecuada, ya que es ganancia del amplificador, mejoratre entrada y salida, al revés de lo inestable frente a cambios de tran- algunas fallas de la polarización fijaque ocurría en un circuito Base-Co- sistores y frente a variaciones de (figura 6). Para calcular el valor demún. Aquí también es necesario, a temperatura, por lo que resulta im- Rb debemos saber cuál es el valorlos fines de simplificar la construc- posible mantener fija la corriente tí- de tensión que pretendemos queción del circuito, polarizar al transis- pica de colector. exista en colector y cuál es la co-tor con una sola batería o fuente de Para solucionar en parte este rriente que circulará por la base.alimentación y para ello hay mu- problema, se utiliza la polarización Analizando el circuito y aplican-chas formas de hacerlo; una de automática que consiste en conec- do Kirchhoff puede deducirse que:ellas es la denominada polarización tar el resistor Rb entre base y colec-fija, que consiste en colocar un resis- tor, que cumple la función de “sen- Vce - Vbetor entre base y batería con el fin de sar” la tensión entre colector y base Rb = ————— Ibpolarizar la juntura base-emisor en para polarizar a ésta. Es decir, existedirecta (figura 4). una realimentación desde el colec- Si se desea tener una tensión en- Para calcular el valor de la resis- tor hacia la base (realimentar signifi- tre colector y emisor Vce = 4V contencia de base, basta con fijar un ca tomar una muestra de alguna una corriente de base de Ib = 50µA,valor de corriente de base. Sabe- parte del circuito y enviarla a otra debemos colocar una Rb (figura 7),mos que habrá además una caída parte del circuito con el fin de variar que se calcula:de tensión sobre RL que no debe ser alguna característica del mismo). La 4V - 0,6Vdemasiado alta para que el colec- polarización automática, aunque Rb = ————— = 68.000Ωtor siga siendo positivo respecto de tiene la desventaja de disminuir la 50 x 10-6A 88
    • Capítulo 6 Casualmente, esta vez el valor valor de Ic. Fig. 8calculado para Rb = 68kΩ coincide Vcc - Vbecon un valor comercial. Ic = ——————— Para calcular la polarización de Rb Rc + ——un circuito con polarización auto- βmática se debe recurrir al circuito de 11,4V Ic = ——————————entrada (figura 8). Se deduce que: 22.000Ω 1200Ω + ———— Vcc = VRc + VRb + Vbe 300 Si consideramos que Ic es mucho 11,4V Ic = ———————— = 8,95mAmayor que Ib se puede decir que: 1.200Ω + 73,3Ω VRc = Ic . Rc ; VRb = Ib . Rb Se puede comprobar entonces Fig. 9 Luego: que una variación del 50% en el va- lor del b provoca en este caso una Vcc = Ic . Rc + Ib . Rb + Vbe variación inferior al 5% en la corrien- te del colector, lo que indica que ha Reemplazando la relación: aumentado la estabilidad del circui- Ic Ic to. En este circuito la realimentaciónIb = —— Vcc = Ic . Rc + —— . Rb + Vbe negativa también estará presente β β para la señal alterna que deseamos Si se trabaja matemáticamente, amplificar; es decir, existe una dismi-se llega a: nución en la ganancia del circuito, necesario graduar la ganancia de Vcc - Vbe pero la estabilidad lograda com- la etapa a voluntad (ganancia de Ic = ——————— (1) pensa ampliamente esta pequeña tensión) y además que el circuito Rb desventaja ya que, con el precio Rc + —— sea térmicamente estable; para ello β actual de los transistores, si necesita- suele utilizarse una realimentación En la fórmula de cálculo de Ic se mos mayor ganancia, siempre po- de corriente en el circuito de polari-ve que ahora el β no influye tanto demos recurrir a más etapas en am- zación, por medio de la colocaciónsobre el valor de la corriente de co- plificación. Como vemos, logramos de un resistor en el emisor del transis-lector, razón por la cual no hay gran- estabilidad térmica bajando la ga- tor. En el circuito así constituido cual-des variaciones de Ic con la tempe- nancia del sistema. quier aumento en la corriente deratura o por cambios del transistor. Si consideramos despreciable la colector por alguna causa, desarro- Aunque la variación de β sea corriente de base frente a la corrien- llará una tensión sobre el resistor degrande debido a que se cambió el te de colector, podemos calcular la emisor tal que, si la tensión de basetransistor o hubo una variación de tensión colector-emisor de la si- permanece constante, polariza entemperatura, el circuito no se verá guiente manera (figura 10): forma inversa la juntura Base-Emisorafectado, dado que Ic permanece que compensará la variación de lacasi constante. Vcc = VRc + Vce corriente de colector. Sea el caso ahora, del circuitode la figura 9. Q es un transistor de si- Como Ic >> Ib; trabajando mate- Fig. 10licio (Vbe = 0,6 V) que posee un β = máticamente:200. Aplicando la fórmula (1), obte- Vce = Vcc - Ic . Rcnemos: Vcc - Vbe 12V - 0,6V Vce = Vcc - ————— . Rc Ic = ————————— = Rb 22.000Ω Rc + —— ————— + 1.200Ω β 200 12V - 0,6V Aplicando esta fórmula al ejem- Ic = ————————— = plo que hemos analizado, podremos 110Ω + 1.200Ω conocer cuánto vale la tensión co- 11,4V lector-emisor. Fig. 11 Ic = ———— = 8,7mA 1310Ω Vce = 12V - 8,7mA . 1,2kΩ =1,56V Supongamos que hay una varia- La baja tensión Vce indica queción del 50% del b por cualquier el transistor está operando cerca decausa, lo que lo lleva a un valor β’ = la zona de saturación. Recordemos300, nos preguntamos, ¿variará mu- que esta zona tiene su límite paracho la corriente de colector? Para una Vce ≅ 1V.aplacar dudas, calculemos el nuevo Para otras aplicaciones resulta 89
    • Las Ondas ElectromagnéticasFig. 12 sión VB se calcula como la tensión Fig. 14 que cae entre base y masa del tran- sistor cuando éste ha sido desco- nectado; esta tensión es la que cae sobre R2 y es la VB, fórmula (2). En tanto la resistencia de Theve- nin RB la calculamos con el transistor desconectado y cortocircuitando la fuente de alimentación (II). Observe el circuito de la figura recién vista, donde al cortocircuitar la fuente de ra impedir pérdidas de ganancia. En continua (Vcc) R1 y R2 quedan co- síntesis, el agregado de Re tiende aFig. 13 nectados en paralelo. estabilizar la corriente de colector. R1 . R2 Dado que generalmente Re » RB = ———— (3) Rb/b, si varía el b, Ic se mantiene R1 + R2 constante, entonces hay mayor es- tabilidad (figura 14). De la misma for- En la figura 13 vemos qué ocurre ma que hemos procedido anterior- si reemplazamos VB y RB en el circui- mente, podemos calcular la tensión to de la figura 11. Lo hecho no es Colector-Emisor aplicando Kirchhoff más que una aplicación del teore- en el circuito de salida. ma de Thevenin para simplificar el La polarización “fija” de la base cálculo de la corriente de colector. Vcc = VRc + Vce + VRese consigue por medio de un divisor Aplicando Kirchhoff en el circuito Vcc = Ic . Rc + Vce + Ic . Reresistivo. de la figura, se tiene: Vcc = Ic (Rc + Re) + Vce Veamos lo siguiente, la polariza- Vce = Vcc - Ic (RC + Re) VB = VRB + Vbe + VReción de la base es Vcc . R2/(R1 + R2)o sea no depende de ningún pará- VB = Ib . Rb + Vbe + Ie . Re En síntesis, el agregado de Remetro del transistor. Un aumento de proporciona una estabilidad adicio-Ic aumenta VRe que es la caída so- Como Ic ≈ Ie nal al circuito ya que permite sensarbre Re (ver figura 11). Para calcular la corriente de emisor. VB = Ib . RB + Vbe + Ic . Rela corriente de colector es necesario Se conecta un capacitor en pa-conocer el valor de la tensión de la Ic ralelo para que la corriente alternabase respecto de masa y la resisten- También Ib = ——— se derive a masa por él sin producir β caída de tensión alterna sobre Re, locia que “ve” la base. El cálculo se facilita si considera- Ic que disminuiría la ganancia.mos que I1 es mucho mayor que Ib. VB = —— . RB + Vbe + Ic . Re Existen otras polarizaciones para Dibujando la batería del otro la- β la configuración emisor común pero RB todas ellas buscan mayor gananciado se comprenderá mejor el circuito VB = Ic . ( —— + Re) + Vbede entrada (figura 12) : β de tensión y aumento en la estabili- dad del circuito que son los factores Vcc Despejando: determinantes para la elección del I1 = ————— R1 + R2 circuito adoptado para cada caso. VB - Vbe VB = I1 . R2 Ic = —————— RB Reemplazando: ——— + Re EL AMPLIFICADOR COLECTOR CO M N β Vcc En este circuito la señal de entra- VB = ———— . R2 (2) R1 + R2 Donde: da se aplica entre colector y base VB y RB se calculan por medio de que, como sabemos, es una juntura El desarrollo que estamos hacien- las fórmulas (2) y (3). polarizada en inversa para que eldo es una aplicación del teorema de Vbe = 0,2V para el germanio y transistor trabaje correctamente: deThevenin que dice que cualquier cir- 0,7V para el silicio. esta manera se logra que la impe-cuito puede ser reemplazado por un β ganancia de corriente en emi- dancia de entrada de un transistorgenerador de tensión en serie con sor común dado por el fabricante. en esta configuración sea muy altauna resistencia. Aplicando este teo- Para que la señal alterna no de- (resistencia elevada), mientras querema al circuito que está conectado sarrolle una tensión sobre el resistor la salida se toma entre colector yentre base y masa del transistor, tene- Re, se coloca un capacitor de desa- emisor, siendo la impedancia de sa-mos que R2 está conectada a la ba- cople entre emisor y masa. De esta lida bastante baja.se junto con R1 y Vcc. forma el capacitor en paralelo con Esta etapa posee una ganancia Ahora bien, el generador de ten- Re deriva la señal de CA a masa pa- de potencia bastante baja compa- 90
    • Capítulo 6Fig. 15 Fig. 16rada con la que se puede obtener elegir los componentes aso-en una etapa emisor común. Fig. 17 ciados (resistores, alimenta- La tensión de salida es siempre ción, etc.) con sumo cuidado,menor que la tensión de entrada: ya que el punto Q no debepor lo tanto, la ganancia de tensión quedar en cualquier parte dees menor que la unidad. Este circui- la zona activa del transistor. Seto se utiliza como elemento adapta- debe tener en cuenta las es-dor de impedancias (figura 15). pecificaciones dadas por el Acomodamos el circuito para fabricante, tales como Poten-poder verlo como comúnmente se cia Máxima de Disipación (Pcutiliza (figura 16). Si aumenta la señal max), Tensión Máxima de Co-de entrada, aumenta la corriente lector (Vc max), Corriente Má-de emisor y por lo tanto la señal so- xima de Colector (Ic max),bre la RC con lo cual, como ocurre Factor β de Amplificación, etcen la configuración base común, (figura 17).aquí no hay inversión de fase. Para pequeñas señales, si el transistor está bien polariza- do se puede asegurar que la tensión base, previa ubicación del punto de RECTA EST TICA DE CARGA de salida no será distorsionada, “pe- reposo del transistor, partiendo de la ro no es la misma la tensión de co- denominada RECTA ESTATICA DE Los transistores pueden ubicar su lector que la señal de salida”, ya CARGA del transistor (figura 19). Parafuncionamiento en una zona de tra- que esta última no debe poseer ge- trazar esta recta sobre la familia debajo donde su respuesta es lineal, neralmente una componente de curvas, se obtiene la ecuación de launa zona denominada “ZONA DE continua, razón por la cual se colo- malla de salida del circuito. PorCORTE” y una tercera zona que de- can capacitores de desacople a la ejemplo, en el circuito de un transis-termina la “SATURACION” del transis- salida del circuito (y también a la tor en emisor común con polariza-tor. Se debe establecer un punto de entrada) lo que obliga a analizar el ción por divisor resistivo se tiene que:funcionamiento del transistor dentro circuito sin componente continua yde su región activa (zona lineal) con con componente continua (figura Vcc = Vce + Ic (Rc + Re) (4)el objeto de obtener a la salida del 18). En este circuito, la tensión deamplificador una señal réplica de la continua del colector del transistor En esta ecuación, Vcc, Rc y Rede entrada pero de mayor ampli- no aparece sobre la resistencia de son valores conocidos mientras quetud. El punto de reposo del transistor, carga RL a causa del bloqueo im- Vce e Ic son variables.que hemos aprendido a calcular puesto por Cb2 pero la señal sobre En geometría se estudia que lapara las distintas polarizaciones, se RL es una réplica amplificada de la ecuación (4) representa una recta ydebe hallar sin aplicar señal externa señal de entrada. para trazarla hace falta conocery se lo llama punto “Q” de funciona- Los valores de los capacitores dos puntos de dicha recta. Los pun-miento, punto de reposo o simple- deben ser tales que a la frecuencia tos elegidos serán:mente punto de trabajo. mínima de trabajo no ofrezcan resis- Ubicando este punto Q sobre las tencia apreciable al paso de la se- a) para Vce = 0 debemos calcu-curvas características de salida del ñal. Para la ubicación del punto de lar el valor de Ic. De la fórmula (4):transistor y aplicando métodos gráfi- trabajo se recurre generalmen-cos se puede predecir el comporta- te a métodos gráficos, se usan Fig. 18miento del amplificador cuando se las curvas de salida del transis-le aplica una señal a la entrada. Si la tor en la configuración en queseñal de salida no es fiel a la ingre- se esté utilizando el dispositivo.sante, lo más probable es que no se Si se conocen los elemen-haya elegido correctamente el pun- tos asociados a la salida delto de reposo. transistor pueden calcularse los Al polarizar un transistor se debe resistores de polarización de 91
    • Las Ondas Electromagnéticas Vcc = 0 + Ic (Rc + Re) derarla como un capacitor cargado cuencia, donde el capacitor puede de alta capacidad). De esta mane- que no se comporte como un corto- despejando: ra el emisor estará conectado a ma- circuito. Para calcular el valor del sa y Rc estará en paralelo con la Vcc Fig. 19 Ic = ————— carga RL. Para analizar el com- (Rc + Re) portamiento del circuito para se- ñales alternas gráficamente es b) Cuando Ic = 0, de la fórmula (4): necesario construir una RECTA DINAMICA DE CARGA que con- Vcc = Vce + 0 (Rc + Re) temple el paralelo entre Rc y RL y Vcc = Vce ahora RE = 0 a causa de la muy baja impedancia que pasa a te- Es decir, los dos puntos elegidos ner CE.para trazar la recta serán: Para trazar la Recta Dinámi- Vcc ca de Carga se tiene en cuenta a) (Ic; Vce) ⇒ ( ——— ; 0) el punto de reposo del transistor (Rc + Re) ya que sin señal se ubicará sobre b) (Ic; Vce) ⇒ (0; Vcc) dicho punto. La técnica consiste Si ubicamos estos puntos sobre en trazar una recta que pase porlas curvas de salida del transistor y el punto Q con pendiente 1/Rd,trazamos una recta que pase por siendo Rd el paralelo entre Rc y Fig. 20ellos, encontraremos la recta estáti- RL (figura 22).ca de carga del circuito (figura 20). Esta recta es útil porque no im- Rc . RLporta que varíe la corriente de base Rd = ————como consecuencia de la aplica- Rc + RLción de una señal, los valores de Ic yVce se ubicarán sobre dicha recta.Además, conociendo los valores C LCULO DE LOSmáximos de la señal a aplicar y tras- CAPACITORES DE PASOladándolos al gráfico se podrá cal-cular cuáles son los valores corres- Hemos dicho que tanto lospondientes de la corriente de colec- capacitores de acoplamientotor. de entrada y salida, como el ca- pacitor de desacople de emisor, se deben comportar como un Fig. 22 cortocircuito para la señal de RECTA DIN MICA DE CARGA trabajo. La forma de cálculo de estos capacitores está íntima- Se ha visto que por métodos grá- mente ligada con la impedanciaficos se pueden predecir los distintos del circuito “que ven estos ele-valores de Ic y Vce que puede tomar mentos” ya que el efecto resisti-un transistor polarizado cuando se le vo debe ser mucho menor queaplica una señal de entrada, pero en dicha impedancia para todasel razonamiento no se ha tenido en las señales que se desean ampli-cuenta la carga que se le aplica al ficar.circuito a través de un capacitor. La reactancia de un capaci- La Recta Estática de Carga es tor se calcula como:muy útil para analizar el funciona-miento del circuito sin que a éste se le Laplique señal, es decir, donde se ubi- Xc = ————— 2π.f.Ccaría el punto de reposo si hubiese al- Fig. 21gún corrimiento de algún parámetro De aquí se deducea causa de determinados factores, que, en la medida que au-como por ejemplo la temperatura. menta la frecuencia de laAnalicemos el circuito de la figura señal tratada, menor será21. Cuando se aplica una señal de el efecto de oposición delcorriente alterna, C2 es un corto cir- capacitor al paso de lascuito; lo mismo ocurre con el capa- señales. Por lo tanto, elcitor de desacople de emisor CE y la peor caso se presenta confuente de alimentación (por consi- las señales de menor fre- 92
    • Capítulo 6 ma de operación, con lo cual el va- lor Ce disminuye bastante. Valores normales están comprendidos entre 50µF y 220µF. Del mismo modo se pueden cal- Fig. 23 cular los capacitores de paso (CB1 y CB2) obteniéndose valores normales que oscilan entre 10µF y 100µF.capacitor necesario, éste debe te-ner una “resistencia” (en realidad Fig. 24reactancia) 10 veces menor que el Acoplamientos Interetapasvalor de la impedancia que él verá un ejemplo en la figura 24. Con tran-a la mínima frecuencia de trabajo Para conectar el transductor de sistores NPN la base es menos positi-del amplificador. Por ejemplo, si la entrada al amplificador, o la carga u va que el colector; por lo tanto, elimpedancia de entrada de un am- otra etapa es necesario un medio capacitor electrolítico se conectaplificador es de 5.000Ω, el capacitor de acoplamiento que permita con el positivo del lado del colectorde paso de entrada no debe pre- adaptar impedancias para que exis- de la primera etapa. Generalmentesentar una reactancia superior a ta máxima transferencia de energía. se utiliza un acoplamiento con resis-500Ω para la frecuencia mínima de Los acoplamientos interetapas más tor y capacitor en etapas amplifica-operación. utilizados son: doras de audio de bajo nivel. Para explicar esto mejor con unejemplo, podemos calcular el valor a) Acoplamiento RCdel capacitor de desacople de una b) Acoplamiento a transformador b) Acoplamientoresistencia de emisor de 100Ω si la c) Acoplamiento directo por Transformadormínima frecuencia de operación El acoplamiento a transformadordel transistor será de 20Hz. se utiliza con el fin de obtener máxi- Sabemos que: a) Acoplamiento RC: ma ganancia de potencia; para ello Este tipo de acoplamiento es deben adaptarse las impedancias 1 muy utilizado aunque con él no se de entrada y de salida del transistor. Xc = ————— 2π.f.C produce una perfecta adaptación En la figura 25 vemos un circuito de impedancias y por lo tanto, no acoplado a transformador: y que: habrá máxima transferencia de Se emplea un transformador re- Re energía. Separa totalmente la señal ductor T1 para acoplar la entrada Xc = ————— de los circuitos de polarización (figu- del transistor con lo cual, si bien hay 10 ra 23). El resistor R1 puede ser el resis- una disminución de la tensión apli- luego: tor de carga (o polarización) de la cada (por ser un transformador re- Re 1 primera etapa mientras que R2 pue- ductor), hay un mayor suministro de —— = —————— de ser el resistor de polarización de potencia ya que, por el teorema de 10 2π.f.C base, si la segunda etapa es un tran- máxima transferencia de potencia, despejando: sistor. El capacitor C deja pasar las se logrará transferir máxima energía señales alternas provenientes de la cuando las partes están perfecta- 10 primera etapa y evita que la tensión mente adaptadas (igual impedan- Ce = —————— 2 . π . f . Re de polarización quede aplicada en cia). Para adaptar la salida también la entrada de la segunda etapa. La usamos un transformador reductor Si queremos dar el valor del ca- capacidad del capacitor C tiene ya que el parlante posee baja impe-pacitor en µF multiplicamos el se- que ser la adecuada a las frecuen- dancia, en contraposición con la al-gundo término por 106, luego: cias de las señales que se desean ta impedancia del colector del tran- amplificar; por ejemplo, para aco- sistor. Este T2 adapta las impedan- 107 plar etapas de audio su valor debe cias de colector y parlante, así per- Ce [µF] = —————— 2 . π . f . Re ser elevado (algunos microfarad) mite que la potencia entregada al para que su reactancia sea peque- Reemplazando valores: ña a la menor frecuencia que se de- 107 sea amplificar. Una capacidad pe- Fig. 25 Ce [µF] = ——————— = queña ofrecería una reactancia ele- 6,28 . 20Hz . 100Ω vada al paso de las bajas frecuen- 107 cias, por lo que éstas quedarían ate- Ce [ F] = ————— = 796 F nuadas. Si se desea acoplar etapas 12,56 . 103 amplificadoras con transistores usan- do capacitores electrolíticos, la posi- En general el valor de Re es ma- ción del capacitor dependerá de layor, al igual que la frecuencia míni- polaridad de los transistores. Veamos 93
    • Las Ondas ElectromagnéticasFig. 26 que no están com- en configuración colector común, lo puestas por una sola que significa que la señal ingresa frecuencia. Además, por la base y sale por el emisor. Para es pesado y de gran ello se conecta el emisor de la pri- tamaño; si se quiere mera etapa a la base de la etapa si- disminuir las pérdidas, guiente. el costo aumenta Podemos conectar dos etapas considerablemente. amplificadoras en emisor común a través de un resistor, considerando c) Acoplamiento este acoplamiento como directo; Directo permite trabajar con distintos nivelesparlante sea máxima. En este circui- Este tipo de acoplamiento con- de continua entre colector del pri-to se tiene una polarización por divi- siste en unir dos etapas por medio mer transistor y base del segundo,sor de tensión, donde R1 y R2 dan la de un cable. En principio, este méto- pero presenta el inconveniente depolarización adecuada a la base, y do es ideal porque resulta económi- disminuir el rendimiento.Re da la estabilización necesaria co y no sufre las atenuaciones que Las ventajas del acoplamientopara evitar problemas por cambios introduce todo capacitor en bajas directo son aprovechadas en la ma-en los parámetros del transistor; C1 frecuencias. En sistemas amplifica- yoría de los equipos de audio, yase coloca para evitar que la señal se dores, el método consiste en conec- sea en aquellos que utilizan circuitosatenue sobre R1, y C2 para impedir tar el colector de un transistor con la integrados o en circuitos de exce-que la señal se desarrolle sobre Re, base del siguiente (figura 26). El prin- lente diseño. En la actualidad sonasí el rendimiento del circuito au- cipal problema de este circuito radi- muy pocos los equipos de buenasmenta. En síntesis, un acoplamiento ca en que los niveles de continua características que no utilizan estea transformador permite adaptar del colector de un transistor y de la acoplamiento. Otra forma de aco-impedancias y aísla niveles de conti- base del transistor siguiente son plamiento muy difundido en la ac-nua, pero posee la desventaja fun- iguales, razón por la cual la tensión tualidad es el “Acoplamiento com-damental de que sus características de colector de los transistores es ba- plementario” que se basa en el usovarían con la frecuencia, razón por jísima limitando así su funcionamien- de un transistor NPN y otro PNP, temala cual suele distorsionar (aunque to. Para solucionar este problema se del que nos ocuparemos más ade-muy poco) a todas aquellas señales puede polarizar el primer transistor lante.Fundamentos Físicos de la Reproducción del SonidoE l dispositivo universal que se uti- únicamente para las vibraciones cuestión; es decir, ninguna parte de liza para la reproducción del so- que se transmiten de este modo; sin éste se desplaza físicamente en la nido, son los parlantes, que son embargo, los físicos modernos tam- dirección de propagación paraelementos terminales que convier- bién suelen utilizarlo para designar a permitir el viaje de la onda. Porten en ondas sonoras las señales re- las vibraciones similares que se des- ejemplo, si atamos una cuerda a unsultantes de los procesos electróni- plazan a través de medios líquidos o punto fijo (un poste), la estiramos sincos previos. Para entender el princi- sólidos. A las ondas que se encuen- aplicar demasiada fuerza y la sacu-pio de operación de los parlantes, tran por debajo del límite audible dimos, una onda se desplazará delprimero se requiere definir qué son de 20Hz se les conoce como infra- extremo que estamos sujetandoestos elementos y qué es el sonido. s nicas , mientras que los sonidos hasta su otro extremo; al llegar al El parlante es un transductor con frecuencias superiores a punto fijo, la onda se reflejará y via-capaz de transformar una se al de 20,000Hz se denominan ultrasoni- jará de regreso hasta nuestra mano.corriente el ctrica en una onda de dos . Este tipo de movimiento ondula-sonido audible . Por su parte, el so- torio se denomina “onda transver-nido es un fenómeno físico que esti- sal”. Del mismo modo, si tiramos unamula el sentido del oído mediante PROPAGACI N DE LAS piedra a un estanque, una serie decambios en la presión del aire. En VIBRACIONES U ONDAS ondas transversales se propagarálos seres humanos, esto ocurre siem- desde el punto de impacto.pre que una vibración con fre- En general, las vibraciones u on- Entonces, cualquier objeto quecuencia comprendida entre los 20 y das del sonido se propagan de for- flote cerca de este punto se move-los 20,000Hz llega al oído interno. ma transversal o longitudinal. En rá hacia arriba y hacia abajo, de Para llegar al oído interno, las vi- ambos casos, la energía y el ritmo acuerdo con la dirección y fuerzabraciones viajan por el aire. A ve- del movimiento ondulatorio sólo se del movimiento ondulatorio; peroces, el término sonido se emplea propagan a través del medio en apenas mostrará movimiento longi- 94
    • Capítulo 6 Fig. 1 las moléculas permanecen más o menos en la misma Intensidad posición (figura 2). La distancia a la que se puede escuchar un sonido, depende de la intensidad de éste; la intensidad es Caracter sticas F sicas el flujo promedio de energía que Una nota musical, por atraviesa cada unidad de área per- ejemplo, puede ser definida pendicular a la dirección de propa- en su totalidad, mediante gación. En el caso de ondas esféri-tudinal, o sea un desplazamiento (fi- tres características con que se perci- cas que se propagan desde unagura 1). be: el tono, la intensidad y el timbre. fuente puntual, la intensidad medi- Estos atributos corresponden exac- da en un punto es inversamente pro- tamente a tres características físicas: porcional al cuadrado de la distan- LA ONDA DE SONIDO la frecuencia, la amplitud y la compo- cia; esto, suponiendo que no se pro- sici n arm nica o forma de onda. duzca ninguna pérdida de energía Una onda de sonido es una on- debido a la viscosidad, la conduc-da longitudinal. A medida que la Frecuencia o tono ción térmica u otros efectos de ab-energía del movimiento ondulatorio Por frecuencia del sonido se en- sorción.se propaga alejándose del centro tiende el número de ciclos de una En la propagación real del soni-de la perturbación, las moléculas de onda por segundo. Conforme ma- do en la atmósfera, los cambios físi-aire individuales que transportan al yor sea la frecuencia de una onda, cos que el aire experimenta dan lu-sonido se mueven hacia delante y más agudo se escuchará el sonido; gar a la amortiguación y dispersiónhacia atrás, de forma paralela a la y al contrario, conforme menor sea de las ondas sonoras.dirección de dicho movimiento. la frecuencia de la misma, más gra- Si un cuerpo se desplaza ligera- ve se escuchará el sonido. Un fenó- Timbremente hacia adelante, momentá- meno interesante es el que se pro- Vamos a suponer que tenemosneamente el aire frente a él se com- duce cuando se tocan dos instru- un violín, un piano y un diapasón, yprime, pero de forma instantánea mentos distintos en la misma nota. que con la misma intensidad se tocatrata de recuperar su densidad nor- Ambos sonidos pueden tener la mis- en los tres una nota L a -situada so-mal; por lo que la compresión co- ma frecuencia, pero no necesaria- bre el D o central. Los sonidos resul-mienza a viajar en la misma direc- mente se percibirán igual; la diferen- tantes serán idénticos en frecuenciación del movimiento inicial, pero cia radica en el timbre característi- y amplitud, pero muy diferentes encon la distancia se va diluyendo po- co de cada instrumento.. timbre. De las tres fuentes, el diapa-co a poco. Exactamente esto suce- són es el que produce el tono másde cuando el mismo cuerpo retro- Amplitud sencillo, conformado casi exclusiva-cede a su sitio original, pero ahora La amplitud de una onda de so- mente por vibraciones de tipo senoi-generando una pequeña porción nido es el grado de movimiento de dal con frecuencias de 440 Hz.de baja densidad, que viaja con las las moléculas de aire que la trans- Debido a las propiedades acústi-mismas características de la anterior. portan. Dicho movimiento corres- cas del oído y a las propiedades de Combinando ambos efectos, ponde a la intensidad de expansión resonancia de su membrana vibran-cuando un objeto está vibrando rá- y compresión de la propia onda. te, es dudoso que un tono llegue enpidamente, frente a él se genera Cuanto mayor es la amplitud de la estado puro al mecanismo internouna serie de zonas donde la densi- onda, más intensamente golpea és- del oído. La componente principaldad del aire varía dependiendo del ta a las moléculas del tímpano y de la nota producida por el piano ogrado de desplazamiento original más fuerte es el sonido percibido. La el violín también tiene una frecuen-del cuerpo, formando una serie de amplitud de una onda de sonido cia de 440 Hz; sin embargo, ambasondas que se van alejando del pun- puede expresarse en unidades ab- notas contienen a su vez compo-to de origen. Estas sucesivas zonas solutas, mediante la medición de la nentes cuyas frecuencias son múlti-de aire comprimido y enrarecido distancia de desplazamiento de las plos exactos de 440 Hz: los llamadasson captadas por el tímpano, el cual moléculas del aire, la medición de la frecuencias arm nicas . Las intensi-reproduce en escala pequeña los diferencia de presiones entre la dades y el defasamiento que exis-desplazamientos originales del cuer- compresión y la expan-po vibrante, y transmite al oído inter- sión, o la medición deno esta información, donde el cere- la energía transporta- Fig. 2bro lo interpreta como sonido. Quie- da. Para expresar la in-re decir que una onda de sonido es tensidad de los soni-una serie de compresiones y rare- dos, éstos se compa-facciones sucesivas del aire. Cada ran con un sonido pa-molécula transmite la energía a la trón; en tal caso, la in-molécula que le sigue; una vez que tensidad se expresa enla onda de sonido termina de pasar, decibeles (dB). 95
    • Las Ondas Electromagnéticasten entre esas otras componentes, ble muy ligero, sumergida den-determinan el timbre de la nota. tro del campo magnético de un potente imán permanente o de un electroimán (figura 3). VELOCIDAD DEL SONIDO Una corriente eléctrica va- riable, procedente de los circui- La frecuencia de una onda de tos electrónicos de algún ampli-sonido, es una medida del número ficador, atraviesa la bobina yde vibraciones por segundo de un modifica la fuerza magnéticapunto determinado; a la distancia entre ésta y el campo magnéti-entre dos crestas (cimas) adyacen- co del parlante. Al producirsetes de la onda, se le denomina lon- cambios de corriente, la bobinagitud de onda . Al multiplicar el valor vibra y entonces hace que unde la longitud de onda por el de la diafragma o un gran cono vi-frecuencia, se obtiene la velocidad brante (unido mecánicamentede propagación de la onda. Esta a ella) se mueva para generarvelocidad es igual para todos los so- en el aire ondas sonoras; a sunidos sin importar su frecuencia, vez, este movimiento impulsa asiempre y cuando se propaguen a las moléculas de aire en la for- Fig. 3través del mismo medio y a la misma ma del sonido que se desea re-temperatura. Por ejemplo, mientras producir. excelente reproducción. La razón,la longitud de onda de la nota “La” es que el uso de los parlantes elípti-situada sobre el “Do” central es de cos equivale a tener un parlante cir-unos 78,20 cm, la de la nota “La” si- Tipos de Parlantes cular pequeño para tonos medios ytuada abajo del mismo es de 156,40 otro circular grande para tonos ba-cm. En aire seco y a una temperatu- Para aumentar la potencia y la jos.ra de 0° C, la velocidad de propa- calidad del sonido, pueden utilizarse En todo sistema reproductor degación del sonido es de 331,6 m/s. Al conjuntos especiales de parlantes audio, siempre será necesario insta-aumentar la temperatura, aumenta de diferente tamaño: los pequeños lar dos o más tipos de altavoces. Lala velocidad del sonido; por ejem- son para notas agudas y los grandes fidelidad del sonido mejora cuandoplo, a 20° C la velocidad es de 344 para notas graves. para cada frecuencia y amplitud dem/s. Por lo general, el sonido viaja La forma o diseño de los parlan- la señal de audio se usa un tipo dife-más rápido a través de líquidos y de tes, es también factor que incide en rente de parlante; es decir, para te-sólidos que a través de gases. Tanto la calidad del sonido que se repro- ner un buen sistema de sonido se re-en los líquidos como en los sólidos, la duce. Existen básicamente tres tipos: quieren reproductores de agudosdensidad tiene el mismo efecto que circulares, cuadrados y elípticos (fi- (llamados tweeters), parlantes queen los gases. gura 4). Los primeras ofrecen una reproduzcan los medios (midrange) muy buena reproducción de sonido; y los graves (conocidos como woo- los cuadrados, sólo una regular o fers). Obviamente, el tema es am- REPRODUCCI N DEL SONIDO buena reproducción; los elípticos plio, por lo que lo analizaremos más son las mejores, pues permiten una adelante. ****************** Para la repro-ducción del sonido Fig. 4se emplean par-lantes. Existen dife-rentes tipos, perola mayoría de losactuales son diná-micos. Estos alta-voces incluyenuna bobina de ca-
    • TVTVAUDIOAUDIOVIDEOVIDEOMICROPROCESADORESMICROPROCESADORES
    • EnciclopediaV isualde laElectrónica TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPOINDICE DEL Los FETs..........................................................105CAPITULO 7 El JFET ............................................................105 Efecto de campo .......................................105 El MOSFET de empobrecimiento...............105 MOSFET de enriquecimiento......................106 Protección de los FETs.................................107EL SURGIMIENTO DE LA RADIO Funcionamiento del transistor deLos experimentos de Faraday .....................99 efecto de campo .......................................107Los planteamientos de Maxwell .................99Las ondas de radio y el espectroelectromagnético.........................................99 INTERCOMUNICADOR POR LA RED ELECTRICALa telegrafía sin hilos...................................100 El circuito transmisor....................................109Estructura simplificada de El circuito receptor......................................110una válvula diodo.......................................100 Lista de materiales del transmisor .............112Principio básico de operación de Lista de materiales del receptor ...............112un receptor de radio .................................101Las primeras transmisiones .........................102La evolución de las comunicacionespor ondas radiales ......................................103El desarrollo de la radio comercial ..........103Modulación en FM y transmisiónen estéreo ....................................................103
    • Capítulo 7Capítulo 7El Surgimiento de la Radio LOS EXPERIMENTOS DE FARADAY en conjunto hasta 1873). Sus cálcu- Fig. 1 los teóricos le permitieron determi- Aunque se realizaron múltiples nar que esta onda electromagnéti-experimentos sobre electricidad y ca se propaga a la misma veloci-magnetismo antes de Michael Fara- dad que la luz, lo que lo llevó a laday (figura 1), fue este investigador conclusión de que la energ a lumi-inglés quien descubrió la estrecha nosa no era sino otra manifestaci nrelación que existe entre ambos ti- de este tipo de ondas (un salto ima-pos de fenómenos. ginativo sorprendente para la épo- Fue precisamente Faraday ca).quien descubrió que cuando enuna bobina circula una corrienteeléctrica, se produce un campo LAS ONDAS DE RADIO Y EL ESPECTROmagnético proporcional a la co- ELECTROMAGN TICOrriente circulando, y a la inversa:cuando a una bobina se aplica un Tan sólo faltaba la comproba-campo magn tico externo, en sus ción práctica de estas teorías, y és-extremos aparece una variaci n de ta fue conseguida por los experi-tensi n (figura 2). mentos de un físico alemán: Hein- Este descubrimiento, aparente- rich Hertz, quien utilizan-mente tan sencillo, es la base sobre do una cámara de chis-la cual funcionan prácticamente pas y un aro metálicotodos los aparatos eléctricos que receptor (figura 4) co-nos rodean en nuestra vida cotidia- rroboró la existencia dena, desde el motor de un auto de las ondas electromag-juguete hasta los grandes transfor- néticas. El fundamentomadores que sirven para distribuir el de este experimentofluido eléctrico en las grandes ciu- fue el siguiente: si efecti-dades. vamente en las cargas eléctricas en movimien- to representadas por la LOS PLANTEAMIENTOS DE MAXWELL chispa eléctrica se ge- neraba una serie de on- En la década de 1860, el físico das electromagnéticas,inglés James Clerk Maxwell, con el aro receptor captaríauna gran lucidez que asombra in- parte de esta onda y la Fig. 2cluso a los científicos contemporá- transformaría nueva-neos, puso al descubierto en forma mente en señal eléctri-teórica la estrecha relación que ca, haciendo saltar unaexiste entre los campos eléctricos y chispa de menor tama-magnéticos; postulando que una ño, pero perfectamen-carga eléctrica en movimiento pro- te sincronizada con laduciría en su alrededor un campo chispa principal entremagnético variable, el cual, a su las puntas del aro re-vez, induciría un campo eléctrico, y ceptor.así sucesivamente (figura 3). Esto, a Debido a lo rudi-su vez, se traduciría en la genera- mentario del experi-ción de una onda electromagnéti- mento, Hertz tuvo queca que se origina en la carga eléc- hacer grandes esfuer-trica variable y viaja en todas direc- zos para localizar losciones (estos trabajos se publicaron puntos en que la induc- Fig. 2 99
    • El Surgimiento de la Radio das electromagnéticas, todosFig. 4 estos experimentos no pasaban Fig. 6 de ser curiosidades de laborato- rio; fue hasta que un investiga- dor italiano, Guglielmo Marconi, quien al estudiar los descubri- mientos realizados por Hertz, lle- gó a la conclusión de que las ondas electromagnéticas po- dían utilizarse para la transmisión instantánea de información a distancia (figura 6). Para conseguir la transmisión siguió una transmisión transatlántica de datos por medio de ondas entre Europa y América, hecho que de radio, Marconi utilizó una c - definitivamente lo consagró como mara de chispas, la cual produ- el padre de la radio (de hecho, pa- cía en su interior un arco eléctri- ra 1902 ya se había establecido unFig. 5.a co al aplicarle la señal de un capa- servicio de radio-cables regular en- citor. Para comprobar si efectiva- tre Europa y América). Como reco- mente se podía aprovechar la on- nocimiento a estos descubrimientos, da resultante a distancia, le pidió a Marconi recibió el Premio Nobel de su hermano que llevara la cámara física en 1909. a un sitio alejado de su casa y de- A pesar del gran avance que re- trás de una colina cercana, de mo- presentó para la época el desarro- do que no hubiera contacto visual llo de la telegrafía sin hilos, aún que- entre ambos: al momento en que se daban diversos aspectos que resol- aplicó a la cámara de chispas una ver para que pudiera desarrollarse serie de pulsos de activación en có- un sistema de radiotransmisión mo- digo Morse, Marconi fue capaz de derno, capaz de transmitir no sólo recibirlos con gran claridad, que- pulsos en código Morse, sino tam- dando demostrada la posibilidad bién sonidos, voces, música, etc. Tu- Fig. 5.b de la comunicación a distancia sin vo que desarrollarse una rama de la necesidad de hilos telegráficos (fi- física para que la radio comercial gura 7). fuera una realidad: la electrónica. Marconi viajó por toda Europa y América promocionando su descu- brimiento, hasta que a finales del si- glo pasado y principios del presente LAS V LVULAS DE VACŒO fue reconocido como el primero en desarrollar un uso práctico para las El primer antecedente de un dis-ción electromagnética sobre el aro ondas electromagnéticas; por positivo electrónico lo encontramosmetálico estuviera en su punto má- ejemplo, en 1899 logró establecer la en los laboratorios de Thomas Alvaximo; sin embargo, una vez obteni- comunicación entre Europa conti- Edison, cuyos experimentos lo lleva-da la chispa inducida en el aro me- nental e Inglaterra por medio de on- ron a desarrollar la lámpara incan-tálico, eso bastó para demostrar en das radiales, e incluso en 1901 con- descente; descubrió que si un alam-la práctica la validez de lasteorías de Maxwell. Precisa-mente, en honor a Hertz, seha denominado con su nom-bre una de las variables fun-damentales en el comporta-miento de las ondas electro-magnéticas (y en general detodo tipo de oscilaciones): losciclos por segundo (figura 5). LA TELEGRAFŒA SIN HILOS Incluso cuando Hertz des- Fig. 7cubrió la existencia de las on- 100
    • Capítulo 7 Fig. 8 tivo electrónico, fruto de Fig. 10 las investigaciones del inventor norteamerica- no Lee DeForest: la vál- vula tríodo (figura 10), que añadía una tercera rejilla de control a la vál- vula diodo. Con esta sencilla adición, el dis- positivo funcionaba co- mo amplificador o co- mo oscilador (depen- diendo de su conexión externa). Fig. 9 La inclusión de la válvula tríodo en los re- ceptores de radio per- mitió captar incluso se- ñales muy débiles, au- PRINCIPIO B SICO DE OPERACI N mentando de forma sig- DE UN RECEPTOR DE RADIO nificativa el alcance de las emisiones radiales; Antes de explicar cómo funcio- además, su utilización na un receptor de radio, tenemos como oscilador permitió que hablar de la primera forma de el surgimiento de la he- modulación: la modulaci n en am- terodinación, técnica plitud o AM.bre al que se le había aplicado un fundamental para el desarrollo de Como se mencionó anterior-potencial positivo era colocado la radio comercial (pues permitió la mente, el primer transmisor utilizadodentro de la ampolla de vidrio al va- división y aprovechamiento del es- por Marconi utilizaba una cámaracío, se establecía un flujo de elec- pectro electromagnético). de chispas como medio de genera-trones entre el propio filamento in- Con todo lo anterior, para la dé- ción de ondas electromagnéticas.candescente y el alambre; pero es- cada de los 20’s ya se contaba en Pero este procedimiento tenía unta corriente sólo aparecía con di- diversas partes del mundo con una gran defecto: supongamos que doscha polaridad, ya que al invertir la gran cantidad de estaciones de ra- personas accionan una cámara decarga eléctrica del alambre no se dio; tanto aumentó el número de chispas al mismo tiempo en distintasproducía el flujo (figura 8). receptores, que pronto la radio se localidades, y que un receptor re- Este fen meno, conocido y pa- convirtió en uno de los principales moto trata de recibir las señales ge-tentado como efecto Edison , inspi- medios de comunicación a distan- neradas por uno de ellas (figura 11).r al ingeniero el ctrico ingl s John cia, sitio del que fue desplazada, a Debido a que prácticamente se tie-Ambrose Fleming a desarrollar la pri- mediados de los 50’s, por la televi- ne tan sólo un impulso de energíamera v lvula electr nica del mundo: sión. sin ninguna regla ni limitación, las se-el diodo (figura 9). Lafunción principal de Fig. 11este dispositivo consis-tía en rectificar corrien-tes alternas, y de inme-diato encontró unaaplicación práctica enla radio; se le empezóa utilizar como detec-tor, rectificador y limita-dor de señal, lo que asu vez permitió cons-truir receptores de ra-dio más precisos y sen-sibles. Sin embargo, la co-municación radial enforma no fue posible si-no hasta la apariciónen 1906 de otro disposi- 101
    • El Surgimiento de la Radio amplitud consiste nes en el mundo fue la KDKA de en montar sobre Pittsburgh; comenzó sus operacio- una señal de fre- nes en 1920, cubriendo en ese año cuencia superior lala elección presidencial de Estados señal de audio que Unidos. se va a transmitir (fi-A partir de ese momento, la ra- gura 12); y como esdio se extendió rápidamente por to- posible asignar fre- da América y Europa, convirtiéndo- cuencias de porta- se en uno de los entretenimientos dora distintas a ca- principales de un buen porcentaje da una de las esta-de la población mundial, y en la for- ciones radiales quema más rápida y confiable de ente-Fig. 12 lo soliciten, puederarse de los últimos acontecimien- haber varias de és-tos. (Una anécdota muy famosa tas en una comuni- ocurrió con la transmisión de la ver- dad sin que se in- sión radiofónica de “La guerra deñales de ambas emisoras llegarán al terfieran una con otra. los mundos”, de H. G. Wells; fue lle-mismo tiempo hasta el receptor; La señal modulada en amplitud, vada a cabo en el “Teatro Mercuriomas éste no tiene forma de determi- se envía al aire a través de una an- del Aire” por Orson Wells el 30 de oc-nar cuáles pulsos corresponden a la tena y llega al receptor. Para recibir tubre de 1938, provocando escenasestación que desea escuchar y únicamente esta señal, se sintoniza de pánico masivo entre los radioes-cuáles provienen de la otra. por medio de un oscilador interno, cuchas -que tomaron como verídi- Obviamente, para la efectiva se le hace pasar por un filtro pasa- ca la invasión marciana.)utilización de la radio, es necesario banda, se rectifica (se elimina la De hecho, incluso en nuestraasignar canales exclusivos para el porción superior o inferior de la se-época aparentemente dominadauso de las estaciones emisoras; así el ñal) y se pasa por un filtro detector; por la televisión, la radio sigue sien-receptor podría elegir entre ellas, éste recupera la señal de audio ori- do uno de los espacios de discusiónsolamente sintonizando el canal ginal, la envía hacia el amplificadory análisis más empleados en el mun-adecuado. y finalmente hasta el parlante (figu-do; y todo esto es el resultado de las Este problema fue solucionado ra 13). investigaciones realizadas a finalespor el ingeniero norteamericano Ed- del siglo pasado y principios del pre-win H. Armstrong, quien desarroll la sente, por científicos de muy diver-modulaci n en amplitud; también a LAS PRIMERAS TRANSMISIONES sas nacionalidades que trabajabanél debemos el descubrimiento de la con un fin común: transmitir informa-modulación en frecuencia. En tér- Oficialmente, la primera esta- ción a distancia, utilizando las on-minos generales, la modulación en ción en forma que inició transmisio- das electromagnéticas. Fig. 13 102
    • Capítulo 7 LA EVOLUCI N DE LAS COMUNICACIO-NES POR ONDAS RADIALES Ya en el número anterior habla-mos de los pasos que se dieron en laevolución de la radio; desde elplanteamiento teórico de las ondaselectromagnéticas por parte deMaxwell, su descubrimiento físicopor parte de Hertz y su aprovecha-miento práctico por parte de Mar- Fig. 14coni, hasta la aparición de las pri-meras estaciones de radio comer- de éstas para invitar al público en ministro eléctrico a distintas partesciales. En esta ocasión veremos muy general a recitar, cantar, contar del país; esto sin mencionar los mo-brevemente la forma en que ha chistes o realizar cualquier otra cosa tores eléctricos y otros dispositivosavanzado la comunicación por me- que les permitiera llenar los minutos generadores de gran cantidad dedio de ondas electromagnéticas, al aire de que disponían. ruido electromagnético, que tam-desde principios de siglo hasta nues- A decir verdad, casi todas las es- bién afectaban en forma conside-tros días. taciones de radio estaban patroci- rable la recepción de las ondas de nadas por una sola compañía; en radio (figura 14). consecuencia, los “comerciales” El problema no podía resolverse EL DESARROLLO DE LA RADIO COMER- transmitidos al aire tan sólo promo- simplemente mejorando la calidadCIAL cionaban a la empresa dueña de la de los receptores, ya que el con- estación (compañías como Wes- cepto mismo de modulación en AM Como ya mencionamos en el tinghouse y General Electric pusie- resulta excesivamente susceptible aapartado anterior, la primera esta- ron estaciones a todo lo largo y an- la interferencia externa. Si recorda-ción de radio comercial que se ins- cho de Estados Unidos, con la idea mos la forma en que es transmitidatauró en el mundo fue la KDKA de de promocionar sus receptores de una señal en AM, veremos que elPittsburgh, en Estados Unidos. Pero radio entre la población). Fue hasta audio que se desea enviar se mon-esto no hubiera tenido caso, de no mediados de la década del 20, ta sobre una frecuencia portadora,haberse desarrollado un método cuando el concepto de una pro- de modo que ambas viajen juntassencillo y económico para captar gramación radiofónica se extendió por el aire hasta ser captadas por ellas ondas radiales; a la postre, esto entre los dueños de estaciones receptor; pero como la informaciónpermitiría a la radio ganar un sitio transmisoras; se comenzaron enton- útil está contenida en la amplitudpreponderante en todos los hoga- ces a explotar géneros tan clásicos de la portadora, cualquier fenóme-res del mundo. Este método fue des- como la radionovela, los noticieros, no que afecte a dicha magnitudcubierto por Greenleaf Whittier Pic- los programas de opinión, la música también afecta a la informaciónkard, quien en 1912 investigó las variada, etc. (géneros que básica- transportada. Por ejemplo, si en laspropiedades de ciertos cristales pa- mente permanecen sin cambios cercanías de un receptor de AM sera detectar las ondas hertzianas (lo hasta nuestros días). ponía a funcionar un motor eléctri-cual dio origen a las famosas radios co, las corrientes internas podíande cristal, tan populares en los años generar suficiente ruido electro-20’s). Todo ello, aunado a la recien- MODULACI N EN FM Y magnético, el cual, al mezclarsete aparición de los receptores su- TRANSMISI N EN EST REO con la señal de AM original, daríaper-heterodinos y el aprovecha- por resultado un audio lleno de rui-miento de las válvulas de vacío co- Ahora bien, las transmisiones en do y en ocasiones completamentemo rectificadores, detectores, am- amplitud modulada (AM) fueron opacado por la interferencia. Co-plificadores y osciladores, permitió durante mucho tiempo el pilar so- mo ya se dijo, tal fenómeno no tie-que los años 20’s y 30’s se convirtie- bre el que descansó la radio comer- ne nada que ver con la calidad deran en la época de oro de la radio cial; y es que tanto los transmisores los receptores; incluso en nuestrosen todo el mundo. como los receptores, eran muy eco- días, seguimos escuchando las Aun así, las primeras estaciones nómicos. Pero la calidad del audio transmisiones de AM con constantesemisoras enfrentaron un grave pro- obtenido a través de una transmi- interferencias externas.blema: prácticamente nadie tenía sión AM convencional, generalmen- Para eliminar en la medida de louna idea clara de cómo se podía te resultaba demasiado pobre y fá- posible el ruido inducido por fuentesexplotar de forma eficiente este cilmente era interferida por fenó- externas en la recepción de radio,nuevo medio de comunicación; se menos atmosféricos (tales como tor- se tenía que desarrollar un métododieron casos en que los propietarios mentas eléctricas) o por la apari- alternativo para la transmisión de in-y directores de las recién nacidas ción de las recién instaladas líneas formación y que no dependieraestaciones, salían hasta las puertas de alta tensión que llevaban el su- tanto de la amplitud de la portado- 103
    • El Surgimiento de la Radiora (la cual fácilmente se veía afec- señales adicionalestada por fenómenos que le son aje- al audio principal,nos). Este se hizo realidad en 1936, de modo que sirvancuando el investigador norteameri- para distintos pro-cano Edwin H. Armstrong (el mismo pósitos. En el casoque había descubierto la modula- concreto de la mo-ción en amplitud) planteó todo el dulación FM esté- Fig. 15proceso de generación, transmi- reo, los investigado-sión, recepción y detección de on- res dividieron ladas sonoras utilizando un nuevo y banda asignada arevolucionario método: montar la los lóbulos lateralesseñal que se deseaba transmitir, no de la siguiente ma-en la amplitud sino en la frecuencia nera (figura 16A):de la portadora; esto es, la canti-dad de ciclos por segundo de la se- • En primer lugar,ñal portadora variaría de forma pro- para colocar la se-porcional a la amplitud de la señal ñal original que se quiere transmitir, la resta se obtiene la señal R. Cadaque se deseara transmitir (figura 15). mezclaron las señales correspon- una de éstas puede entonces ca- Pronto se descubrió que esta for- dientes a los canales derecho e iz- nalizarse hacia una bocina inde-ma de transmisión era práctica- quierdo (señal L + R). pendiente, para disfrutar así de unamente inmune a los fenómenos me- • Inmediatamente después, y señal de audio estereofónica prác-teorológicos y ruido externo -que en sólo en caso de que la estación es- ticamente libre de interferencias.cambio fácilmente afectaban a las té transmitiendo en estéreo, se en-señales de AM; así se conseguía vía una señal “piloto” que sirve para Sin duda alguna, estas son lasuna mayor calidad de audio y una indicar al receptor que es necesario dos bandas de radio más utilizadasrelación señal-ruido mucho más procesar la señal para que se pue- comercialmente en el mundo; masadecuada que con la modulación dan recuperar ambos componen- no son las únicas. Existen tambiénen amplitud. Hasta nuestros días las tes de la señal estereofónica. bandas de onda corta, de radio-afi-estaciones de FM tienen un sonido • A continuación se envía otra cionados, de servicios de emergen-más agradable que las típicas seña- banda de audio, resultante ahora cia, etc.les de AM. de restar las señales de canal dere- Es más, puesto que en la actua- Este fenómeno se acentuó con cho e izquierdo (señal L - R). En un lidad estamos llegando al límite dela aparición de las transmisiones en receptor FM monoaural, esta ban- saturación del espectro electro-FM estéreo, las cuales aprovechan da no es aprovechada, pero en magnético, a los investigadores nola alta frecuencia de la banda asig- uno estereofónico, dicha banda se les ha quedado otro recurso quenada a FM y el ancho de banda combina con la primera para obte- comenzar a explotar frecuenciasconsiderablemente mayor que se le ner finalmente las señales de canal muy altas que hace pocos años sepermite utilizar a una estación de L y de canal R; de esta forma se ob- consideraban inalcanzables. Y todoFM, comparado con una de AM tiene una señal estéreo de una esto, gracias al avance de la tecno-(simplemente revise el cuadrante transmisión radial. Aun cuando este logía electrónica y de comunica-de la radio, y se percatará que ca- procedimiento tam-da pocos kilohertz encontramos bién puede realizarseuna estación de AM; en cambio, las con la modulación Fig. 16estaciones de FM están separadas en amplitud, la bajapor 0.8MHz -es decir, una separa- calidad del audio ob-ción de 800kHz entre señales, lo que tenido de la señal AMda un amplio margen de manio- ha desalentado cual-bra). quier esfuerzo por po- El concepto detrás de la transmi- pularizar la transmi-sión de señales de audio en estéreo sión AM estéreo.a través de ondas radiales, es suma- • Para conseguirmente ingenioso. Como sabemos, la separación de ca-cuando se modula una señal mon- nales en el receptor,tándola sobre una cierta frecuencia las señales L + R y L - Rportadora, alrededor de esta última pasan por un proce-aparecen unos lóbulos donde está so de suma y resta (fi-contenida precisamente la informa- gura 16B), en dondeción que se va a transmitir; sin em- de la suma de ambasbargo, si se tiene un amplio rango se obtiene exclusiva-de maniobra, es posible introducir mente la señal L, y de 104
    • Capítulo 7Transistores de Efecto de Campociones. mente en mezcladores (tipo Fig. 1 LOS FET S MPF4856), que son circuitos espe- ciales empleados en equipos de Los transistores de efecto de comunicación.campo son dispositivos electrónicos La mayoría de los JFET tienen suscon tres terminales que controlan, dos puertas conectadas interna-mediante la aplicación de tensión mente para formar una sola termi-en uno ellos, el paso de la corriente nal de conexión externa; puestoeléctrica que los atraviesa; por eso que las dos puertas poseen el mis-se dice que “la corriente” es contro- mo potencial, el dispositivo actúalada por un efecto electrostático como si tuviera sólo una.llamado efecto de campo . Debido a que existe una gran Es común encontrar a los FET’s analogía entre un dispositivo JFET ycomo elementos activos en circui- un transistor bipolar, muchas fórmu-tos osciladores, amplificadores y de las que describen el comportamien-control. Debido a que el control de to de aquél son adaptaciones deestos dispositivos se hace con ten- las denominaciones utilizadas en es-siones y no con corrientes eléctricas, te último (tabla 1).el consumo de éstas se minimiza. Es-ta característica es la que los hace Efecto de campo Fig. 2especialmente atractivos para utili- El efecto de campo es un fenó-zarse como componentes básicos meno que se puede observar cuan-de construcción de sistemas cuyos do a cada zona del semiconductorconsumos de energía son críticos; tipo P la rodea una capa de deple-por ejemplo, en computadoras por- xión (figura 2); la combinación entretátiles, en walkmans o teléfonos ce- los huecos y los electrones crea laslulares, por mencionar sólo algunos. capas de deplexión. Cuando los electrones fluyen de la fuente al drenador, deben pasar EL JFET por el estrecho canal situado entre la zona semiconductora; la tensión Un FET de unión cuenta con una de la puerta controla el ancho delsección de semiconductor tipo N, canal y la corriente que fluye de laun extremo inferior denominado fuente al drenador. Cuanto más ne-˙fuente¨ y uno superior llamado gativa sea la tensión, más estrecho drenaje o drenador¨; ambos son será el canal y menor será la co-análogos al emisor y colector de un rriente del drenador. Casi todos lostransistor bipolar. electrones libres que pasan a través cuánta corriente puede circular de Para producir un JFET, se difun- del canal fluyen hacia el drenador; la fuente al drenador; esta es la prin-den dos áreas de semiconductor ti- en consecuencia, ID = IS. cipal diferencia con el transistor bi-po P en el semiconductor tipo N del Si se considera que se encuentra polar, el cual controla la magnitudFET. Cada una de estas zonas P se polarizada en forma inversa la puer- de la corriente de base (IB).denomina ˙ compuerta o puerta¨ y ta de un JFET, éste actuará como unes equivalente a la base de un tran- dispositivo controlado por tensión ysistor bipolar (figura 1). no como un dispositivo controlado EL MOSFET DE EMPOBRECIMIENTO Cuando se conecta una termi- por corriente. En un JFET, la magni-nal y así se separa cada puerta, el tud de entrada que se controla es El FET de semiconductor óxido-transistor se llama “JFET de doble la tensión puerta-fuente VGS (figura metal o MOSFET, está integrado porcompuerta”. Estos dispositivos dedoble puerta se utilizan principal- 3). Los cambios en VGS determinan una fuente, una puerta y un drena- dor. La característica principal que lo distingue de un JFET, es que suTransistor bipolar Denominación Dispositivo JFET Denominación puerta se encuentra aislada eléctri- Emisor E Fuente S camente del canal; por esta causa, la corriente de puerta es extrema- Base B Puerta G damente pequeña en ambas pola- Colector C Drenador D ridades. 105
    • El Surgimiento de la RadioFig. 3 de un material N con una especiales (circuitos de carga de zona P a la derecha y una batería o control de encendido de puerta aislada a la izquier- camas fluorescentes), no tiene un da (figura 4). A través del uso muy extenso; pero sí desempe- material N, los electrones ña un papel muy importante en la libres pueden circular des- evolución hacia el MOSFET de enri- de la fuente hasta el dre- quecimiento (tambi n llamado MOS- nador; es decir, atraviesan FET de acumulaci n), que es un dis- el estrecho canal entra la positivo que ha revolucionado la in- puerta y la zona P (esta úl- dustria de la electrónica digital y de tima, denominada “sustra- las comjputadoras. Sin él no existi- to” o “cuerpo”). rían computadoras personales, que Una delgada capa de en la actualidad tienen un uso muy dióxido de silicio (SiO2) se amplio. deposita en el lado iz- En el MOSFET de enriquecimien- quierdo del canal. El dióxi- to de canal N, el sustrato o cuerpo do de silicio aísla la puerta se extiende a lo ancho hasta el dió- del canal, permitiendo así xido de silicio; como puede obser- la circulación de una co- var en la figura 6A, ya no existe una rriente de puerta mínima zona N entre la fuente y el drenador. aun y cuando la tensión En la figura 6B se muestra la ten- de puerta sea positiva. sión de polarización normal. Cuan-Fig. 4 En el MOSFET de em- do la tensión de la puerta es nula, la pobrecimiento con ten- alimentación VDD intenta que los sión de puerta negativa, electrones libres fluyan de la fuente la tensión de alimentación al drenador; pero el sustrato P sólo VDD obliga a los electro- tiene unos cuantos electrones libres nes libres a circular de la producidos térmicamente. Aparte fuente al drenador; fluyen de estos portadores minoritarios y por el canal estrecho a la de alguna fuga superficial, la co- izquierda del sustrato P (fi- rriente entre la fuente y el drenador gura 5). Como sucede en es nula. el JFET, la tensión de puer- Por tal motivo, el MOSFET de en- ta controla el ancho del riquecimiento está normalmente en canal. corte cuando la tensión de la puer- La capacidad para ta es cero. Este dato es completa- usar una tensión de com- mente diferente en los dispositivos puerta positiva, es lo que de empobrecimiento, como es el establece una diferencia caso del JFET y del MOSFET de em- entre un MOSFET de em- pobrecimiento. pobrecimiento y un JFET. Cuando la puerta es lo suficien-Fig. 5 temente positiva, atrae a la región P Al estar la puerta de un MOSFET aislada eléctrica- electrones libres que se recombinan mente del canal, pode- con los huecos cercanos al dióxido mos aplicarle una tensión de silicio. Al ocurrir esto, todos los positiva para incrementar huecos próximos al dióxido de silicio el número de electrones li- desaparecen y los electrones libres bres que viajan por dicho empiezan a circular de la fuente al conducto; mientras más drenador. positiva sea la puerta, ma- El efecto es idéntico cuando se yor será la corriente que crea una capa delgada de mate- vaya de la fuente al dre- rial tipo N próxima al dióxido de sili- nador. cio. Esta capa conductora se deno- mina «capa de inversión tipo N». MOSFET DE Cuando el dispositivo se encuentra ENRIQUECIMIENTO en estado de corte y de repente Un MOSFET de empobrecimiento entra en conducción, los electronesde canal N, también denominado Aunque el MOSFET de empobre- libres pueden circular fácilmente deMOSFET de deplexión, se compone cimiento es muy útil en situaciones la fuente al drenador. 106
    • Capítulo 7 conectada. Y an- tes de sujetar cualquier disposi- tivo MOSFET, es necesario conec- tar nuestro cuer- po al chasis del equipo con el que se está tra- bajando; así po- drá eliminarse la carga electrostá- tica acumuladaFig. 6 en nosotros, a fin de evitar posibles daños al dispositi- La VGS mínima que crea la ca- aislamiento es tan delgada, fácil- vo.pa de inversión tipo N se llama ten- mente se puede destruir con unasi n umbral (VGS-Th ). Cuando tensión compuerta-fuente excesiva; por ejemplo, un 2N3796 tiene una FUNCIONAMIENTO DELVGS es menor que VGS-Th, la co- VGS MAX de ± 30 volts. Si la tensión TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPOrriente del drenador es nula; pero puerta-fuente es más positiva de +cuando VGS es mayor que VGS-Th, Los transistores de efecto de 30 volts o más negativa de -30 volts,una capa de inversión tipo N co- la delgada capa de aislamiento se- campo (T.E.C o F.E.T), representannecta la fuente al drenador y la co- rá destruida. una importante categoría de semi-rriente del drenador es grande. De- Otra manera en que se destruye conductores, que combinan laspendiendo del dispositivo en parti- la delgada capa de aislamiento, es ventajas de las válvulas de vacíocular que se use, VGS-Th puede va- cuando se retira o se inserta un (precursoras en el campo de lariar desde menos de 1 hasta más de MOSFET en un circuito mientras la electrónica) con el pequeño tama-5 volt. alimentación está conectada; las ño de los transistores. Poseen una Los JFET y los MOSFET de empo- tensiones transitorias causadas por serie de ventajas con respecto a losbrecimiento están clasificados co- efectos inductivos y otras causas, transistores bipolares, las cuales semo tales porque su conductividad pueden exceder la limitación de pueden resumir de la siguiente ma-depende de la acción de las capas VGS MAX. De esta manera se des- nera:de deplexión. El MOSFET de enrique- truirá el MOSFET incluso al tocarlocimiento está clasificado como un con las manos, ya que se puede de- - Rigidez mecánica.dispositivo de enriquecimiento por- positar suficiente carga estática - Bajo consumo.que su conductividad depende de que exceda a la V - Amplificación con muy bajo ni- GS MAX. Esta es vel de distorsión, aun para señalesla acción de la capa de inversión la razón por la que los MOSFET fre- de RF.de tipo N. Los dispositivos de empo- cuentemente se empaquetan con - Bajo ruido.brecimiento conducen normalmen- un anillo metálico alrededor de los - Fácil de fabricar, ocupa menorte cuando la tensión de puerta es terminales de alimentación. espacio en forma integrada.cero, mientras que los dispositivos Muchos MOSFET están protegi- - Muy alta resistencia de entra-de enriquecimiento están normal- dos con diodos zener internos en da (del orden de los 1012 a 1015 ohm).mente en corte cuando la tensión paralelo con la puerta y la fuente.de la misma es también cero. La tensión zener es menor que la En cuanto a las desventajas, los VGS MAX; en consecuencia, el dio- transistores de efecto de campo PROTECCI N DE LOS FET S do zener entra en la zona de ruptu- poseen un pequeño producto ga- ra antes de que se produzca cual- nancia-ancho de banda y su costo Como mencionamos anterior- quier daño a la capa de aislamien- comparativo con los bipolares equi-mente, los MOSFET contienen una to. La desventaja de los diodos ze- valentes es alto. Son muchas las cla-delgada capa de dióxido de silicio ner internos es que reducen la alta ses de transistores de efecto deque es un aislante que impide la co- resistencia de entrada de los MOS- campo existentes y se los puederriente de puerta para tensiones de FET. clasificar según su construcción, enpuerta tanto positivas como negati- Advertimos que los dispositivos transistores FET de juntura (TEC-J o J-vas. Esta capa de aislamiento se de- MOSFET son delicados y se destru- FET) y transistores FET de compuertabe mantener lo más delgada posi- yen fácilmente; hay que manejarlos aislada (IG-FET). A su vez, los FET deble, para proporcionar a la puerta cuidadosamente. Asimismo, nunca compuerta aislada pueden ser: a)mayor control sobre la corriente de se les debe conectar o desconec- de vaciamiento o estrechamientodrenador. Debido a que la capa de tar mientras la alimentación esté de canal (lo que genera un canal 107
    • El Surgimiento de la Radio Fig. 7 De esta manera, la corriente Fig. 8 que circulará desde la fuente hacia el drenaje, dependerá de la polari- zación inversa aplicada entre la compuerta y la fuente. Se pueden levantar curvas ca- racterísticas que expresen la co- rriente circulante en función de la tensión entre drenaje y fuente, para el punto de trabajo estático del una determinada tensión de polari- transistor (punto Q), nos valemos del zación inversa entre la compuerta y circuito graficado en la figura 10. la fuente. Para un transistor J-FET de Para dicho circuito, suponemos canal N las características de trans- que los diferentes elementos que lo ferencia y salida son las que se ob- integran, tienen los siguientes valo- servan en la figura 9. res: Del análisis de dichas curvas sur- ge que: VDD = 12 V RD = 1kΩ IDSS VGG = 2V ID = _________. (VGS - Vp)2 IDSS = 10mA Vp = - 4V Vp2 Del circuito propuesto, recorrien- donde: do la malla de entrada, se deduce IDSS = Máxima Corriente Estática que: de Drenajepermanente) y b) de refuerzo o en- Vp = Tensión de Bloqueosanchamiento de canal (lo que pro- VGS + VGG = 0 La expresión dada es válida pa-duce un canal inducido). ra: Los símbolos más utilizados para luego:representar los transistores recién VDS ≥ Vp - VGSpresentados aparecen en la figura7. Condición conocida como "de Fig. 10 En los transistores de efecto de canal saturado".campo, el flujo de corriente se con-trola mediante la variación de uncampo eléctrico que queda esta- DETERMINACI N DEL PUNTOblecido al aplicar una tensión entre DE TRABAJO EST TICO DEL FETun electrodo de control llamadocompuerta y otro terminal llamado Para saber cómo se determinafuente, tal como se muestra en la fi-gura 8. Analizando la figura, se deduceque es un elemento "unipolar", yaque en él existe un sólo tipo de por-tadores: huecos para canal P yelectrones para canal N, siendo elcanal, la zona comprendida entrelos terminales de compuerta y queda origen al terminal denominado"drenaje". La aplicación de un po-tencial inverso da origen a un cam-po eléctrico asociado que, a su vez,determina la conductividad de laregión y en consecuencia el anchoefectivo del canal, que irá decre-ciendo progresivamente a medidaque aumenta dicha polarizaciónaplicada, tal como puede deducir-se del diagrama de cargas dibuja-do en la misma figura 8. Fig. 9 108
    • Capítulo 7 VDSQ = VDD - IDQ . Fig. 12Fig. 11 RD Reemplazando valores: VDSQ = 12 V - 2,5 mA . 1kΩ = VDSQ = 9,5 V Para saber si el cálculo es correcto, verificamos la condición de "canal satura- do", es decir, veremos si el transistor opera dentro de la VGS = -VGG = -2 V característica plana de las curvas de salida. Para ello, debe Un punto de la curva será: En condiciones de reposo, la co- cumplirse que:rriente de drenaje se calcula: VDS = 0 ; ID = VDD/RD VDS ≥ Vp - VGS Reemplazando valores: IDSS IDq = _________ . (VGS - Vp)2 reemplazando valores: VDS= 0V ; ID = Vp2 9,5 V ≥ 4 V - 2 V VDS=12V/1000Ω = 12mA reemplazando valores: por lo tanto: El otro punto de la recta se cal- 10mA cula: IDq = _________ . [(-2V) - (-4V)]2 4V2 9,5 V ≥ 2V VDS = VDD ; ID = 0 IDq = 2,5mA Lo cual es correcto. Reemplazando valores: Para continuar con el cálculo re- Gráficamente, trazamos la rectacorremos la malla de salida, la cual de carga estática (R.C.E.) sobre las VDS = 12V ; ID = 0mApara simplificar se representa en la características de salida y verifica- Trazada la recta estática de car-figura 11. De ella resulta: mos el punto de reposo “Q”, lo cual ga, se comprueba que al cortar la se verifica en la figura 12.Intercomunicador por la Red Eléctricamisma a la curva de salida para ser considerado como un tim- bre un mismo conductor de laVGS = -2V, se obtiene IDq = 2,5mA y bre que no precisa cables pa- red, de tal manera que co-VDSq = 9,5V. ra su instalación y está consti- nectando la ficha sobre el to-E n principio, podemos de- tuido por un pequeño transmi- ma, simple y llanamente no cir que este circuito es un sor y un simple receptor que va a funcionar, por lo cual se “timbre portátil”, porque funcionan en una frecuencia deberá invertir la ficha. Dichoal ser colocado en una habi- de 100kHz. de otra manera: si al enchufartación, puede ser trasladado La señal que genera el el aparato nada capta, la so-a otro ámbito según los reque- transmisor se conduce hacia lución es invertirlo.rimientos que se deseen cum- el receptor a través de los ca-plir, sin tener que instalar ca- bles de la instalación eléctricables para su conexión. La de su casa y funciona con la EL CIRCUITO TRANSMISORventaja del circuito es que es base de la transmisión de se-pojsible hacer varios recepto- ñales por medio de una porta- El sistema está formado porres que funcionen con un dora que puede ser recepcio- un transmisor y un receptor.“único” transmisor, o varios nada por diferentes equipos El esquema eléctrico deltransistores que funcionen con instalados en varios puntos de transmisor se muestra en la fi-un único receptor. Además, se la red. Es por ello, que el circui- gura 1. Está constituido porpueden construir dos transmi- to tiene sus limitaciones, en es- tres transistores y un circuitosores y dos receptores para pecial se debe conectar el sis- de alimentación, que no pre-que el sistema funcione como tema de manera tal que las cisa transformador reductor.intercomunicador. El dispositi- masas tanto del transmisor co- En serie con la ficha de co-vo básico entonces, puede mo del receptor queden so- nexión a la red se conecta el 109
    • El Surgimiento de la Radio Fig. 1pulsador P1, de tal manera cia de 1mH y dos capacitores la masa del sistema.que en el momento de accio- de 4,7nF (C1-C2). La señal de 100kHz genera-narlo, sonará la chicharra del Este circuito genera una fre- da por Q1, llegará a las basesreceptor. El funcionamiento es cuencia de alrededor de de los transistores Q2 y Q3 quesencillo, al accionar este están conectados enbotón se aplicará la ten- push-pull, y que constitu-sión de red al capacitor CIRCUITO yen la etapa amplifica-C5, cuya carga limita la ARMADO DEL dora final de potencia.tensión que será aplica- TRANSMISOR Los emisores de Q2 yda al transmisor. La ten- Q3 tienen una señal desión alterna de alimenta- 100kHz con una amplitudción es rectificada por los del orden de los 25V picodos diodos DS-3 y DS-4 y a pico y por medio de lase filtra por el capacitor resistencia R3 y el capa-C3. citor C4, se inserta al ca- El diodo zéner DZ1, en ble de la red eléctrica deparalelo con C3, estabili- 220V, es decir, que cual-za la tensión de alimenta- quier receptor conecta-ción a un valor de 30V. El do en la misma instala-transmisor consiste en un ción la puede captar. Eloscilador formado por circuito consume corrien-Q1 y sus componentes asocia- 100kHz, según los valores mos- te sólo al pulsar el botón P1 ydos, como la bobina JAF1, una trados. R2 cumple la función su valor no llega a los 10mA.impedancia de audiofrecuen- de conectar el oscilador con Cabe destacar que, si se de- sea transmitir una señal de au- Fig. 2 dio, como por ejemplo la voz humana, en lugar del oscila- dor habrá que conectar un pequeño transmisor de AM de los muchos publicados en Sa- ber Electrónica (Saber Nº 5, Sa- ber Nº 28, etc.), esto reduce su tensión de alimentación por medio de un regulador zéner y conectará la salida a las bases de Q2 y Q3. Si desea utilizar el aparato sólo como timbre sin cable, puede armar el transmi- sor de la figura 1 en una placa de circuito impreso como la mostrada en la figura 2. EL CIRCUITO RECEPTOR 110
    • Capítulo 7Fig. 3 en la línea de los 100kHz emitidos por el transistor. Si va a utilizar el sistema como in- tercomunicador de voz deberá cambiar este es- quema: conecta- rá en paralelo con C6 un recep- tor de AM sintoni- zado a la frecuen- cia del transmisor. Para ello, deberá levantar R4 y de- sechar Q1, IC1, Q2 y todos sus En la figura 3 vemos el es- rra piezoeléctrica marcada en componentes asociados.quema eléctrico del receptor, el esquema eléctrico como Si va a utilizar el sistema co-en el mismo se usan dos transis- CP1. El transistor Q2 cumple la mo timbre sin cables, puedetores y un integrado CMOS ti- función “squelch”, que quiere armar el receptor de la figurapo CD4528. decir, que desecha todas las 3 en un circuito impreso como El circuito se conecta a un interferencias espúreas que es- el mostrado en la figura 4.toma cualquiera de la corrien- tán en la línea de red y blo- Al montar el circuito trans-te eléctrica y posee una eta- quea el funcionamiento del in- misor de la figura 1 debe to-pa de alimentación formada tegrado divisor que no están mar en cuenta que Q1 y Q2por el capacitor C1, la resis-tencia R2 y los dos diodos rec-tificadores DS1-DS2. El capaci-tor electrolítico de filtro C3 y eldiodo zéner DZ1 estabilizan latensión de alimentación en15V. C2 cumple la función de“captar” la señal de 100kHzgenerada por el transmisor yconducirla hacia la bobina L1.El arrollamiento de L1 está he-cho sobre un núcleo toroidalcomún que tiene un segundoarrollamiento (L2), de forma talque la señal que está en L1pasará inductivamente a L2. Elarrollamiento secundario harásintonía con la frecuencia de100kHz por medio del capaci-tor C5 de 2,2nF. La función de Q1 es la deamplificar la señal débil queestá en la bobina L2, para apli-carla a la entrada del circuitointegrado por medio de su pa-ta 10. Este integrado CMOS seutiliza para dividir por 20 la se-ñal de 100kHz, por lo tanto ensu salida (pata 3), se verá unafrecuencia audible, que sepuede emplear en la chicha- Fig. 4 111
    • El Surgimiento de la Radioson dos NPN clase BC237, y funcionará, luego si se invierte C3 = 100µF x 25V – cap.electrolíticoque Q3 es un tipo BC328. la ficha (sólo la del receptor) C4 = 47nF x 400V – capacitor de Con un osciloscopio, se pero el sistema igualmente no poliésterpuede verificar si entre los dos funciona, quiere decir que hay C5=330nF x 400V – capacitor deemisores de Q2 y Q3 y la masa, algún error. poliésterestá la señal presente de onda Si se tiene un Generador de D1 a D4 = diodo 1N4007 diodos rec-cuadrada de unos 25V pico a BF, para verificar el funciona- tificadorespico, de 100kHz. DZ1 = diodo zener de 30V x 1 CIRCUITO watt ATENCION: ARMADO DEL JAF1 = impedancia de 1mH Los componentes RECEPTOR Q1 =NPN tipo BC237 o BC548están conectados a la Q2 =NPN tipo BC237 o BC548tensión de red de 220V Q3 =PNP tipo BC328 o BC558en forma directa, de S1 = pulsador normal abiertomodo que no hay quetocarlos para que nosufra una fuerte des- LISTA DE MATERIALEScarga eléctrica. DEL RECEPTOR Para armar el re-ceptor, lo primero que R1 = 10MΩhay que efectuar es el R2 = 1kΩarrollamiento alrededor del miento del receptor, se puede R3 = 47Ωnúcleo toroidal de las bobinas aplicar una señal de externa R4 = 3k3L1 y L2. de 100kHz de onda cuadrada R5 = 330kΩ Para efectuar el arrolla- en paralelo con la bobina L2. R6 = 10kΩmiento se usará cable recu- Hay que tomar en cuenta que R7 = 120kΩbierto de plástico, o alambre en todo el circuito impreso cir- R8 = 100kΩesmaltado de 1 mm de diá- cula la corriente de red de R9 = 27kΩmetro. Para la bobina L1 se 220V, por lo tanto no se deben R10 = 22kΩdarán 6 vueltas alrededor del tocar las pistas con los dedos, C1, C6, C7, C8 = 0,1µF - capacitoresnúcleo, para la L2, 16 vueltas luego, girando la sintonía del cerámicosalrededor del núcleo. Se generador llegará un momen- C2 = 47nF – capacitor de poliésteraconseja montar IC1 en un zó- to en que se produzca el zum- C3 = 47µF x 25V – cap. electrolíticocalo. bido del traductor piezoeléctri- C4 = 4,7nF – capacitor cerámico Para verificar el funciona- co. Si el receptor funciona de C5 = 2,2nF – capacitor cerámicomiento del timbre, se debe co- esta forma, quiere decir que el D1, D2 = 1N4007 – diodos rectifi-locar el transmisor en un toma- error está en el transmisor, por cadorescorriente y el receptor en otro, lo cual se deberá verificar su DZ1 = diodo zéner de 15V por 1Wdentro de una misma habita- funcionamiento. L1, L2 = ver textoción, luego se aprieta el botón Q1, Q2 = BC548 – transistores NPNde llamada, y se verifica la re- LISTA DE MATERIALES de uso generalproducción en el piezoeléctri- DEL TRANSMISOR IC1 = CD4520 – Circuito integradoco del receptor. CMOS divisor por 10. Si no se escucha la chicha- R1 = 100kΩ Tr = Transductor piezoléctricorra, invierta la ficha sobre el to- R2 = 3k3ma y vuelva a repetir la expe- R3 = 47Ω Variosriencia. Si la masa del transmi- R4 = 1kΩ Placas de circuito impreso,sor y la masa del receptor no R5 = 10MΩ gabinetes para el montaje, cablesestán en el mismo cable de la C1, C2 =4,7nF – capacitores de de conexión, fichas para 220V,red eléctrica, el circuito no poliéster estaño, etc. **********************