Tema 1 INTRODUCCIÓN Y AXIOMAS
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Tema 1 INTRODUCCIÓN Y AXIOMAS Unidades Referencias de polaridad Circuitos eléctricos Axiomas de Kirchoff Problemas fundamentales de T. de Circuitos Elementos de circuitos eléctricos FTE-Tema 1 pag.: 1/ 35 1.1.- Unidades electromagnéticas. En el cuadro siguiente se relacionan algunas de las magnitudes utilizadas en la tecnología electromagnética. Se utilizaran las magnitudes básicas del Sistema Internacional (SI). Magnitud Unidad Abrev. Símbolo A V Cálculo básico Corriente eléctrica - Intensidad Tensión eléctrica - Voltaje Amperio Voltio I V-U I=V/ R V=R.I Resistencia eléctrica Conductancia Impedancia Ohmio Mho (Siemens) Ohmio R G Z Resistividad Capacidad Ohmio/metro/mm2 Faradio C Reactancia capacitiva Ohmio Xc Coeficiente de perdidas de condensadores En Nº decimal d d Factor de calidad de condensadores En Nº decimal Q Q Inductancia Henrio L H Reactancia inductiva Ohmio Xl Coeficiente de perdidas de bobinas En Nº decimal d d d = R / Xl Factor de calidad de las bobinas En Nº decimal Q Q Frecuencia Hercio F Hz Longitud de onda Pulsación Metro 1 / segundos Q = Xl / R F = 1 / T ( T = periodo ) Frecuencia = Ciclo = Velocidad . Frecuencia Carga eléctrica Culombio Q Q = 2 . π . Frecuencia 1Q = 6,23.1018 electrones Intensidad de campo eléctrico Voltage / Longitud E E E = Voltage / Longitud Intensidad de campo magnético Gauss Amperio / Metro H H H = f.m.m. / Longitud Fuerza magnetómotriz Gilbert Amperio-Vuelta f.m.m Flujo magnético Weber Maxwell Wb M Inducción magnética Tesla Gauss T G B B = Flujo magnético / m2 Potencia eléctrica Vatio P W P=V.I Densidad de corriente Amperio / mm2 J J J = I / mm2 Trabajo eléctrico Watio / Segundo ( Joule ) W Ws W = Potencia . Tiempo Rendimiento eléctrico Nº decimal Flujo luminoso Lumen Lm Intensidad Luminosa Candela cd R=V/ I G=1/ R = Ohmio / m / mm2 C = Carga / Voltage Ro F d = Xc / Rp Rp=Resistencia de pérdidas Q=1/d Hr L = Flujo / Intensidad Xl = Pulsacion / L Landa Theta Phi Eta f.m.m = I . Nº de espiras Wb = V . Segundo = Pot. útil / Pot. consumida cd Lumen / Vatio cd Iluminación Lux Lx E Lx = Lm / m2 Luminancia Candela / m2 cd / m2 L L = cd / m2 T ºC ºF ºK Cantidad de calor Capacidad calorífica FTE-Tema 1 Grados Celsius Grados Fahrenheit Grados Kelvin Joule Kilocaloría Joule / K Kilocaloría / K ( a 20º ) Xc= 1 / Pulsación.Capacidad Eficacia luminosa Temperatura Ley de Ohm J Kcal J/K Kcal / K cd = Lm / Vatio Q 1 Kcal = 1000 cal = 4180 J K pag.: 2/ 35 R R th th R th = T / Pot. disipada T = Incremento de temp. Resistencia térmica K/W Sonoridad y escalas logarítmicas de potencias Bel Decibel dB dB dB = Bel / 10 Velocidad de transmisión de información Baudio bps bps Bps = Bits . Segundo A continuación se definen los prefijos de los múltiplos y los submúltiplos más habituales: Nombre Símblo Factor exa peta Tera E P T 1018 1015 1012 Giga G 109 mega Kilo Mili micro nano Pico femto Atto M k m 106 103 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 μ n P f a 1.2.- Magnitudes fundamentales: Definiciones POTENCIAL ELÉCTRICO: La diferencia de potencial entre un punto 1 y un punto 2 (V1–V2) se define como el trabajo necesario para llevar una carga + de valor igual a la unidad desde el punto 2 al punto 1. La unidad de potencial es el voltio y se representa mediante la letra V. Para definir correctamente el potencial eléctrico es necesario tomar un punto como referencia. En los problemas de electromagnetismo se considera que en el infinito el potencial es 0. En los problemas de circuitos eléctricos se toma un punto como referencia (tierra). Se considera que en este punto el potencial es 0. Una diferencia de potencial significa que existe un campo eléctrico E dirigido desde el punto de mayor potencial al de menor potencial. La fuerza F que experimenta una carga q es, por definición de campo eléctrico, F = qE. Si la carga es positiva, la fuerza está dirigida de mayor a menor potencial y si es negativa de menor a mayor potencial. El electrón-voltio: El electrón-voltio (eV) es una unidad de energía muy apropiada para la electrónica. Se define como la energía que gana un electrón al someterse a una diferencia de potencial de un voltio: 1 eV = 1.6 x 10-19 J. INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA: La intensidad de corriente es la carga que atraviesa una sección del conductor por unidad de tiempo. La unidad de corriente es el amperio y se representa mediante la letra A. Lógicamente, la corriente tiene dimensiones de carga dividida por tiempo: 1 A = 1 C/s. Es muy importante especificar el sentido y el signo de la corriente eléctrica. Normalmente la corriente es debida al movimiento de electrones, que tienen carga negativa. (Esto significa que el sentido positivo de la corriente es el opuesto al sentido del movimiento de los electrones). Sentido corriente FTE-Tema 1 +V Movimiento electrones -V pag.: 3/ 35 1.3.- Referencias de polaridad en los circuitos eléctricos Se aplica el convenio usual de entender por corriente eléctrica: desplazamiento de cargas ideales positivas entre 2 puntos A y B de un conductor. La corriente eléctrica i puede circular desde el punto A al B o viceversa. Para conocer, mediante un esquema, el sentido en que realmente tiene lugar, se establece el convenio siguiente. Se dibuja una flecha en sentido arbitrario, y si las cargas ideales positivas se desplazan en el sentido de la flecha, la corriente se considera positiva y si se desplazan en sentido contrario se considera negativa. Así, en el esquema de la figura, si es i = + 8 A, quiere decir que una corriente de 8 amperios circula desde el punto A al B. Si fuese i = - 8 A, indicaría que una corriente de 8 amperios circula del punto B al A. A i C.E. Figura l. l. B En general, la intensidad, así como las restantes magnitudes eléctricas, son funciones del tiempo. Para abreviar, cuando representemos una magnitud eléctrica mediante una letra minúscula, entenderemos que es una función del tiempo. Así i = i(t). Valores constantes se representan por letras mayúsculas. Otro convenio es utilizar doble subíndice. Si escribimos: iAB = - 8 A, quiere decir que una corriente de 8 amperios circula del punto B al A, lo cual podría haberse expresado también por iBA = 8 A es decir: iAB = - iBA Se entiende por tensión eléctrica o simplemente tensión la diferencia UAB = V A - VB que existe entre los potenciales eléctricos de dos puntos A y B de un circuito. Cuando es resulta: VA>VB UAB > O Otro convenio, que evita los molestos subíndices, pero que requiere un esquema representativo del circuito eléctrico (C. E.) es utilizar una flecha como se hace en la figura 1.2. En este caso, flecha apuntando hacia B, se entenderá que A u C.E. B Figura 1.2. u=VA–VB Así si es u = - 10 voltios, quiere decir que el potencial del punto B excede al del A en 10 V. Si es u = 5 V, entendemos que el potencial del punto A es mayor que el del B en 5 voltios. Cuando es u > O, la flecha apunta hacia el potencial menos. Por la definición de tensión tenemos: UBA = VB - V A Por tanto, es: UAB = - UBA FTE-Tema 1 pag.: 4/ 35 1.4.- Circuitos eléctricos Llamaremos circuito eléctrico a un conjunto de elementos en donde existe la posibilidad de que se origine una corriente eléctrica. Los circuitos eléctricos están destinados a la distribución y a la transformación recíproca de la energía eléctrica y de otra clase de energía. Sus elementos se definen en función de un conjunto de magnitudes eléctricas. La teoría de los circuitos eléctricos es el estudio de sus propiedades. Estas propiedades, inherentes a todos los circuitos con independencia de su complejidad, van a ser deducidas a partir de un conjunto de leyes experimentales que aceptamos como axiomas. También deduciremos un conjunto de teoremas que simplifican los cálculos. En la mayor parte de otras ramas de la tecnología, y ello les distingue de la ciencia pura, es raras veces posible formular una teoría axiomática sencilla que describa adecuadamente los fenómenos reales. Las altas teorías matemáticas son, con frecuencia, demasiado complejas para ser aplicadas a problemas prácticos, y las teorías elementales, en cambio, no dan más que una ruda aproximación. La principal razón del éxito de una teoría matemática en los circuitos eléctricos es que el comportamiento de los elementos físicos que constituyen tales circuitos está muy bien representado por medio de modelos matemáticos sencillos. 1.5.- Axiomas de Kirchhoff Las ecuaciones diferenciales que satisfacen en su comportamiento los circuitos eléctricos están basadas en las leyes de Kirchhoff, que aceptaremos como axiomas fundamentales. Axioma 1. Primera ley de Kirchhoff: La suma algebraica de las intensidades entrantes en un nudo es nula en todo instante. Así si varios conductores concurren en un punto común, como se representa en la figura 1.3, las intensidades de esos conductores satisfacen la ecuación siguiente: i1 + i2 – i3 - i4 – i5 = O donde las intensidades salientes se han tomado como intensidades entrantes negativas. i4 Figura 1.3 Esta primera ley de Kirchhoff también se hubiera podido enunciar de la siguiente forma: «La suma algebraica de las intensidades salientes en un nudo es nula en todo instante.». Así para la figura 1.3 las intensidades- cumplirán la siguiente ecuación: -i1 - i2 + i3 + i4 + i5 = O donde las intensidades entrantes se han considerado como intensidades salientes negativas. Otra forma de expresar este axioma es: i1 + i2 = i3 + i4 + i5 que, en forma general, se puede escribir: i entrantes = i salientes es decir, de las intensidades que concurren en un punto común, la suma de las entrantes es igual a la suma de las salientes. Esta ley de Kirchhoff no es más que el principio físico de continuidad referido a los circuitos. Este principio dice que la corriente total entrante en una región es nula. En otras palabras, la intensidad entrante es igual a la saliente. Así en la figura 1.4 se verifica: i1 + i2 + i3 - i4 = 0 FTE-Tema 1 i4 pag.: 5/ 35 Figura 1.4. Esta ley no es más que una consecuencia de haber definido la tensión entre dos puntos como diferencia de sus respectivos potenciales. Siempre que hablemos de este axioma nos referiremos a él como la primera ley de Kirchhoff generalizada. Axioma 2. Segunda ley de Kirchhoff: La suma algebraica de las tensiones a lo largo de cualquier línea cerrada es nula en todo instante. Las tensiones representadas en la figura 1.5 satisfacen la ecuación siguiente: A u1 u4 u1- u2 + u3 + u4 = 0 u2 u3 B Figura 1.5. Corolario. La tensión entre cualquier par de terminales es independiente del camino seguido para pasar de uno a otro. Así, figura 1.5: uAB = - u1- u4 = - u2 + u3 Notas l. La segunda ley de Kirchhoff es aplicable con independencia del tipo o tipos de elementos comprendidos en la línea cerrada. 2. Puede existir una tensión entre un par de terminales aunque no haya ningún elemento conectado entre ellos. Por ejemplo, si uno, dos o aun todos los elementos de conexión faltaran en la línea cerrada de la figura 1.5, la segunda ley de Kirchhoff permanecería válida. 1.6.- Problemas fundamentales en la teoría de circuitos Una de las técnicas básicas del método científico es el estudio de las respuestas de los sistemas físicos ante los estímulos o excitaciones que a ellos se apliquen. Tal estudio puede realizarse experimental o teóricamente. En la teoría de circuitos eléctricos este problema fundamental se representa simbólicamente de la forma siguiente: Excitación o estímulo Ae (t) CIRCUITO ELECTRICO Respuesta o salida Ar (t) Figura 1.6 Cabe considerar dos tipos fundamentales de problemas, que dan lugar a las dos partes principales en que se divide esta teoría: a) Análisis de circuito: Conocidos la excitación y el circuito, hallar la respuesta. b) Síntesis de circuitos: Conocidas la excitación y la respuesta, hallar el circuito o circuitos adecuados. FTE-Tema 1 pag.: 6/ 35 El estímulo se caracteriza mediante la función excitación Ae(t) y la respuesta mediante la función respuesta o de salida Ar(t). La función de transmisión es una característica del circuito, se designa por G(t) y es, por definición: G(t) =Ar(t) / Ae(t) El estudio sintético de los circuitos descansa en las propiedades generales deducidas por análisis. Estudiaremos casi exclusivamente la teoría analítica. 1.7.- Capítulos básicos de la teoría de circuitos La naturaleza de la función excitación permite dividir el análisis de los circuitos en tres grandes capítulos: a) Circuitos excitados con corriente continua. La función excitación es invariante en el tiempo. b) Circuitos con corriente alterna senoidal. La función excitación es senoidal, siendo constantes su amplitud y frecuencia. c) Análisis general de circuitos. La función excitación no es de los tipos precedentes. 1.8.- Clases de circuitos A) Circuitos lineales. Son aquellos cuyo comportamiento puede caracterizarse mediante una ecuación diferencial lineal. Sus elementos han de ser lineales. Propiedades de los circuitos lineales: a) Si Ae(t) Y Ar(t) son las funciones excitación y respuesta correspondientes en un sistema lineal, se verificará que a la excitación K Ae(t) responde tal sistema con K Ar(t), siendo K una constante. b)Toda combinación lineal de funciones excitación admisibles, por ejemplo, K1 Ae1(t) + + K2 Ae2(t) + ..., tiene por respuesta análoga combinación lineal de las correspondientes funciones respuesta, o sea: K1 Arl(t) + K2 Ar2(t) + ... B) Circuitos cuasilineales. Son los que contienen uno o más elementos no lineales, pero al menos en un margen de su funcionamiento pueden considerarse como lineales. Para este tipo de circuitos puede emplearse la técnica de análisis de los circuitos lineales. C) Circuitos no lineales. No puede establecerse en ellos la hipótesis de linealidad, dentro un margen de aproximación permisible. Requieren el empleo de técnicas especiales de análisis. v i tgα=1/Ζ i i Q v tgα=1/rd v Circuito Lineal: La representación de i frente a v es una recta, su pendiente es constante con unidades inversas de resistencia (admitancia). En un circuito no-lineal la resistencia asociada al dispositivo no es constante, ya que la pendiente es diferente en cada punto FTE-Tema 1 pag.: 7/ 35 1.9 .- ELEMENTOS ELÉCTRICOS 1.9.1.- RESISTENCIA Es un componente pasivo, es decir no genera intensidad ni tensión en un circuito. Su comportamiento se rige por la ley de Ohm. Su valor lo conocemos por el código de colores, también puede ir impreso en cuerpo de la resistencia directamente. Una vez fabricadas su valor es fijo. SIMBOLOS UNIDAD Ω 1.9. 1.1.- Caracteristicas técnicas generales A) Resistencia nominal.Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación. B) Tolerancia.Diferencia entre las desviaciones superior e inferior. Se da en tanto por ciento. Nos da una idea de la precisión del componente. Cuando el valor de la tolerancia es grande podemos decir que la resistencia es poco precisa, sin embargo cuando dicho valor es bajo la resistencia es más precisa. C) Potencia nominal.Potencia que el elemento puede disipar de manera continua sin sufrir deterioro. Los valores normalizados más utilizados son : 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2..... • • En un conductor: Ley de Ohm: • • Potencia: Conductancia: R = ρ l/s. En cobre ρ = 0.0173 Ω mm2/m v(t) = R i(t) p(t) = v(t) i(t) = R i2(t) = v2(t)/R G = 1/R. Unidad = siemens (mho) Ley de Joule La circulación de corriente a través de cualquier elemento conductor produce un calentamiento en el mismo, lo que da lugar a pérdidas de energía eléctrica en forma de energía calorífica. Esta energía calorífica es debida al rozamiento de los electrones en el interior del conductor. El calor (en calorías) desprendido se calcula mediante la ecuación de la ley de Joule. [cal] siendo proporcional a la resistencia del material, al cuadrado de la intensidad de la corriente y al tiempo que está circulando. En este efecto se basan aparatos como los braseros, o los hornos y calefacciones eléctricas y es lo que explica que se calienten las bombillas o aparatos eléctricos encendidos. Para reducir las pérdidas de energía producidas por calentamiento en los conductores hay dos opciones (como se observa en la fórmula), reducir la resistencia de los mismos aumentando su sección, o bien, reducir la intensidad que se transporta (con lo que se reducirán las pérdidas en proporción cuadrática). Por eso se emplean altas tensiones en el transporte de energía eléctrica, permitiendo reducir la intensidad sin disminuir la potencia transportada. El efecto Joule supone un grave inconveniente en las líneas de distribución, ya que al transportarse grandes potencias (y por lo tanto de intensidad) las pérdidas de energía en forma de calor son considerables, suponiendo un coste importante en forma de energía y obligando a emplear secciones de conductores elevadas para que el calentamiento de las instalaciones no sea excesivo. FTE-Tema 1 pag.: 8/ 35 Influencia de la temperatura en la resistencia En algunos materiales la variación de la resistividad con la temperatura es muy grande y en otros muy poca (en aleaciones como la manganina o el constantán). De tal manera que, mientras aumenta la temperatura, aumenta la resistividad y al bajar la temperatura disminuye la resistividad. Esto se comprueba experimentalmente y para temperaturas no muy elevadas, mediante la fórmula: donde ρ20 es la resistividad del conductor que esta tabulada para 20ºC, ρf es la resistividad final a la temperatura final tf' α es su coeficiente de temperatura, Δ t es la diferencia (tf - 20) Para la mayoría de los metales, α > 0, con lo que la resistividad y, por tanto, la resistencia aumentan con la temperatura. En otros materiales (como el carbono, germanio, etc.), α < O, la resistencia disminuye con la temperatura. Es el caso de las sondas térmicas que se utilizan para la protección de motores. Por último, cabe destacar que, en ciertos conductores enfriados hasta temperaturas próximas al cero absoluto, la resistencia desaparece por completo. Este fenómeno recibe el nombre de superconductividad y aparece a una temperatura determinada para cada sustancia. Esta temperatura se denomina temperatura crítica. De forma análoga a la resistividad, la resistencia se comprueba experimentalmente que alcanza un valor Rf cuando la temperatura de trabajo o final pasa de 20 ºC a tf y tiene por expresión: Finalmente, la resistencia total del conductor a la temperatura tf será igual a la que tenía inicialmente a 20 ºC, más el aumento experimentado como consecuencia de la elevación de temperatura, es decir, que la resistencia total valdrá: 1.9.1.2.- Tipos de resistencias 1.9.1.2.1.- Fijos.Aglomeradas. Barras compuestas de grafito y una resina aglomerante. La resistencia varía en función de la sección, longitud y resistividad de la mezcla. De película de carbón. Se enrolla una tira de carbón sobre un soporte cilíndrico cerámico. De película metálica. El proceso de fabricación es el mismo que el anterior pero la tira es una película metálica. Los metales más utilizados son Cromo, Molibdeno, Wolframio y Titanio. Son resistencias muy estables y fiables. Bobinadas. Tienen enrolladas sobre un cilindro cerámico, un hilo o cinta de una determinada resistividad. Se utilizan las aleaciones de Ni-Cr-Al y para una mayor precisión las de Ni-Cr. Disipan grandes potencias. Los modelos más importantes son : Cementados, vitrificados y esmaltados. 1.9.1.2.2.- Variables Componentes pasivos de tres terminales, que permiten manipular la señal que hay en un circuito (volumen de un equipo de música). FTE-Tema 1 pag.: 9/ 35 Potenciómetro de película de carbón Potenciómetro de hilo Símbolos del potenciómetro Normalmente el terminal central corresponde al cursor o parte móvil del componente y entre los extremos se encuentra la resistencia. Características técnicas Resistencia nominal: Es el valor teórico que debe presentar en sus extremos. Se marca directamente sobre el cuerpo del componente. Ley de variación.Indica el tipo de variación y son: antilogaritmicos, en “S”, lineal y logarítmico. Resistencias ajustables.- Componentes pasivos de tres terminales, que son calibrados par fijar algún parámetro en el interior de los equipos, y no son accesibles al usuario. Resistencias especiales Resistencias dependientes de la luz ( LDR (light dependent resistor) ) Resistencias dependientes de la temperatura NTC (negative temperature coefficient)) PTC (positive temperature coefficient) Resistencias dependientes de la tensión ( VDR (voltage dependent resistor)) LDR La resistencia de este tipo de componentes varía en función de la luz que recibe en su superficie. Así, cuando están en oscuridad su resistencia es alta y cuando reciben luz su resistencia disminuye considerablemente. Los materiales que intervienen en su construcción son Sulfuro de Cadmio, utilizado como elemento sensible a las radiaciones visibles y sulfuro de plomo se emplean en las LDR que trabajan en el margen de las radiaciones infrarrojas. Estos materiales se colocan en encapsulados de vidrio o resina. Su uso más común se encuentra en apertura y cierre de puertas, movimiento y paro de cintas trasportadoras, ascensores, contadores, alarmas, control de iluminación... Símbolos de la LDR Aspecto físico real de las fotocélulas o LDR Las características técnicas se estudian teniendo en cuenta la variación de su resistencia en función de la luz que reciben en su superficie en lux. FTE-Tema 1 pag.: 10/ 35 NTC Es un componente, al igual que la PTC, que varía su resistencia en función de la temperatura. Así, cuando reciben una temperatura mayor que la de ambiente disminuye su valor óhmico y cuando es baja o de ambiente aumenta. Símbolo de la NTC Identificación por bandas de colores Aspecto físico real de una NTC Suelen construirse con óxido de hierro, de cromo, de manganeso, de cobalto o de níquel. El encapsulado de este tipo de resistencia dependerá de la aplicación que se le vaya a dar. Por ello nos encontramos NTC de disco, de varilla, moldeado, lenteja, con rosca para chasis... Los fabricantes identifican los valores de las NTC mediante dos procedimientos: serigrafiado directo en el cuerpo de la resistencia, y mediante bandas de colores, semejante a las resistencias y siguiendo su mismo código, teniendo en cuenta que el primer color es el que está más cercano a las patillas del componente según se observa en la figura. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura. Sus aplicaciones más importantes están: medidas, regulación y alarmas de temperatura, regulación de la temperatura en procesos de elaboración, termostatos, compensación de parámetros de funcionamiento en aparatos electrónicos (radio, TV...). PTC En este componente un aumento de temperatura se corresponde con un aumento de resistencia. Se fabrican con titanato de bario. Sus aplicaciones más importantes son: en motores para evitar que se quemen sus bobinas, en alarmas, en TV y en automóviles (temperatura del agua). El concepto de los encapsulados de las PTC se rige por los mismos criterios que una NTC, siendo sus aspectos muy parecidos a los mismos. Su curva característica se realiza entre dos parámetros, la resistencia y la temperatura. La identificación de los valores de estos dispositivos se realiza mediante franjas de colores en el cuerpo de los mismos que hacen referencia a un determinado tipo. Para deducir sus características se recurre a los catálogos de los FTE-Tema 1 pag.: 11/ 35 fabricantes. Los márgenes de utilización de las NTC y PTC están limitados a valores de temperatura que no sobrepasan los 400ºC. Símbolo de la PTC Identificación por banda de colores Aspecto físico real de una PTC VDR La propiedad que caracteriza esta resistencia consiste en que disminuye su valor óhmico cuando aumenta bruscamente la tensión. De esta forma bajo impulsos de tensión se comporta casi como un cortocircuito y cuando cesa el impulso posee una alta resistividad. Sus aplicaciones aprovechan esta propiedad y se usan básicamente para proteger contactos móviles de contactores, reles, interruptores.., ya que la sobre intensidad que se produce en los accionamientos disipa su energía en el varistor que se encuentra en paralelo con ellos, evitando así el deterioro de los mismos, además, como protección contra sobre tensiones y estabilización de tensiones, adaptación a aparatos de medida... Símbolo de la VDR Aspecto físico real de una VDR Se utilizan en su construcción carburo de silicio, óxido de zinc, y óxido de titanio. A continuación algunas curvas características. Curva característica de la LDR Curva característica de la VDR Curvas características de las resistencias dependientes de la temperatura 1.9.2.- LA BOBINA Son componentes pasivos de dos terminales que generan un flujo magnético cuando se hacen circular por ellas una corriente eléctrica. Se fabrican arrollando un hilo conductor sobre un núcleo de material ferromagnético o al aire. Su unidad de medida es el Henrio (H) en el Sistema Internacional pero se suelen emplear los submúltiplos. FTE-Tema 1 pag.: 12/ 35 1. Bobina 2. Inductancia 3. Bobina con tomas fijas 4. Bobina con núcleo ferromagnético 5. Bobina con núcleo de ferroxcube 6. Bobina blindada 7. Bobina electroimán 8. Bobina ajustable 9. Bobina variable Existen bobinas de diversos tipos según su núcleo y según tipo de arrollamiento. Su aplicación principal es como filtro en un circuito electrónico, denominándose comúnmente, choques. 1.9-.2.1.- CARACTERÍSTICAS 1. Permeabilidad magnética (μ) una característica que tiene gran influencia sobre el núcleo de las bobinas respecto del valor de la inductancia de las mismas. Los materiales ferromagnéticos son muy sensibles a los campos magnéticos y producen unos valores altos de inductancia, sin embargo otros materiales presentan menos sensibilidad a los campos magnéticos. El factor que determina la mayor o menor sensibilidad a esos campos magnéticos se llama permeabilidad magnética. Cuando este factor es grande el valor de la inductancia también lo es. 2. Factor de calidad (Q).- Relaciona la inductancia con el valor óhmico del hilo de la bobina. La bobina será buena si la inductancia es mayor que el valor óhmico debido al hilo de la misma. 3.- Autoinducción (L): Relaciona la fuerza electromotriz autoinducida con las variaciones de intensidad v(t) = L di(t)/dt , si i (t) es cte v(t)=0 por lo que al bobina en cc se comporta como un cortocircuito. Este coeficiente también se puede expresar en función del flujo magnético Φ : donde N es el número de espiras de la bobina. La unidad de autoinducción en el Sistema Internacional de unidades es el henrio (H). El parámetro L, depende de la constitución física de la bobina: longitud (1), sección del núcleo (S), número de espiras (N), y de la permeabilidad magnética del núcleo. Para una bobina como la de la figura, y para cualquier bobina en forma de solenoide recto o toroidal, la autoinducción se puede calcular con la expresión: Las bobinas también presentan los efectos de resistencia y capacidad. Potencia: p(t) = v(t) i(t) = L i(t) di(t)/dt FTE-Tema 1 pag.: 13/ 35 Energía almacenada: w(t) = L i2(t)/2 1.9.2.2.- TIPOS DE BOBINAS 1.92.2.-1. FIJAS Con núcleo de aire.- El conductor se arrolla sobre un soporte hueco y posteriormente se retira este quedando con un aspecto parecido al de un muelle. Se utiliza en frecuencias elevadas. Una variante de la bobina anterior se denomina solenoide y difiere en el aislamiento de las espiras y la presencia de un soporte que no necesariamente tiene que ser cilíndrico. Se utiliza cuando se precisan muchas espiras. Estas bobinas pueden tener tomas intermedias, en este caso se pueden considerar como 2 o más bobinas arrolladas sobre un mismo soporte y conectadas en serie. Igualmente se utilizan para frecuencias elevadas. Con núcleo sólido.- Poseen valores de inductancia más altos que los anteriores debido a su nivel elevado de permeabilidad magnética. El núcleo suele ser de un material ferromagnético. Los más usados son la ferrita y el ferroxcube. Cuando se manejan potencias considerables y las frecuencias que se desean eliminar son bajas se utilizan núcleos parecidos a los de los transformadores (en fuentes de alimentación sobre todo). Así nos encontraremos con las configuraciones propias de estos últimos. Las secciones de los núcleos pueden tener forma de EI, M, UI y L. Bobina de ferrita Bobina de ferrita de nido de abeja Bobinas de ferrita para SMD Bobinas con núcleo toroidal Las bobinas de nido de abeja se utilizan en los circuitos sintonizadores de aparatos de radio en las gamas de onda media y larga. Gracias a la forma del bobinado se consiguen altos valores inductivos en un volumen mínimo. Las bobinas de núcleo toroidal se caracterizan por que el flujo generado no se dispersa hacia el exterior ya que por su forma se crea un flujo magnético cerrado, dotándolas de un gran rendimiento y precisión. La bobinas de ferrita arrolladas sobre núcleo de ferrita, normalmente cilíndricos, con aplicaciones en radio es muy interesante desde el punto de vista práctico, ya que permite emplear el conjunto como antena colocándola directamente en el receptor. Las bobinas grabadas sobre el cobre , en un circuito impreso tienen la ventaja de su mínimo coste pero son difícilmente ajustables mediante núcleo. FTE-Tema 1 pag.: 14/ 35 1.92.2.2. VARIABLES También se fabrican bobinas ajustables. Normalmente la variación de inductancia se produce por desplazamiento del núcleo. Las bobinas blindadas pueden ser variables o fijas, consisten encerrar la bobina dentro de una cubierta metálica cilíndrica o cuadrada, cuya misión es limitar el flujo electromagnético creado por la propia bobina y que puede afectar negativamente a los componentes cercanos a la misma. 1.92.3.- IDENTIFICACIÓN DE LAS BOBINAS Las bobinas se pueden identificar mediante un código de colores similar al de las resistencias o mediante serigrafía directa. Las bobinas que se pueden identificar mediante código de colores presentan un aspecto semejante a las resistencias. Color 1ª Cifra y 2ª Cifra Multiplicador Tolerancia Negro 0 1 - Marrón 1 10 - Rojo 2 100 - Naranja 3 1000 ±3% Amarillo 4 - - Verde 5 - - Azul 6 - - Violeta 7 - - Gris 8 - - Blanco 9 - - Oro - 0,1 ±5% Plata - 0,01 ±10% Ninguno - - ±20% El valor nominal de las bobinas viene marcado en microhenrios (μH) 1.9.3.- EL CONDENSADOR Es un componente electrónico que almacena cargas eléctricas para utilizarlas en un circuito en el momento adecuado. Está compuesto, básicamente, por un par de armaduras separadas por un material aislante denominado dieléctrico. La capacidad de un condensador consiste en almacenar mayor o menor número de cargas cuando está sometido a tensión. 1.9.3.1.- CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS GENERALES Capacidad nominal.- Es el valor teórico esperado al acabar el proceso de fabricación. Se marca en el cuerpo del componente mediante un código de colores o directamente con su valor numérico. Tolerancia.- Diferencia entre las desviaciones, de capacidad, superiores o inferiores según el fabricante. Tensión nominal.- Es la tensión que el condensador puede soportar de una manera continua sin sufrir deterioro. FTE-Tema 1 pag.: 15/ 35 Capacitancia es la propiedad eléctrica de los condensadores y la medida de su capacidad para almacenar carga en sus dos conductores. Es decir, si la diferencia de potencial entre los dos conductores es V volts cuando hay una carga positiva de Q coulombs en un conductor, y una carga negativa de la misma cantidad en el otro, el condensador tiene una capacitancia de C = q/ V La unidad de la capacitancia es el faradio, representado por el símbolo F. Sin embargo, el faradio es una unidad demasiado grande para aplicaciones prácticas. De esta forma, es más común utilizar el microfaradio(μF) y el picofaradio (pF). La capacitancia en faradios para el condensador de placas paralelas está dada por la expresión: donde A es el área de cualquiera de las dos placas en metros cuadrados, d es la separación de las en metros, y ε es la permitividad del material dieléctrico en faradios por metro (F/m). Cuanto mayor sea el área de la placa, o menor la separación entre ellas, o mayor la permitividad dieléctrica, mayor es el valor de la capacitancia. placas 2 Energía almacenada: Wc = 1/ 2 C V en donde Wc se expresa en joules, C en faradios y V en voltios. Obsérvese que esta energía almacenada no depende de la corriente del condensador. Corriente en un condensador: Una ecuación para la corriente en un condensador se puede hallar al sustituir la expresión q = CV en la expresión i = dq/dt : Æ d/dt q = d/dt (CV) Como C es una constante, puede factorizarse en la expresión de la derivada. Se tiene el siguiente resultado i = C d/dt V Si el voltaje en un condensador es constante, por lo tanto dv/dt es igual a cero, lo que implica que la corriente en el condensador también sea igual a cero. De acuerdo a consideraciones físicas, si el voltaje de un condensador es constante, no existe carga que entre o que salga del condensador, lo que significa que no existe corriente en el condensador con un voltaje aplicado y sin corriente a través de él, el condensador se comporta como un circuito abierto: un condensador se comporta como un circuito abierto para cc. De cualquier forma es conveniente recordar que sólo cuando el voltaje a través del condensador es constante, éste se comporta como un circuito abierto. Los condensadores se utilizan frecuentemente en circuitos electrónicos para bloquear corrientes y voltajes de cc. Otro hecho importante que puede deducirse de la expresión i =Cdv/ dt es que el voltaje en un condensador no puede cambiar bruscamente. Si, por ejemplo, el voltaje en un condensador pudiera pasar de 3a 5V o, en otras palabras, cambiar su voltaje en 2 V en un instante infinitamente pequeño, implicaría que dv fuera igual a 2 y dt igual a cero, con lo que la corriente en el condensador sería infinita, lo cual es imposible, implicaría el aporte de una energía infinita. 1.9.3.3.-CLASIFICACIÓN 1.93.3.1.- Condensadores fijos Son componentes pasivos de dos terminales. Se clasifican en función del material dieléctrico y su forma. Pueden ser: de papel, de plástico, cerámico, electrolítico, de mica, de tántalo, de vidrio, de poliéster, Estos son los más utilizados. A continuación se describirá, sin profundizar, las diferencias entre unos y otros, así como sus aplicaciones más usuales. De papel.- El dieléctrico es de celulosa impregnada con resinas o parafinas. Destaca su reducido volumen y gran estabilidad frente a cambios de temperatura. Tienen la propiedad de autorregeneración en caso de perforación. Las armaduras son de aluminio. Se fabrican en capacidades comprendidas entre 1uF y 480uF con tensiones entre 450v y 2,8Kv. Se emplean en electrónica de potencia y energía para acoplamiento, protección de impulsos y aplanamiento de ondulaciones en frecuencias no superiores a 50Hz. FTE-Tema 1 pag.: 16/ 35 Condensador de papel Condensador de plástico bobinado. 1 y 2 son las dos hojas de plástico y a y b son dos hojas de aluminio enrolladas conjuntamente. De plástico.- Sus características más importantes son: gran resistencia de aislamiento (lo cual permite conservar la carga gran tiempo), volumen reducido y excelente comportamiento a la humedad y a las variaciones de temperatura, además, tienen la propiedad de autorregeneración en caso de perforación en menos de 10s. Los materiales más utilizados son: poliestireno (styroflex), poliester (mylar), policarbonato (Macrofol) y politetrafluoretileno (teflón). Se fabrican en forma de bobinas o multicapas. También se conocen como MK. Se fabrican de 1nF a 100μF Cerámico.- Los materiales cerámicos son buenos aislantes térmicos y eléctricos. El proceso de fabricación consiste básicamente en la metalización de las dos caras del material cerámico. Se fabrican de 1pF a 1nF (grupo I) y de 1pF a 470nF (grupo II) con tensiones comprendidas entre 3 y 10000v. Su identificación se realiza mediante código alfanumérico. Se utilizan en circuitos que necesitan alta estabilidad y bajas pérdidas en altas frecuencias. Condensador cerámico de disco Condensador cerámico de placa Electrolítico.- Permiten obtener capacidades elevadas en espacios reducidos. Actualmente existen dos tipos: los de aluminio, y los de tántalo. El fundamento es el mismo: se trata de depositar mediante electrolisis una fina capa aislante. Los condensadores electrolíticos deben conectarse respetando su polaridad, que viene indicada en sus terminales, pues de lo contrario se destruiría. Símbolo de un condensador electrolítico y de tántalo Condensador electrolítico De mica.- Son condensadores estables que pueden soportar tensiones altas, ya que la rigidez dieléctrica que presenta es muy elevada. Sobre todo se emplean en circuitos de alta frecuencia. Se utilizan en gamas de capacidades comprendidas entre 5pf y 100000pF. La gama de tensiones para las que se fabrican suelen ser altas (hasta 7500v). Se están sustituyendo por los de vidrio, de parecidas propiedades y más barato. 1.93.3.2.- Condensadores variables Constan de un grupo de armaduras móviles, de tal forma que al girar sobre un eje se aumenta o reduce la superficie de las armaduras metálicas enfrentadas, variándose con ello la capacidad. El dieléctrico empleado suele ser el aire, aunque también se incluye mica o plástico. Condensadores ajustables Denominados también trimmers, los tipos más utilizados son los de mica, aire y cerámica. FTE-Tema 1 pag.: 17/ 35 Condensador de tántalo CÓDIGOS DE IDENTIFICACIÓN DE CONDENSADORES COLOR A B C 1ª Cifra 2ª Cifra Multiplicador D C<10pF ±pF C≥10pF ±% Negro 0 0 - 2 20 Marrón 1 1 0 0,1 1 Rojo 2 2 00 - 2 Naranja 3 3 000 - 3 Amarillo 4 4 0000 - - Verde 5 5 00000 0,5 5 Azul 6 6 - - - Violeta 7 7 0,001 - - Gris 8 8 0,01 0,25 - Blanco 9 9 0,1 1 10 Oro - - - - - Azul oscuro - - - - - Tolerancia Letra C<10pF ± pF B 0,1 C≥ 10pF ±% C 0,25 D 0,5 0,5 F 1 1 G 2 2 H 2,5 J 5 K 10 M 20 P -0 +100 R -20 +30 S -20 +50 Z -20 +80 En general se utilizaran las letras p, n, μ . 1.9.4.- EL DIODO Las propiedades de los materiales semiconductores se conocían en 1874, cuando se observó la conducción en un sentido en cristales de sulfuro, 25 años más tarde se empleó el rectificador de cristales de galena para la detección de ondas. Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló el primer dispositivo con las propiedades que hoy conocemos, el diodo de germanio. POLARIZACIÓN CIRCUITO CARACTERÍSTICAS DIRECTA el ánodo se conecta al positivo de la batería y el cátodo al negativo. FTE-Tema 1 El diodo conduce con una caída de tensión de 0,6 a 0,7V. El valor de la resistencia interna seria muy bajo. Se comporta como un interruptor cerrado pag.: 18/ 35 INVERSA el ánodo se conecta al negativo y el cátodo al positivo de la batería El diodo no conduce y toda la tensión de la pila cae sobre el. Puede existir una corriente de fuga del orden de uA. El valor de la resistencia interna sería muy alto Se comporta como un interruptor abierto. SIMBOLOGÍA Diodo rectificador Diodo Schottky Diodo zener Diodo varicap Diodo Pin Diodo túnel Fotodiodo Puente rectificador Diodo LED 1.9.4.1.- CARACTERISTICAS TECNICAS Como todos los componentes electrónicos, los diodos poseen propiedades que les diferencia de los demás semiconductores. Es necesario conocer estas, pues los libros de características y las necesidades de diseño así lo requieren. En estos apuntes aparecerán las más importantes desde el punto de vista práctico. Valores nominales de tensión: VF = Tensión directa en los extremos del diodo en conducción. VR = Tensión inversa en los extremos del diodo en polarización inversa. VRSM = Tensión inversa de pico no repetitiva. VRRM = Tensión inversa de pico repetitiva. VRWM = Tensión inversa de cresta de funcionamiento Valores nominales de corriente: IF = Corriente directa. IR = Corriente inversa. IFAV = Valor medio de la forma de onda de la corriente durante un periodo. IFRMS = Corriente eficaz en estado de conducción. Es la máxima corriente eficaz que el diodo es capaz de soportar IFSM = Corriente directa de pico (inicial) no repetitiva AV= Average (promedio) RMS= Root Mean Square (raíz de la media cuadrática) Valores nominales de temperatura Tstg = Indica los valores máximos y mínimos de la temperatura de almacenamiento. Tj = Valor máximo de la temperatura que soporta la unión de los semiconductores. Curva característica FTE-Tema 1 pag.: 19/ 35 1.9.4.2.- TIPOS DE DIODOS.DIODOS METAL-SEMICONDUCTOR.Los más antiguos son los de germanio con punta de tungsteno o de oro. Su aplicación más importante se encuentra en HF, VHF y UHF. También se utilizan como detectores en los receptores de modulación de frecuencia. Por el tipo de unión que tiene posee una capacidad muy baja, así como una resistencia interna en conducción que produce una tensión máxima de 0,2 a 0,3v. El diodo Schottky es un tipo de diodo cuya construcción se basa en la unión metal conductor con algunas diferencias respecto del anterior. Fue desarrollado por la Hewlett-Packard en USA, a principios de la década de los 70. La conexión se establece entre un metal y un material semiconductor con gran concentración de impurezas, de forma que solo existirá un movimiento de electrones, ya que son los únicos portadores mayoritarios en ambos materiales. Al igual que el de germanio, y por la misma razón, la tensión de umbral cuando alcanza la conducción es de 0,2 a 0,3v. Igualmente tienen una respuesta notable a altas frecuencias, encontrando en este campo sus aplicaciones más frecuentes. Un inconveniente de esto tipo de diodos se refiere a la poca intensidad que es capaz de soportar entre sus extremos. El encapsulado de estos diodos es en forma de cilindro, de plástico o de vidrio. De configuración axial. Sobre el cuerpo se marca el cátodo, mediante un anillo serigrafiado. DIODOS RECTIFICADORES.- Su construcción está basada en la unión PN siendo su principal aplicación como rectificadores. Este tipo de diodos (normalmente de silicio) soportan elevadas temperaturas (hasta 200ºC en la unión), siendo su resistencia muy baja y la corriente en tensión inversa muy pequeña. Gracias a esto se pueden construir diodos de pequeñas dimensiones para potencias relativamente grandes, desbancando así a los diodos termoiónicos desde hace tiempo. Sus aplicaciones van desde elemento indispensable en fuentes de alimentación como en televisión, aparatos de rayos X y microscopios electrónicos, donde deben rectificar tensiones altísimas. En fuentes de alimentación se utilizan los diodos formando configuración en puente (con cuatro diodos en sistemas monofásicos), o utilizando los puentes integrados que a tal efecto se fabrican y que simplifican en gran medida el proceso de diseño de una placa de circuito impreso. Los distintos encapsulados de estos diodos dependen del nivel de potencia que tengan que disipar. Hasta 1w se emplean encapsulados de plástico. Por encima de este valor el encapsulado es metálico y en potencias más elevadas es necesario que el encapsulado tenga previsto una rosca para fijar este a un radiador y así ayudar al diodo a disipar el calor producido por esas altas corrientes. Igual le pasa a los puentes de diodos integrados. DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCION.- La desactivación de un relé provoca una corriente de descarga de la bobina en sentido inverso que pone en peligro el elemento electrónico utilizado para su activación. Un diodo polarizado inversamente cortocircuita dicha corriente y elimina el problema. El inconveniente que presenta es que la descarga de la bobina es más lenta, así que la frecuencia a la que puede ser activado el relé es más baja. Se le llama comúnmente diodo volante DIODO RECTIFICADOR COMO ELEMENTO DE PROTECCION DE UN DIODO LED EN ALTERNA.- El diodo LED cuando se polariza en c.a. directamente conduce y la tensión cae sobre la resistencia limitadora, sin embargo, cuando se polariza inversamente, toda la tensión se encuentra en los extremos del diodo, lo que puede destruirlo DIODOS ZENER.- Se emplean para producir entre sus extremos una tensión constante e independiente de la corriente que las atraviesa según sus especificaciones. Para conseguir esto se aprovecha la propiedad que tiene la unión PN cuando se polariza inversamente al llegar a la tensión de ruptura (tensión de zener), pues, la intensidad inversa del diodo sufre un aumento brusco. Para evitar la destrucción del diodo por la avalancha producida por el aumento de la intensidad se le pone en serie una resistencia que limita dicha corriente. Se producen desde 3,3v y con una potencia mínima de 250mW. FTE-Tema 1 pag.: 20/ 35 Los encapsulados pueden ser de plástico o metálico según la potencia que tenga que disipar. Curva característica de un diodo zener: DIODOS LED ( Light Emitting Diode).-Es un diodo que presenta un comportamiento parecido al de un diodo rectificador sin embargo, su tensión de umbral, se encuentra entre 1,3 y 4v dependiendo del color del diodo. Color Tensión en directo Infrarrojo 1,3v Rojo 1,7v Naranja 2,0v Amarillo 2,5v Verde 2,5v Azul 4,0v El conocimiento de esta tensión es fundamental para el diseño del circuito en el que sea necesaria su presencia, pues, normalmente se le coloca en serie una resistencia que limita la intensidad que circulará por el. Cuando se polariza directamente se comporta como una lamparita que emite una luz cuyo color depende de los materiales con los que se fabrica. Cuando se polariza inversamente no se enciende y además no deja circular la corriente. La intensidad mínima para que un diodo LED emita luz visible es de 4mA y, por precaución como máximo debe aplicarse 50mA. Para identificar los terminales del diodo LED observaremos como el cátodo será el terminal más corto, siendo el más largo el ánodo. Además en el encapsulado, normalmente de plástico, se observa un chaflán en el lado en el que se encuentra el cátodo. Se utilizan como señal visual y en el caso de los infrarrojos en los mandos a distancia. Se fabrican algunos LEDs especiales: LED bicolor.- Están formados por dos diodos conectados en paralelo e inverso. Se suele utilizar en la detección de polaridad. LED tricolor.- Formado por dos diodos LED (verde y rojo) montado con el cátodo común. El terminal más corto es el ánodo rojo, el del centro, es el cátodo común y el tercero es el ánodo verde. Display.- Es una combinación de diodos LED que permiten visualizar letras y números. Se denominan comúnmente displays de 7 segmentos. Se fabrican en dos configuraciones: ánodo común y cátodo común. Estructura de un LED bicolor Estructura de un LED tricolor Display Display de cátodo común Display de ánodo común Disposición de los pines en un display FOTODIODO.- Son dispositivos semiconductores construidos con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polarizarán inversamente, con lo que producirán una FTE-Tema 1 pag.: 21/ 35 cierta circulación de corriente cuando sean excitados por la luz. Debido a su construcción se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de tensión exterior, generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Tienen una velocidad de respuesta a los cambios bruscos de luminosidad mayores a las células fotoeléctricas. Actualmente, y en muchos circuitos estás últimas se están sustituyendo por ellos, debido a la ventaja anteriormente citada. DIODO DE CAPACIDAD VARIABLE (VARICAP).- Son diodos que basan su funcionamiento en el principio que hace que la anchura de la barrera de potencial en una unión PN varia en función de la tensión inversa aplicada entre sus extremos. Al aumentar dicha tensión, aumenta la anchura de esa barrera, disminuyendo así la capacidad del diodo. De este modo se obtiene un condensador variable controlado por tensión. Los valores de capacidad obtenidos van desde 1 a 500pF. La tensión inversa mínima tiene que ser de 1v. La aplicación de estos diodos se encuentra en la sintonía de TV, modulación de frecuencia en transmisiones de FM y radio, sobre todo. En esta tabla no están todos los encapsulados en los que se fabrican los diodos, pero si están los más importantes DO-5 DO-35 DO-41 TO-220AC TO-3 PWRTAB PWRTABS SOT-223 SMA SMB SMC D618sl D2pak Dpak TO-200AB TO-200AC Puentes rectificadores B380C1000G(GS) KBPC(D46) KBB(D37) GBL GBU (IR) IN LINE 5S2(FAGOR) GBPC(D34) (IR) POWERL(FAGOR) MB(D34) POWER (FAGOR) MT(D63) DF8(D71) FTE-Tema 1 DF(D70) pag.: 22/ 35 1.9.5.- EL TRANSISTOR Dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Existe una gran variedad de transistores. En principio, se explicarán los bipolares. Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor son los siguientes: Transistor NPN Estructura de un transistor NPN Transistor PNP Estructura de un transistor PNP Veremos mas adelante como un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP. El nombre de estos hace referencia a su construcción como semiconductor. 5.1. FUNCIONAMIENTO BASICO Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base del transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. (Figura 1). Figura 1 Figura 2 Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la Base. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo que pasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura 2). En general: IE > IC > IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE 1.9.5.2. POLARIZACION DE UN TRANSISTOR Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP. Polarización de un transistor NPN Polarización de un transistor PNP Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente y la unión base - colector inversamente. 1.9.5.3. ZONAS DE TRABAJO FTE-Tema 1 pag.: 23/ 35 CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto. IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el Colector. ↑ IB ⇒↑ IC ; Vbat = RC X IC. ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente. Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor. La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa de la siguiente manera: β = IC / IB En resumen: Saturación Corte Activa VCE ≈0 ≈ VCC Variable VRC ≈ VCC ≈0 Variable IC Máxima = ICEO ≈ 0 Variable IB Variable =0 Variable VBE ≈ 0,8v < 0,7v ≈ 0,7v Los encapsulados en los transistores dependen de la función que realicen y la potencia que disipen, así nos encontramos con que los transistores de pequeña señal tienen un encapsulado de plástico, normalmente son los más pequeños ( TO- 18, TO-39, TO-92, TO-226 ... ); los de mediana potencia, son algo mayores y tienen en la parte trasera una chapa metálica que sirve para evacuar el calor disipado convenientemente refrigerado mediante radiador (TO-220, TO-218, TO-247...) ; los de gran potencia, son los que poseen una mayor dimensión siendo el encapsulado enteramente metálico . Esto, favorece, en gran medida, la evacuación del calor a través del mismo y un radiador (TO3, TO-66, TO-123, TO-213...). 1.9.5.4. ENCAPSULADO DE LOS TRANSISTORES MAS POPULARES TO-18 TO-39 TO-92 TO-126 TO-3P TO-220AB SOT-223 TO-3 El transistor fue descubierto en diciembre de 1947 y dado a conocer en Junio de 1948, en los Laboratorios Bell por Bardeen, Brattain y Shockley. Estos científicos buscaban un sustituto de los tubos de vacío, comúnmente llamados válvulas. Descubrieron el transistor de punta de contacto. Más tarde Shockley creo el transistor de unión. En Julio de FTE-Tema 1 pag.: 24/ 35 1951 los Laboratorios Bell anuncian la creación de este dispositivo y en Septiembre del mismo año patentaron su tecnología de fabricación para ambos tipos de transistor vendiéndolas a 25000 dolares. Este fue el principio de la industria del transistor. Los primeros en comprarlas fueron RCA, Raytheon, General Electric, Texas Instruments y Transitron. Los primeros transistores eran de punta de contacto. Sin embargo, pronto fue sustituido por los de unión, por ser más consistente y sencillo de fabricar. El transistor de punta de contacto se estimó obsoleto en 1953 en E.E.U.U. y en Inglaterra unos años más tarde. Los primeros transistores de unión que se comercializaron soportaban una tensión de emisor máxima de 6v y una intensidad de colector de unos pocos miliamperios. Notable fue el CK722 de Raytheon en 1953 ya que es el primero que se fabrica a gran escala. Rápidamente se desarrollaron transistores con mejores respuestas a la frecuencia, con niveles de ruido más bajos y mayor disipación de potencia. En Inglaterra dos firmas habían investigados estos dispositivos: Standard Telephones and Cables (STC) y General Electric Company of England (GEC). En Francia y Alemania existieron programas de investigación pero no concluyeron en fabricación industrial. En 1950, Mullard, en su fábrica inglesa manufactura los transistores de la serie OC con expectativas comerciales. En poco tiempo se hizo con el 95% del mercado europeo. La serie OC dominará en Europa durante 20 años. Los primeros transistores fueron de germanio, sin embargo, conocidas las propiedades del silicio en cuanto a voltage y disipación térmica, desbancó a este. En 1955 se fabricaron los primeros transistores de silicio. CK703. Es uno de los más antiguos que se comercializaron (1948 o 1949), de punta de contacto. Fue sustituido por el CK716. M1752. Este es el primer transistor de unión CK722. La casa Raytheon fabrica por primera disponible. Es de 1951. La identificación del vez en el mundo un transistor de unión a gran tipo de transistor se realizaba mediante un escala. Este es el CK722. código de colores. A1729. Este es un transistor de punta de contacto. Es de 1953. La referencia de este dispositivo se escribía a mano alrededor del cuerpo del mismo. 2N32 Y 2N33. En 1953, RCA fabricó transistores con encapsulados más fáciles de manipular. RDX300. En 1956, vio la luz este tipo de transistor denominado tetrodo, pues trataba de realizar las funciones de la válvula de vacio con el mismo nombre. Realizados con germanio, no tuvieron mucho éxito. STC LS737. Probablemente fue el primer transistor que se comercializó en Europa, en 1952. Fabricado por STC (Standard Telephones and Cables), es de punta de contacto. GET1. Es el primero que fabricó GEC (General Electric Company), en 1953. OC16. Es el primer transistor europeo capaz de disipar una mayor potencia (1950). 1.9.6.- OTROS ELEMENTOS SEMICONDUCTORES 1. El Tiristor. 2. El Transistor UJT. 3. El Diac. 4. El Triac. 1.9.6.1.- El Tiristor FTE-Tema 1 pag.: 25/ 35 Es un dispositivo electrónico que tiene dos estados de funcionamiento: conducción y bloqueo. Posee tres terminales: Anodo (A), Cátodo(K) y puerta (G). Símbolo del tiristor Estructura interna del tiristor La conducción entre ánodo y cátodo es controlada por el terminal de puerta. Se dice que es un dispositivo unidireccional, debido a que el sentido de la corriente es único. CURVA CARACTERÍSTICA La interpretación directa de la curva característica del tiristor nos dice lo siguiente: cuando la tensión entre ánodo y cátodo es cero la intensidad de ánodo también lo es. Hasta que no se alcance la tensión de bloqueo (VBO) el tiristor no se dispara. Cuando se alcanza dicha tensión, se percibe un aumento de la intensidad en el ánodo (IA), disminuye la tensión entre ánodo y cátodo, comportándose así como un diodo polarizado directamente. Si se quiere disparar el tiristor antes de llegar a la tensión de bloqueo será necesario aumentar la intensidad de puerta (IG1, IG2, IG3, IG4...), ya que de esta forma se modifica la tensión de cebado de este. Este seria el funcionamiento del tiristor cuando se polariza directamente, esto solo ocurre en el primer cuadrante de la curva. Cuando se polariza inversamente se observa una débil corriente inversa (de fuga) hasta que alcanza el punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del mismo. APLICACIONES En amplificación se utiliza en las etapas de potencia en clase D cuando trabaja en conmutación. También se utilizan como relés estáticos, rectificadores controlados, inversores y onduladores, interruptores.... ENCAPSULADOS Como en cualquier tipo de semiconductor su apariencia externa se debe a la potencia que será capaz de disipar. En el caso de los tiristores los encapsulados que se utilizan en su fabricación es diverso, aquí aparecen los más importantes. FTE-Tema 1 pag.: 26/ 35 T0 200AB TO 200AC d2pak TO 209AE (TO 118) TO 208AD (TO 83) TO 247AC TO 220AB TO 208AC (TO 65) TO 209 AB (TO 93) 1.9.6.2. El transistor unión (UJT) Es un tipo de transistor compuesto por una barra de silicio tipo N o P en cuyos extremos se tienen los terminales Base 1 (B1) y Base 2 (B2). En un punto de la barra más próximo a B2 se incrusta un material de tipo P o N dando lugar al terminal de emisor. Circuito equivalente de un transistor unión tipo N Cuando se polariza el transistor la barra actúa como un divisor de tensión apareciendo una VEB1 de 0,4 a 0,8v. Al conducir el valor de RB1 se reduce notablemente. Observa el circuito equivalente. Símbolo de un UJT de Observando el circuito de polarización de la figura se advierte que al ir aumentando la tensión Vee la unión E-B1 se comporta como un diodo polarizado directamente. Si la tensión Vee es cero, con un valor determinado de Vbb, circulará una corriente entre bases que originará un potencial interno en el cátodo del diodo (Vk). Si en este caso aumentamos la tensión Vee y se superan los 0,7v en la unión E-B1 se produce un aumento de la corriente de emisor (IE) y una importante disminución de RB1, por lo tanto un aumento de VBE1. En estas condiciones se dice que el dispositivo se ha activado, pasando por la zona de resistencia negativa hacia la de conducción, alcanzando previamente la VEB1 la tensión de pico (Vp). Para desactivar el transistor hay que reducir IE, hasta que descienda por debajo de la intensidad de valle (Iv).De lo anterior se deduce que la tensión de activación Vp se alcanza antes o después dependiendo del menor o mayor valor que tengamos de tensión entre bases VBB. FTE-Tema 1 pag.: 27/ 35 APLICACIONES Se utiliza en circuitos de descarga en generadores de impulso, circuitos de bases de tiempos y circuitos de control de ángulo de encendido de tiristores. El encapsulado de este tipo de transistores son los mismos que los de unión. 1.9.6.3.- El DIAC Es un componente electrónico que está preparado para conducir en los dos sentidos de sus terminales, por ello se le denomina bidireccional, siempre que se llegue a su tensión de cebado o de disparo (30v aproximadamente, dependiendo del modelo). Símbolo del diac Estructura interna de un diac Hasta que la tensión aplicada entre sus extremos supera la tensión de disparo VBO; la intensidad que circula por el componente es muy pequeña. Al superar dicha tensión la corriente aumenta bruscamente y disminuyendo, como consecuencia, la tensión anterior. La aplicación más conocida de este componente es el control de un triac para regular la potencia de una carga. Los encapsulados de estos dispositivos suelen ser iguales a los de los diodos de unión o de zener. 1.9.6.4. EL TRIAC Al igual que el tiristor tiene dos estados de funcionamiento: bloqueo y conducción. Conduce la corriente entre sus terminales principales en un sentido o en el inverso, por ello, al igual que el diac, es un dispositivo bidireccional. Conduce entre los dos ánodos (A1 y A2) cuando se aplica una señal a la puerta (G). Se puede considerar como dos tiristores en antiparalelo. Al igual que el tiristor, el paso de bloqueo al de conducción se realiza por la aplicación de un impulso de corriente en la puerta, y el paso del estado de conducción al de bloqueo por la disminución de la corriente por debajo de la intensidad de mantenimiento (IH). Está formado por 6 capas de material semiconductor como indica la figura. Símbolo del triac Tiristores en antiparalelo Estructura interna de un triac La aplicación de los triacs, a diferencia de los tiristores, se encuentra básicamente en corriente alterna. Su curva característica refleja un funcionamiento muy parecido al del tiristor apareciendo en el primer y tercer cuadrante del sistema de ejes. Esto es debido a su bidireccionalidad. La principal utilidad de los triacs es como regulador de potencia entregada a una carga, en corriente alterna. El encapsulado del triac es idéntico al de los tiristores. 1.9.7.- EL RELE Es un dispositivo que consta de dos circuitos diferentes: un circuito electromagnético (electroimán) y un circuito de contactos, al cual aplicaremos el circuito que queremos controlar. En la siguiente figura se puede ver su simbología así como su constitución (rele de armadura). FTE-Tema 1 pag.: 28/ 35 Símbolo del relé de un circuito Símbolo del relé de dos circuitos Partes de un relé de armaduras Su funcionamiento se basa en el fenómeno electromagnético. Cuando la corriente atraviesa la bobina, produce un campo magnético que magnetiza un núcleo de hierro dulce (ferrita). Este atrae al inducido que fuerza a los contactos a tocarse. Cuando la corriente se desconecta vuelven a separarse. Los símbolos que aparecen en las figuras poseen solo 1 y dos circuitos, pero existen relés con un mayor número de ellos. 1.9.7.1.- CARACTERISTICAS TECNICAS Parte electromagnética Corriente de excitación.- Intensidad, que circula por la bobina, necesaria para activar el relé. Tensión nominal.- Tensión de trabajo para la cual el relé se activa. Tensión de trabajo.- Margen entre la tensión mínima y máxima, garantizando el funcionamiento correcto del dispositivo. Consumo nominal de la bobina.- Potencia que consume la bobina cuando el relé está excitado con la tensión nominal a 20ºC. Contactos o Parte mecánica Tensión de conexión.- Tensión entre contactos antes de cerrar o después de abrir. Intensidad de conexión.- Intensidad máxima que un relé puede conectar o desconectarlo. Intensidad máxima de trabajo.- Intensidad máxima que puede circular por los contactos cuando se han cerrado. Los materiales con los que se fabrican los contactos son: plata y aleaciones de plata que pueden ser con cobre, níquel u óxido de cadmio. El uso del material que se elija en su fabricación dependerá de su aplicación y vida útil necesaria de los mismos. 1.9.7.2.- RELES MAS UTILIZADOS DE ARMADURA El electroimán hace vascular la armadura al ser excitada, cerrando los contactos dependiendo de si es normalmente abierto o normalmente cerrado. DE NÚCLEO MÓVIL Tienen un émbolo en lugar de la armadura. Se utiliza un solenoide para cerrar los contactos. Se suele aplicar cuando hay que manejar grandes intensidades. FTE-Tema 1 pag.: 29/ 35 Relé de armaduras Relé de armaduras Relé Reed Relé en encapsulado tipo DIP Relé en encapsulado tipo DIP Aplicación de los reles como módulos de interface Las aplicaciones de este tipo de componentes son múltiples: en electricidad, en automatismos eléctricos, control de motores industriales; en electrónica: sirven básicamente para manejar tensiones y corrientes superiores a los del circuito propiamente dicho, se utilizan como interfaces para PC, en interruptores crepusculares, en alarmas, en amplificadores... 1.9.8.- ELEMENTOS ACTIVOS Fuentes independientes de intensidad Esquemáticamente se representa por: i(t) A B La flecha interior es la que representa la referencia del sentido de la corriente cuando i>0. La ecuación característica de la fuente es i(t), que es independiente de la tensión entre sus terminales, aunque esta tensión si dependerá del circuito exterior. Fuente independiente de tensión La figura representa el esquema de una fuente ideal de tensión. El signo + es la referencia de polaridad mediante el que convenimos, que es VA > VB cuando e(t) > O. Es, pues, UAB = e(t) con independencia de toda otra conexión que pudiera haber entre A y B. FTE-Tema 1 pag.: 30/ 35 1.9.9.-CONCEPTOS GENERALES DE LA TEORIA DE CIRCUITOS. Definición. Circuitos equivalentes Circuito equivalente de uno dado es otro ficticio que, visto desde sus terminales, se COMPORTA igual que el dado. Dicho de otra manera, es un artificio matemático por medio del cual se consigue estudiar el comportamiento de un circuito mediante otro más sencillo. El circuito equivalente NO es igual que el original: tan sólo su comportamiento hacia el exterior es igual que el del original. Las Leyes de Ohm y Kirchoff La Ley de Ohm establece la relación que existe entre la corriente en un circuito y la diferencia de potencial (voltaje) aplicado a dicho circuito. Esta relación es una función de una constante a la que se le llamó resistencia. R= V/ I La 1ª Ley deKirchoff (ley de los nudos) establece que la suma algebraica de todas las corrientes que entran en un nudo es igual a cero. Esta suma incluye las fuentes de corrientes independientes, las fuentes de corriente dependientes y las corrientes a través de los componentes. La suma de corrientes que entran en un nudo es igual a cero La 2ª Ley de Kirchoff (Ley de las mallas) establece que la suma algebraica de los voltajes alrededor cualquier bucle cerrado es igual a cero. La suma incluye fuentes independientes de tensión, fuentes dependientes de tensión y caídas de tensión a través de resistores. Sumatorio de Fuentes de Tensión = Sumatorio de caídas de tensión FTE-Tema 1 pag.: 31/ 35 Divisores de Tensión y Corriente Los divisores de Tensión (CIRCUITO SERIE) se usan frecuentemente en el diseño de circuitos porque son útiles para generar un voltaje de referencia, para la polarización de los circuitos activos, y actuando como elementos de realimentación. Los divisores de corriente se ven con menos frecuencia, pero son lo suficientemente importantes como para que los estudiemos. Las ecuaciones para el divisor de tensión, en donde suponemos que no hay ninguna carga conectada a nuestro circuito. Las ecuaciones del divisor de corriente (CIRCUITO PARALELO) , suponiendo que la carga es solamente R2, vienen dadas: Teoremas de Thévenin y Norton Hay situaciones donde es más sencillo concentrar parte del circuito en un sólo componente antes que escribir las ecuaciones para el circuito completo. Cuando la fuente de entrada es un generador de tensión, se utiliza el teorema de Thévenin para aislar los componentes de interés, pero si la entrada es un generador de corriente se utiliza el teorema de Norton. TEOREMA DE THEVENIN Cualquier circuito, por complejo que sea, visto desde dos terminales concretos, es equivalente a un generador ideal de tensión en serie con una resistencia, tales que: • La fuerza electromotriz del generador es igual a la diferencia de potencial que se mide en circuito abierto en dichos terminales • La resistencia es la que se "ve" HACIA el circuito desde los terminales en cuestión, cortocircuitando los generadores de tensión y dejando en circuito abierto los de corriente Para aplicar el teorema de Thévenin, por ejemplo, en el caso de la figura, elegimos los puntos X e Y y, suponemos que desconectamos todo lo que tenemos a la derecha de dichos puntos, (es decir, estamos suponiendo que las resistencias R3 y R4, las hemos desconectado físicamente del circuito original) y miramos atrás, hacia la izquierda. En esta nueva situación calculamos la tensión entre estos dos puntos (X,Y) que llamaremos la tensión equivalente Thévenin Vth que coincide con la tensión en bornas de la resistencia R2 y cuyo valor es : FTE-Tema 1 pag.: 32/ 35 El siguiente paso es, estando nosotros situados en los puntos indicados (X Y) mirar hacia la izquierda otra vez y calcular la resistencia que vemos, pero teniendo en cuenta que debemos suponer que los generadores de tensión son unos cortocircuitos y los generados de corriente son circuitos abiertos, en el caso de nuestro circuito original, sólo hay un generador de tensión que, para el cálculo que debemos hacer lo supondremos en corcocircuito y ¿ que es lo que vemos ? Pues si miráis la figura anterior, lo que vemos es que, las resistencias R1 y R2 están en paralelo. Por lo que la resistencia equivalente Thévenin, también llamada impedancia equivalente, Z th. vale: El circuito estudiado a la izquierda de los puntos X, Y se reemplaza ahora por el circuito equivalente que hemos calculado y nos queda el circuito de la figura, donde ahora es mucho más fácil realizar los cálculos para obtener el valor Vo La otra forma de calcular Vo es, la de la teoría de mallas, que calculamos en la figura 8 y donde observamos que los resultados son los mismos. Pero las ecuaciones resultantes son bastante más laboriosas. Así pues, hemos observado que, aplicando el Teorema de Thévenin para el análisis de circuitos, seremos capaces de simplificar nuestros cálculos, lo que nos será siempre muy útil, sobre todo, en otros circuitos más complejos. TEOREMA DE NORTON Cualquier circuito, por complejo que sea, visto desde dos terminales concretos, es equivalente a un generador ideal de corriente en paralelo con una resistencia, tales que: • La corriente del generador es la que se mide en el cortocircuito entre los terminales en cuestión. • La resistencia es la que se "ve" HACIA el circuito desde dichos terminales, cortocircuitando los generadores de tensión y dejando en circuito abierto los de corriente.-( Coincide con la resistencia equivalente Thévenin) Aplicando el Teorema de Norton al circuito de la figura , nos quedará el siguiente circuito: FTE-Tema 1 pag.: 33/ 35 Donde hemos cortocircuitado los puntos X Y de la figura 6. La corriente que circula por entre estos dos puntos la llamaremos Ith y lógicamente es igual a la tensión V del generador de tensión dividido por la resistencia R1 (Ley de OHM) Ith = V / R1 la resistencia Thévenin es la misma que la calculada anteriormente, que era el paralelo de R1 y R2 Zth =R1//R2 = (R1 x R2 ) / (R1 + R2) EQUIVALENCIA ENTRE THEVENIN Y NORTON Sea cual sea el equivalente obtenido es muy fácil pasar al otro equivalente sin más que aplicar el teorema correspondiente, así por ejemplo, supongamos que hemos calculado el equivalente Thévenin de un circuito y hemos obtenido el circuito de la izquierda de la figura siguiente : Aplicando el teorema de Norton a la figura de la izquierda, cortocircuitaremos la salida y calcularemos la corriente que pasa entre ellos que sera la corriente : Ith = 10 / 20 = 0,5 A. y la resistencia Norton es 20 W . por lo que nos quedará el circuito equivalente Norton de la derecha Superposición El principio de superposición establece que la ecuación para cada generador independiente puede calcularse separadamente, y entonces las ecuaciones (o los resultados) pueden acumularse para dar el resultado total. Cuando usemos dicho principio de superposición la ecuación para cada generador se calcula con los otros generadores (si son de tensión: se cortocircuitan; y si son de corriente se dejan en circuito abierto). Las ecuaciones para todos los generadores se acumulan para obtener la respuesta final. En primer lugar se calcula la tensión de salida Vo, proporcionada por el generador V1, suponiendo que el generador V2 es un cortocircuito. A esta tensión así calculada la llamaremos V01 (cuando V2 = 0) Seguidamente se calcula la tensión de salida Vo, proporcionada por el generador V2, suponiendo que el generador V1 es un cortocircuito. A esta tensión así calculada la llamaremos V02 (cuando V1 = 0) El valor de Vo será igual a la suma de los valores V01 + V02 obtenidos anteriormente. FTE-Tema 1 pag.: 34/ 35 1.10.-POTENCIA Y ENERGÍA Por física sabemos que, trabajo es el desplazamiento del propio punto de aplicación que produce una fuerza. La cantidad de energía que se invierte en ese desplazamiento es igual al trabajo realizado. La magnitud física medible que corresponde al trabajo o energía se representa por la letra W y tiene por unidad el julio, J, en el Sistema Internacional. Un julio es el trabajo producido por una fuerza de 1 newton, cuyo punto de aplicación se desplaza un metro en la dirección de la fuerza 1 J = 1 N. 1 m En electricidad, y de forma semejante, decimos que se produce un trabajo W, cuando una fuente de energía hace mover una carga eléctrica q, desde un punto a otro entre los que hay una diferencia de potencial U: W= q . U Si en vez de mover una sola carga, q, se mueve una cantidad de electricidad, Q = i . t, la expresión anterior se convierte en . W = u.I.t que, expresando cada magnitud en sus respectivas unidades, es 1 julio = 1 voltio x 1 amperio x 1 segundo Por otro lado, llamamos potencia a la velocidad a la cual la energía se utiliza, almacena o transporta. Tiene por símbolo P, y su expresión sería P = U . I La unidad de la potencia en el SI es el vatio (W), que se define como la potencia que da lugar a una producción de energía igual a un julio por segundo. FTE-Tema 1 pag.: 35/ 35
