Principios básicos de electricidad Átomos y electrones Toda la

Principios básicos de electricidad
Átomos y electrones
Toda la materia del universo está constituida por átomos. La Tabla Periódica de los
Elementos enumera todos los tipos conocidos de átomos y sus propiedades. El átomo
está compuesto de tres partículas básicas:
• Electrones: Partículas con carga negativa que giran alrededor del núcleo
• Protones: Partículas con carga positiva.
• Neutrones: Partículas sin carga (neutras).
Los protones y los neutrones se combinan en un pequeño grupo llamado núcleo. Para
poder comprender mejor las propiedades eléctricas de los elementos/materiales, busque
"helio" (He) en la tabla periódica. El número atómico del helio es 2, lo que significa que
tiene 2 protones y 2 electrones. Su peso atómico es 4. Si se le resta el número atómico
(2) al peso atómico (4), se puede determinar que el helio también tiene 2 neutrones.
El físico danés Niels Bohr desarrolló un modelo simplificado para ilustrar el átomo. Si
los protones y los neutrones de un átomo tuvieran el tamaño de una pelota de fútbol
Nro. 5, en el medio de un estadio de fútbol, la única cosa más pequeña que la pelota
serían los electrones. Los electrones tendrían el tamaño de una cereza, y estarían
orbitando cerca de los últimos asientos del estadio. En otras palabras, el volumen total
de este átomo, incluido el recorrido de los electrones, tendría el tamaño del estadio. El
núcleo del átomo donde se encuentran los protones y los neutrones tendría el tamaño de
la pelota de fútbol.
Una de las leyes de la naturaleza, denominada Ley de la Fuerza Eléctrica de Coulomb,
especifica que las cargas opuestas reaccionan entre sí con una fuerza que hace que se
atraigan. Las cargas de igual polaridad reaccionan entre sí con una fuerza que hace que
se repelan. En el caso de cargas opuestas y de igual polaridad, la fuerza aumenta a
medida que las cargas se aproximan. La fuerza es inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia de separación. Cuando las partículas se encuentran muy cerca
una de la otra, la fuerza nuclear supera la fuerza eléctrica de repulsión y el núcleo se
mantiene unido. Por esta razón, las partículas del núcleo no se separan.
Si la ley de Coulomb es verdadera, y si el modelo de Bohr describe los átomos de helio
como estables, entonces deben intervenir otras leyes de la naturaleza. ¿Cómo es posible
que ambas sean verdaderas?
• Ley de Coulomb: Las cargas opuestas se atraen y las cargas iguales se repelen.
• Modelo de Bohr: Los protones tienen cargas positivas y los electrones tienen cargas
negativas.
Átomos y electrones
Toda la materia del universo está constituida por átomos. La Tabla Periódica de los
Elementos enumera todos los tipos conocidos de átomos y sus propiedades. El átomo
está compuesto de tres partículas básicas:
• Electrones: Partículas con carga negativa que giran alrededor del núcleo
• Protones: Partículas con carga positiva.
• Neutrones: Partículas sin carga (neutras).
Los protones y los neutrones se combinan en un pequeño grupo llamado núcleo. Para
poder comprender mejor las propiedades eléctricas de los elementos/materiales, busque
"helio" (He) en la tabla periódica. El número atómico del helio es 2, lo que significa que
tiene 2 protones y 2 electrones. Su peso atómico es 4. Si se le resta el número atómico
(2) al peso atómico (4), se puede determinar que el helio también tiene 2 neutrones.
El físico danés Niels Bohr desarrolló un modelo simplificado para ilustrar el átomo. Si
los protones y los neutrones de un átomo tuvieran el tamaño de una pelota de fútbol
Nro. 5, en el medio de un estadio de fútbol, la única cosa más pequeña que la pelota
serían los electrones. Los electrones tendrían el tamaño de una cereza, y estarían
orbitando cerca de los últimos asientos del estadio. En otras palabras, el volumen total
de este átomo, incluido el recorrido de los electrones, tendría el tamaño del estadio. El
núcleo del átomo donde se encuentran los protones y los neutrones tendría el tamaño de
la pelota de fútbol.
Una de las leyes de la naturaleza, denominada Ley de la Fuerza Eléctrica de Coulomb,
especifica que las cargas opuestas reaccionan entre sí con una fuerza que hace que se
atraigan. Las cargas de igual polaridad reaccionan entre sí con una fuerza que hace que
se repelan. En el caso de cargas opuestas y de igual polaridad, la fuerza aumenta a
medida que las cargas se aproximan. La fuerza es inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia de separación. Cuando las partículas se encuentran muy cerca
una de la otra, la fuerza nuclear supera la fuerza eléctrica de repulsión y el núcleo se
mantiene unido. Por esta razón, las partículas del núcleo no se separan.
Si la ley de Coulomb es verdadera, y si el modelo de Bohr describe los átomos de helio
como estables, entonces deben intervenir otras leyes de la naturaleza. ¿Cómo es posible
que ambas sean verdaderas?
• Ley de Coulomb: Las cargas opuestas se atraen y las cargas iguales se repelen.
• Modelo de Bohr: Los protones tienen cargas positivas y los electrones tienen cargas
negativas.
Voltaje
El voltaje se denomina a veces "fuerza electromotriz" (EMF) La EMF es una fuerza
eléctrica o presión que se produce cuando los electrones y protones se separan. La
fuerza que se crea va empujando hacia la carga opuesta en dirección contraria a la de la
carga de igual polaridad. Este proceso se produce en una batería, donde la acción
química hace que los electrones se liberen de la terminal negativa de la batería.
Entonces, los electrones viajan a la terminal opuesta, o positiva, a través de un circuito
EXTERNO.
Los electrones no viajan a través de la batería en sí. Recuerde que el flujo de
electricidad es, en realidad, el flujo de los electrones. También es posible crear voltaje
de tres otras formas: La primera es por fricción o electricidad estática. La segunda es
por magnetismo o un generador eléctrico. La última forma en que se puede crear voltaje
es por medio de la luz o las células solares.
El voltaje está representado por la letra V y, a veces, por la letra E, en el caso de la
fuerza electromotriz. La unidad de medida del voltaje es el voltio (V). El voltio es la
cantidad de trabajo por unidad de carga necesario para separar las cargas.
Resistencia e impedancia
Los materiales a través de los cuales fluye la corriente presentan distintos grados de
oposición, o resistencia, al movimiento de los electrones. Los materiales que presentan
muy poca o ninguna resistencia se denominan conductores. Aquellos que no permiten
que la corriente fluya, o que restringen severamente el flujo, se denominan aislantes. El
grado de resistencia depende de la composición química de los materiales.
Todos los materiales que conducen electricidad presentan un cierto grado de resistencia
al movimiento de electrones a través de ellos. Estos materiales también tienen otros
efectos denominados capacitancia e inductancia, asociados a la corriente de electrones.
Las tres características constituyen la impedancia, que es similar e incluye la resistencia.
La atenuación se relaciona a la resistencia al flujo de electrones y la razón por la que
una señal se degrada a medida que recorre el conducto.
La letra R representa la resistencia. La unidad de medición de la resistencia es el ohmio
(Ω). El símbolo proviene de la letra griega "Ω", omega.
Los aislantes eléctricos, o aislantes, son materiales que no permiten que los electrones
fluyan a través de ellos sino con gran dificultad o no lo permiten en absoluto. Ejemplos
de aislantes eléctricos son el plástico, el vidrio, el aire, la madera seca, el papel, el
caucho y el gas helio. Estos materiales poseen estructuras químicas sumamente estables,
en las que los electrones orbitan fuertemente ligados a los átomos.
Los conductores eléctricos, generalmente llamados simplemente conductores, son
materiales que permiten que los electrones fluyen a través de ellos con gran facilidad.
Pueden fluir con facilidad porque los electrones externos están unidos muy débilmente
al núcleo y se liberan con facilidad. A temperatura ambiente, estos materiales poseen
una gran cantidad de electrones libres que pueden proporcionar conducción.
La aplicación de voltaje hace que los electrones libres se desplacen, lo que hace que la
corriente fluya. La tabla periódica clasifica en categorías a algunos grupos de átomos
ordenándolos en columnas. Los átomos de cada columna forman familias químicas
específicas. Aunque tengan distintas cantidades de protones, neutrones y electrones, sus
electrones externos tienen órbitas similares y se comportan de forma similar, al
interactuar con otros átomos y moléculas. Los mejores conductores son metales como el
cobre (Cu), la plata (Ag) y el oro (Au), porque tienen electrones que se liberan con
facilidad.
Entre los demás conductores se incluyen la soldadura, una mezcla de plomo (Pb) y
estaño (Sn), y el agua ionizada. Un ion es un átomo que tiene una cantidad de electrones
que es mayor o menor que la cantidad de protones en el núcleo del átomo.
Aproximadamente un 70% del cuerpo humano consta de agua ionizada, lo que significa
que el cuerpo humano también es conductor. Los semiconductores son materiales en los
que la cantidad de electricidad que conducen puede ser controlada de forma precisa.
Estos materiales se agrupan en una misma columna de la tabla periódica. Entre los
ejemplos de estos materiales se incluyen el carbono (C), el germanio (Ge) y la aleación
de arseniuro de galio (GaAs). El semiconductor más importante, que permite fabricar
los mejores circuitos electrónicos microscópicos, es el silicio (Si).
El silicio es muy común y se puede encontrar en la arena, el vidrio y varios tipos de
rocas. La región alrededor de San José, California, se denomina Silicon Valley (Valle
del Silicio) porque la industria informática, que depende de los microchips de silicio, se
inició en esta área.
Corriente
La corriente eléctrica es el flujo de cargas creado cuando se mueven los electrones. En
los circuitos eléctricos, la corriente se debe al flujo de electrones libres. Cuando se
aplica voltaje, o presión eléctrica, y existe un camino para la corriente, los electrones se
desplazan a lo largo del camino desde la terminal negativa hacia la terminal positiva. La
terminal negativa repele los electrones y la terminal positiva los atrae.
La letra “I” representa la corriente. La unidad de medición de la corriente es el Amperio
(A). Un Amperio se define como la cantidad de cargas por segundo que pasan por un
punto a lo largo de un trayecto.
Si se piensa en el amperaje o corriente como la cantidad o volumen de tránsito de
electrones que fluyen, entonces, se puede pensar que el voltaje es la velocidad del
tránsito de los electrones. La combinación de amperaje y voltaje es equivalente al
vatiaje. Los dispositivos eléctricos tales como las ampolletas, los motores y las fuentes
de alimentación para computadores se clasifican en términos de vatios.
Un vatio es la cantidad de energía que un dispositivo consume o produce. Es la
corriente o el amperaje de un circuito eléctrico la que en realidad hace el trabajo.
Por ejemplo, la electricidad estática tiene un voltaje muy alto, tanto que puede saltar una
brecha de una pulgada o más. Sin embargo, tiene muy bajo amperaje y, como resultado,
puede producir un choque pero no daños permanentes. El motor de arranque de un
automóvil opera a tan sólo 12 voltios pero requiere un amperaje muy alto para generar
la energía suficiente para hacer que el motor del auto arranque. Un rayo tiene un voltaje
muy alto y un amperaje alto y así puede causar graves daños o lesiones.
Circuitos
La corriente fluye en bucles cerrados denominados circuitos. Estos circuitos deben estar
compuestos por materiales conductores y deben tener fuentes de voltaje. El voltaje hace
que la corriente fluya, mientras que la resistencia y la impedancia se oponen a ella. La
corriente consiste en electrones que fluyen alejándose de las terminales negativas y
hacia las terminales positivas. El conocimiento de estos hechos permite controlar el
flujo de la corriente.
La electricidad fluye naturalmente hacia la tierra cuando existe un recorrido. La
corriente también fluye a lo largo de la ruta de menor resistencia. Si el cuerpo humano
provee la ruta de menor resistencia, la corriente pasará a través de él.
Cuando un artefacto eléctrico tiene un enchufe con tres espigas, una de las tres espigas
sirve como conexión a tierra, o de cero voltios. La conexión a tierra proporciona una
ruta conductora para que los electrones fluyan a tierra, ya que la resistencia que presenta
el cuerpo suele ser mayor que la resistencia que opone la vía que conduce directamente
a tierra.
Por lo general, una conexión a tierra significa un nivel cero de voltios, al realizar las
mediciones eléctricas. El voltaje se crea mediante la separación de las cargas, lo que
significa que las mediciones de voltaje se deben realizar entre dos puntos.
La analogía del sistema de suministro de agua ayuda a explicar los conceptos de la
electricidad. Cuanto mayor sea la altura del agua, y cuanto mayor sea la presión, mayor
será el flujo de agua. La corriente de agua también depende del tamaño del espacio que
debe atravesar.
De igual manera, cuanto mayor sea el voltaje y cuanto mayor sea la presión eléctrica,
más corriente se producirá. La corriente eléctrica se encuentra entonces con una
resistencia que, al igual que el grifo, reduce el flujo. Si la corriente se produce en un
circuito de CA, entonces la cantidad de corriente dependerá de la cantidad de
impedancia presente.
Si la corriente se produce en un circuito de CC, entonces la cantidad de corriente
dependerá de la cantidad de resistencia presente. La bomba de agua es como una
batería. Suministra presión para que el flujo continúe en movimiento.
La relación entre el voltaje, la resistencia y la corriente es voltaje (V) = corriente (I)
multiplicada por resistencia (R). En otras palabras, V=I*R. Esta es la Ley de Ohm,
llamada así en honor al científico que investigó estos temas.
Las dos formas en que fluye la corriente son: Corriente Alterna (CA) y Corriente
Continua (CC).
La corriente alterna (CA) y sus correspondientes voltajes varían con el tiempo,
cambiando su polaridad o dirección. La CA fluye en una dirección, luego invierte su
dirección y fluye en sentido contrario para luego repetir el proceso. El voltaje de la CA
es positivo en una terminal y negativo en otra. Entonces, el voltaje de la CA invierte su
polaridad, de modo que la terminal positiva se convierte en negativa y la terminal
negativa en positiva. Este proceso se repite de forma continua.
La corriente continua (CC) siempre fluye en la misma dirección, y los voltajes de CC
siempre tienen la misma polaridad. Una terminal es siempre positiva y la otra es
siempre negativa. Estas direcciones no se modifican ni se invierten.
El osciloscopio es un dispositivo electrónico que se utiliza para medir las señales
eléctricas en relación al tiempo. Un osciloscopio expresa las ondas, los pulsos y los
patrones eléctricos en forma de gráfico. Tiene un eje "x" que representa el tiempo y un
eje "y" que representa el voltaje. Generalmente existen dos ejes "y" que corresponden a
dos voltajes de entrada para que se puedan observar y medir dos ondas al mismo
tiempo.
Las líneas de alimentación transportan electricidad en forma de CA porque ésta puede
ser conducida por largas distancias, de forma eficiente. La CC se encuentra en las
baterías para linternas, baterías de automóviles y como energía para los microchips de la
motherboard de un computador, donde sólo necesita recorrer una corta distancia.
Los electrones fluyen en circuitos cerrados, o bucles completos. Los procesos químicos
que se producen en la batería causan una acumulación de cargas. Esto proporciona un
voltaje o presión eléctrica que permite que los electrones fluyan a través de los distintos
dispositivos. Las líneas representan un conductor, que por lo general es un cable de
cobre. Se puede considerar a un interruptor como dos extremos de un solo cable que se
puede abrir o interrumpir para evitar que los electrones fluyan.
Cuando los dos extremos están cerrados, fijos o puestos en cortocircuito, los electrones
pueden fluir. Por último, la lamparilla presenta resistencia al flujo de electrones, lo que
hace que liberen energía, en forma de luz. En los sistemas eléctricos de CA y CC, los
electrones siempre fluyen desde una fuente con una carga negativa hacia una fuente con
una carga positiva. Sin embargo, para que se produzca un flujo controlado de electrones,
es necesario que haya un circuito completo.
Principios Basicos de Semiconductores
EL DIODO
Los semiconductores son materiales cuya conductividad varía con la temperatura,
pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Resulta que se desean
variaciones de la conductividad no con la temperatura sino controlables eléctricamente
por el hombre.
Para conseguir esto, se introducen átomos de otros elementos en el semiconductor.
Estos átomos se llaman impurezas y tras su introducción, el material semiconductor
presenta una conductividad controlable eléctricamente.
Existen dos tipos de impurezas, las P y las N, que cambian la conductividad del silicio
y determinan el tipo de cristal a fabricar. Por tanto, como hay dos tipos de impurezas
habrá dos tipos fundamentales de cristales, cristales de impurezas P y cristales de
impurezas tipo N.
El material semiconductor más utilizado es el Silicio (Si), pero hay otros
semiconductores como el Germanio (Ge) que también son usados en la fabricación de
circuitos. El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra
con abundancia en la naturaleza. Además, el Si presenta propiedades mecánicas y
eléctricas buenas. Su purificación es relativamente sencilla (llegándose a Si puro del
99,99999%) y el Si se presta fácilmente a ser oxidado, formándose SiO2 y
constituyendo un aislante que se utiliza en todos los transistores de la tecnología
CMOS.
Cristal De Silicio Puro
Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos
del mismo tipo, es decir no tiene ninguna clase de impureza.
La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos
observarla en la figura, Las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de
los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos.
La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los
electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos
vecinos.
A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura en la cual no
se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se comporta
como un aislante.
Conducción Del Cristal De Silicio Puro
A la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los
átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de
ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta
situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se
representa por un círculo.
Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto
abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón del
átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco. Este electrón que deja su sitio para
llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su posición inicial, De esta manera el hueco
contribuye a la corriente lo mismo que el electrón, con una trayectoria de sentido
opuesto a la de éste.
Cristal Tipo N. Conducción
Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas
pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n,
reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les
denomina "portadores minoritarios".
Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del
semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha.
Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito
externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.
Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde
entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería. El número de electrones
libres se llama n (electrones libres/m3).
Cristal Tipo P. Conducción
Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes.
Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los
portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.
Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos
lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del
cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.
En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres
dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos
portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito. Hay tantos
huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica
(muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).
Unión Pn. Barrera De Potencial. Diodo
Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas
con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo
P y la otra de tipo N La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo
átomos del grupo III en la red cristalina La zona N dispone de electrones en exceso,
procedentes de átomos del grupo V. En ambos casos se tienen también portadores de
signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior
(portadores minoritarios).
En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada
hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos
eléctricos internos
El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la
cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:
Electrones de la zona N pasan a la zona P.
Huecos de la zona P pasan a la zona N.
Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la
región de la zona P cercana a la unión:
El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa,
ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.
Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la
zona P, con lo que también aparece una carga negativa.
El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N.
En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es
positiva en la zona N y negativa en la zona P
Zona P: Semiconductora, con una resistencia Rp
Zona N: Semiconductora, con una resistencia Rn
Zona de agotamiento: No es conductora, puesto que no posee portadores de carga
libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de
potencial.
Diferentes símbolos de los diodos
Polarización Directa Unión Pn
El bloque PN en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre
sus terminales puesto que la zona de agotamiento no es conductora.
Sin embargo, si se aplica una tensión positiva en el ánodo, se generará un campo
eléctrico que "empujará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la
zona de agotamiento. Sin embargo, mientras ésta exista no será posible la conducción.
Si la tensión aplicada supera a la de barrera, desaparece la zona de agotamiento y el
dispositivo conduce. De forma simplificada e ideal, lo que sucede es lo siguiente
Electrones y huecos se dirigen a la unión.
En la unión se recombinan.
En resumen, polarizar un diodo PN en directa es aplicar tensión positiva a la zona P y
negativa a la zona N. Un diodo PN conduce en directa porque se inunda de cargas
móviles la zona de agotamiento.
La tensión aplicada se emplea en:
Vencer la barrera de potencial.
Mover los portadores de carga
Polarización Inversa Unión Pn. Corriente De Fuga
Condición de Polarización Inversa (Vd < 0 V).
Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de
agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres
arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones
negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones
inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos. El fenómeno
explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de
agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los
portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente Id del diodo
será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la
región de agotamiento no cambiará, ya que para ellos la unión esta polarizada en
directo, creando por lo tanto la corriente Is denominada corriente de saturación inversa o
corriente de fuga.
El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la
región Zener se denomina Voltaje Pico Inverso.
Efecto Zener. Diodo Zener
Los diodos zener o diodos de avalancha, se diferencian de los demás diodos
semiconductores por el comportamiento de la característica inversa, que presenta una
región en la cuál la tensión es casi independiente de la corriente por el diodo. Esto lo
hace muy útil en las aplicaciones en que se requiere una referencia de voltaje.
La tensión zener de cualquier diodo está controlada por la cantidad de dopado aplicada
en el proceso de fabricación. Los normales varían entre 2 y 200 V con capacidades de
disipación de potencia de hasta 100 W.
En la mayoría de las aplicaciones el diodo trabaja en la región inversa. Una aplicación
típica es en la regulación de voltaje.
Funcionamiento:
Si la tensión de entrada aumenta, el diodo tiende a mantener una tensión constante entre
los terminales de la carga, de modo que la caída de tensión en ri aumenta. El incremento
resultante de Ii circula a través del diodo, mientras que la corriente a través de la carga
se mantiene constante.
Ahora supongamos que la tensión de entrada permanece constante, pero que la
resistencia de carga disminuye. Esto requiere un incremento de la corriente por la carga.
Esta corriente no puede proceder de la fuente ya que la caída en ri y la corriente
suministrada, no cambiarán mientras el diodo trabaje dentro de su zona de regulación.
La corriente de carga adicional será debida a la disminución de la corriente a través del
zener.
En la zona directa lo podemos considerar como un generador de tensión continua
(tensión de codo). En la zona de ruptura, entre la tensión de codo y la tensión zener (Vz
nom) lo podemos considerar un circuito abierto. Cuando trabaja en la zona de ruptura se
puede considerar como un generador de tensión de valor Vf= -Vz.
El zener se usa principalmente en la estabilidad de tensión trabajando en la zona de
ruptura.
Podemos distinguir:
1. Vz nom, Vz: Tensión nominal del zener (tensión en cuyo entorno trabaja
adecuadamente el zener).
2. Iz min: Mínima corriente inversa que tiene que atravesar al diodo a partir de la cual
se garantiza el adecuado funcionamiento en la zona de ruptura (Vz min).
3. Iz max: Máxima corriente inversa que puede atravesar el diodo a partir de la cual el
dispositivo se destruye (Vz max).
4. Pz: Potencia nominal que no debe sobrepasar el componente. Aproximadamente se
corresponde con el producto de Vz nom y Iz max.
Cuando usamos un diodo zener en un circuito se deben tener en cuenta las siguientes
consideraciones (a partir de las hojas de características suministradas por el fabricante):
Para un correcto funcionamiento, por el zener debe circular una corriente inversa mayor
o igual a Iz min.
La corriente máxima en sentido inverso ha de ser siempre menor que
Iz max.
La potencia nominal Pz que puede disipar el zener ha de ser mayor (del orden del
doble) que la máxima que este va a soportar en el circuito.
Curva característica de un diodo zener con Vz= 5’6v
Efecto Avalancha
Justo en el límite antes de llegar a Ruptura, la pila va acelerando a los electrones. Y
estos electrones pueden chocar con la red cristalina, con los enlaces covalentes. Choca
el electrón y rebota, pero a VRuptura la velocidad es muy grande y por ello la Ec es tan
grande que al chocar cede energía al electrón ligado y lo convierte en libre. El electrón
incidente sale con menos velocidad que antes del choque. O sea, de un electrón libre
obtenemos dos electrones libres.
Estos 2 electrones se aceleran otra vez, pueden chocar contra otro electrón de un enlace
covalente, ceden su energía... y se repite el proceso y se crea una Multiplicación por
Avalancha.
Y ahora IR ha aumentado muchísimo, tenemos una corriente negativa y muy grande (100 mA). Con esta intensidad el diodo se estropea porque no está preparado para
trabajar a esa IR.
Condensadores o Capacitores Electrolíticos.
Estos almacenan más energía que los anteriores, eso sí debes respetar la
polaridad de sus terminales. El terminal más corto es el negativo.
Qué pasa si lo saco de un circuito en desuso?. Fácil..., podrás identificarlo
por el signo en el cuerpo de componente, como verás los fabricantes
pensaron en todo.
Montemos el siguiente circuito...
Conectemos la fuente y veamos que ocurre..., de acuerdo, no ocurre nada,
solo se enciende el LED. Te lo explicaré brevemente.
La corriente que parte de la batería fluye por R1 hacia el nodo, donde se
encuentra R2 y el capacitor C1. Aquí comienza a cargarse el Capacitor, una
vez cargado, se encenderá el LED, te preguntarás para que me sirve
esto...?, desconecta la fuente y obtendrás la respuesta.
Si todo va bien, el LED permanecerá encendido por un cierto tiempo
Gracias a la energía almacenada en el capacitor, a medida que ésta se agote el brillo del
LED disminuirá.
Veamos esto un poco más en detalle
La carga del capacitor depende de su capacidad de almacenamiento, (dado
en microfaradios), por otro lado... esa carga se agota a través de R2 o sea
que el tiempo de descarga también depende de R2. Así es como llegamos a
los conocidos circuitos de tiempo RC (resistencia-capacitor)
Conclusión; la energía almacenada depende del valor de C1, el tiempo en
que éste se carga de R1 y el tiempo en que esta energía se agote del
producto C.R2. Para interpretarlo mejor, cambia los valores de R1, R2, C1 y
luego observa los cambios...
Transistores.
Los transistores tienen aplicación en muchísimos circuitos, por lo general
son utilizados en procesos de amplificación de señales (las que veremos
ahora) y también en circuitos de conmutación a ellos le dedicaremos un
lugar especial.
Estos componentes vienen en dos tipos, los NPN y los PNP, no entraré en
detalle respecto al nombre ya que podrás notar las diferencias en los
circuitos de aplicación, pero sí quiero aclarar algo... Sus terminales...!!!
Cada transistor tiene una disposición distinta, según el tipo de que se trate
y las ocurrencias de su fabricante, por lo que necesitarás un manual para
identificarlos. Uno bastante bueno es el que se encuentra en
www.burosch.de (de la mano de su creador...!!!). Ejecutable en una
ventana de DOS, imperdible...!!! no requiere instalación, sólo lo
descomprimes y ejecutas IC.exe...
Continuemos... veamos ahora estos dos transistores en modo
amplificador...
Transistores NPN.
En este ejercicio puedes utilizar uno de los dos transistores que se indican
en la siguiente tabla, los dos son del tipo NPN con su respectiva disposición
de terminales.
El circuito que analizaremos será el siguiente...
Tutorial de Electrónica Básica - Circuitos de Conmutación
Cuando acciones S1 llegará una cierta cantidad de corriente a la base del
transistor, esta controlará la cantidad de corriente que pasa del Colector al
Emisor, lo cual puedes notar en el brillo de los LED's.
Este es el famoso proceso de AMPLIFICACIÓN.
Como puedes imaginar, a mayor corriente de base mayor corriente de
colector. Prueba cambiar R2.
Transistores PNP...
Aquí utilizaremos uno de los dos transistores que se encuentran en el
siguiente cuadro.
Transistores PNP...
Aquí utilizaremos uno de los dos transistores que se encuentran en el
siguiente cuadro.
En estos transistores, para obtener el mismo efecto que el anterior, su base
deberá ser ligeramente negativa. Observa que en este esquema tanto los
LED's como la fuente fueron invertidos.
Nuevamente la corriente de base controla la corriente de colector para
producir el efecto de AMPLIFICACIÓN.
Estarás pensando ¿para qué lo necesito si con el anterior me basta...?, No
es tan así. En muchos casos necesitarás hacer una amplificación y sólo
tendrás una pequeña señal negativa. Para entonces, aquí está la solución.
El valor de los resistores se puede identificar por los colores de las 4 bandas
que rodean al componente, una de ellas es llamada tolerancia, es algo así
comooooo... el error de fabricación, esta banda puede ser dorada o
plateada, yo utilizaré la dorada. La pregunta es . ¿Cómo se leen las otras
tres...?
Lo describiré con un ejemplo
Veamos el valor de este resistor;
La primer banda es el primer dígito y es café=1,
la segunda es el segundo dígito negra=0
y la tercera es la cantidad de ceros roja=dos ceros.
Entonces su valor será: 1000 ohm o sea 1 kilo o 1k, si tendría 1000000,
seria 1 Mega o 1M. ¿Fácil no...?.
Es decir que para una resistencia de 70 ohm sus colores deberían ser
violeta, negro y negro. quedó...?.
Existen casos en los cuales necesitamos un resistor de un valor
determinado y no disponemos de él, la solución es combinar o unir
resistores de otros valores de tal modo de obtener el que estamos
buscando, para mayor detalle consulta esta guia.
Código de valores para Capacitores cerámicos
a) En algunos casos el valor esta dado por tres números...
1º número = 1º guarismo de la capacidad.
2º número = 2º guarismo de la capacidad.
3º número = multiplicador (número de ceros)
La especificación se realiza en picofarads.
Ejemplo:
104 = 100.000 = 100.000 picofarad ó = 100 nanofarads
b) En otros casos esta dado por dos números y una letra mayúscula.
Igual que antes, el valor se da en picofarads
Ejemplo:
47J = 47pF, 220M = 220pF
Para realizar la conversión de un valor a otro, te puedes guiar por la
siguiente tabla...
La unión de resistencias la podemos hacer de dos maneras, ya sea en un
circuito en serie o en paralelo.
Veamos algunos ejemplos...
Resistencias en Serie...
En un circuito en serie las resistencias se colocan una seguida de la otra de
tal modo que la corriente deberá fluir primero por una de ellas para llegar a
la siguiente, esto implica que el valor de la resistencia total del circuito sea
la suma de todas ellas.
Resistencias en Paralelo...
En un circuito en paralelo las resistencias se colocan según se indica en el
siguiente grafico, de esta manera la corriente eléctrica llega a todas las
resistencias a la vez, aunque la intensidad de la corriente es mayor por el
resistor de menor valor. En este caso la resistencia total del circuito la
puedes obtener utilizando la ecuación que se muestra en el grafico...
Circuitos Combinados...
Hay casos en que se combinan resistencias en serie y en paralelo a la vez,
estos son llamados circuitos combinados, y para obtener el valor total de la
resistencia se resuelve separándolos en mallas. Observa el siguiente
circuito...
Podemos
Podemos comenzar por los circuitos mas sencillos como resolver R 1-2, que
representa la resistencia total entre R1 y R2, como están en paralelo...
1/R 1-2 = 1/R1 + 1/R2
En estos momentos tenemos resueltos R1 y R2 y el circuito nos queda como
se ve a continuación...
Combinando el resultado anterior con R3 y teniendo en cuenta que se trata
de un circuito en serie...
R 1-2-3 = R 1-2 + R3
y el circuito nos va quedando mas pequeño, algo así...
Nuevamente tenemos un circuito en serie entre R4 y R5, entonces...
R 4-5 = R4 + R5
De tal modo que la suprimimos y la reemplazamos por R 4-5.
Te habrás dado cuenta que cada vez la malla de nuestro circuito se va
reduciendo, sucede que es una forma sencilla resolverlo por pasos, con la
practica no necesitaras hacerlo ya que puedes resolverlo mentalmente.
Pero continuemos..., Ahora resolvemos el circuito en paralelo para obtener
R 1...5
1/R 1...5 = 1/R 1-2-3 + 1/R 4-5
Finalmente obtuvimos el circuito mas sencillo de todos y es un circuito en
serie el cual nos da la resistencia total...
y el cálculo final seria como sigue...
Rt = R 1...5 + R6
Esto fue a colación de cualquier situación que se te pudiera presentar, no
viene nada mal verdad...???.
Bobinas
Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al
fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.
Construcción
Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una bobina de
conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con
núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético),
para incrementar su capacidad de magnetismo.
Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el
mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores. En estos casos se usa,
comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se
construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un
circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un
condensador se comporte como si fuese un inductor.
El inductor consta de las siguientes partes:
Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al
ser recorrido por la corriente eléctrica.
Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y
destinada a unir los polos de la máquina.
Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro,
incluyendo el núcleo y la expansión polar.
Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.
Expansión polar: Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al
entrehierro.
Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de
devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de
mediana y gran potencia.
También pueden fabricarse pequeños inductores, que se usan para frecuencias muy
altas, con un conductor pasando a través de un cilindro de ferrita o granulado.