Componentes electrónicos
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ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Componentes electrónicos Concepto, unidades de una resistencia El símbolo de la resistencia es: Una resistencia también llamado resistor es un elemento que causa oposición al paso de la corriente, causando que en sus terminales aparezca una diferencia de tensión (un voltaje). En el gráfico más abajo tenemos un bombillo / foco en el paso de la corriente que sale del terminal positivo de la batería y regresa al terminal negativo. La máxima cantidad de corriente que puede pasar por una resistencia, depende del tamaño de su cuerpo. Los valores de potencia comunes de las resistencias son: 1/4, 1/2, 1 watt, aunque hay de valores mayores. Este bombillo / foco que todos tenemos en nuestros hogares se comporta como una resistencia, pues limita el paso de la corriente, disipa calor, pero a diferencia del foco o bombillo, la resistencia no emite luz. Las resistencias se representan con la letra R y el valor de éstas se mide en Ohmios (Ω). Las resistencias o resistores son fabricadas principalmente de carbón y se presentan en en una amplia variedad de valores. Hay resistencias con valores de Ohmios (Ω), Kilohmios (KΩ), Megaohmios (MΩ). Estás dos últimas unidades se utilizan para representar resistencias muy grandes. A continuación se puede ver algunas equivalencias entre ellas: 1 Kilohmio (KΩ) = 1,000 Ohmios (Ω) 1 Megaohmio (MΩ) = 1,000,000 Ohmios (Ω) 1 Megaohmio (MΩ) = 1,000 Kilohmios (KΩ) Para poder saber el valor de las resistencias sin tener que medirlas, existe un código de colores de las resistencias que nos ayuda a obtener con facilidad este valor con sólo verlas. Para obtener la resistencia de cualquier elemento de un material específico, es necesario conocer algunos datos propios de éste, como son: su longitud, área transversal, resistencia específica o resistividad del material con que está fabricada. Pág. 1 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Conductancia (inverso de la resistencia) La recíproca (inverso) de la resistencia es la conductancia. Se representa generalmente por la letra G. Un circuito con elevada conductancia tiene baja resistencia, y viceversa. - Una resistencia / resistor de 1 Ohmio (ohm) posee una conductancia de 1 mho. - Una resistencia / resistor de 1000 Ohmios (ohms) posee una conductancia de 0.001 mho. Ruido de fondo en una resistencia Cuando una resistencia / resistor es atravesado por una corriente genera ruido. Este se llama ruido de fondo Este ruido es generado por diferentes factores y afectan el funcionamiento del resistor. Es importante tomar en cuenta esta característica en etapas amplificadoras de baja frecuencia, pues al amplificarse este ruido a través de sucesivas etapas, aparece al final una gran distorsión en la amplitud de la señal. Este problema se resuelve utilizando resistencias / resistencias de alta calidad Soldabilidad de una resistencia Un resistor al ser soldado, puede cambiar su valor hasta en un 25%, si esta está expuesta por mucho tiempo al calor del soldador. Hay que realizar soldaduras rápidas y si es posible con usar elementos metálicos, como disipadores, unidos a los terminales a soldar, para radiar el calor. Disipación de potencia en una resistencia Cuando circula una corriente por un resistor, se produce calor, que es energía que no se aprovecha. Este calor (potencia a disipar) es un inconveniente y debe disiparse al ambiente. La capacidad de disipación de calor de un resistor depende de su tamaño. A mayor tamaño, mayor capacidad de disipación. Pág. 2 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Clasificación de las resistencias Existen básicamente dos tipos de resistencias: - Las resistencias de valores fijos - Las resistencias variables, que a su vez se subdividen dependiendo de características propias. A continuación se presenta una tabla con una clasificación general: Resistores Fijos: Tienen un valor nominal fijo. R E Se dividen en S resistores I de película y bobinadas S T 0 R E S Resistores Variables: Resistores de película (químicas): se utilizan en potencias bajas, que van desde 1/8 watt hasta los 3 watts y consisten en películas que se colocan sobre bases de cerámica especial. Este tipo de resistores depende del material, sea carbón o compuestos metálicos. - Resistores de película gruesa - Resistores de película delgada Resistores de carbón Hay resistores de película metálica y de carbón. Resistores bobinados: se fabrican con hilos resistivos que son esmaltados, cementados, vitrificados o son recubiertos de un material cerámico. Estos resistores por lo general pueden disipar potencias que van desde los 5 watts (vatios) hasta los 100 watts o más. Ver Resistencias bobinadas Resistores ajustables Potenciómetro de ajuste Potenciómetro giratorio Potenciómetro de cursor Resistores dependientes de magnitudes De De De De De Tienen un valor que se varía intencionalmente. Se dividen en: ajustables y dependientes de magnitudes Resistores de Película metálica presión luz: (Fotorresistencias) temperatura (termistor) voltaje (varistor) campo magnético Pág. 3 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Resistencias de alambre bobinado Una resistencia de alambre bobinado es una resistencia fabricada con una alambre conductor de una resistividad (resistencia específica) alta. Este alambre es de una aleación especial y está arrollado sobre un soporte de un tubo de material refractario como la cerámica, porcelana, etc. Nota: Un material refractario es aquel que no permite la conducción del calor, si no que al contrario lo refleja. El valor de la resistencia bobinada queda determinado por la sección transversal del alambre, su longitud y la resistencia específica de la aleación de éste. Las resistencias bobinadas se utilizan cuando la potencia que deben de disipar es muy alta. Una vez que la resistencia ha sido construida generalmente se recubre con una capa de esmalte vitrificado. Este tipo de resistencia se puede comparar con el filamento de una lámpara incandescente, donde la potencia se transforma en calor (En una lámpara incandescente, esta potencia se transforma parte en luz y parte en calor) Cuanto más largo es el alambre y mayor es la sección de éste, mayor será la capacidad de disipación de potencia que podrá aguantar, pues mayor será la superficie de radiación del calor. Estas resistencias se fabrican hasta valores de 100 Kilohmios aproximadamente, debido problemas con las dimensiones físicas. La idea es lograr la mayor disipación de calor en el menor espacio posible. Las resistencias bobinadas por lo general pueden disipar potencias que van desde los 5 watts (vatios) hasta los 100 watts o más. En el diagrama se puede observar el tubo refractario y los hilos a alambres que lo rodean. Los puntos negros representan los alambres que entran y salen de la pantalla formando como una bobina o resorte muy ajustado alrededor del tubo. Resistencia variable: Potenciómetro, reóstato La resistencia variable es un dispositivo que tiene un contacto móvil que se mueve a lo largo de la superficie de una resistencia de valor total constante. Este contacto móvil se llama cursor o flecha y divide la resistencia en dos resistencias cuyos valores son menores y cuya suma tendrá siempre el valor de la resistencia total. Pág. 4 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Las resistencias variables se dividen en dos categorías: Potenciómetros Los potenciómetros y los reóstatos se diferencias entre sí, entre otras cosas, por la forma en que se conectan. En el caso de los potenciómetros, éstos se conectan en paralelo al circuito y se comporta como un divisor de voltaje. Ver la figura. Reóstatos En el caso del reóstato, éste va conectado en serie con el circuito y se debe tener cuidado de que su valor (en ohmios) y su la potencia (en Watts (vatios)) que puede aguantar sea el adecuado para soportar la corriente I en amperios (ampere) que va a circular por él. Como regla general: Los potenciómetros se utilizan para variar niveles de voltaje y los reóstatos para variar niveles de corriente Pág. 5 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Condensador eléctrico - Capacitor eléctrico En condensador eléctrico es un dispositivo formado por dos placas metálicas separadas por un aislante llamado dieléctrico. Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente. El condensador eléctrico o capacitor eléctrico almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar El símbolo del capacitor se muestra a continuación: La capacidad depende de las características físicas del condensador: - Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta - Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad - El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la capacidad - Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada. Dieléctrico o aislante del condensador eléctrico Un dieléctrico o aislante es un material que evita el paso de la corriente, y su función es aumentar la capacitancia del capacitor. Los diferentes materiales que se utilizan como dieléctricos tienen diferentes grados de permisividad (diferente capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico Mientras mayor sea la permisividad, mayor es la capacidad del condensador eléctrico. Pág. 6 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- La capacitancia de un condensador está dada por la fórmula: Dónde: - C = capacidad - Er = permisividad - A = área entre placas - d = separación entre las placas C = Er x A / d La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el milifaradio (mF), microfaradio (uF), el nanofaradio (nF) y el picofaradio (pF) Las principales características eléctricas de un condensador son su capacidad o capacitancia y su máxima tensión entre placas (máxima tensión que es capaz de aguantar sin dañarse). Nunca conectar un capacitor eléctrico a un voltaje superior al que puede aguantar, pues puede explotar Voltaje de ruptura de un condensador eléctrico El voltaje de ruptura es aquel voltaje máximo que se puede aplicar a los terminales del capacitor. Si se sobrepasa, el dieléctrico se puede perforar provocando un corto circuito. Tolerancia de un Capacitor eléctrico / Condensador eléctrico La tolerancia son los límites dentro de los cuales puede variar el valor teórico o nominal del capacitor / condensador. Corriente de fuga de un Capacitor eléctrico /Condensador eléctrico En un capacitor además de la corriente de carga ya conocida existe otra corriente llamada corriente de fuga, debido a imperfecciones en el dieléctrico que no es un aislante perfecto. Cuando se realicen mediciones de la capacitancia de un capacitor / condensador es un parámetro a tomar en cuenta. - En el capacitor electrolítico de aluminio la corriente de fuga es menor a 0.05 uA x voltio x uF y siempre superior a 4 uA - En el capacitor electrolítico de tantalio la corriente de fuga es: menor a 0.02 uA x voltio x uF y siempre superior a 1 uA Pág. 7 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Resistencia de aislamiento La resistencia de aislamiento es el factor causante de las pérdidas que se presentan cuando se aplica corriente continua a un capacitor. La carga eléctrica y el condensador La corriente por un conductor es un flujo orientado de cargas eléctricas. Si un capacitor es conectado a una fuente de corriente continua, éste recibe carga eléctrica. El valor de la carga almacenada se obtiene multiplicando la corriente entregada por la fuente por el tiempo durante el cual la fuente estuvo conectada al capacitor. Entonces: Q = I x t (carga = corriente x tiempo) Donde: Q: está en coulombios I: está en amperios t: está es segundos Experimentalmente se puede comprobar que la carga almacenada en un capacitor es directamente proporcional al voltaje aplicado entre sus terminales. Entonces: Q=CxV (carga = capacidad x voltaje) Dónde: Q: está en coulombios C: está en faradios V: está en voltios Igualando la última ecuación con la primera se tiene que: Q=Ixt=CxV Despejando: V = I x t / C. Si se mantiene el valor de la corriente "I" constante y como el valor de "C" también es constante, el voltaje "V" es proporcional al tiempo. Entonces se puede decir que: Cuando un capacitor se carga a corriente constante, el voltaje entre sus terminales es proporcional al tiempo de carga. Pág. 8 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Capacitores fijos Estos se diferencian entre sí por el tipo de dieléctrico que utilizan. Materiales comunes son: la mica, plástico y cerámica y para los capacitores electrolíticos, óxido de aluminio y de tantalio. Hay de diseño tubular, y de varias placas y dieléctrico intercalados. El diseño de múltiples placas es un diseño para aumentar el área efectiva de la placa. Entre placa y placa se coloca el aislante y se hace una conexión de placa de por medio, como si fueran capacitores en paralelo. 1 - Condensadores de cerámica Son capacitores en donde las inductancias parásitas y las pérdidas son casi nulas. La constante dieléctrica de estos elementos es muy alta (de 1000 a 10,000 veces la del aire) - Algunos tipos de cerámica permiten una alta permisividad y se alcanza altos valores de capacitancia en tamaños pequeños, pero tienen el inconveniente que son muy sensibles a la temperatura y a las variaciones de voltaje. - Hay otros tipos de cerámica que tienen un valor de permisividad menor, pero que su sensibilidad a la temperatura, voltaje y el tiempo es despreciable. Estos capacitores tienen un tamaño mayor que los otros de cerámica. Se fabrican en valores de fracciones de picofaradios hasta nanofaradios. 2 - Condensadores de lámina de plástico - Láminas de plástico y láminas metálicas intercaladas: Estos tipos de capacitores son generalmente más grandes que los de lámina metalizada, pero tienen una capacitancia más estable y mejor aislamiento. - Lámina metalizada: Tiene la lámina metálica depositada directamente en la lámina de plástico. Estos capacitores tienen la cualidad de protegerse a si mismos contra sobre voltajes. Cuando esto ocurre aparece un arco de corriente que evapora el metal eliminando el defecto. 3 - Condensadores de mica Capacitores que consisten de hojas de mica y aluminio colocados de manera alternada y protegidos por un plástico moldeado. Son de costo elevado. Tiene baja corriente de fuga (corriente que pierden los condensadores y que hacen que este pierda su carga con el tiempo) y alta estabilidad. Su rango de valores de va de los pF a 0.1 uF. Pág. 9 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 -Capacitores de poliester Sustituyen a los capacitores de papel, solo que el dieléctrico es el poliéster. Se crearon capacitores de poliéster metalizado con el fin de reducir las dimensiones físicas. Ventajas: muy poca pérdida y excelente factor de potencia 5 - Condensadores electrolíticos Estos capacitores pueden tener capacitancias muy altas a un precio razonablemente bajo. Tienen el inconveniente de que tienen alta corriente de fuga y un voltaje de ruptura bajo. Son polarizados y hay que tener cuidado a hora de conectarlos pues pueden estallar si se conectan con la polaridad invertida. Se utilizan principalmente en fuentes de alimentación. Físicamente estos elementos constan de un tubo de aluminio cerrado, en donde está el capacitor. Tienen una válvula de seguridad que se abre en el caso de que el electrolito entre en ebullición, evitando así el riesgo de explosión. 6 - Condensadores de tantalio Son polarizados por lo que hay que tener cuidado a la hora de conectarlo. Capacitores variables 1 - Capacitores variables giratorios Muy utilizado para la sintonía de aparatos de radio. La idea de estos es variar con la ayuda de un eje (que mueve las placas del capacitor) el área efectiva de las placas que están frente a frente y de esta manera se varía la capacitancia. Estos capacitores se fabrican con dieléctrico de aire, pero para reducir la separación entre las placas y aumentar la constante dieléctrica se utiliza plástico. Esto hace que el tamaño del capacitor sea menor. 2 - Capacitores ajustables "trimmer" Se utiliza para ajustes finos, en rangos de capacitancias muy pequeños. Normalmente éstos, después de haberse hecho el ajuste, no se vuelven a tocar. Su capacidad puede variar entre 3 y 100 picofaradios. Hay trimmer de presión, disco, tubular, de placas. Pág. 10 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Capacitor / Condensador electrolítico A diferencia de los capacitores comunes, los capacitores electrolíticos se han desarrollado para lograr grandes capacidades en dimensiones físicas reducidas. Este capacitor se logra con un dieléctrico especial. La capacidad de un capacitor tiene la siguiente fórmula: C = EA / d Dónde: - A = superficie - d = separación de placas - E = constante dieléctrica Si el valor de la constante dieléctrica (E) aumenta, también aumenta la capacitancia del capacitor. Este dieléctrico es un electrolito constituido por óxido de aluminio impregnado en un papel absorbente. Cuando se fabrica el capacitor electrolítico, se arrollan dos láminas de aluminio, separadas por un papel absorbente impregnado con el electrolito. Después se hace circular una corriente entre las placas, con el propósito de provocar una reacción química que creará una capa de óxido de aluminio que será el dieléctrico (aislante). Físicamente consta de un tubo de aluminio cerrado, dentro del cual se haya el capacitor. Está provisto de una válvula de seguridad que se abre en caso de que que el electrolito (de allí viene el nombre) entre en ebullición y evitando el riesgo de explosión. El capacitor electrolítico es un elemento polarizado, por lo que sus terminales no pueden ser invertidas. Generalmente el signo de polaridad viene indicado en el cuerpo del capacitor. El inconveniente que tienen estos capacitores es que el voltaje permitido entre sus terminales no es muy alto. Si fuera necesario cambiar este capacitor, se debe buscar uno de la misma capacidad y con un voltaje igual o mayor al del capacitor dañado, pero... No se recomienda utilizar un capacitor de voltaje (dato de fábrica) muy superior al dañado pues, un capacitor que recibe un voltaje mucho menor que para la que fue diseñado, siente que no estuvo polarizado en corriente continua y la capa de óxido de aluminio disminuye hasta que el elemento falla. Nota: Este tipo de capacitores deben de utilizarse lo antes posible después de su fabricación. Pág. 11 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Si el período de almacenamiento antes de usarlo es muy largo, al no recibir voltaje, se empieza a dañar (se reduce la capa de óxido de aluminio). Es conveniente tomar en cuenta siempre la fecha de fabricación. Código de colores de los capacitores. Porcentaje de tolerancia Determinar el valor de un capacitor por medio del código de colores no es difícil y se realiza sin problemas. Al igual que en los resistores este código para capacitores permite, de manera fácil, establecer su valor. Tabla del código de colores de los capacitores / condensadores Pág. 12 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- El código 101 de los capacitores: El código 101 es muy utilizado como código para capacitores cerámicos. Muchos de ellos que tienen su valor impreso, como los de valores de 1 uF o más. Donde: uF = microfaradio Ejemplo: 47 uF, 100 uF, 22 uF, etc. Para capacitores de menos de 1 uF, la unidad de medida es el pF (picofaradio) y se expresa con una cifra de 3 números. Los dos primeros números expresan su significado por sí mismos, pero el tercero expresa el valor multiplicador de los dos primeros. Ver la siguiente tabla. Ejemplo: Un capacitor que tenga impreso el número 103 significa que su valor es 10 + 1000 pF = 10,000 pF. Ver que 1000 tiene 3 ceros (el tercer número impreso). En otras palabras 10 más 3 ceros = 10,000 pF. El significado del tercer número se muestra en la tabla. Después del tercer número aparece muchas veces una letra que indica la tolerancia del capacitor expresada en porcentaje (algo parecido a la tolerancia en las resistores). Ver el párrafo siguiente Tabla de tolerancia del código 101 de los capacitores La tabla muestra las distintas letras y su significado (porcentaje) Ejemplo: Un capacitor tiene impreso lo siguiente: 104H 104 significa 10 + 4 ceros = 10,000 pF H = +/- 3% de tolerancia. 474J 474 significa 47 + 4 ceros = 470,000 pF, J = +/- 5% de tolerancia. 470.000pF = 470nF = 0.47µF Algunos capacitores tiene impreso directamente sobre ellos el valor de 0.1 o 0.01, lo que sindica 0.1 uF o 0.01 uF Pág. 13 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Código japonés (JIS) para identificación de condensadores El código JIS (Japan Industrial Standard) es el código utilizado por la industria japonesa para la identificación de condensadores. El código es alfanumérico (letras y números) y se lee de la siguiente manera: - El primer número y la primera letra se refiere a la tensión máxima de operación del capacitor. Ver listado abajo. - Los tres números que siguen indican el valor de la capacidad del capacitor en picofaradios (pF). Los dos primeros números son las cifras significativas y el tercero es el multiplicador decimal. - La última letra denota la tolerancia: - J = 5%, K = 10%, M = 20% Para determinar la máxima tensión de operación se utiliza la siguiente nomenclatura: 1H = 50 V. 2A = 100 V. 2T = 150 V. 2D = 200 V. 2E = 250 V. 2G = 400 V. 2J = 630 V. Ejemplo 1 2E 183 K 2E: 250 V 183: 18 x 103 pF = 18 000 pF K: tolerancia 10% El capacitor es de: 18,000 pF +/- 10% con una tensión máxima de 250V Ejemplo 2 1H 324 M 1H: 50V. 324: 3 x 104 pF = 30,000 pF M: tolerancia = 20% El capacitor es de: 30,000 pF +/- 20% con una tensión máxima de 50V. Pág. 14 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Bobina o inductor La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético El símbolo de una bobina / inductor se: El inductor es diferente del condensador / capacitor, que almacena energía en forma de campo eléctrico Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha. Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior. Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior. Este caso se da en forma continua, cuando una bobina está conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que circula por ella. En otras palabras: La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambios en la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicado y es proporcional al cambio de la corriente. Inductancia, unidades La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se miden en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de milihenrios (mH). El valor depende de: - El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). - El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). - La longitud del cable de que está hecha la bobina. - El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene. Aplicaciones de una bobina / inductor - En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro - En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida - En muchos circuitos osciladores se incluye un inductor. Por ejemplo circuitos RLC serie o paralelo. Notas: Bobina = Inductor Pág. 15 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Bobina / Inductor con núcleo metálico En el inductor con núcleo de aire se ve que el valor de la inductancia de esta depende del número de vueltas (espiras), la longitud, el diámetro, el grosor de la espira, etc. El valor de la inductancia que se puede obtener es limitado cuando el núcleo es de aire. Para poder incrementar el valor de la inductancia de una bobina se coloca dentro de ella un núcleo metálico de características magnéticas muy especiales, que lo que hacen es reforzar el campo magnético. El magnetismo del material del núcleo depende de la polarización de "los dominios magnéticos moleculares", cuando el campo magnético que afecta el inductor cambia continuamente. Estos dominios deben poder cambiar su posición para que el núcleo cumpla su objetivo. Los dominios magnéticos podrán o no seguir las variaciones del campo magnético dependiendo del material de que está hecho el núcleo. Si esta variación del campo magnético no puede ser seguida el núcleo pierde su razón de ser y lo dominios moleculares se desordenan, quedando el núcleo despolarizado magnéticamente. El material magnético que se utiliza como núcleo de la bobina depende de la frecuencia a la que trabajará esta. - Metal sólido: para frecuencias muy bajas. - Metal laminado: para frecuencias de 10 hertz (Hz) a algunos kilohertz (Khz) - Núcleos de polvo metálico: para frecuencias arriba de cientos de Kilohertz y hasta varios cientos de Megahertz (Mhz) - Núcleo de aire: frecuencia superiores a los 500 Megahertz. En este caso el núcleo metálico se vuelve obsoleto. Bobina (inductor) con núcleo de aire ¿Cómo obtener el valor de una bobina con núcleo de aire? Hay ocasiones en que se tiene una bobina o inductor con núcleo de aire y no conoce su valor (en henrios). Existe un método para obtener este valor si se tienen las medidas externas de la bobina / inductor. La fórmula a utilizar es la siguiente: L(uH)=(0.393a2n2)/(9a+10b) Donde: - n: es la cantidad de espiras (vueltas de alambre) del inductor - a: es el radio del inductor en centímetros - b: es la longitud del arrollado del inductor en centímetros Esta fórmula es una buena aproximación para inductores de una longitud mayor o igual a 0.8a. Pág. 16 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ejemplo 1: Se tiene una bobina o inductor de 32 espiras, 13 vueltas por centímetro y 25 mm de diámetro. ¿Cuál será su inductancia? - a = 25 mm / 2 = 1.25 centímetros - b = 32 / 13 = 2.46 - n = 32 Entonces: L = (0.393 x 1.252 x 322) / (9 x 1.25 + 10 x 2.46) = 17.54 uhenrios - uhenrio = micro Henrio. El transformador eléctrico ideal Relación de voltajes, corrientes, potencias en un transformador eléctrico El transformador eléctrico es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna (VAC) que le llega a su entrada, en otro voltaje también en corriente alterna de diferente amplitud, que entrega a su salida. Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan: - Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y - Bobina secundaria o "secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado. La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna. Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario un voltaje. Pág. 17 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- En este bobinado secundario habría una corriente si hay una carga conectada (el secundario conectado por ejemplo a un resistor) La razón de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje. La fórmula: Entonces: Vs = Ns x Vp / Np Un transformador eléctrico puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado. Si se supone que el transformador eléctrico es ideal. (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras), entonces: Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps). Pi = Ps Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la siguiente fórmula. Potencia = voltaje x corriente P = V x I (en watts) Aplicando este concepto al transformador eléctrico y como P(bobinado pri) = P(bobinado sec) Entonces la única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa. Entonces: Así, para conocer la corriente en el secundario (Is) cuando tengo: - Ip (la corriente en el primario), - Np (espiras en el primario) y - Ns (espiras en el secundario) se utiliza siguiente fórmula: Is = Np x Ip / Ns Normalmente en los diseños y análisis donde se utilizan transformadores, es muy común utilizar las características de éste como si fuera transformador ideal. Esto significa que: - No tiene pérdidas por calor - No hay caídas de voltaje en los bobinados de los arrollados - No hay capacitancias debido a los bobinados - No hay pérdidas por histéresis en el núcleo, etc. Lo anterior no siempre es conveniente y a veces es necesario tomar en cuenta estos parámetros. Pág. 18 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Autotransformadores Los autotransformadores son transformadores donde una parte del devanado es común tanto al primario como al secundario. El principio de funcionamiento es el mismo que el del transformador común, entonces la relación de transformación entre las tensiones y las corrientes y el número de vueltas se mantiene. Las corrientes primaria y secundaria están en oposición y la corriente total que circula por las espiras en común es igual a la diferencia de la corriente del devanado de baja tensión y el devanado de alta tensión. Para que un autotransformador funcione adecuadamente, los dos devanados deben tener el mismo sentido de bobinado. Autotransformadores reductores - Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de salida entre los puntos C y D, se dice que el autotransformador es reductor de tensión. En este caso la relación de vueltas del autotransformador es: Ns / Np < 1 Autotransformadores elevadores - Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de salida entre los puntos A y B, se dice que el autotransformador es elevador de tensión. En este caso la relación de vueltas del autotransformador es: Ns / Np > 1 Los autotransformadores tienen la ventaja sobre los transformadores comunes, de un peso y costo menor. En lugar de tener un bobinado de alta tensión de N1 espiras, se debe prever, para el bobinado de baja tensión, con un número N2 de espiras, un número de espiras adicional de N1 - N2. También hay que tomar en cuenta que el conductor de la sección común del bobinado, debe de tener una sección de cobre en función de la diferencia de corrientes entre baja y alta tensión. Pág. 19 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- ¿Por qué el núcleo del transformador se hace con láminas? Todos sabemos que el núcleo del transformador está relleno de un paquete de láminas y alguien se habrá preguntado si no sería más sencillo utilizar un bloque de hierro compacto. Si buscáis una explicación a este propósito, no la encontraréis fácilmente, por lo que trataremos de ilustraros lo más sencillamente posible la razón por la que no es posible utilizar un bloque de hierro en lugar de las láminas. Al insertar en el núcleo un bloque de hierro compacto, cuando éste se somete a un campo magnético alterno, en su interior corren corrientes parásitas (corrientes de Foucault) que lo recalientan En realidad se produce la misma situación que se obtendría si en el núcleo del transformador envolviéramos una gran espira y cortocircuitáramos juntas los dos extremos. Para neutralizar estas corrientes de Foucault hay que seccionar el núcleo en delgadísimas láminas, aislándolas unas de otras mediante una fina capa de barniz u óxido, de tal modo que aunque una superara a la otra, las corrientes parásitas que hay en una lámina nunca podrían cortocircuitarse con las corrientes de las láminas adyacentes. Las láminas estándar que se encuentran actualmente en el mercado tienen un espesor de 0,50 mm y sólo el tipo "especial" tiene un espesor de 0,35 mm. Obviamente, aquellas que tienen un espesor de 0,35 mm tienen mayor rendimiento porque son menores las pérdidas causadas por la dispersión y por las corrientes de Foucault, Debemos señalar que las corrientes parásitas y las pérdidas de histéresis aumentan considerablemente al aumentar la frecuencia de trabajo, luego los núcleos de láminas pueden utilizarse sólo en baja frecuencia hasta un máximo de 20.000- 30.000 Hz. Para trabajar en frecuencias comprendidas entre 10.000 - 100.000 Hz conviene usar núcleos de ferrita compuestos de microscópicos granitos de hierro unidos por pegamentos especiales que los aíslan unos de otros. Cuanto más ligero es el núcleo menos polvo de hierro hay en su cuerpo, por lo que más alta será su frecuencia de trabajo. Los núcleos de ferrita muy pesados son capaces de trabajar hasta una frecuencia máxima de 2 Mhz, los más ligeros hasta 20/50 MHz y los ligerísimos incluso en frecuencias superiores a los 100 MHz. Relé, Relay - Relevador El Relé es un interruptor operado magnéticamente. El relé se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que forma parte del relé) es energizado (le ponemos un voltaje para que funcione). Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del dispositivo (el relé). Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño Pág. 20 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- brazo, llamado armadura, por el electroimán. Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes mencionados. Funcionamiento del Relé: Si el electroimán está activo jala el brazo (armadura) y conecta los puntos C y D. Si el electroimán se desactiva, conecta los puntos D y E. De esta manera se puede conectar algo, cuando el electroimán está activo, y otra cosa conectada, cuando está inactivo. Es importante saber cuál es la resistencia del bobinado del electroimán (lo que está entre los terminales A y B) que activa el relé y con cuanto voltaje este se activa. Este voltaje y esta resistencia nos informan que magnitud debe de tener la señal que activará el relé y cuanta corriente se debe suministrar a éste. La corriente se obtiene con ayuda de la Ley de Ohm: I = V / R. dónde: - I es la corriente necesaria para activar el relé - V es el voltaje para activar el relé - R es la resistencia del bobinado del relé Ventajas del Relé - El Relé permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para hacerlo funcionar. - El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que consumen gran cantidad de corriente. - Con una sola señal de control, puedo controlar varios relés a la vez. El diodo semiconductor El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio. Viendo el símbolo del diodo en el gráfico se observan: A - ánodo, K - cátodo. Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio. Pág. 21 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Principio de operación de un diodo El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones) Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P más allá de los límites del semiconductor. De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N. En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente El diodo se puede hacer trabajar de 2 maneras diferentes: Polarización directa Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa el diodo con mucha facilidad comportándose prácticamente como un corto circuito. Polarización inversa Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sea del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, y se comporta prácticamente como un circuito abierto. Nota: El funcionamiento antes mencionado se refiere al diodo ideal, esto quiere decir que el diodo se toma como un elemento perfecto (como se hace en casi todos los casos), tanto en polarización directa como en polarización inversa. Aplicaciones del diodo Los diodos tienen muchas aplicaciones, pero una de las más comunes es el proceso de conversión de corriente alterna (C.A.) a corriente continua (C.C.). En este caso se utiliza el diodo como rectificador Diodo Zener El diodo zener es un tipo especial de diodo, que siempre se utiliza polarizado inversamente. Recordar que los diodos comunes, como el diodo rectificador (en donde se aprovechan sus características de polarización directa y polarización inversa), conducen siempre en el sentido de la flecha. Pág. 22 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- En este caso la corriente circula en contra de la flecha que representa el diodo. Si el diodo zener se polariza en sentido directo se comporta como un diodo rectificador común. Cuando el diodo zener funciona polarizado inversamente mantiene entre sus terminales un voltaje constante. En el gráfico se ve el símbolo de diodo zener (A - ánodo, K - cátodo) y el sentido de la corriente para que funcione en la zona operativa Se analizará el diodo Zener, no como un elemento ideal, si no como un elemento real y se debe tomar en cuenta que cuando éste se polariza en modo inverso si existe una corriente que circula en sentido contrario a la flecha del diodo, pero de muy poco valor. Pero una vez que se llega a un determinado voltaje, llamada voltaje o tensión de Zener (Vz), el aumento del voltaje (siempre negativamente) es muy pequeño, pudiendo considerarse constante. Para este voltaje, la corriente que atraviesa el diodo zener, puede variar en un gran rango de valores. A esta región se le llama la zona operativa. Esta es la característica del diodo zener que se aprovecha para que funcione como regulador de voltaje, pues el voltaje se mantiene prácticamente constante para una gran variación de corriente. ¿Qué hace un regulador con Zener? Un regulador con diodo zener ideal mantiene un voltaje predeterminado fijo a su salida, sin importar las variaciones de voltaje en la fuente de alimentación y/o las variaciones de corriente en la carga. Nota: En las fuentes de voltaje ideales (algunas utilizan, entre otros elementos el diodo zener), el voltaje de salida no varía conforme varía la carga. Pero las fuentes no son ideales y lo normal es que el voltaje de salida disminuya conforme la carga va aumentado, o sea conforme la demanda de corriente de la carga aumente. Transistor bipolar o BJT El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. En ambos casos el dispositivo tiene 3 patillas y son: el emisor, la base y el colector. Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor. El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama ß (beta) y es un dato propio de cada transistor. Pág. 23 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Entonces: - Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base). - Ic = ß * Ib - Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es igual a (ß+1) * Ib, pero se redondea al mismo valor que Ic, sólo que la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa. Diodo LED. Diodo emisor de luz. Light-Emitting Diode Si alguna vez ha visto, unas pequeñas luces de diferentes colores que se encienden y apagan, en algún circuito electrónico, ha visto el diodo LED en funcionamiento. El LED es un tipo especial de diodo, que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz. Existen diodos LED de varios colores que dependen del material con el cual fueron construidos. Hay de color rojo, verde, amarillo, ámbar, infrarrojo, entre otros. Eléctricamente el diodo LED se comporta igual que un diodo de silicio o germanio. Si se pasa una corriente a través del diodo semiconductor, se inyectan electrones y huecos en las regiones P y N, respectivamente. Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP). Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color. Ver la tabla Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs. Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. Pág. 24 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común. Aplicaciones tiene el diodo LED. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento. Ejemplos - Se utilizan para desplegar contadores - Para indicar la polaridad de una fuente de alimentación de corriente continua. - Para indicar la actividad de una fuente de alimentación de corriente alterna. - En dispositivos de alarma, etc. Las desventajas del diodo LED son que su potencia de iluminación es tan baja, que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas difusoras de luz. Con los últimos adelantos, en los diodos LED de alta luminosidad, este problema prácticamente ha quedado en el pasado. Cálculos LED El diodo El diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite el paso de la corriente en un solo sentido. Ahora definamos algunos términos que se usarán de acá en adelante: Polarizar: Se le dice así a la forma en cómo se aplica corriente al diodo. Polarización directa: Se dice así cuando se aplica voltaje positivo al terminal positivo del diodo. Polarización inversa: Se dice así cuando se aplica voltaje positivo al terminal negativo del diodo. Ánodo: Terminal positivo del diodo Cátodo: Terminal negativo del diodo Caída de tensión: se dice así a la diferencia de voltaje que hay entre los dos terminales del diodo. (Esto es aplicable a muchas cosas en electrónica) Símbolo electrónico del diodo LED Pág. 25 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Los valores expresados en la tabla son los recomendados por el fabricante. Los LED y su circuito esquemático. Resistencia limitadora de corriente: Es la encargada de acondicionar el voltaje y corriente de una determinada fuente de corriente continua a los valores necesarios para el correcto funcionamiento del o los LED. Pág. 26 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Esta es la forma de conexión comúnmente utilizada para conectar un LED Se conforma de un LED y su respectiva resistencia limitadora de corriente. Conexión en paralelo Consiste en conectar dos o más LED positivo con positivo y negativo con negativo utilizando una resistencia limitadora. Conexión en serie Esta manera de conectar los LED es la más utilizada en la actualidad debido al crecimiento de las luminarias de LED. Consiste en conectar un LED a continuación del otro y utilizar la correspondiente resistencia limitadora de corriente. Pág. 27 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ley de ohm: La Ley de Ohm afirma que la corriente que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia siempre y cuando su temperatura se mantenga constante. I=V/R Donde I: Intensidad de la corriente expresada en Amperios. V: Voltaje expresado en voltios R: resistencia expresada en ohm Potencia eléctrica: Es la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. P=V*I Donde P: Potencia expresada en Watts. V: Voltaje expresado en voltios I: Intensidad expresado en amperios Primero calcularemos el circuito con un diodo led y su resistencia correspondiente, utilizaremos el LED de alto brillo azul redondo que está en la tabla de arriba. Definamos los datos: Tensión de alimentación: 12 v Voltaje del LED: 3,1 v Corriente del LED: 20 mA Cantidad de leds: 1 Calculamos la caída de tensión que debe provocar la resistencia para así tener los 3,1 v necesarios para el led: Caída de Tensión=Voltaje de la fuente - Voltaje del led => CT= 12 v-3,1 v Esto nos da que en la resistencia deben caer 8,9 v Ahora teniendo este dato y utilizando la ley de ohm calculamos la resistencia necesaria: R=V/I => R=8,9 v / 0,020 A => R=445 ohm Como este valor de resistencia no se encuentra comercialmente utilizaremos el valor comercial superior más cercano, en este caso usaremos una resistencia de 470 ohm. Aunque con una resistencia de 1/4 w es suficiente igualmente calcularemos cuánta potencia va disipar en forma de calor la resistencia que acabamos de calcular para nuestro LED utilizando la ecuación de potencia. Pág. 28 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Nuestros datos para el cálculo son: R=470 ohm V= 8,9 v I= 20 mA Notarán que con V y con I ya se puede calcular la potencia, pero nosotros necesitamos calcularlo referente a la resistencia. P=V2 / R P: Potencia que disipa nuestra resistencia V: Caída de tensión en la resistencia elevado al cuadrado (en el ejemplo es 8,9 v) R: Valor de nuestra resistencia (en el ejemplo es 470 ohm) P= (8,9)2 / 470 OHM P= 0,168 W = 168 mW la potencia de la resistencia es de 1/4W (250 mW). Cálculo de LEDs en Paralelo: Calcularemos el circuito con 2 diodos led y su resistencia correspondiente, utilizaremos el LED de alto brillo azul redondo que está en la tabla de arriba. Definamos los datos: Tensión de alimentación: 12 v Voltaje del LED: 3,1 v Corriente del LED: 20 mA Cantidad de leds: 2 En este tipo de circuito el voltaje que circula por los LEDs es igual para todos, es decir un LED necesita 3,1v, entonces 2, 4 o 6 conectados en paralelo usaran el mismo voltaje proveído por la fuente, 3,1v, no así la corriente ya que se necesitara tanta corriente como cantidad de LEDs agreguemos al circuito, en nuestro caso usamos 2 LED y cada uno requiere 20mA, por lo tanto en el circuito necesitamos 40mA. Calculamos la caída de tensión que debe provocar la resistencia para así obtener los 3,1v necesarios para los led: Caída de Tensión=Voltaje de la fuente - Voltaje del led => CT= 12v-3,1v Esto nos da que en la resistencia deben caer 8,9v Ahora teniendo este dato y utilizando la ley de ohm calculamos la resistencia necesaria: R=V/(I1+I2) => R=8,9v/0,040A => R=222,5 ohm Donde I1 y I2 son las corrientes que necesita cada Pág. 29 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Como este valor de resistencia no se encuentra comercialmente utilizaremos el valor comercial superior más cercano, en este caso usaremos una resistencia de 220 ohm. Aunque con una resistencia de 1/2 w es suficiente igualmente calcularemos cuanta potencia va disipar en forma de calor la resistencia que acabamos de calcular para nuestro LED utilizando la ecuación de potencia. Nuestros datos para el cálculo son: R=220 ohm V= 8,9 v I= 40 mA P=V2 / R P: Potencia que disipa nuestra resistencia V: Caída de tensión en la resistencia elevado al cuadrado (en el ejemplo es 8,9 v) R: Valor de nuestra resistencia (en el ejemplo es 220 ohm) P= (8,9)2 / 220 OHM P= 0,360 W = 360 mW Como verán con una resistencia de 1/2 W (500 mW) nos va cómodamente, aunque sí debo aclarar que calienta bastante, esta es una de las razones por la cual se utiliza poco esta configuración de interconexión de LEDs. Cálculo de LEDs en serie: Nada mejor que un ejemplo, así que utilizaremos 2 led redondos azules de alto brillo. Datos para armar el circuito y calcular su correspondiente resistencia limitadora: Voltaje de alimentación (Va): 12v Voltaje de cada LED (V1): 3,1v Corriente de cada led (I1): 20mA (0,020A) Cantidad de LEDs: 2 En este tipo de circuito la corriente que circula en los 2 leds conectados en serie es igual, pero en caso del voltaje no, cuando se conectar LEDs en serie se deben sumar los voltajes de cada LED para realizar el cálculo, en nuestro caso son 2 led y cada uno se alimenta con 3,1 v, por lo tanto los dos conectados consumirán 6,2 v. Entonces el cálculo de la resistencia nos queda de la siguiente manera: R= VA-(V1+V2) / I1 => R= 12v-(3,1v + 3,1v) / 0,020A R= 290 ohm (Aunque este no es un valor comercial, seguiré el cálculo utilizándolo, el valor comercial más cercano es 300 ohm) Donde V1= voltaje del led 1 y V2= voltaje del led 2 Procedemos a calcular la potencia que va disipar nuestra resistencia. Nuestros datos para el cálculo son: R=290 ohm V= 5,8 v I= 20 mA Pág. 30 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Este cálculo es igual para todo los casos, entonces: P=V2 / R P: Potencia que disipa nuestra resistencia V: Caída de tensión en la resistencia R: Valor de nuestra resistencia P= (5,8)2 / 290 OHM P= 0,116 W =116 mW Como verán con una resistencia de 1/4W (250 mW) nos re alcanza. Display de 7 segmentos El display de 7 segmentos, es un componente que se utiliza para la representación de números en muchos dispositivos electrónicos. Cada vez es más frecuente encontrar LCD´s en estos equipos (debido a su bajísima demanda de energía), todavía hay muchos que utilizan el display de 7 segmentos por su simplicidad. Este elemento se ensambla o arma de manera que se pueda activar cada segmento (diodo LED) por separado logrando de esta manera combinar los elementos y representar todos los números en el display (del 0 al 9). El display de 7 segmentos más común es el de color rojo, por su facilidad de visualización. Cada elemento del display tiene asignado una letra que identifica su posición en el arreglo del display. Ver el gráfico arriba - Si se activan todos los segmentos se forma el número "8" - Si se activan solo los segmentos: "a,b,c,d,f," se forma el número "0" - Si se activan solo los segmentos: "a,b,g,e,d," se forma el número "2" - Si se activan solo los segmentos: "b,c,f,g," se forma el número "4" p.d. representa el punto decimal El display ánodo común En el display ánodo común, todos los ánodos de los diodos LED unidos y conectados a la fuente de alimentación. En este caso para activar cualquier elemento hay que poner el cátodo del elemento a tierra a través de una resistencia para limitar la corriente que pasa por el elemento Pág. 31 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- El display cátodo común El display cátodo común tiene todos los ánodos de los diodos LED unidos y conectados a tierra. Para activar un segmento de estos hay que poner el ánodo del segmento a encender a Vcc (tensión de la fuente) a través de una resistencia para limitar el paso de la corriente También hay display alfanuméricos que permiten representar tanto letras como números LCD: Display de Cristal Líquido (Liquid Crystal Display) Los Display LCD son visualizadores pasivos, esto significa que no emiten luz como el visualizador o display alfanumérico hecho a base de un arreglo de diodos LEDs. Es por esa razón que, algunas veces, cuando intentamos ver la hora en un reloj que utiliza esta tecnología, es necesario una fuente de luz adicional. Tiene una vida aproximada de 50,000 horas. Hay diferentes tipos de presentaciones y son muy fáciles de configurar. Hay desde visualizadores comunes de 7 segmentos, hasta una matriz de puntos, todos ellos muy delgados. ¿Cómo funciona un Display LCD? El LCD modifica la luz que lo incide. Dependiendo de la polarización que se esté aplicando, el LCD reflejará o absorberá más o menos luz. Cuando un segmento recibe la tensión de polarización adecuada no reflejará la luz y aparecerá en la pantalla del dispositivo como un segmento oscuro. Seguro que más de un lector habrá visto este fenómeno en calculadoras, relojes, etc. El líquido de un display LCD está entre dos placas de vidrio paralelas con una separación de unos micrones. Estas placas de vidrio tienen unos electrodos especiales que definen, con su forma, los símbolos, caracteres, etc. que se visualizarán. Pág. 32 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Visualización del Display LCD en modo reflector En este modo el sistema LCD utiliza un reflector de difusión (una lámina reflectora), que refleja la luz ambiente a través del visualizador. Excelente para áreas donde siempre hay luz disponible y como no requiere de una fuente de energía se puede utilizar con baterías. Este modo ofrece un alto contraste. Visualización del Display LCD en modo transmisor En este modo el visualizador LCD es iluminado desde atrás en forma artificial. Se utiliza mucho para visualizaciones negativas (segmentos claros sobre fondo oscuro). Ver el gráfico de la derecha. Visualización del Display LCD en modo transflector Este modo es un híbrido de los dos modos antes mencionados y se utiliza para desplegar la información bajo cualquier condición de iluminación. En este modo el display LCD refleja tanto la luz ambiente como la luz artificial de fondo difusa para uso nocturno. Rectificadores de corriente En electrónica, un rectificador es el elemento o circuito que permite convertir una señal eléctrica alterna en una continua. Esto se realiza utilizando diodos rectificadores. Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, se les clasifica en monofásicos, cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica, o trifásicos cuando se alimentan por tres fases. Pág. 33 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Veamos el diagrama en Bloques de un Rectificador... Funcionamiento de un diodo rectificador común de media onda Para comprender mejor la forma en que funciona un semiconductor diodo, es necesario recordar primero que la corriente alterna (C.A.) circula por el circuito eléctrico formando una sinusoide, en la que medio ciclo posee polaridad positiva mientras y el otro medio ciclo posee polaridad negativa. Es decir, cuando una corriente alterna circula por un circuito eléctrico cerrado su polaridad cambia constantemente tantas veces como ciclos o hertz por segundo de frecuencia posea. En el caso de la corriente alterna que llega a nuestros hogares la frecuencia puede ser de 50 o de 60 ciclos en dependencia del sistema que haya adoptado cada país en cuestión. En Europa la frecuencia adoptada es de 50 ciclos y de 60 ciclos en la mayor parte de los países de América . En la figura de arriba se puede apreciar que en el proceso de rectificación de la corriente alterna (C.A.) utilizando un solo diodo, durante un primer medio ciclo negativo los electrones circularán por el circuito atravesando primero el diodo y a continuación el consumidor o carga eléctrica, representado por una resistencia (R). En ese instante, en los extremos de la resistencia se podrá detectar una corriente directa "pulsante" que responde a ese medio ciclo. En el medio ciclo siguiente (esta vez positivo), los electrones cambiarán su sentido de circulación y no podrán atravesar ni la resistencia, ni el semiconductor diodo, porque en ese instante el camino estará bloqueado por el terminal positivo del diodo y no habrá circulación de corriente por el circuito. A continuación y durante el medio ciclo siguiente negativo, de nuevo el diodo vuelve a permitir el paso de los electrones, para bloquearlo nuevamente al cambiar la corriente el sentido de circulación y así sucesivamente mientras se continúe suministrándole corriente al diodo. Por tanto, durante cada medio ciclo negativo de una fuente de corriente alterna (C.A.) conectada a un diodo se registra una polaridad fija en los extremos de un consumidor conectado al circuito de salida del propio diodo, mientras que durante el siguiente medio ciclo positivo no aparecerá polaridad alguna debido al bloqueo que ofrece el propio diodo al paso de los electrones en sentido inverso. De esa forma, a través del consumidor circulará una corriente pulsante, pues en este caso el diodo actúa como un rectificador de corriente alterna de media onda. Pág. 34 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Funcionamiento de los diodos rectificadores de onda completa Cuando un circuito eléctrico o electrónico requiere de una corriente directa que no sea pulsante, sino mucho más lineal que la que permite un simple rectificador de media onda, es posible combinar de dos a cuatro diodos rectificadores de forma tal que la resultante sea una corriente directa (C.D.) con menos oscilaciones residuales. La estructura más usual para obtener un puente rectificador de "onda completa" es la compuesta por cuatro diodos conectados de forma conveniente. Sin embargo, en algunos casos se obtiene un efecto similar conectando solamente dos diodos, empleando como fuente de suministro de corriente alterna (C.A.) un transformador con una derivación en el centro del enrollado secundario. Esa derivación central permite alimentar por igual a cada uno de los diodos gracias a su simetría en contrafase que hace posible que el punto medio del enrollado sea siempre el polo negativo mientras el polo positivo cambia en sus extremos cada medio ciclo de frecuencia alterna de la corriente aplicada al circuito. Sin embargo, a la salida del circuito rectificador se obtiene una corriente directa (C.D.) de onda completa No obstante, la mayoría de los circuitos eléctricos o electrónicos que funcionan con corriente directa (C.D.), emplean rectificadores de onda completa compuestos por cuatro diodos. A continuación se ilustran tres formas de esquematizar en un diagrama la conexión de esos cuatro diodos para obtener un rectificador de onda completa. Un puente rectificador de cuatro diodos funciona de la siguiente forma: Como se puede observar en la parte (A) de la ilustración, durante el primer medio ciclo negativo (–) de la corriente que proporciona la fuente de suministro alterna (C.A.) conectada al puente rectificador, los electrones atraviesan primero el diodo (1), seguidamente el consumidor (R) y después el diodo (2) para completar así la circulación de la corriente de electrones por una mitad del circuito correspondiente al puente rectificador. Pág. 35 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Como aclaración, al llegar los electrones en su recorrido al punto de conexión (a), no pueden atravesar el diodo (4) porque, de acuerdo con la colocación que éste ocupa en el circuito, bloqueará o impedirá la circulación de los electrones en ese sentido. Una vez que los electrones continúan su recorrido, al llegar al punto de conexión (b), tampoco pueden atravesar el diodo (4), porque la corriente de electrones nunca circula en dirección a su propio encuentro (de forma similar a como ocurre con la corriente de agua en un río), sino que siempre se mueve en dirección al polo opuesto de la fuente de suministro que le proporciona la energía eléctrica, o sea, el polo positivo de la corriente alterna (C.A.) en este caso. En la parte (B) de la ilustración podemos ver que la corriente alterna cambia la polaridad y, por tanto, el sentido de circulación de los electrones. En esta ocasión, los electrones atraviesan primeramente el diodo (3), a continuación atraviesan el consumidor (R) y, por último, el diodo (4) para retornar a la fuente de suministro eléctrico y completar así el circuito. De forma similar a lo ocurrido en el ciclo anterior, ahora el diodo (1) es el encargado de bloquearle el paso a los electrones para que se puedan dirigir en dirección al consumidor (R), mientras que el diodo (2) tampoco pueden atravesarlo los electrones, porque no pueden ir a su propio encuentro, tal como ocurre en el medio ciclo anterior. Como se habrá podido apreciar, tanto en el primer medio ciclo, como en el siguiente, los signos de polaridad positiva (+) y negativa (–) a la salida del circuito del puente de rectificación donde se encuentra conectado el consumidor (R), se mantiene constante, pues una vez rectificada la corriente alterna (C.A.) y convertida en directa (C.D.) las polaridades no sufren variación alguna como ocurre con la corriente alterna a la entrada del circuito. En esa ilustración se puede ver también que a la salida del circuito de rectificación se obtienen una serie de pulsaciones continuas, es decir, no intermitentes como ocurre cuando se emplea un solo diodo rectificador en un circuito de media onda. Pág. 36 ESCUELA DE EDUCACIÓN SECUNDARIA MODALIDAD TÉCNICO PROFESIONAL Nº 8163 “SAN JOSÉ Tema: Componentes electrónica Año 3º 1ª div Prof. César Marani ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Tensión de rizado Ambos ciclos del voltaje de entrada son aprovechados y el voltaje de salida de un rectificador de onda completa se verá como en el siguiente gráfico: Si a RL se le pone en paralelo un condensador, el voltaje de salida se verá como en la siguiente figura (línea negra). A la variación del voltaje (∆v) en los terminales del capacitor debido a la descarga de este en la resistencia de carga se le llama tensión de rizado o ripple. La magnitud de este rizado dependerá del valor de la resistencia descarga y al valor del capacitor. Si se comparar este diagrama con su correspondiente de rectificación de 1/2 onda, se puede ver que este circuito tiene un rizado de mayor frecuencia (el doble), pero es menor. En cada semi ciclo el transformador entrega corriente (a través de los diodos D1 y D2) al condensador C y a la resistencia RL, Esto sucede mientras las ondas aumentan su valor hasta llegar a su valor pico (valor máximo), pero cuando este valor desciende es el condensador el que entrega la corriente a la carga (se descarga). Si el capacitor es grande significa menos rizado, pero aún cumpliéndose esta condición, el rizado podría ser grande si la resistencia de carga es muy pequeña (corriente en la carga es grande) Nota: Hay que tomar en cuenta que el voltaje máximo que se podrá obtener dependerá del voltaje que haya entre uno de los terminales del secundario del transformador y el terminal de la derivación central Pág. 37
