Mouser 1 - Choque, valv, mic, buzzer, SCR, zener - N C Braga
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1 Cómo Funciona Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos Volumen 1 Newton C. Braga Patrocinado por São Paulo - Brasil - 2021 2 Instituto NCB www.incb.com.mx [email protected] Director Responsable: Newton C. Braga Coordinación: Renato Paiotti Arte: Lucas Felipe Traducción: Rosa Zilda Leca 3 Copyright by INTITUTO NEWTON C BRAGA. 1ª edição 4 Índice PRESENTACIÓN DE LA SERIE ....................................................................................... 11 PRESENTACIÓN .................................................................................................................. 13 EL CHOQUE ELÉCTRICO ................................................................................................ 15 EFECTOS EN LA CORRIENTE EN EL CUERPO HUMANO 16 ELECTRICISTAS DE "MANOS GRUESAS" ........................... 19 a) espesor de la piel ........................................................ 20 b) Humedad .................................................................... 20 c) la presencia de cortes.................................................. 20 d) la exposición a partes sensibles .................................. 21 LAS VÁLVULAS ................................................................................................................... 22 LO QUE USTED NECESITA SOBRE ESTOS COMPONENTES ANTIGUOS! ..................................................................................... 22 LA VÁLVULA DIODO .............................................................. 23 LAS VÁLVULAS TRIODO........................................................ 28 OTROS TIPOS DE VÁLVULAS ................................................ 31 DIFERENCIAS BÁSICAS .......................................................... 32 CLUB DE LA VÁLVULA .......................................................... 33 INDUCTANCIAS ................................................................................................................... 35 REFORZANDO EL CAMPO ...................................................... 39 INDUCTANCIA .......................................................................... 44 5 REACTANCIA INDUCTIVA..................................................... 46 INDUCTANCIA .......................................................................... 48 REACTANCIA Y OSCILACIONES .......................................... 50 CONCLUSIÓN ............................................................................ 54 EL COLOR DE LOS LEDS .................................................................................................. 55 NIVELES DE ENERGÍA Y LUZ MONOCROMÁTICA .......... 61 LASERS SEMICONDUCTORES............................................... 68 CÓMO FUNCIONA EL MICRÓFONO ............................................................................. 70 a) Fidelidad..................................................................... 71 b) Sensibilidad................................................................ 72 c) Directividad ................................................................ 72 TIPOS DE MICROFONES ......................................................... 73 a) carbón ......................................................................... 74 b) Micrófono dinámico .................................................. 76 c) Micrófonos piezoeléctricos ........................................ 77 d) Micrófono de electreto ............................................... 79 IMPEDANCIA Y NIVEL DE SEÑAL ....................................... 82 CÓMO FUNCIONAN LOS ALTAVOCES ........................................................................ 87 TIPOS DE ALTAVOCES ........................................................... 91 CONECTANDO ALTAVOCES ................................................. 93 AUDÍFONOS ............................................................................ 100 CONCLUSIÓN .......................................................................... 101 ALTAVOCES PEQUEÑOS ................................................................................................ 102 6 CÓMO FUNCIONA LAS CÁPSULAS O BUZZER CERÁMICOS ............................ 106 COMO FUNCIONA .................................................................. 107 APLICACIONES ....................................................................... 112 CONCLUSIÓN .......................................................................... 116 LO QUE USTED NECESITA SABER SOBRE MOTORES ......................................... 117 FUNDAMENTOS...................................................................... 118 MOTOR DC CON CEPILLOS .................................................. 123 CARACTERÍSTICAS: .............................................................. 125 PÉRDIDAS EN LOS MOTORES DC ....................................... 131 a) Pérdidas en los devanados ........................................ 132 b) Pérdidas por los contactos ........................................ 133 c) Pérdidas en el hierro ................................................. 133 d) Pérdidas por Fracción............................................... 134 e) Pérdidas por Cortocircuito ....................................... 135 OTRAS PÉRDIDAS: ................................................................. 136 a) Ripple de Torque ...................................................... 136 b) La desmagnetización ................................................ 137 c) Resonancia mecánica ............................................... 138 d) Contra - FEM inducida ............................................ 138 MOTORES SIN ESCOBILLAS ................................................ 139 EL MOTOR TRAPEZOIDAL ................................................... 146 EL MOTOR SENOIDAL .......................................................... 147 TORQUE CONSTANTE ........................................................... 148 7 SIERVOS HÍBRIDOS ............................................................... 149 MOTORES DE ACCIONAMIENTO DIRECTO ..................... 151 CONCLUSIÓN .......................................................................... 153 LOS SCRS ............................................................................................................................. 154 CÓMO FUNCIONA EL SCR ................................................... 155 LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS SCRS ............................. 167 CONSEJO: ................................................................................. 168 APLICACIONES ....................................................................... 169 a) CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA ......... 169 b) CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNADA ..... 173 EL DIODO ZENER ............................................................................................................. 175 EL DIODO ZENER ................................................................... 180 DIODOS ZENER EN LA PRÁCTICA ..................................... 183 USANDO LOS DIODOS ZENER ............................................ 183 OTRAS APLICACIONES......................................................... 189 SUPRESORES DE TRANSIENTES ........................................ 191 DIODOS COMUNES COMO ZENERS ................................... 192 CONCLUSIÓN .......................................................................... 193 LÁSER - EL FANTÁSTICO RAYO DE LA MUERTE ................................................. 194 LA NATURALEZA DE LA LUZ ............................................. 195 a) Luz monocromática: ................................................ 204 b) Directividad: ............................................................ 207 c) Concentración de energía: ........................................ 208 8 d) Fase: ......................................................................... 210 APLICACIONES ....................................................................... 217 LOS RAYOS ULTRAVIOLETA ....................................................................................... 220 PROPIEDADES DE LA LUZ ULTRAVIOLETA ................... 225 FUENTES DE ULTRAVIOLETA ............................................ 228 USOS DEL ULTRAVIOLETA ................................................. 230 LOS VARICAPS .................................................................................................................. 231 LOS VARICAPS ....................................................................... 235 APLICACIONES ....................................................................... 242 MODULACIÓN ........................................................................ 245 CONOZCA EL DIODO TUNNEL .................................................................................... 249 COMO FUNCIONA .................................................................. 250 OSCILADOR DE VHF / UHF CON DIODO TUNNEL .......... 252 OSCILADOR A CRISTAL ....................................................... 254 OCILADOR DE RF CONTROLADO POR TENSIÓN ........... 255 CONVERSOR DE ONDAS CORTAS ...................................... 257 RECEPTOR REGENERATIVO ............................................... 259 TRANSMISOR .......................................................................... 261 CONOZCA EL TVS ............................................................................................................ 263 ESPECIFICACIONES: .............................................................. 265 APLICACIONES ....................................................................... 266 a) Protección de ordenadores ....................................... 266 b) Protección de UARTs .............................................. 268 9 c) Protección de las memorias...................................... 269 d) Protección para los circuitos tótem-pole .................. 269 e) Fuentes de alimentación ........................................... 270 f) Cargas Inductivas ..................................................... 272 CÓMO FUNCIONA - REED SWITCH ............................................................................ 274 LAS LÁMINAS ......................................................................... 277 EL VIDRIO ................................................................................ 278 CONTACTOS............................................................................ 279 EL GAS ...................................................................................... 280 USO............................................................................................ 280 APLICACIONES ....................................................................... 283 ACCIONAMIENTO POR BOBINAS ...................................... 293 MANIPULACIÓN ..................................................................... 296 10 NEWTON C. BRAGA PRESENTACIÓN DE LA SERIE Esta es una serie de libros que llevamos a nuestros lectores bajo el patrocinio de Mouser Electronics (www.mouser.com). Los libros se basan en los artículos que a lo largo de nuestra carrera como escritor técnico publicamos en diversas revistas, libros y en nuestro sitio. Son artículos que representan 50 años de evolución de las tecnologías electrónicas y por lo tanto tienen diversos grados de actualidad. Los más antiguos fueron analizados con eventuales actualizaciones. Otros por su finalidad didáctica, tratando de tecnologías antiguas e incluso de ciencia no fueron muy alteradas sino por el lenguaje que sufrió modificaciones. Los libros de la serie consistirán en una excelente fuente de información para nuestros lectores. Los artículos tienen diversos niveles de enfoque, yendo de los más simples que se les indica para los que les gusta la tecnología, pero que no poseen una fundamentación teórica fuerte o aún no son de la rama. En ellos abordamos el funcionamiento de aparatos de uso común como electro-electrónicos, no profundizando en detalles técnicos que exijan conocimiento de teorías que se dan en los cursos técnicos o de ingeniería. 11 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Otros tratan de componentes, ideales para los que gustan de electrónica y ya poseen una fundamentación tanto si estudia o practicando con los montajes que describimos en nuestros artículos. Estos ya exigen un pequeño conocimiento básico de la electrónica. Estos artículos también van a ser una excelente fuente de consulta para los profesores que desean preparar sus clases. También tenemos los artículos teóricos que tratan de circuitos y tecnologías de una forma más profunda con el enfoque de instrumentación y exigiendo una fundamentación técnica más alta. Se indican a los técnicos con mayor experiencia, ingenieros y profesores. También recordamos que en el formato virtual el libro cuenta con enlaces importantes, videos e incluso puede pasar por actualizaciones en línea que haremos siempre que juzgamos necesario. Se trata de un libro que seguramente será importante en su biblioteca de consulta, debiendo ser cargado en su tableta, portátil o celular para consulta inmediata. Los libros pueden ser descargados gratuitamente en nuestro sitio y un enlace será dado a los que deseen tener la versión impresa pagando sólo por la impresión y flete. Newton C. Braga 12 NEWTON C. BRAGA PRESENTACIÓN Saber cómo funcionan componentes, circuitos y equipos electrónicos es fundamental no sólo para los profesionales de la electrónica que usan de forma práctica la tecnología en su día a día, sino también para aquellos que no sean técnicos, pero poseer cierto conocimiento, necesitan conocer el funcionamiento básico de las comunicaciones cosas. Son los profesionales de otras áreas que, para usar mejor equipos y tecnologías necesitan tener un conocimiento básico que los ayude. Así, tratando de conceptos básicos sobre componentes y circuitos en este primer volumen y después de equipos listos en un segundo, llevamos al lector algo muy importante que ya se hizo relevante en un reciente estudio realizado por profesionales. La mayor parte de los accidentes que ocurren con el uso de equipos de nuevas tecnologías ocurre con personas que no tienen un mínimo de conocimiento sobre su principio de funcionamiento. La finalidad de este libro no es, por lo tanto, ayudar a los estudiantes, profesores y profesionales, sino también a los que usan tecnología en el día a día y desean saber un poco más para aprovechar mejor y no cometer errores que puedan comprometer la integridad de sus. equipos e incluso causar accidentes graves. 13 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Es importante que los componentes básicos como los resistores, capacitores, inductores, transformadores, diodos, transistores, también tienen a su principio de funcionamiento explicado en nuestra serie de libros "Curso de Electrónica". En este libro, abordamos algunos componentes que específicamente tienen explicaciones más detalladas que las encontradas en aquellas publicaciones. 14 NEWTON C. BRAGA EL CHOQUE ELÉCTRICO El cuerpo humano puede conducir la corriente eléctrica. Sin embargo, como nuestro sistema nervioso también opera con corrientes eléctricas, cualquier corriente "que venga de fuera" es una fuerte interferencia que puede causar graves problemas a nuestro cuerpo. Dependiendo de la intensidad de la corriente que circule a través de nuestros cuerpos, pueden producirse varios efectos. Si la corriente es muy débil, probablemente, no se pasa nada porque el sistema nervioso no es estimulado lo suficiente para que nos comuniquemos algo y las propias células de nuestro cuerpo non sufrirán ninguna influencia. Sin embargo, si la corriente es algo más fuerte, el sistema nervioso puede ser estimulado y tendrá alguna sensación como, por ejemplo, una sensación de "hormigueo". Si la corriente es más fuerte todavía, el estímulo proporcionará la sensación de choque desagradable e incluso dolor. Por último, una gran intensidad, y puede paralizar los principales órganos como el corazón, también pueden dañar las células, "incluso quemaduras para corrientes intensas y que cuando encuentran cierta resistencia a su paso, generan calor. La siguiente tabla muestra los diferentes rangos de corriente y los efectos que tienen en el cuerpo humano. 15 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 EFECTOS EN LA CORRIENTE EN EL CUERPO HUMANO 100 uA a 1 mA - umbral de sentido 1 mA a 5 mA – hormigueo 5 mA a 10 mA - sensación desagradable 10 mA a 20 mA - pánico, sensación muy desagradable 20 mA a 30 mA - parálisis muscular 30 mA a 50 mA - la respiración se ve afectada 50 mA a 100 mA - extrema dificultad en la respiración, es la fibrilación ventricular 100 mA a 200 mA - la muerte 200 mA - quemaduras graves Nota: 1 uA (uno microampère = 1 millonésima parte del ampère) 1 mA (una milésima parte de 1 ampère) Una creencia que debe ser examinada con mucho cuidado, ya que muchas personas aceptan como final, es que el uso de zapatos de goma no levan choques y por lo tanto se puede tocar libremente en las instalaciones eléctricas. ¡Nada más equivocado! 16 NEWTON C. BRAGA La electricidad es peligrosa e incluso con el uso zapatos de goma, lo que será importante analizar la cuestión. Como hemos visto, una corriente eléctrica sólo puede mover entre dos puntos, es decir, tiene que haber un camino de un punto de mayor potencial para un punto de retorno o menor potencial. La tierra es un punto de retorno, ya que como hemos visto, las empresas de energía la utilizan para conectar el polo neutro. Esto significa que si la persona está aislada desde el suelo (utilizando un zapato con suela de goma o de pie en una estera de goma o de otro material aislante), una primera trayectoria para la corriente es eliminado, véase la Figura 1. Figura 1 17 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Esto significa que si una persona en esas circunstancias toca un punto de una instalación eléctrica que no es neutral, y por lo tanto existe un alto potencial (110 V o 220 V), la corriente no tendrá como moverse y no habrá ningún choque. Se está aislado desde el suelo y tocando un único punto de una instalación eléctrica no hay choque. Sin embargo, el hecho de usar zapatos de goma no le exime de peligro de descarga eléctrica. Sin embargo, si la persona toca simultáneamente en otro punto que ofrece la ruta a la corriente, ya sea por estar en el circuito para esto, ya sea por estar conectado a tierra, el choque se produce, independientemente de la persona o no estar con zapatos de suela caucho, véase la Figura 2. Figura 2 Es por esta razón que una norma de seguridad en el trabajo con la electricidad es tocar siempre solamente un punto del circuito donde se está trabajando, si existe el peligro de que sea activado. 18 NEWTON C. BRAGA ¡Nunca sostenga dos cables, uno en cada mano! ¡Nunca apoyar una mano en el sitio en contacto con la tierra, mientras se trabaja con la otra! ELECTRICISTAS DE "MANOS GRUESAS" Un hecho interesante que puede haber sido notado es que las personas pueden sentir una descarga de diferentes maneras. ¿Quién no ha visto electricistas endurecidos que sostienen los extremos del cable para ver si el voltaje es de 110 V o 220 V? Para los menos experimentados - No hagas la experiencia dice saliendo humo por un oído se debe a que el voltaje es de 110 V y se de los dos, la tensión es de 220 V. Sucede que, no es que el voltaje es de 110 V o 220 V, que causará la muerte por choque, pero la intensidad de la corriente que fluye a través de la persona, de acuerdo con la tabla que dimos antes. Por lo tanto, 220 V es más peligroso que 110 V en el sentido de que para el mismo circuito (que tiene en particular la resistencia), 220 V puede forzar la circulación de una corriente más intensa. La intensidad de la corriente que circulará por el cuerpo de una persona dependerá de lo que la persona puede conducir de electricidad y hay diferencias individuales para cada persona. Hay 19 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 varios factores que influyen en esta "capacidad" que uno tiene que conducir la corriente eléctrica como: a) espesor de la piel Una piel más gruesa es más aislante que una piel fina. Por esta razón, los electricistas "endurecido" para tener la piel de los dedos mucho más gruesas (y sucio. Apenas sienten un leve choque, como la intensidad de corriente que puede pasar a través de él es muy pequeño. b) Humedad Una piel húmeda se convierte en un excelente conductor de la electricidad, especialmente si está húmedo por el sudor, pues la presencia de sal a torna más conductora. Esto hace que el choque en las condiciones de un baño, sea extremadamente peligrosos debido a que las corrientes pueden ser decenas de veces mayor que en condiciones normales. c) la presencia de cortes A los lugares de corte la parte "húmeda" de nuestro cuerpo que está formada por el fluido de la sangre y otros fluidos internos es puesta en contacto directo con la electricidad. Esta parte es un excelente conductor de la corriente, lo que aumenta en gran medida su fuerza en caso de choque. 20 NEWTON C. BRAGA d) la exposición a partes sensibles Un choque en los dedos, donde la piel es más gruesa, será sin duda menor debido a una potencia de intensidad mucho menor que si se produce en una parte más sensible con la piel más delgada o húmeda. Mantener un alambre en la boca puede ser terriblemente peligroso para un técnico desprevenido. Hay reglas de seguridad para trabajos en instalaciones eléctricas con peligro de descarga eléctrica mínima, pero aún mejor es DESCONECTAR TODO antes de trabajar en cualquier punto de la instalación. 21 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 LAS VÁLVULAS LO QUE USTED NECESITA SOBRE ESTOS COMPONENTES ANTIGUOS! Los nuevos en la electrónica tal vez nunca hayan montado algo que utilice válvulas y en algunos casos ni siquiera visto un aparato que utilice esos componentes antiguos, a no ser como chatarra o en algún museo, casa de antigüedades o película antigua. Sin embargo, las válvulas son muy importantes y hasta hoy existen equipos que las usan pues los componentes modernos no las supera en desempeño en muchos casos. Vea en este artículo cómo funcionan las válvulas y cómo se utilizan. La válvula termiónica, o simplemente válvula, tiene algunas desventajas importantes en relación a los componentes equivalentes más modernos, que son los transistores. Es mucho mayor, trabaja caliente y necesita tensiones muy altas para funcionar. Sin embargo, convenientemente utilizada ella puede hacer las mismas cosas que los transistores y en realidad, lo hace, desde muchos años antes de existir el propio transistor. La válvula se inventó mucho antes del transistor. La válvula diodo (de dos elementos) fue quien dio inicio a todo. Fue inventada por Fleming en 1904, seguida por la válvula 22 NEWTON C. BRAGA triodo (de tres elementos) que es el equivalente más cercano al transistor, que fue inventado en 1906 por Lee de Forest. Aparecieron válvulas con más elementos después como el tetrodo, pentodo, hexodo y otras, pero es de la válvula diodo y de la válvula triodo que vamos a hablar inicialmente en este artículo. LA VÁLVULA DIODO Si en un tubo de vidrio hacemos el vacío, es decir, retirar todo el aire, y colocar un filamento de tungsteno que pueda ser calentado por la pasan de una corriente, notaremos un fenómeno interesante. En torno al filamento, cuando se calienta se forma una especie de "nube" de electrones que técnicamente se denomina "carga espacial", como muestra la figura 1. Figura 1 - La "carga espacial", nube de electrones que se forma alrededor de un filamento calentado en un tubo de vacío. 23 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Lo que ocurre es que el calentamiento provoca una agitación térmica de las partículas que forman el filamento y que acaba por liberar electrones de los átomos. Si en el interior de esta misma válvula añadimos un elemento metálico más, denominado ánodo o placa, y conectamos este elemento o electrodo a una fuente de tensión positiva, cargándolo con esa carga, atraerá los electrones estableciendo así un flujo de electrones, o es decir, una corriente, como muestra la figura 2. Figura 2 - El flujo de electrones (corriente) va del filamento al anodo cargado positivamente. Observe sin embargo que si la placa es negativa el flujo no ocurre, pues los electrones son repelidos. Esto significa que la 24 NEWTON C. BRAGA corriente tiene un sentido único en este dispositivo: los electrones sólo pueden fluir del filamento a la placa. Esta válvula tiene las mismas propiedades de los conocidos diodos semiconductores, es decir, conduce la corriente en un único sentido, por lo que se denomina "válvula diodo". Posteriormente se hizo un perfeccionamiento en esta estructura: en lugar de usar el filamento para emitir las cargas lo que se denomina "calentamiento directo", se agregó un nuevo electrodo envolviendo el filamento. Este elemento en forma de tubo se denomina cátodo y aparece en las válvulas de calentamiento indirecto, tal como se muestra en la figura 3. Figura 3 - Válvula diodo de calentamiento indirecto. 25 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Estas válvulas diodo de calentamiento directo e indirecto pueden ser usadas en las mismas aplicaciones que los diodos comunes, es decir, en la detección y rectificación y tiene sus símbolos mostrados en la figura 4. Figura 4 - Símbolos de las válvulas diodo. Observe que tenemos en esta figura el símbolo de una válvula doble, es decir, un doble diodo que tiene un cátodo común y un ánodo. Este tipo de válvula es comúnmente encontrada en la fuente de muchos radios antiguos e incluso televisores de los años 1940 a 1950 y hasta después. Una diferencia muy importante de las válvulas en relación con los transistores y los diodos semiconductores es que las válvulas necesitan tensiones más altas para funcionar y además una fuente adicional para calentar los filamentos. Para los filamentos es común encontrar tensiones de 1,5 a 12 V y para la operación en sí, es decir, polarizar el ánodo las tensiones pueden quedar en el rango de los 80m a los 600 volts típicamente. Por otro lado, con una tensión 26 NEWTON C. BRAGA elevada en el ánodo, las corrientes que fluyen entre este elemento y el cátodo son relativamente bajas variando entre 10 mA y 500 mA. Si el reproductor tiene alguna radio antigua en su casa puede encontrar válvulas diodos como la 35W4, 6X4 o 5Y3. La tradicional 35W4 que funcionaba con 35 V de filamento. Una colección de 5Y3 de diversas épocas y fabricantes - fotos de Internet. 27 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En las válvulas de nomenclatura americana, como las ejemplificadas arriba, el primer número indica la tensión de filamento: 35, 6 y 5 V. LAS VÁLVULAS TRIODO Lee de Forest descubrió un hecho interesante al investigar el funcionamiento de las válvulas. Si entre la placa y el cátodo se colocó una pantalla de metal, una tensión aplicada en esta pantalla podría servir para controlar el flujo de cargas en el interior de la válvula. Bastaba cargar la "pantalla", denominada "rejilla" con tensiones apropiadas para tener un control total de la corriente circulante entre el ánodo y el cátodo. Se creó la válvula triodo cuya estructura interna y símbolo se muestra en la figura 5. Figura 5 - La estructura de la válvula triodo. En la figura 6 mostramos cómo el control de las cargas puede ser hecho: una tensión negativa bloquea el flujo de cargas y una tensión 28 NEWTON C. BRAGA positiva deja los electrones pasar al ánodo, habiendo así una corriente. Figura 6 - El funcionamiento de la válvula triodo. Si una señal, por ejemplo la corriente que viene de un micrófono, se aplica a la rejilla de una válvula, la variación de la tensión en la cuadrícula provocará una variación de la corriente que atraviesa el dispositivo para la placa o el ánodo. Esta corriente tiene la misma forma de onda de la señal aplicada pero está amplificada. Esto significa que la válvula puede funcionar como un excelente amplificador para señales eléctricas, como se muestra en la figura 7. 29 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 7 - Válvula como amplificador de señales, comparada al transistor. Observe las fases de las señales en los dos casos. En esta figura mostramos también el circuito amplificador equivalente con el conocido transistor. 30 NEWTON C. BRAGA OTROS TIPOS DE VÁLVULAS Con el tiempo, con el objetivo de mejorar el rendimiento de la válvula, se añadieron otros elementos internos. Así, tenemos la válvula tetrodo (con dos rejillas), pentodo (con tres rejillas), conforme muestra la figura 8. Figura 8 - Símbolo de una válvula pentodo. En una válvula pentodo, como muestra la figura 9, podemos usar una rejilla en un circuito de realimentación para hacerla oscilar en un transmisor y segunda rejilla para aplicar la señal moduladora. La tercera cuadrícula se utilizará como un "supresor" mejorando su funcionamiento. 31 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 9 - Etapa amplificadora de potencia utilizando una válvula pentodo. Observe la necesidad del transformador, pues la válvula tiene una salida de alta impedancia DIFERENCIAS BÁSICAS Además de trabajar con tensiones más altas y también calientes (ellas necesitan ser calentadas antes de entrar en funcionamiento y eso puede llevar hasta más de 1 minuto), las válvulas presentan otras diferencias importantes en relación a los transistores. Una de ellas se refiere al hecho de que la válvula opera con una tensión aplicada a la rejilla y no corriente aplicada a la base como el transistor. Así, la válvula es un dispositivo de alta impedancia mientras que el transistor común (bipolar) es un dispositivo de baja impedancia. Los transistores de efecto de campo, 32 NEWTON C. BRAGA por ejemplo, se aproximan más a las características de las válvulas, porque también son amplificadores de tensión y por eso dispositivos de alta impedancia. Por esta característica, la válvula no puede ser conectada directamente a un altavoz que es un dispositivo de baja impedancia, exigiendo un transformador, como vimos en la figura 9. Otro hecho importante está en el desgaste de la válvula. Con el tiempo, puede ocurrir la evaporación gradual de las sustancias que revisten el cátodo y con ello la emisión de los electrones se vuelve menor. El propio vacío en el interior de la válvula puede perder sus propiedades con la entrada de aire. Cuando esto ocurre la válvula "se debilita" perdiendo sus propiedades amplificadoras. En una radio o amplificador esto puede resultar en pérdida de rendimiento, sonido bajo o distorsionado. En un televisor, puede afectar la imagen. La válvula también puede quemarse. Esto ocurre cuando el filamento, como el de una lámpara común, se detiene. Si el reproductor dispone de aparatos antiguos con válvulas, asegúrelas porque hay algunos proyectos interesantes que pueden utilizar. CLUB DE LA VÁLVULA Hay amantes de la música de buena calidad que defienden la idea de que el sonido producido por un equipo que utiliza válvulas es más "puro" que el sonido de los equipos modernos con transistores y circuitos integrados. La diferencia estaría en el hecho de que el 33 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 transistor tiene una pequeña distorsión por lo que se denomina "cross-over" debido al hecho de que no es lineal en tensiones muy bajas, lo que no ocurre con la válvula. Los oídos más sensibles pueden percibir la diferencia y de ahí la preferencia por los equipos valvulados. Así, incluso en nuestros días existen fábricas de amplificadores valvulados que los venden al precio de oro ". Y ese precio de oro es real: las válvulas usadas tienen sus electrodos revestidos de oro para eliminar lo que se denomina "emisión secundaria" garantizando así la mejor calidad de sonido. Un simple amplificador de 100 W valvulado de esta nueva generación puede costar más de R $ 10.000! En la foto, un amplificador valvulado de altísima calidad (y costo!). El amplificador de la foto pesa 22 kg proporcionando 40 W de potencia por canal. Este otro amplificador pesa 20 kg y tiene una potencia de 60 W por canal costando aproximadamente 1 000 dólares. 34 NEWTON C. BRAGA INDUCTANCIAS Un componente ampliamente utilizado en los montajes electrónicos es el inductor, cuyo propósito, como su nombre indica, es presentar una inductancia. Sin embargo, la mayoría de los montadores no les gusta tanto de las llamadas "bobinas" por varias razones. Uno de ellos es el desconocimiento de su principio de funcionamiento. La otra es la dificultad para obtenerlas. En este artículo hablaremos un poco de la inductancia o bobinas, dando algunas pautas que sin duda serán de uso para nuestros lectores que utilizan este componente. Fue Hans Christian Oersted, un profesor danés, que en el siglo XIX descubrió que era posible generar campos magnéticos a partir de corrientes eléctricas que circulaban por un conductor. El efecto magnético de la corriente eléctrica se manifestó, cuando una corriente circulada por un alambre y las fuerzas "creadas" suficientemente intensas para cambiar de posición una aguja magnetizada colocada cerca, como se muestra en la figura 1. 35 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (Figura 1) Evidentemente, en ese momento el fenómeno no pasó de la curiosidad, pero con el tiempo, este efecto fue mejor explorado, siendo explotado en varios tipos de dispositivos, y hoy en día es muy importante para la electrónica. Para que podamos entender cómo se aprovecha este efecto en muchos dispositivos electrónicos, es interesante estudiar su naturaleza desde el principio. Lo que sucede es que cuando las cargas eléctricas se mueven alrededor de su trayectoria, aparece un campo magnético, como se muestra en la figura 2. 36 NEWTON C. BRAGA (Figura 2) Vea que, debemos diferenciar la naturaleza del campo eléctrico de la naturaleza del campo eléctrico. Son fenómenos diferentes. Mientras que el campo eléctrico aparece alrededor de una carga eléctrica de la parada (estática), el campo magnético requiere el movimiento para manifestarse. Así, siempre que haya cargas eléctricas en movimiento, es decir, corrientes eléctricas, tendremos la apariencia de campos magnéticos. En un cable atravesado por una corriente, si representamos esta corriente en la dirección convencional que va del positivo al polo negativo, las líneas de fuerza de campo magnético tendrán la orientación indicada en la figura 3. 37 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (Figura 3) Esta es la conocida "regla de sacacorchos", estudiada en los cursos preparatorios para el vestibular: el campo representa el movimiento del sacacorchos para que avance en la misma dirección de la corriente. Vea que el campo producido por una corriente eléctrica tiene la misma naturaleza que el campo producido por un imán. En el imán, el campo se origina en electrones que giran de manera organizada alrededor de los núcleos de los átomos, produciendo así campos de acuerdo con la orientación mostrada en la figura 4. 38 NEWTON C. BRAGA (Figura 4) Tenga en cuenta que las líneas de fuerza de los campos magnéticos siempre están cerradas, es decir, siempre dejan dos polos Norte y llegan a los polos Sur y cuando, como en el caso de la corriente, no podemos identificar estos polos, ellos forman círculos concéntricos. REFORZANDO EL CAMPO El campo magnético que aparece alrededor de un alambre atravesado por una corriente es muy débil, apenas mal alcanzando desviar una aguja imantada. Sin embargo, es posible aumentar la intensidad de este campo, si envuelven el alambre conductor para formar una bobina, como se muestra en la figura 5. 39 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (Figura 5) Teniendo que pasar por el mismo lugar, girando en diferentes vueltas, la corriente crea campos que suman, y la bobina se comporta como un verdadero imán, con una Polo norte y un Polo sur, como se muestra en la figura 6. (Figura 6) Cual extremidad será el polo Norte y cuál será el polo Sur depende de la dirección de circulación de la corriente en la bobina y esto puede determinarse por la misma regla del sacacorchos. El 40 NEWTON C. BRAGA dispositivo formado por una bobina en las condiciones indicadas es un solenoide. Podemos concentrar el campo magnético creado por una bobina si, en el interior, ponemos un núcleo de material ferroso, por ejemplo, hierro, acero, o incluso ferrita. Estos materiales tienen la propiedad de concentrar las líneas de fuerza del campo magnético, como se muestra en la figura 7. (Figura 7) Algunos dispositivos pueden consistir en bobinas con o sin núcleo, o incluso con núcleos móviles. Podemos citar el caso de los relés en los que tenemos una bobina con un núcleo que atrae una parte movible (armadura) cuando se viaja por una corriente. La parte 41 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 movible tiene contactos que pueden abrirse o cerrarse dependiendo de la corriente de la bobina, como se muestra en la figura 8. (Figura 8) Otro dispositivo es el solenoide que tiene un núcleo móvil, que se tira hacia adentro con mucha fuerza cuando una corriente en la bobina crea un campo magnético. Este movimiento se puede utilizar para abrir cerraduras en puertas eléctricas o incluso para abrir válvulas de agua, tales como lavadoras. En la figura 9 mostramos el principio de funcionamiento de un solenoide común. 42 NEWTON C. BRAGA (Figura 9) Vea que todos estos dispositivos operan con una corriente continúa circulando a través de la bobina. Si aplicamos una corriente de características diferentes a un dispositivo formado por hilados envueltos, el efecto del campo creado puede ser ligeramente 43 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 diferente. En realidad, este efecto es tan diferente que puede ser aprovechada en otra categoría de componentes electrónicos de gran importancia. INDUCTANCIA Si tenemos una bobina con alambre de cobre, su resistencia al paso de una corriente depende básicamente de la resistencia del alambre de cobre utilizado. Por lo tanto, podemos circular por bobinas de intensidad intensa y obtener con estos campos magnéticos muy fuertes. Sin embargo, hay algunos fenómenos que merecen ser estudiados y que implican el comportamiento de la bobina cuando la corriente varía. Echemos un vistazo a un primer caso en el que tengamos una bobina conectada a una pila a través de una clave y que se muestra en la figura 10. (Figura 10) 44 NEWTON C. BRAGA Cuando cerramos la llave, la corriente no aumenta instantáneamente hasta que alcanza el máximo. El campo magnético debe ser creado y esto significa que sus líneas de energía se expanden con cierta velocidad finita. Ahora, al expandir estas líneas, cortan las vueltas de la misma bobina causando un fenómeno de inducción. Lo que sucede es que, si los alambres cortan las líneas de un campo, ya sea por su propio movimiento o por el movimiento del campo, se induce una tensión en este alambre, como se muestra en la figura 11. (Figura 11) En el caso de la bobina la tensión inducida tiende a oponerse al establecimiento de la corriente. En resumen, la bobina "reacciona" al establecimiento de la corriente, ofreciendo una cierta oposición. Del mismo modo, si la corriente se interrumpe cuando se abre la llave, las líneas de energía del campo magnético no se contraen 45 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 instantáneamente, pero tarda un cierto tiempo. Y en esta contracción cortan las vueltas de la misma bobina, ahora induciendo una tensión contraria a la que causó la corriente que los estableció. El resultado de esto es que, por un instante, una tensión aparece en los extremos de la bobina mientras las líneas se contraen. En algunas bobinas de gran número de vueltas, este tensión llega a ser suficientemente alto para causar una chispa entre los contactos de la llave, cuando se apaga. En resumen, lo que sucede es que las bobinas no "gustan" variaciones de la corriente, ya sea cuando aumenta o cuando disminuye, ya que esto implica cambios en el campo magnético. Las bobinas reaccionan a esto y este hecho nos lleva a decir que las bobinas tienen una cierta reactancia. REACTANCIA INDUCTIVA Por supuesto, en un circuito de corriente continua sólo tendremos problemas con la inductancia cuando se establezca o desconecte la corriente. Sin embargo, las bobinas se pueden utilizar en circuitos de corriente alterna, donde las corrientes están constantemente variando. En estos circuitos, lo que ocurre es que la bobina está constantemente "reaccionando" las variaciones de la corriente. Esto significa que la intensidad de la corriente circulando en una bobina, 46 NEWTON C. BRAGA cuando está conectada a un circuito de corriente alterna, no depende únicamente de la resistencia del cable usado, sino de un factor adicional: la reactancia. Las bobinas entonces poseen una " reactancia inductiva ", que es su característica para oponerse a la circulación de una corriente alterna. (Figura 12) Por lo tanto, una bobina que tiene, por ejemplo, una resistencia de 10 ohms de cable para la circulación de una corriente directa presenta una oposición, 100 ohms, por ejemplo, cuando en un circuito de corriente alterna en la frecuencia de la red eléctrica, 60 Hz. Es lo que pasa con un pequeño transformador: si medimos con el multímetro la resistencia de su bobinado primario encontramos un valor bajo, lo que nos llevaría a calcular una corriente muy alta cuando se encendía en la red eléctrica. Sin 47 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 embargo, cuando se conecta a la red eléctrica, el transformador cuyo bobinado primario es una bobina o inductor, permite que circule una corriente mucho más pequeña, como se muestra en la figura 13. (Figura 13) Vea que la reactancia inductiva también se mide en ohms, porque es una "oposición al paso de la corriente" exactamente como la resistencia eléctrica común o resistencia óhmica, como también se llama. INDUCTANCIA La característica principal de una bobina es su inductancia. La inductancia indicará cómo está bobina "reacciona" a las variaciones 48 NEWTON C. BRAGA actuales y cómo produce un campo magnético en su interior. La unidad de inductancia es Henry (H), pero en el común de las aplicaciones electrónicas especificamos las inductancias en submúltiplos de Henry como el Mil Henry (mH) y el Micro Henry (uH). El Mili Henrry es la milésima parte de Henry y el Micro Henry la millonésima parte del Henry. La inductancia de una bobina depende de varios factores tales como: a) Número de vueltas = cuanto mayor sea el número de vueltas, mayor será la inductancia. b) Diámetro = cuanto mayor sea el diámetro, mayor será la inductancia c) Longitud = cuanto mayor sea la longitud, mayor será la inductancia. d) Existencia o no de núcleo = un núcleo de ferrita o material ferroso incrementa la inductancia. A continuación, tenemos la fórmula que permite calcular con buena aproximación la inductancia de una bobina. Dónde: L es el coeficiente de inductores o inductancia en Henry (H) N es el número de vueltas 49 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 S es área de sección de núcleo de bobina en centímetros cuadrados (cm2) M es la longitud del solenoide en centímetros (cm) REACTANCIA Y OSCILACIONES Como hemos visto, las bobinas "reaccionan" a las variaciones de la corriente, presentando una oposición que llamamos reactancia inductiva. Sin embargo, cuanto más rápidas sean las variaciones de la corriente, mayor será la reacción de la bobina. Esto nos lleva a concluir que la reactancia depende tanto de la frecuencia como de la Inductancia de una bobina. Así, en la figura 13 mostramos que la reactancia inductiva depende tanto de la frecuencia como de la Inductancia en una proporción directa. El factor "2 π" es una constante que equivale a 6,28. Otro comportamiento interesante de las bobinas se produce cuando los asociamos con capacitores. En la figura 14 tenemos un caso importante que es el circuito resonante LC, en el que tenemos una bobina conectada en paralelo con un capacitor. 50 NEWTON C. BRAGA (Figura 14) Cuando aplicamos un pulso de tensión en este circuito, este tensión transporta inmediatamente el capacitor, porque la bobina "reacciona" inmediatamente a este pulso, sin dejar ninguna corriente circular inmediata. Sin embargo, tan pronto como el capacitor está cargado, la bobina ya no reacciona, dejando ahora que el capacitor se descargue a través de sí. Ahora, con esta descarga se produce un fuerte campo magnético en la bobina. Sin embargo, este campo no puede durar mucho tiempo, porque la corriente que lo produce, con la descarga del capacitor, desaparece. El campo, después de eso, contrae, induciendo en la bobina una tensión que transporta el capacitor, pero con polaridad invertida. Sin embargo, la carga del capacitor no se mantiene. Una vez que el capacitor está cargado y la bobina sin corriente circulante, no hay impedimento para la descarga del capacitor. 51 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Una corriente de descarga fuerte circula otra vez con la producción de otro campo. En la figura 15 mostramos lo que sucede. (Figura 15) Si no hubiera resistencias en el circuito de carga y descarga del capacitor que causó la transformación de la energía en este circuito en calor, y si ninguna parte de la energía fue irradiada en forma de ondas electromagnéticas, mantendría en este ciclo eternamente, es decir, en oscilación. En la práctica, sin embargo, a medida que la energía se disipara en el circuito las oscilaciones son cada vez más débiles. 52 NEWTON C. BRAGA Podemos mantener constante la amplitud de estas oscilaciones si, como la energía se disipara o se utiliza externamente, la ponemos de nuevo a través de un circuito externo. A continuación, tenemos un circuito oscilante u oscilador, como se muestra en la figura 16. (Figura 16) La frecuencia de este circuito se determina precisamente por las características de la bobina y el capacitor, es decir, su tendencia a mantener el ciclo de carga y descarga a una velocidad constante. Entonces decimos que el circuito LC resona en una cierta frecuencia, y tiende a oscilar cuando está excitado. 53 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 CONCLUSIÓN El uso de bobinas tanto para ofrecer una oposición al paso de corrientes o variaciones abruptas está disponible en filtros y en muchos otros circuitos electrónicos. Semejantemente, los circuitos resonantes del LC se utilizan en los receptores, los transmisores y muchos otros circuitos que deben producir o recibir las señales con cierta frecuencia. Por lo tanto, un componente común en estas aplicaciones es precisamente el inductor, un componente del que hablamos en este artículo. 54 NEWTON C. BRAGA EL COLOR DE LOS LEDS Para los menos atentos los colores de los LEDs se obtienen de la misma manera que en las lámparas comunes: la luz es blanca y simplemente se pone un plástico del color deseado para tener luz roja, verde, amarilla o cualquier otra. De hecho, el LED no es una lámpara incandescente, pero si un semiconductor y el color de su luz está determinado por un proceso mucho más complejo que explicamos en este artículo. Entender cómo la producción de luz se produce en un simple LED puede ser muy importante para que los lectores entiendan más sobre la física de los semiconductores y que rige el funcionamiento de un gran número de dispositivos que van desde los simples diodos hasta los láseres. La luz nada más es de lo que radiación electromagnética, es decidir, está formada por ondas cuyas frecuencias difieren de las señales comunes de radio, TV, radar y otros que estamos acostumbrados a utilizar en electrónica, sólo por su frecuencia. En la figura 1 tenemos la localización de la gama visible, o sea, de las frecuencias que nuestros ojos pueden ver, en el espectro electromagnético. 55 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Como el lector puede percibir, en esta gama, las diferentes longitudes de onda o frecuencias determinan también el tipo de sensación que nuestro ojo va a tener en relación el color de la luz. Así, las frecuencias más bajas y por lo tanto las longitudes de onda mayores corresponden a la luz roja y naranja, mientras que las longitudes de onda menores y frecuencias más altas corresponden a la radiación azul y violeta. La manera más simple para conseguir la luz y por lo tanto la emisión de la radiación electromagnética y por el calentamiento. Calentando un cuerpo, sus átomos vibran en todos los frecuencias posibles que emite la luz de todos los colores que se mezclan. El sol opera de esta forma y una lámpara común de filamento también. 56 NEWTON C. BRAGA En el sol la alta temperatura agita los átomos de las sustancias que lo forman de tal manera que ellos pasan a emitir radiación lo mismo ocurriendo con el filamento de una lámpara incandescente cuando es recorrido por una corriente eléctrica, como se muestra en la figura 2. La emisión de la radiación de estos cuerpos es hecha desproporcionalmente. Esto significa que cada átomo al ser revuelto emite una pequeña porción de radiación en una longitud de onda o frecuencia diferente. Es interesante notar que la energía emitida en estas condiciones también tiene una cuantidad mínima, como el átomo que es la porción mínima de la materia. Eso significa que los átomos excitados siempre emiten esas porciones mínimas, que son denominadas "Quantum" de energía. El plural de "Quantum", que es 57 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 una palabra latina, es "Quanta" y la teoría que explica cómo ellas se comportan es la teoría cuántica. Así que cuando los átomos son revueltos por el calor, cada uno emite una frecuencia diferente de energía "quantum". El resultado de esto es que en el solo tenemos un tipo de radiación, pero más bien una mezcla que cubre todo el espectro visible y mismo parte de lo que no podemos ver como de las radiaciones infrarroja y ultravioleta, como se muestra en la figura 3. Si la distribución de energía emitida o sea, la cantidad de quanta es el más o menos uniforme en el sector del espectro que podemos ver, la mezcla nos dará la sensación de una luz blanca. Sin embargo, la distribución de esta energía emitida varía dependiendo de la temperatura del cuerpo. Un cuerpo más caliente tiende a emitir más partículas de frecuencias más altas. Por esta razón, un cuerpo muy caliente brilla con luz azulada. Un cuerpo más 58 NEWTON C. BRAGA frio, por ejemplo, una plancha caliente, brilla con luz rojiza, como se muestra en la figura 4. Un físico llamado Boltzman estableció en una formula la distribución de la emisión de esta radiación en función de la temperatura para un cuerpo negro. Es interesante de una emisión de luz blanca, que configura todas las longitudes de onda como la del sol es que nos permite ver los colores de la naturaleza. Así lo que pasa es que si iluminamos un objeto y el refleja apenas la luz azul, absorbiendo las demás, él nos aparecerá azul a nosotros, como se muestra en la figura 5. 59 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Los objetos que vemos en la naturaleza cuando son iluminados por la luz del sol o una lámpara común aparecen en los colores que tiene porque reflejan las frecuencias que determinan estos colores. Si encendemos un objeto verde con una fuente de luz que emite radiación correspondiente a la luz roja, el objeto se verá completamente negro. Vea entonces que podemos hablar de los tipos de emisiones de luz: El de las fuentes como el sol y una lámpara común que en realidad tienen todos ellos frecuencias posibles y que por lo tanto cubren una gama larga del espectro y fuentes que pueden emitir luz desde una sola frecuencia. En la electrónica podemos asociar estas fuentes de una sola frecuencia a un transmisor bien sintonizado, mientras que la luz que cubre todo el espectro sería un emisor de ruido. Decimos que las fuentes de luz que emiten radiación de una sola frecuencia o color son Monocromáticas. Los LEDs son fuentes monocromáticas porque producen una luz por un proceso diferente al 60 NEWTON C. BRAGA que vimos para el sol y para una lámpara común. Considere cómo funcionan los LEDs: NIVELES DE ENERGÍA Y LUZ MONOCROMÁTICA Cualquier material, incluyendo los semiconductores, cuando se calienta emite luz por la agitación de sus átomos. Sin embargo, los materiales ciertos pueden emitir sin luz se ralentizan, esta es, pueden emitir luz aunque sea fría, por un proceso llamad luminiscencia. La luminiscencia de ciertos materiales ha sido conoce desde 1889, pero sólo si se ha utilizado Más en la electrónica en la creación de varios dispositivos. Un tipo de luminiscencia es la que ocurre cuando un rayo de electrones golpea una cubierta de fósforo en la pantalla de un televisor. La luminiscencia es explicada cómo sigue: Los electrones que rotan alrededor de un átomo o hacen en órbitas bien establecidas que fijan niveles de energía, como se muestra en la figura 6. 61 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Un átomo no puede absorber para una breve energía instantánea y cuando algo un electrón "salta" de su órbita que mueve a otro alto nivel de energía. En otras palabras, la Energy es almacena potencialmente en la position del electrón en su órbita. Cuando el electrón, una fracción de segundo después de absorber la energía, vuelve para su órbita normal, la energía absorbida y devuelta, como se muestra en la figura 7. La energía devuelta es un quantum de radiación electromagnética cuya frecuencia dependerá del "salto" del electrón, 62 NEWTON C. BRAGA o sea , de la energía que tiene para devolver. Los niveles de energía que un electrón puede tomar en un átomo depende de la naturaleza de este átomo, o sea, del material que representa. Así que para cada tipo de átomo los electrones pueden dar saltos definidos, lo que significa que solo ellos pueden devolver la energía bajo la forma de radiación electromagnética de frecuencia muy bien definida. Si la gama de energía que el electrón devuelve es entre 3800 y 7500 Angstroms, la energía se manifiesta en forma de luz visible y el material en el que esto ocurre pasa a emitir luz. Existen diversas maneras de excitar un material para que el absorba y luego emita la energía en forma de radiación electromagnética. El movimiento de una corriente en una dirección directa de una junción semiconductora, por ejemplo, un diodo común, como se muestra en la figura 8, es una de ellas. 63 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Sin embargo, en un diodo común, la energía emitida concentrados en la gama infrarroja (que no podemos ver) y su intensidad es demasiado pequeña. Esta radiación tiene su frecuencia determinada precisamente por la naturaleza del semiconductor material utilizado en diodos que es silicio. Para obtener la radiación a frecuencias más altas que la del infrarrojo se puede usar otros materiales semiconductores que tienen diferentes niveles de energía e incluidos para cambiar los niveles por la adición de impurezas. Así, como el Arseneto de Galio (GaAs) nos las arreglamos para conseguir un desempeño mayor en el proceso, pero todavía en la gama infrarroja. Añadiendo fosforo o indio al arseniuro de galio podemos obtener frecuencias mayores y el semiconductor ya emite luz en el gama de rojo, amarillo, naranja, verde, azul y llegar hasta el violeta y ultravioleta, como se muestra en la tabla de la figura 9. 64 NEWTON C. BRAGA Vea por este gráfico que las curvas emisión de los dispositivos obtenidos de esta manera que son los LEDs (LightEmitting Diodes o Diodos Emisores de Luz ) son bastante estrechas, lo que significa que son fuentes de luz monocromáticas. Para obtener frecuencias altas que es de la luz verde, se ha utilizado una nueva sustancia. Es el Carboneto de Silicio (SIC) que tiene propiedades luminiscentes conocidas desde los comienzos de siglo.(*) (*) En la época en que el artículo fue escrito. Sin embargo, la obtención de cristal semiconductores puro de esta sustancia fue un difícil superar hace poco tiempo. El Carboneto del Silicio bajo la forma de semiconductor puede, al ser despertado eléctricamente, emite la luz no solo en la gama de frecuencias que corresponde al azul cómo llegar hasta mismo al violeta. 65 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 De esta manera, con esta nueva sustancia, se pueden fabricar LEDs azules y violetas que ya están en el mercado. La sustancia que es el emisión de luz en la gama de violeta es el Nitrato de Silicio (SiN) que ya se utiliza en la fabricación de LEDs. En la figura 10 tenemos la estructura de un LED de este tipo, en el cual se observa la existencia de tres tipos de materiales. Junto con la juntura pn epitaxial tenemos un substrato de SIC que excita en la conducción y que causa la emisión de luz. En la figura 11 tenemos la emisión curva de un LED azul observando que es mucho más ancha que la de los LEDs comunes de Arseneto de Galio, dadas las semiconductor. 66 características del material NEWTON C. BRAGA Los LEDs azules y violetas tienen una curva característica similar a la de cualquier diodo y LED común, apenas con la "rodilla", o sea, el punto del inicio de la conducción a una tensión ligeramente superior: 2,5 V. Esta curva característica se muestra en la figura 12, y ella nos muestra que el uso de un LED de este tipo en nada difiere de dos LEDs comunes, requiriendo la colocación de una resistor de limitación de corriente en serie. 67 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 LASERS SEMICONDUCTORES Lo que diferencia un láser de un LED es que en el láser la luz emitida es concentrada y coherente, debido al proceso de producción en el material semiconductor. En un LED la luz es producida por una excitación incontrolada de los átomos que, al recibir y devolver la energía emite luz en cualquier momento y en cualquier dirección. En un láser los átomos reciben la excitación de tal modo que hay un fenómeno llamado "inversión de populación", o sea, que en un instante dado tengamos más átomos excitados que sin excitación. Así, cuando un átomo devuelve su energía forma una cantidad de luz, este Quanta sirve para excitar otros átomos energizados, lo que les obliga para retornar su energía en una especie de reacción en cadena, que se muestra en la figura 13. 68 NEWTON C. BRAGA El resultado es que la devolución de la energía absorbida se hace de un excitado y coordenada, que resulta en la emisión de luz concentrada y coherente. Un semiconductor en el material desempaquetado permite el retorno sea más controlada y la emisión se produce en una sola dirección. Pero de la misma manera que en los LEDs la frecuencia y por lo tanto el color de la luz emitida depende de la naturaleza del material y hoy en día ya son disponibles los semiconductores de diferentes longitudes de onda. 69 LASERs Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 CÓMO FUNCIONA EL MICRÓFONO La finalidad de un micrófono es convertir sonidos en señales eléctricas, para que estas señales eléctricas puedan ser usadas en los circuitos electrónicos como amplificadores, grabadores, transmisores, etc. El micrófono es uno de los más antiguos transductores creados por el hombre, y también de los más usados actualmente. Vea en este artículo cómo funciona este dispositivo y cómo utilizar los diversos tipos existentes. Nota: el artículo es antiguo, mas es válido pues la teoría se mantiene. Las ondas sonoras consisten en vibraciones mecánicas de un medio natural y se propagan con una velocidad que depende de diversos factores, entre ellos la naturaleza del medio. Así, en el aire, estas ondas son de compresión y descompresión y se propagan en condiciones normales a una velocidad de aproximadamente 340 metros por segundo. Evidentemente, por ser ondas mecánicas, no pueden excitar directamente los circuitos electrónicos, de ahí la necesidad de tener un dispositivo intermedio que haga su conversión en electricidad. Este dispositivo es un denominado micrófono. 70 transductor electro-acústico NEWTON C. BRAGA Podemos decir que el micrófono funciona de modo "inverso" al altavoz: mientras que el altavoz recibe las señales eléctricas de un amplificador y los convierte en sonido (energía acústica), el micrófono recibe los sonidos y los convierte en energía eléctrica. Para que podamos usar un micrófono de manera eficiente en un aparato electrónico, en la grabación de música, reproducción, transmisión de voz o en un intercomunicador, debe tener algunas características propias bien definidas que son: a) Fidelidad La fidelidad significa la capacidad del micrófono para producir una señal eléctrica que tenga las mismas características de los sonidos originales, es decir, intensidad, frecuencia y forma de onda. 71 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Dependiendo del tipo, el micrófono puede ser más sensible a los sonidos de ciertas frecuencias que nos lleva a un uso específico. Por ejemplo, un micrófono más sensible a los sonidos de medias frecuencias es apropiado para transmitir la palabra hablada. b) Sensibilidad La sensibilidad está relacionada con la capacidad que el micrófono tiene que trabajar con sonidos muy débiles. Dependiendo del uso, podemos tener micrófonos más o menos sensibles. c) Directividad Conforme la construcción del micrófono, puede tener más facilidad en captar los sonidos provenientes de determinadas direcciones. Esto determina la directividad del micrófono que se puede representar a través de un gráfico. En la figura 3 damos algunos ejemplos de los gráficos de directividad. 72 NEWTON C. BRAGA En (a) tenemos un micrófono unidireccional, es decir, un micrófono que capta los sonidos solamente de una dirección. Este tipo de micrófono es muy usado en estadios o en un teatro por el presentador, donde sólo una persona debe ser escuchada. En (b) tenemos un micrófono onidireccional (o omnidireccional), es decir, que tiene la misma sensibilidad para los sonidos que llegan de todas las direcciones. TIPOS DE MICROFONES Diversos son los tipos de micrófonos que encontramos en las aplicaciones prácticas y que difieren tanto como 1as características eléctricas como también según el principio de funcionamiento. 73 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Tenemos entonces los siguientes tipos de micrófono (algunos poco utilizados actualmente, pero cuyo conocimiento es importante por motivos históricos): a) carbón Este, sin duda, es el tipo más antiguo, ya que los primeros micrófonos que existieron utilizaban finos granos de carbón en una cajita con un diafragma, como muestra la figura 4. El diafragma consiste en una membrana de metal, plástico u otro material flexible que hace contacto directo con los granos de carbón en la cajita. La resistencia presentada por el dispositivo, entre las terminales A y B, depende del grado de compresión de los granos de carbón. De esta forma, el sonido al incidir en el diafragma, lo mueve de modo que pase a comprimir y distender los granos de carbón, variando así la resistencia entre los puntos A y B. 74 NEWTON C. BRAGA El micrófono de carbón presenta una baja impedancia, y como no genera energía eléctrica, es necesario utilizar un circuito con una fuente de energía, normalmente una pila, como muestra la figura 5. La variación de la resistencia del micrófono con la incidencia del sonido hace que varíe la corriente en el devanado primario del transformador. Se induce entonces en el secundario de alta impedancia del transformador una señal cuya forma de onda y frecuencia corresponden al sonido captado. Los micrófonos de carbón encuentran aplicaciones en telefonía aún donde la voz humana debe ser transmitida, ya que presentan una respuesta mejor en las medias frecuencias. 75 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 b) Micrófono dinámico Este tipo de micrófono, formado por una bobina presa a un diafragma que la mueve en el campo magnético de un imán permanente, como muestra la figura 6. Se trata prácticamente de un altavoz funcionando "al contrario". En un altoparlante común, cuando la bobina es recorrida por una corriente que corresponde a una señal de audio, se crea un campo magnético y consecuentemente aparece una fuerza que mueve el cono hacia adelante y hacia atrás, produciendo así las ondas de compresión y descompresión del aire que forman el sonido. Si el sonido se centra en el diafragma, mueve el conjunto incluso la bobina móvil en el campo del imán para inducir una corriente cuyas características corresponden a este sonido. Los pequeños altavoces, por este motivo, pueden funcionar como micrófonos, bastando que se hable en sus proximidades o que 76 NEWTON C. BRAGA sean apuntados a la fuente sonora. Sin embargo, como no se fabrican para este propósito, presentan algunas deficiencias cuando funcionan como micrófonos. Como son dispositivos de baja impedancia, normalmente deben ser usados con un transformador que eleve su impedancia como el de la figura 7, o aún conectados en circuitos adaptadores de impedancia con transistores en la configuración de base común. c) Micrófonos piezoeléctricos Los micrófonos de cristal o cerámicos operan aprovechando las propiedades piezoeléctricas de determinadas sustancias como, por ejemplo, la Sal de Rochelle o las cerámicas como el titanato de bario. Estas sustancias, al sufrir deformaciones mecánicas, generan tensiones eléctricas proporcionales. Así, basta que un cristal de una sustancia como estas sea acoplado a un diafragma para que las ondas sonoras captadas 77 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 produzcan fuerzas mecánicas que hacen el cristal generar señales eléctricas. En la figura 8 tenemos un ejemplo de micrófono de este tipo. Este micrófono utiliza la sal de Rochelle, por lo que se denomina "micrófono de cristal". Si bien es muy sensible, proporcionando señales relativamente intensas que pueden excitar directamente los amplificadores, el micrófono de cristal, muy sensible al calor y la humedad. Por este motivo actualmente prácticamente no se utiliza, siendo reemplazado por los micrófonos cerámicos que son más robustos y prácticamente no se ven afectados por el calor y la humedad. 78 NEWTON C. BRAGA d) Micrófono de electreto Existen sustancias denominadas electretos que presentan propiedades eléctricas interesantes. Cuando se somete a una deformación mecánica estas sustancias se cargan de electricidad estática, manifestando tensiones eléctricas proporcionales entre sus caras, de un modo similar a los cristales piezoeléctricos, como muestra la figura 9. Estas sustancias se pueden moldear para formar los diafragmas de un micrófono y conectados directamente a la puerta de un transistor de efecto de campo (FET). De esta forma, la corriente controlada por el transistor variará según las ondas sonoras que inciden en el diafragma, proporcionando en su salida una señal ya amplificada, como muestra la figura 10. 79 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Los micrófonos de electreto son muy sensibles y pequeños, ya que el transistor de efecto de campo ya actúa como un preamplificador. En los tipos de dos terminales debemos prever la polarización del transistor por un resistor, siendo las conexiones mostradas en la figura 11. 80 NEWTON C. BRAGA En los tipos de tres terminales, las conexiones externas para su uso son las mostradas en la figura 12. Para que el transistor de efecto de campo funcione es necesario tener una fuente de energía externa, de ahí la necesidad de la polarización externa. 81 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 IMPEDANCIA Y NIVEL DE SEÑAL Los micrófonos presentan características eléctricas que deben tenerse en cuenta cuando los usamos. Una primera característica, de gran importancia, es la impedancia que nos informa de qué modo el micrófono se comporta eléctricamente y cómo él entrega la señal eléctrica en su salida. Un micrófono sólo puede transferir toda la señal eléctrica que genera al circuito externo, cuando su impedancia es igual a la entrada del circuito externo, es decir, hay un "casamiento de impedancias" como muestra la figura 13. Si conectamos un micrófono que tiene una impedancia elevada en una entrada de menor impedancia de un amplificador, todavía puede funcionar, pero se producen pérdidas, ya que los 82 NEWTON C. BRAGA micrófonos de impedancia más altos normalmente también proporcionan una señal de mayor intensidad. Esto no ocurre con un micrófono de baja impedancia: si lo conectamos a una entrada de impedancia más alta de un amplificador no habrá excitación, pues su nivel de señal también es insuficiente. La segunda información importante es, por lo tanto, la intensidad de la señal suministrada por los micrófonos que se indica en milivolts (mV) o microvolts (uV). Los micrófonos dinámicos de baja impedancia proporcionan señales de la orden de microvolts mientras que los micrófonos cerámicos y cristalinos proporcionan señales en el rango de 100 mV a 500 mV. Para que los micrófonos funcionen bien con amplificadores comunes, en la mayoría de los casos son necesarios circuitos adaptadores llamados casadores de impedancias o preamplificadores. Los casadores de impedancia simplemente modifican la impedancia según la señal se entrega al circuito externo a partir de un micrófono, ya que el preamplificador también altera su intensidad. Preamplificadores La finalidad de un preamplificador es tanto aumentar la intensidad de la señal suministrada por un micrófono para que pueda excitar un amplificador como también casar sus características de impedancia para obtener el rendimiento deseado. 83 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – En la figura 14 tenemos un Volumen 1 ejemplo simple de preamplificador para micrófonos de baja impedancia (8 a 200 ohms) utilizando sólo un transistor. Con este circuito, incluso un altavoz común, o un micrófono dinámico de grabadora o de otra aplicación se pueden utilizar con amplificadores que requieren entradas del orden de 200 a 500 mV. En la figura 15 tenemos un circuito preamplificador con transistores de efecto de campo para micrófonos poco sensibles de impedancia más elevada, permitiendo así su utilización con amplificadores comunes. 84 NEWTON C. BRAGA Finalmente, en la figura 16 tenemos un circuito de un mezclador que, al mismo tiempo que amplifica las señales de diversos micrófonos los mezcla para entregar en una salida común y luego a un amplificador. 85 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Para este circuito la alimentación puede ser hecha con pilas comunes o batería, ya que el consumo es muy bajo. 86 NEWTON C. BRAGA CÓMO FUNCIONAN LOS ALTAVOCES Uno de los componentes más utilizados en la reproducción sonora es el altavoz común de la bobina móvil. En realidad, cuando se desea una buena potencia de audio como en sistemas de sonido, sonorización ambiental, sonido automotriz, el mejor recurso para obtener altas potencias de una forma eficiente y barata es aún el altavoz. Cómo funcionan los altavoces de bobina móvil es lo que veremos en este artículo. Los altavoces comunes son transductores que convierten energía eléctrica en energía acústica. En otras palabras, reciben una señal eléctrica que tiene la frecuencia y la forma de onda de uno y lo convierten en ese sonido, como muestra la figura 1. (figura 1) El tipo más común de altavoz utilizado actualmente es el de bobina móvil. Se trata de un transductor electrodinámico bastante 87 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 eficiente que tiene la estructura básica en corte mostrada en la figura 2. (figura 2) En este tipo de altavoz existe una bobina de alambre de cobre esmaltado enrollada en un tubo que se sujeta al cono del altavoz. el cono puede ser de cartón o plástico y tiene un sistema de suspensión que le permite moverse hacia adelante y hacia atrás. La bobina está colocada alrededor de una pieza de metal, denominada pieza polar, pudiendo moverse pero sin tocarla. El movimiento es hacia delante y hacia atrás. La pieza polar está en contacto con un potente imán permanente de modo que ella concentra alrededor de la bobina ese campo, como muestra la figura 3. 88 NEWTON C. BRAGA (figura 3) Cuando una corriente que tenga frecuencia y forma de onda correspondiente al sonido que deba ser reproducido recorre la bobina, un campo magnético con las mismas características es creado. Este campo interactúa con el campo del imán concentrado en la pieza polar de tal manera que surgen fuerzas proporcionales que tienden a mover la bobina y consecuentemente el cono. Así, las fuerzas son en el sentido de hacer el cono vibrar, yendo hacia adelante y hacia atrás, pero reproduciendo exactamente la forma de onda de la señal aplicada. La consecuencia de esto es que el cono se mueve empujando y tirando del aire a su alrededor para producir ondas de compresión y descompresión del aire, o sea, ondas sonoras, como muestra la figura 4. 89 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (figura 4) En la práctica, debido a la elasticidad del material usado en el cono y también debido a las propias características de las ondas acústicas, la reproducción del sonido en un altavoz ocurre de forma más intensa en ciertas zonas, según la frecuencia del sonido. Por ese motivo, como muestra la figura 5, tenemos una reproducción más intensa de los agudos en la región central mientras que los medios se quedan en la región intermedia y los graves en la periferia. (figura 5) 90 NEWTON C. BRAGA Este comportamiento hace que los altavoces tradicionales tengan dimensiones que correspondan justamente al rango de sonidos que deban reproducirse. TIPOS DE ALTAVOCES Para los sonidos agudos, por ejemplo, los altavoces recomendados son de pequeño tamaño. Son los denominados "tweters". Las tecnologías modernas permiten obtener altavoces de agudos con transductores piezoeléctricos, pero todavía existen tipos de bobinas. Estos altavoces se destinan a la reproducción del rango de frecuencias que típicamente va de los 5 000 Hz a los 15 000 Hz. Para los sonidos medios existen los "mid range" que son altavoces relativamente pequeños que se destinan a la reproducción de sonidos entre 500 y 5 000 Hz. También tenemos los "woofers" y "sub woofers" que son altavoces pesados y grandes que se destinan a la reproducción de los sonidos graves o sonidos de bajas frecuencias como los sonidos de explosiones, terremotos y otros muy apreciados en el cine en casa. Estos altavoces requieren potencias elevadas para un buen rendimiento, como se muestra en la figura 6. 91 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (figura 6) Un tipo interesante de altavoz encontrado en el coche y en los sistemas de sonido doméstico es el rango completo. Este altavoz tiene una reproducción razonable en toda la gama de frecuencias, por lo que una altruista económica para sonidos que no necesitan o no pueden tener tres altavoces. Por último tenemos el rango extendido, que se encuentra principalmente en los coches, que reproduce graves y medios, y se utiliza junto con un tweeter para la reproducción de los agudos. Las tecnologías modernas, sin embargo, posibilitan la construcción de altavoces extremadamente compactos pero con una curva de respuesta muy amplia, alcanzando alto rendimiento en casi todas las frecuencias del espectro audible. 92 NEWTON C. BRAGA CONECTANDO ALTAVOCES La principal característica eléctrica de los altavoces es su impedancia. En realidad, los altavoces poseen una impedancia que depende de la frecuencia como muestra la figura 7. (Figura 7) El valor nominal de la impedancia de un altavoz normalmente se da al punto de la característica en que es menor, lo que suele estar alrededor de 1 kHz. Los altavoces comunes son dispositivos de baja impedancia con valores típicos como 3,2 ohms, 4 ohms, 8 ohms, 16 ohms, etc. Se observa que se trata de una impedancia y no de la resistencia que el altavoz debe presentar cuando lo probamos con el multímetro, como muestra la figura 8. 93 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (Figura 8) El multímetro mide la resistencia óhmica de la bobina o sea, su resistencia en corriente continua, un valor normalmente mucho menor que la impedancia. Conocer la impedancia de un altavoz es de fundamental importancia para que podamos usarlo solo o asociado a otros altavoces en un sistema. Como muestra la figura 9, un amplificador entrega su máxima potencia a un altavoz cuando las impedancias son iguales. La impedancia de salida del amplificador debe ser la misma que la del sistema de altavoces. 94 NEWTON C. BRAGA (Figura 9) Si conectamos a la salida de un amplificador un altavoz o una caja de sonido que tiene una impedancia menor que la de la salida del amplificador, habrá una sobrecarga de los circuitos de salida con la posible quema de componentes o aún actuación del sistema de protección, operación. Por otro lado, si conectamos a la salida de un amplificador una caja o altavoz con impedancia mayor, el sistema funcionará normalmente pero con menor potencia máxima. Otro punto importante a ser observado en los altavoces es su fase, dada por una marca en los terminales de conexión, normalmente un símbolo (+). Lo que ocurre es que el sentido de circulación de la corriente en la bobina de un altavoz determinará el sentido del movimiento del cono. Así, como muestra la figura 10, si la señal es positiva en el terminal (+) en determinado instante, el movimiento del cono será hacia delante. 95 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (Figura 10) Si la señal aplicada al terminal (+) en un instante dado es negativa, el movimiento del cono será hacia atrás. El conocimiento de la fase de altavoces es muy importante cuando tenemos un sistema con varios de ellos, como muestra la figura 11. (Figura 11) Debemos cuidar para que todos los altavoces estén en fase, pues si en un determinado instante cuando la polaridad de la señal es algunos conos de altavoces moviéndose hacia delante y otros hacia atrás provocarán una interferencia destructiva que afectará la calidad de la señal. 96 NEWTON C. BRAGA Como muestra la figura 12, en la que tenemos altavoces conectados en conjunto, la fase de todos ellos debe ser la misma. (Figura 12) Es por eso que los cables de conexión a los altavoces e incluso los sistemas de sonido normalmente son de dos colores, rojo y negro, siendo el cable rojo siempre conectado al terminal (+) del altavoz o de la caja. Finalmente, debemos hablar de la potencia de un altavoz. Para ello, antes de comentar el modo en que se especifica esa magnitud, y que en algunos casos es de forma engañosa. La potencia real o cuánto de energía por segundo un sistema amplificador entrega a un altavoz se da en términos RMS o Root Mean Square que traducido significa valor medio cuadrático. Si se tiene en cuenta un signo senoidal, que corresponde a un sonido puro, ese valor corresponde a aproximadamente 0,707 del valor máximo que la señal alcanza en un semiciclo, como muestra la figura 13. 97 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 (Figura 14) Se trata, por lo tanto, de una media que indica el valor real a lo largo de todo el semiciclo de la señal. Sin embargo, los fabricantes de equipos de sonido descubrieron que podían "aumentar" el valor de la potencia especificada por sus equipos si en lugar de indicar la potencia rms indicaran el valor de pico (máximo). Esto les daba una ganancia razonable en el número usado en la propaganda, por supuesto sin cambiar nada en el sonido reproducido. Así, un amplificador de 70 W rms se convertía en un amplificador de 100 W de pico! (justificando eventualmente un precio más alto). Pero la cosa no paró ahí. Vemos que si cogemos el pico de potencia en un semiciclo, como muestra la figura 15, por una fracción extremadamente pequeña de tiempo, el amplificador prácticamente descarga el capacitor de filtro de su fuente en el 98 NEWTON C. BRAGA altavoz, produciendo un pico de potencia instantánea mucho mayor que el propio valor de pico. (Figura 15) Este pico puede llegar a 4 veces la potencia de pico, aunque sea tan corto que no represente un acrecimiento perceptible en lo que oímos. Sin embargo, para los fabricantes este pico es importante porque puede ayudar a "vender" la falsa idea de que su amplificador es mucho más potente de lo que es realmente ... Los fabricantes pasan entonces a usar el término PMPO para indicar ese valor instantáneo de la potencia. Así, nuestro amplificador de 70 Wrms (real) que se ha convertido en 100 w de pico, pasa a tener 400 W pmpo y hasta más, según el modo en que se haga la medición ... Nada cambió en el amplificador que sigue siendo el mismo, pero la propaganda crece la potencia y el vendedor tiene más argumentos para vender el producto a los que nada saben ... Ya llegamos a recoger una caja amplificada para ordenadores con un 99 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 amplificador de 3 W en el interior (rms) que se anunciaba como 100 W de potencia (pmpo). Para los altavoces es común que las potencias sean especificadas en los dos términos. El lector debe tener cuidado por los siguientes motivos. El primero es que un altavoz no va a proporcionar la potencia indicada si el amplificador no la tiene. Así, de nada sirve conectar un altavoz de 100 W en un amplificador de 10 W. El altavoz sólo reproducirá 10 W de potencia. El segundo motivo es que el altavoz debe ser capaz de soportar la potencia suministrada por el amplificador, dándose por supuesto un margen de seguridad. Si su equipo de sonido proporciona 100 W rms necesita utilizar una caja o altavoces que soporten al menos 100 W rms. Por supuesto, si el sistema tiene varios altavoces, la potencia del amplificador se dividirá entre ellos. Se recomienda un margen de seguridad para que los altavoces no trabajen en el límite, lo que puede causar un calentamiento excesivo de sus bobinas o sobrecarga del sistema mecánico, dañando en poco tiempo. AUDÍFONOS Actualmente hay pequeños auriculares dinámicos que no son más que pequeños altavoces de muy baja potencia, como muestra la figura 16. 100 NEWTON C. BRAGA (Figura 16) La potencia de ellos es del orden de 500 mW o 1 W típicamente y pueden tener impedancias que varían entre 8 ohmios y 600 ohmios. Su principio de funcionamiento y los cuidados con su uso también. CONCLUSIÓN Los altavoces aún consisten en la solución más adoptada para la reproducción de sonido en sistemas de todo tipo. Sin embargo, como cualquier componente electrónico, los altavoces tienen especificaciones que deben ser observadas con cuidado. En este artículo vimos cómo interpretar esas especificaciones en función del funcionamiento de estos componentes además de algunos cuidados que deben ser tomados con su uso. 101 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 ALTAVOCES PEQUEÑOS Antiguamente, cuando pensábamos en un equipo de sonido potente, uno de los puntos básicos era el altavoz que debería ser el más grande posible para las bajas frecuencias, y los demás también de tamaños que dependían de la pista reproducida. Hoy tenemos altavoces muy pequeños que poseen excelente calidad de sonido, cubriendo prácticamente todo el espectro audible. Como es posible es lo que veremos en este artículo. Los auriculares, que no son más que recursos acústicos con pequeños altavoces, mini-cajas de sonido e incluso los teléfonos tienen altavoces que sorprenden por la calidad del sonido y principalmente por las diminutas dimensiones. Si volvemos al pasado vemos que los altavoces de tecnologías antiguas tenían que ser grandes porque los sonidos de las diferentes frecuencias eran reproducidos en áreas diferentes del cono cuyas dimensiones determinaban los límites de las frecuencias. Para las bajas frecuencias era necesario contar con grandes altavoces y con imanes pesados que garantizaban que los sonidos serían reproducidos con la intensidad deseada, como muestra la figura 1. 102 NEWTON C. BRAGA Figura 1 - Regiones de reproducción de un altavoz común Sin embargo, usando tecnologías modernas se puede tener un rendimiento muy grande y una cobertura apropiada del espectro con altavoces muy pequeños. La tecnología utilizada es la que hace uso de MEMS o Micro Electromecánica Sistemas que combina la tecnología común de los semiconductores con dispositivos mecánicos en la escala de micrómetros. Los dispositivos extremadamente pequeños pueden cubrir bandas de frecuencias de 20 Hz a 20 kHz sin problemas y con un rendimiento excelente con niveles de sonido de 110 dB. Una simple pastilla de 4 x 4 mm de un pequeño altavoz de este tipo puede tener calidad Hi-FI con un volumen excelente. En la figura 2 tenemos las dimensiones de los altavoces MEMS como los encontrados en los teléfonos móviles, en comparación con una modeda. 103 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 2 - Altavoces MEMS de STMicroelectronics A partir de la figura 3 podemos analizar su principio de funcionamiento. Figura 3 - Estructura de un altavoz MEMs La capa piezoeléctrica excita una estructura de dispositivos de tecnología microelectromecánica que actúa sobre la membrana que reproduce el sonido. 104 NEWTON C. BRAGA En esta estructura se combina la tecnología de los materiales semiconductores con recursos mecánicos extremadamente pequeños. Estas estructuras mecánicas pueden entonces transmitir las vibraciones mecánicas resultantes de la acción del material piezoeléctrico hacia la membrana resultando en sonido. Dadas sus dimensiones extremadamente pequeñas no existen problemas de inercia que afectan a un altavoz común y que determinan su rango de reproducción. Con eso el sonido puede ser potente y fiel. 105 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 CÓMO FUNCIONA LAS CÁPSULAS O BUZZER CERÁMICOS En la mayoría de las aplicaciones en que se desea producir un sonido de señalización de baja potencia, los transductores piezoeléctricos, bocinas o cápsulas piezoeléctricas cerámicas consisten en una solución eficiente y barata para ellas. Vea en este artículo cómo funcionan y cómo utilizar. Los transductores o cápsulas piezoeléctricas de cerámica se pueden encontrar en una gran variedad de tamaños y potencias, para las más diversas aplicaciones. Se pueden utilizar como simples dispositivos de señalización hasta la reproducción de sonido de baja potencia en un auricular. En la figura 1 tenemos algunos tipos comunes de cápsulas. Figura 1 - Transductores piezoeléctricos comunes Se pueden abrir, sólo con el elemento reproductor visible o cerrado en envoltorios plásticos para uso externo o montaje en placas de circuito impreso. 106 NEWTON C. BRAGA COMO FUNCIONA En nuestro libro Curso de Electrónica - Electrónica Básica tratamos de materiales denominados piezoeléctricos, en que la disposición de los átomos es tal que ellos pasan a presentar propiedades que se manifiestan externamente. Los materiales piezoeléctricos son ejemplos, pudiendo ser dados como ejemplos el cuarzo y ciertos tipos de cerámicas. Cuando estos materiales son deformados, manifiestan una diferencia de potencial eléctrico entre sus extremos y, inversamente, cuando sometidos a una tensión se deforman, como muestra la figura 2. Figura 2 - Los materiales piezoeléctricos En el caso del cuarzo aprovechamos esta deformación para hacerlo vibrar en una frecuencia única que depende del corte. En la figura 3 tenemos un ejemplo de circuito en el que la frecuencia de operación es determinada por un cristal de cuarzo. 107 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 3 - Oscilador controlado por cristal Sin embargo, en las cerámicas podemos ir más allá, y tener mucho pero aplicaciones que simplemente oscilar en una sola frecuencia. Las cerámicas de titanato de bario son especialmente utilizadas en muchas aplicaciones, tanto por ser fácil de obtener y baratas como por no presentar peligro, pues no representa peligro para el medio ambiente y para las personas. Tenemos entonces varias aplicaciones interesantes que podemos citar como ejemplos. Una de ellas consiste en el encendedor de cocinas a gas del tipo mostrado en la figura 4. 108 NEWTON C. BRAGA Figura 4 - encendedor de gas con cerámica piezoeléctrica El principio de funcionamiento de este tipo de aparato es bastante ingenioso. En él, tenemos una cerámica piezoeléctrica y un gatillo con una especie de martillo. Cuando aprieta el gatillo, el martillo da un golpe en la cerámica de tal forma que produce entre sus extremos una tensión que puede sobrepasar 2 000 V. El resultado es que en los electrodos colocados en la parte frontal del encendedor se produce una chispa, suficientemente fuerte para encender el gas de una estufa o horno. Otra aplicación, que es la más común es en las pequeñas pastillas productoras de sonido que encontramos en muchos aparatos, como la mostrada en la figura 5. 109 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 5 - Transductor común de sonido o bocina Estas pastillas se pueden encontrar sin envoltura o incluso dentro de envoltorios plásticos con los más diversos formatos. Cuando aplicamos una señal a este tipo de transductor, la cerámica se deforma, vibrando en la misma frecuencia. El resultado es la producción de una onda de sonido. En las aplicaciones prácticas es común tratar de hacer que opere en la frecuencia de resonancia entre 1 000 y 3 000 Hz para los tipos comunes cuando el rendimiento es mayor y, por lo tanto, el sonido más intenso. Podemos encontrar este tipo de transductor ya con el oscilador incluido produciendo tanto sonido continuo como intermitente. 110 NEWTON C. BRAGA Así, en estos casos, no necesitamos oscilador externo, bastando alimentar el bocadillo con una tensión continua. En la figura 6 tenemos algunos de estos bocadillos con oscilador. Figura 6 - Buzzer con oscilador interno El buzzer de la figura o transductor piezoeléctrico con oscilador se puede encontrar en versiones de 3 a 15 V y produce un sonido de 2 800 Hz. Vea que el tipo de alimentación para el transductor solo y con oscilador es diferente. Otra aplicación importante, utilizando cerámicas capaces de operar con potencias elevadas es en la producción de ultrasonidos. Las limpiadoras ultrasónicas pueden entonces utilizar este tipo de transductor. Se montan en contacto con un contenedor de acero inoxidable para el que transmiten los ultrasonidos generados por un circuito potente. Eléctricamente los transductores de este tipo se comportan como un capacitor, como muestra la figura 7. 111 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 7 - Equivalente eléctrico del buzzer A continuación, presentan una elevada impedancia, lo que significa un consumo muy bajo y una facilidad de excitación por los circuitos electrónicos. APLICACIONES Para los transductores comunes, sin oscilador, tenemos diversas posibilidades de uso con circuitos conductores. Una configuración simple se muestra en el probador de continuidad de la figura 8. 112 NEWTON C. BRAGA Figura 8 - Probador de continuidad sonora El montaje de este circuito se puede realizar en una pequeña matriz de contactos, como se muestra en la figura 9. Figura 9 - Montaje en matriz de contactos 113 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Si se coloca una punta de prueba en la otra debe haber emisión de sonido. Los transistores admite equivalentes y los resistores son de 1/8 W con cualquier tolerancia. Se pueden cambiar los capacitores para modificar el sonido emitido. En la figura 10 tenemos una sugerencia de caja para el montaje. Figura 10 - Caja para el montaje La figura 11 muestra un generador de bips, un poco más complejo pues utiliza un circuito integrado y dos transistores. 114 NEWTON C. BRAGA Figura 11 - Generador de bips El intervalo entre los bips es dado por C1 y la frecuencia por los otros dos capacitores del circuito. El montaje en una matriz de contactos se muestra en la figura 12. 115 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 12 - Montaje en matriz de contactos En el montaje, observe la posición del circuito integrado y de los transistores. Los resistores de son de 1/8 W con cualquier tolerancia y la alimentación puede ser hecha por tensiones a partir de 5 V. CONCLUSIÓN Estos dos ejemplos muestran cómo podemos utilizar los transductores cerámicos en la práctica. En el sitio del autor, podremos encontrar una gran cantidad de circuitos que excita estos componentes directamente. 116 NEWTON C. BRAGA LO QUE USTED NECESITA SABER SOBRE MOTORES Los motores eléctricos son parte integrante de una infinidad de equipos. Máquinas industriales, automatismos domésticos y automotores, portones eléctricos, dispositivos mecatrónicos, robots son algunos ejemplos de lugares donde podemos encontrar motores. Los motores pueden ser de los más diversos tipos, formas y tamaños lo que lleva a todo profesional de la electrónica a tener un conocimiento más profundo de estos dispositivos si quiere saber cómo trabajar con ellos. En este artículo especial analizaremos los diversos tipos de motores, sus ventajas y desventajas y la tecnología que cada uno emplea. Los motores son transductores que convierten energía eléctrica en energía mecánica. En esta función, ellos forman parte de una gran cantidad de equipos que encontramos en el día a día. En los últimos tiempos con la unión cada vez mayor de la electrónica a la mecánica con la creación de dispositivos mecatrónicos, los motores aparecen en cada vez mayor cantidad y en una variedad de tipos hasta entonces nunca vista. Cómo funcionan los diversos tipos de motores que encontramos en los equipos de nuestro día a día, cómo trabajar con 117 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 ellos es algo que todo profesional necesita saber y eso es lo que vamos a llevar en este artículo. FUNDAMENTOS La idea de obtener energía mecánica a partir de energía eléctrica, creándose así el primer motor de corriente continua viene de 1830 cuando Michael Faraday desarrolló el primer motor de disco. En la figura 1 tenemos una idea de cómo funcionaba. Sin embargo, en aquella época las propias fuentes de energía eléctrica eran limitadas lo que hizo que este motor sólo se convirtiera en una curiosidad de laboratorio sin aplicación práctica alguna. Los motores modernos se basan en un principio muy conocido de todos los estudiantes de física y electrónica y que se muestra en la figura 2. 118 NEWTON C. BRAGA Cuando una corriente eléctrica recorre un hilo inmerso en un campo magnético surge una fuerza perpendicular al hilo que tiende a moverlo. Si en lugar de un simple conductor utilizamos una bobina con muchas espiras de hilo, incluso una corriente relativamente débil puede generar fuerzas bastante intensas cuando la misma configuración es montada. Una bobina con el formato que se muestra en la figura 3 cuando se desplaza por una corriente e inmersa en un campo uniforme quedará sujeta a un par que tiende a girar. 119 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Evidentemente, en estas condiciones, si la bobina puede girar libremente sólo lo hará por un cierto recorrido, hasta que las fuerzas ya no actúen en el sentido de producir este movimiento, como muestra la figura 4. La configuración es interesante pues puede producir fuerza mecánica en buena cantidad, pero existe el problema de obtener un movimiento continuo de la bobina, o sea, hacerla girar sin parar. 120 NEWTON C. BRAGA Esto puede ser logrado por un proceso denominado conmutación y que se muestra en la figura 5 y que ya nos lleva a un motor con posibilidad de aplicaciones prácticas. La bobina se enrolla en un cilindro que se monta en un eje capaz de girar sobre los cojinetes. En este eje dejamos dos regiones aislantes en las que colocamos "media canal" de contactos conmutadores que están conectados a los hilos de la propia bobina. Dos contactos fijos o "cepillos" hacen contacto eléctrico con estas medias canales para transferir energía a las bobinas. La conexión de estos conmutadores es tal que en media vuelta del recorrido, los conmutadores A y B están conectados a la bobina y con ello la corriente circula en un sentido. En la otra media vuelta los conmutadores C y D son que están conectados en la bobina y la corriente circula en el sentido opuesto. Todo esto nos lleva al siguiente comportamiento mecánico del dispositivo así formado. 121 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 a) Cuando aplicamos la corriente en los contactos que alimentan la bobina circula una corriente en un sentido tal que tiende a mover la bobina de media vuelta en un sentido que depende justamente del sentido de circulación de esta corriente. b) Cuando la bobina alcanza la posición de reposo, media vuelta después, las escobillas conmutadoras cambian los contactos y con ello la cadena invierte su sentido de circulación. c) El resultado de ello, es que la posición en que la bobina alcanzó no es más la posición de reposo, ya que surge una nueva fuerza que tiende a hacerla seguir girando. La nueva posición de reposo estará ahora media vuelta adelante. d) La bobina gira más de vuelta para alcanzar la nueva posición de reposo, pero al llegar cerca de ella, nuevamente entran en acción los conmutadores y la corriente es invertida. Una nueva posición de reposo aparece. e) La nueva posición de reposo estará nuevamente media vuelta hacia delante y la bobina continúa girando. Es fácil percibir que la bobina nunca va a parar mientras haya disponibilidad de corriente para alimentar el circuito y obtendremos con ello un movimiento giratorio de la bobina y de su eje constante. La figura 6 ilustra lo que ocurre. 122 NEWTON C. BRAGA La fuerza que aparece en el eje de este tipo de motor dependerá de diversos factores tales como el número de espiras de la bobina, la intensidad del campo magnético y también la intensidad de la corriente. MOTOR DC CON CEPILLOS Este tipo de motor es el más tradicional conocido como "brush DC motor" donde "brush" significa cepillo, para designar la operación con el sistema conmutador. En la figura 7 tenemos un motor de este tipo visto en corte, como los muy encontrados en aplicaciones comunes tales como juguetes, ventiladores de coche, etc. 123 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Observe que se utilizan imanes permanentes en el estator, que el rotor donde se enrolla la bobina está hecho de metal ferroso para concentrar las líneas de fuerza del campo magnético creado por la bobina, haciéndolo más intenso y que las escobillas son fetas o de pedazos de metal grafito o con láminas de cobre, dependiendo del tipo. Los motores de este tipo se pueden encontrar en versiones de todos los tamaños y tipos, siendo las más comunes las alimentadas por pilas en el rango de 1,5 a 12 V como muestra la figura 8. 124 NEWTON C. BRAGA Estos pequeños motores pueden operar con potencias de pocos watts, ya que las corrientes drenadas varían entre 50 mA y 2 A típicamente. CARACTERÍSTICAS: Los motores de este tipo en realidad se especifican para operar dentro de una banda de tensiones. Así, un motor de 3 V, realmente funcionará cuando se alimenta con tensiones en el rango de 1,5 a 4,5 V sin problemas. Por encima de esta tensión el problema mayor es la disipación de calor por la bobina. Caliente demasiado los hilos pueden tener su aislamiento quemado ya que son del tipo esmaltado. La velocidad de rotación de este tipo de motor depende de la tensión aplicada y de la carga, es decir, de la fuerza que deben hacer. 125 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Así, es común tener un gráfico para especificar la relación tensión x velocidad como muestra la figura 9. Pequeños motores para el rango de 1,5 a 12 V pueden tener rotaciones sin carga en el rango de 1 000 a 10 000 rpm. Cuando se cargan, la corriente aumenta y la rotación cae, llevándonos a un gráfico como muestra la figura 10. 126 NEWTON C. BRAGA Por este motivo, en una aplicación práctica es necesario especificar tanto la tensión aplicada como la carga para que se pueda tener una idea exacta de la rotación en que va a trabajar. En las aplicaciones más críticas en las que el motor necesita mantener una rotación constante existen diversas técnicas que se pueden emplear para este propósito. Una de ellas es regulación mecánica de la velocidad que puede ser lograda con contrapesos conforme muestra la figura 11. Esta regulación funciona haciendo que, a aumentar la velocidad los pesos se alejen del eje de rotación y con ello sea necesaria una fuerza mayor para mantenerlos en rotación compensando de esta forma la ganancia de velocidad. Otra posibilidad es la regulación electrónica que puede emplear diversas configuraciones prácticas. Una de ellas consiste en 127 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 el uso de algún tipo de circuito regulador de corriente o fuente de corriente constante, conforme muestra la figura 12. Este circuito se utiliza cuando el motor debe accionar una carga con una fuerza constante y mantener la velocidad dentro de ciertos límites. Se parte de la idea de que la corriente depende de la carga y de la rotación y una vez ajustada, un cambio en la velocidad tiende a modificar la corriente que es compensada por el circuito. Otra posibilidad consiste en el uso de algún tipo de sensor acoplado al eje del motor que haga la lectura de su rotación, conforme muestra la figura 13. 128 NEWTON C. BRAGA Un sensor magnético o aún óptico informa al circuito cuál es la rotación y compara con el valor ajustado generando una señal de error. Esta señal se utiliza para aumentar o disminuir la tensión en el motor, corrigiendo así la velocidad hasta que llegue al valor deseado. Este tipo de motor tiene varias limitaciones como: a) La velocidad máxima está limitada tanto por las características mecánicas de las escobillas, así como por el núcleo. En altas revoluciones, la corriente invierte y desinvierte miles de veces por segundo generando así corrientes de Foucault en el núcleo ferroso del motor. Esta corriente hace que el núcleo se calienta haciendo caer el rendimiento del motor. b) En las conmutaciones se genera un ruido eléctrico que puede interferir en los circuitos más sensibles del aparato en que el 129 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 motor funciona. Si bien se pueden utilizar filtros para eliminar estos ruidos, como por ejemplo capacitores en paralelo, existe un límite para su acción. c) Las escobillas o los contactos gastan con el tiempo reduciendo la vida útil del motor. Diversas tecnologías posibilitan la construcción de motores DC con escobillas con rendimiento más elevado. Una de ellas es la que posee una armadura en forma de disco grabada y que se muestra en la figura 14. Este tipo de motor no tiene partes de hierro móvil que elimina los problemas del calentamiento del núcleo en las altas revoluciones por las corrientes de turbulencia o foucault generadas por las altas frecuencias. En la figura 15 tenemos otro tipo de motor DC que posee una armadura en forma de concha, siendo llamado también de "shell armature" en inglés. 130 NEWTON C. BRAGA La gran ventaja de estos motores en relación a los tradicionales es que pueden alcanzar velocidades mucho más altas. PÉRDIDAS EN LOS MOTORES DC La finalidad básica de un motor es convertir energía eléctrica en energía mecánica. Evidentemente, el mejor motor es lo que consigue convertir la mayor parte de la energía eléctrica en energía mecánica, o sea, tiene el mayor rendimiento las menores pérdidas. Las pérdidas en los motores de corriente continua, además de las que ya comentamos en el ítem anterior pueden tener varios otros orígenes. En la figura 16 mostramos en un gráfico los diversos tipos de pérdidas que pueden afectar el rendimiento de este tipo de motor. 131 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 a) Pérdidas en los devanados Estas pérdidas ocurren porque el hilo utilizado en los devanados de los motores presenta cierta resistencia eléctrica. Para vencer esta resistencia, la energía eléctrica se convierte en calor y no en fuerza mecánica. Las pérdidas por la resistencia del devanado pueden ser calculadas por la expresión: P = R x I2 Dónde: P es la potencia eléctrica perdida - transformada en calor (W) R es la resistencia del devanado (ohms) I es la intensidad de la corriente en el motor Un factor importante que debe tenerse en cuenta en estas pérdidas es que la resistencia del enrollamiento aumenta cuando se calienta, o sea, cuando el motor pasa a girar en régimen de mayor potencia. 132 NEWTON C. BRAGA b) Pérdidas por los contactos Las escobillas no posibilitan la realización de un contacto eléctrico perfecto cuando el motor gira. En realidad, la eficiencia de este tipo de contacto disminuye bastante a medida que la velocidad del motor aumenta. Con la disminución de la eficiencia del contacto, la resistencia aumenta y con ello la cantidad de calor que se genera en este punto del motor. El análisis de la forma en que los contactos actúan es bastante complejo ya que existe el problema del repique que genera pulsos de transitorios cuando conmutan una carga altamente inductiva como es el devanado del motor. En lugar del simple establecimiento de la corriente como muestra la figura 16 (a) tenemos la producción de una secuencia de pulsos muy rápidos que, actuando sobre la inductancia del motor, hacen que la corriente establecida no alcance inmediatamente el valor esperado y además se genere una tensión de retorno más alta. c) Pérdidas en el hierro Las características de magnetización del hierro usado como núcleo en los motores deben ser consideradas cuando analizamos el funcionamiento de un motor de corriente continua con escobillas. La principal se debe a las corrientes de turbulencia o Foucault. que se generan debido a la histéresis del material usado en la base. 133 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Como este material no puede acompañar las inversiones muy rápidas de polaridad del campo magnético cuando el motor gira a alta velocidad. se inducen corrientes en el núcleo que causan su calentamiento. Este calentamiento puede influir en el aumento de la resistencia del devanado (como ya vimos) y también en las propias características magnéticas del material usado en el núcleo del motor. En suma, mayor velocidad para este tipo de motor puede significar pérdidas considerables por las corrientes inducidas de esta forma. El uso de chapas de metal en lugar de núcleos sólidos reduce el problema pero no lo elimina completamente. d) Pérdidas por Fracción Estas pérdidas se deben a las características mecánicas del motor que debe girarse sobre los cojinetes con el mínimo de fricción posible. Evidentemente, en la práctica no podemos reducir esta fricción a cero y las pérdidas ocurren. La propia presión mecánica de las escobillas sobre los contactos en el rotor del motor también induce pérdidas por fricción que además del inconveniente de actuar como un freno, también generan calor que, como vimos, son uno de los factores que causan una pérdida de rendimiento para este tipo de motor. Los materiales como el grafito, que además de ser buenos conductores eléctricos tienen un coeficiente de fricción muy bajo, 134 NEWTON C. BRAGA ayudan bastante a obtener motores con bajas pérdidas por fricción de los contactos, pero no son totalmente eliminadas y deben ser consideradas en ciertas aplicaciones más críticas. e) Pérdidas por Cortocircuito Cuando las escobillas cambian de contacto pasando de un devanado a otro en el giro de un motor, por una fracción de segundo, el contacto ocurre en dos devanados al mismo tiempo, como muestra la figura 17. En este instante tenemos un cortocircuito de corta duración que absorbe energía convirtiéndola en calor. Otro problema que este corto causa es actuar como un freno electro-dinámico ya que las espiras son momentáneamente colocadas en corto generando así una carga para el motor. 135 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 OTRAS PÉRDIDAS: Además de las causas analizadas existen otras que afectan el desempeño de motores de corriente continua que hacen uso de cepillos. analizamos algunas de ellas. a) Ripple de Torque Debido a las características las inductivas del enrollamiento del motor y también debido a la inversión de la corriente constantemente por la acción en las escobillas de los motores de corriente continua no es posible mantener constante la corriente y con ello el torque. En la práctica, el torque varía según una curva ondulada (ripple) que se muestra en la figura 18. Esta característica suele traer problemas de funcionamiento principalmente a altas velocidades y puede ser minimizada con la 136 NEWTON C. BRAGA utilización de bobinas múltiples en el motor o aún aumentando el número de polos de conmutación, pero eso sin duda encarece el dispositivo. Otras técnicas pueden ser empleadas para minimizar este tipo de problema. b) La desmagnetización Los imanes permanentes usados en los motores de corriente continua para crear el campo sobre el cual se basa su funcionamiento no son tan permanentes así, perdiendo su magnetismo con el tiempo. Otro factor que tiene influencia en la desmagnetización del imán permanente es la propia corriente que circula por los devanados. El campo magnético creado por los enrollamientos actúa sobre el imán permanente y con el tiempo hace que su magnetismo se reduzca hasta el punto en que comienza a afectar de modo sensible en el rendimiento del motor. Es importante observar que una intensidad de corriente por encima de cierto valor en los devanados del motor puede crear un campo suficientemente intenso para desmagnetizar de modo completo los imanes permanentes. Así, los pulsos de las corrientes intensas se deben evitar de todos modos, ya que pueden causar este tipo de problema. 137 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 c) Resonancia mecánica Todos los cuerpos tienden a vibrar con mayor intensidad en ciertas frecuencias y esto es válido para las partes mecánicas de un motor. Así, si dejamos un motor de corriente continua girar libremente sin carga él tiende a acomodarse en una rotación en que sus partes mecánicas oscile en su frecuencia de resonancia. En esta frecuencia, pueden surgir esfuerzos mecánicos que tanto puede afectar la integridad del motor como su rendimiento. En la práctica, lo que se hace es utilizar partes que tengan frecuencias muy diferentes de resonancia e incluso girar en sentidos contrarios para que este efecto sea anulado. d) Contra - FEM inducida La conmutación rápida de las escobillas de una carga inductiva hace que surja una tensión inducida que es conocida como fuerza contra-electromotriz. En la figura 19 mostramos la característica de esta fuerza con la velocidad de rotación de un motor común. 138 NEWTON C. BRAGA Observe que esta fuerza contra-electromotriz aumenta con la velocidad de rotación del motor. Normalmente, para los motores comunes se expresa para una rotación de 1000 rpm. Esta fuerza hace que el motor funcione como un generador que "devuelve" parte de la energía para el circuito que lo alimenta actuando así como una especie de freno. MOTORES SIN ESCOBILLAS Como hemos visto, la mayor limitación para la operación de los motores de corriente continua está en la necesidad de adoptar un sistema conmutador mecánico que invierta y desinvierte la corriente durante el movimiento para mantener las fuerzas actuando siempre en el mismo sentido y así obtener una rotación continua. Estas escobillas gastan, generan ruidos y además están sujetas a problemas de contactos que se agravan a medida que las revoluciones aumentan. 139 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 La terminología usada especifica los motores sin cepillo como un tipo especial de servomotor. Esta observación debe ser hecha, pues los motores de paso también son motores sin escobillas del mismo modo que un motor de inducción de corriente alterna. En la categoría de motores sin escobillas tenemos dos tipos básicos: el motor trapezoidal y los motores para ondas senoidales. El motor trapezoidal, en realidad es un servo DC mientras que el senoidal se asemeja a un módulo AC síncrono. Para entender mejor cómo funcionan, vamos a partir de la evolución de los motores sin escobillas. Un motor convencional con escobillas, como muestra la figura 20, consiste en un rotor con una bobina que gira en un campo magnético producido por el estator. Si las conexiones de la bobina se hacen a través de anillos deslizantes, este motor se comporta como un motor de paso (invirtiendo la corriente el rotor gira de 180 grados). 140 NEWTON C. BRAGA Incluyendo el conmutador y escobillas la reversión de la corriente será hecha automáticamente y el rotor continuará girando en la misma dirección. Para transformar este motor en un motor sin escobillas debemos partir de la eliminación de los devanados del rotor. Esto puede lograrse girando "al revés" el motor. En otras palabras, colocamos el imán permanente como parte rotativa del motor y colocamos las bobinas en los polos del estator. Es claro que necesitamos todavía pensar en algún tiempo de invertir la corriente automáticamente - una llave accionada por un rebote podría ser usada para este propósito como muestra la figura 21. Por supuesto, un arreglo que aún incluye un dispositivo mecánico de conmutación no es la mejor solución para el problema. Podemos, en lugar de la llave mecánica, usar un amplificador para 141 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 excitar las bobinas y que sea accionado por algún dispositivo que pueda verificar la posición del rotor en cada instante, por ejemplo, un sensor óptico o un sensor de efecto Hall, como muestra la figura 22. Este circuito de lectura de la posición y accionamiento de las bobinas se denomina "encoder de conmutación" en el lenguaje técnico. Es claro que un motor de este tipo no puede conectarse directamente a una fuente de corriente continua para funcionar. El motor debe conectarse a un circuito que invierte constantemente la corriente, lo que en última instancia significa que el motor es accionado por una corriente alterna. Volviendo a los motores comunes con escobillas, vemos que un rotor que tiene sólo una bobina presenta una característica de gran variación de torque con la rotación. 142 NEWTON C. BRAGA De hecho, la característica será senoidal con el máximo torque ya que el rotor corta el campo magnético en una forma que resulta en este comportamiento, como muestra la figura 23. Un motor DC en la práctica posee varias bobinas en el rotor y cada una está conectada no sólo a su propio par de conmutadores, sino también a otras bobinas. De esta forma, tenemos un toque más constante por el efecto del promedio de la corriente circulando a través de ellas. ¿Cómo obtener el mismo comportamiento para un motor sin escobillas? Esto requerirá un gran número de bobinas en el estator, lo que en principio no es difícil de conseguir, pero tiene el agravante que necesitará un circuito conductor para cada una de ellas. En la práctica un motor sin escobillas posee dos o tres conjuntos de bobinas o "fases" como muestra la figura 24. 143 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En el motor mostrado en la figura es del tipo de dos polos y tres fases. El rotor normalmente tiene cuatro o seis polos en el rotor con un aumento correspondiente en el número de polos del estator. Ver que esto no aumenta el número de fases pues ellas pueden ser distribuidas entre diversos estatores. La característica de torque de este tipo de motor se muestra en la figura 25. 144 NEWTON C. BRAGA A través de esta figura podemos ver que el torque máximo se logra cuando los campos del estator y del rotor están con un desfase de 90 grados. Limitando el número de fases a tres esto significa que se puede avanzar el campo del estator sólo en incrementos de 60 grados de la rotación del eje, lo que significa que no puede mantener esta diferencia de fase de 90 grados. En la práctica lo que se hace es mantener esta diferencia oscilando entre 60 y 120 grados de modo que en la media tendremos 90 grados con lo que se consigue una buena aproximación de la condición de mayor torque. 145 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 EL MOTOR TRAPEZOIDAL Con una intensidad de corriente fija en los devanados, se puede conseguir un buen aumento del torque. Se logra con ello un aplanamiento de su característica de toque mostrada en la figura 26, que, por su forma da nombre a este tipo de motor. En la práctica esto no es muy simple, ya que un cierto grado de no linealidad siempre permanece. El efecto principal es un pequeño "soquito" en el punto de conmutación del circuito, lo que puede ser importante en las aplicaciones de muy baja rotación. La ondulación o ripple de torque resultante de esta característica tiende a producir una especie de modulación de velocidad en la carga. Sin embargo, en un sistema que utiliza una retroalimentación de velocidad de gran ganancia el problema se elimina. Esto significa que un pequeño aumento de la velocidad 146 NEWTON C. BRAGA genera una gran señal de error, reduciendo la demanda de torque para corregir la velocidad. En la práctica, la corriente del amplificador tiende a ser un espejo de la característica de torque resultando en una modulación de velocidad muy pequeña como muestra la figura 27. EL MOTOR SENOIDAL En el motor senoidal que también se llama servo AC sin escobillas, no se toma ningún cuidado para corregir las características senoidales básicas de torque. Este motor puede ser alimentado como un motor AC sincronizado simplemente aplicando a los devanados una tensión senoidal con el desplazamiento de fase apropiado, 120 grados en el caso de motores de tres fases. Si se necesita una precisión a bajas velocidades, se debe lograr una mayor precisión en las tensiones. Esto significa que la 147 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 unidad debe generar tres cadenas que estén en fase de acuerdo con la posición del eje. Para obtener la precisión necesaria en esta codificación normalmente se utilizan codificadores ópticos. TORQUE CONSTANTE Para entender mejor cómo se puede obtener torque constante de este tipo de motor, es mejor analizar un caso en que tengamos apenas dos fases. Este motor tiene dos conjuntos de bobinas que se alimentan con una señal trapezoidal desfasada de 90 grados, una en relación a otra. Si reprendemos la posición del eje por un ángulo x, las corrientes en los devanados estarán en la forma: I = Io sen x I = Io cos x Volviendo al modelo básico de motor, podemos observar que la característica de torque fundamental del motor también es senoidal, lo que quiere decir que el torque instantáneo será dado por: T1 = Io K sen x Donde k es la constante de torque del motor. Al hacer la corriente en el motor senoidal, y en fase con las características de torque del motor, el toque obtenido de una de las fases será: T1 = (Io sen x) K sen x = I k sen2 x. 148 NEWTON C. BRAGA Y, de la misma forma, el tueste obtenido será dado por: T1 = Io K cos2 x El torque total obtenido (en las dos fases) será entonces: T1 + T2 = Io K (sen2 x + cos2 x) Pero: sen2 x + cos2 x = 1 ¿Dónde obtenemos: T1 + T2 = Io x k Así, para las corrientes senoidales aplicadas al motor, el torque resultante será independiente de la posición del eje. Sin embargo, para que esto ocurra, debe haber una precisión en la aplicación de estas corrientes en el motor, lo que exige el empleo de un encoder apriopriado para enviar la información necesaria al circuito de procesamiento que la genera. SIERVOS HÍBRIDOS Con respecto al principio de funcionamiento, el motor de paso y el servo motor sin escobillas son similares. Cada uno posee un sistema de imanes rotativos y un estator con bobinas enrolladas. La única diferencia está en el hecho de que tienen números de polos diferentes. Son sólo 3 pares en el servo híbrido y hasta 50 en el motor de paso. 149 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Así, para efecto de análisis podemos considerar un servo híbrido como un motor de paso simpático. Basados en los mismos principios podemos utilizar un motor de paso como servo simplemente agregando algún recurso de retroalimentación como, por ejemplo, un encoder óptico. El nombre híbrido viene justamente del hecho de que su construcción tanto se basa en los principios de funcionamiento de los servos comunes como de los motores de paso. Ellos hasta son llamados en algunos de "siervos de paso". En la figura 28 tenemos una vista en corte de un motor de este tipo. En este tipo de motor una unidad de 2 fases proporciona las corrientes desfasadas (seno y coseno) que los enrollamientos 150 NEWTON C. BRAGA necesitan para la excitación siempre comandados por el dispositivo de realimentación. Este dispositivo puede ser un encoder óptico como un sensor de contactos. Como el motor tiene 50 pares de polos, se deben generar 50 ciclos de señal para cada vuelta del eje. Un servo híbrido tiene aproximadamente el mismo torque del motor equivalente de paso cuando es alimentado por la misma tensión y corriente, pero se debe considerar que la operación debe ser siempre en lazo cerrado. Un servo híbrido es más caro que un motor de passo en un determinado sistema, pero más barato que un servo sin escobillas. De la misma forma que en los motores de paso la operación continua a altas velocidades no es recomendable para este tipo de motor ya que pueden ocurrir muchas pérdidas en el núcleo. Otra ventaja de este tipo de motor es que suele funcionar de forma más silenciosa y calentar menos que los motores de paso común. MOTORES DE ACCIONAMIENTO DIRECTO Este tipo de motor se acopla directamente a las cargas que deben moverse sin el uso de cajas de reducción, engranajes o correas. En algunas aplicaciones motores sin escobillas e incluso motores de paso pueden presentar resolución adecuadas para este tipo de aplicación. 151 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En otros, sin embargo, las cajas de reducción y las correas se utilizan para modificar el torque y la velocidad de acuerdo con las especificaciones requeridas por el proyecto. En la figura 29 tenemos un tipo de motor de accionamiento directo en corte. Un motor de este tipo no tiene cepillos ni engranajes para obtener mayor torque y mayor resolución, sacrificando sin embargo la velocidad y la precisión. Una ventaja importante del accionamiento directo y la eliminación de la fricción y fricción de los engranajes que son responsables de importantes pérdidas de potencia. Este tipo de motor contiene componentes de precisión y un sistema de retroalimentación en un envoltorio muy compacto. 152 NEWTON C. BRAGA El torque de este tipo de motor depende de su diámetro y en segundo lugar del número de dientes que crean el campo magnético para obtener el mayor número de pasos de accionamiento. Estos motores tienen como principales ventajas a alta precisión, mayor velocidad de respuesta, mayor torque a altas velocidades y rotación suave. CONCLUSIÓN Los motores de todo tipo se encuentran en una variedad enorme de aptitudes en la industria, en la electrónica de consumo y embarcada. El profesional de este sector debe conocer cada tipo, y si es un proyectista debe saber qué tipo emplea en una aplicación específica. Lo que hemos visto en este artículo fue sólo una breve introducción al principio de funcionamiento de los principales tipos de motores que podemos encontrar en los diversos equipos modernos. El lector interesado puede ir más allá profundizando en cada tipo de modo a saber cómo hacer proyectos específicos y sacando el máximo provecho de las ventajas que cada uno ofrece. 153 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 LOS SCRS Uno de los componentes más utilizados en proyectos que involucran el control de motores y de otras cargas de potencia es el diodo controlado de silicio o SCR. Este semiconductor capaz de controlar corrientes elevadas puede ser utilizado en una infinidad de proyectos prácticos de mecatrónica. No hay límite para que el proyectista puede hacer con un SCR, sin embargo, para ello es necesario conocer este componente. En este artículo vamos justamente a analizar el principio de funcionamiento del SCR y dar informaciones importantes al lector que permitan su utilización en proyectos. El SCR es un dispositivo semiconductor de la familia de los Tiristores, es decir, es un dispositivo de estado sólido usado en el control de potencia o control de corrientes elevadas. SCR, la abreviatura de Silicon Controlled Rectifier o Rectificador Controlado de Silenciamiento. De una forma más, simple, por su comportamiento y símbolo que recuerdan un diodo, preferimos llamarlo Diodo Controlado de Silicio. La verdad es que el SCR se comporta exactamente como un diodo que conduce la corriente entre el ánodo y el cátodo (en un sentido único) pero cuando es disparado por medio de una señal aplicada a su electrodo de compás. 154 NEWTON C. BRAGA La corriente que los SCRs pueden conducir entre el ánodo y el cátodo son muy intensos, incluso para dispositivos de bajo costo, variando entre algunos ampères y decenas de ampères. De esta forma, conectados en serie con dispositivos diversos, pueden funcionar como "llaves" electrónicas, conectando o apagando esos dispositivos o aún "dosificando" la potencia aplicada, como ocurre en dimmers y controles de velocidad. Para entender mejor cómo funciona el SCR es interesante hacer un análisis de este componente a partir de su estructura. CÓMO FUNCIONA EL SCR Los SCR son dispositivos semiconductores formados por 4 capas de materiales P y N colocados en una estructura alterna como se muestra en la figura 1. 155 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 1 - Estructura, circuito equivalente y símbolo del SCR Esta estructura, como muestra la misma figura, equivale a dos transistores interconectados de modo que uno realine el otro. Decimos que los dos transistores forman una "llave regenerativa". Observe que la base del transistor NPN pasa a ser la entrada de disparo del dispositivo o comporta (gate o g, si usamos los términos originales en inglés). El emisor del transistor PNP es el ánodo del SCR y el emisor del transistor NPN el cátodo del SCR. Supongamos que el SCR se conecta en un circuito simple como el mostrado en la figura 2, en el que tenemos por carga una lámpara en serie con su ánodo. 156 NEWTON C. BRAGA Figura 2 - SCR en un circuito simple En estas condiciones, el SCR inicialmente no conduce la corriente y su ánodo se mantiene positivo en relación al cátodo. Si, por un corto intervalo de tiempo se aplica en la base del transistor NPN, que corresponde al elemento de disparo del SCR, una tensión positiva suficiente para polarizar la unión y llevar el dispositivo a la conducción tenemos una serie de fenómenos a ser considerados. El transistor NPN, siendo llevado a la conducción tiene su corriente de colector polarizando el transistor PNP de modo que él también conduzca, conforme muestra la figura 3. 157 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 3 - La corriente de disparo genera una corriente de retroalimentación Con la conducción del transistor PNP, pasamos a tener una nueva corriente en la base del transistor NPN que se suma a la corriente provocada por el disparo y tiende a aumentar la conducción del NPN y consecuentemente del PNP. Los dos transistores, en un proceso de realimentación, son entonces llevados rápidamente a la saturación y la corriente puede fluir de modo intenso entre el ánodo y el cátodo del SCR, como muestra la figura 4. 158 NEWTON C. BRAGA Figura 4 - La realimentación mantiene el circuito en conducción Aunque el pulso que provocó el disparo desaparezca, la corriente realimentada por el transistor PNP para entrada de disparo mantiene el sistema en plena conducción, o sea, el SCR disparado. Para transistores comunes conectados en la forma indicada, la corriente que fluye entre el ánodo y el cátodo no puede ser muy grande, pues pasa por la base del transistor NPN que soporta, en general, corrientes intensas. Sin embargo, en la estructura final que se obtiene para un SCR, esta corriente puede ser mucho mayor y el dispositivo puede 159 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 controlar corrientes intensas. Esto significa que dos transistores conectados en la forma que usamos para dar las explicaciones son equivalentes sólo en términos funcionales del SCR pero no en términos prácticos, pues no pueden controlar corrientes elevadas. En la conducción plena el SCR presenta una pequeña caída de tensión entre el ánodo y el cátodo, del orden de 2 V, como muestra la figura 5. Figura 5- La caída de tensión en un SCR Esta caída de tensión se debe al hecho de que la corriente necesita pasar prácticamente por 3 empalmes al atravesar el dispositivo, cada uno produciendo una caída de tensión del orden de 0,7 V. Ahora bien, como la caída de tensión provoca la producción de calor, el dispositivo debe generar calor en una cantidad que depende de la intensidad de la corriente. Para una corriente de 3 160 NEWTON C. BRAGA ampères, por ejemplo, teniendo en cuenta que la caída de tensión es de 2V, tenemos una producción de calor de: P=2x3 P = 6 watts Ahora bien, teniendo en cuenta que los SCR pueden trabajar con tensiones muy altas, como por ejemplo conectados directamente a la red de energía, en el control de un dispositivo de 3 ampères (300 watts en la red de 110V), él "pierde" sólo 6 watts en calor, lo que es un excelente rendimiento. Pero, volviendo al SCR disparado, vamos a suponer que deseamos apagar el circuito de carga, es decir, "cortar" el SCR. Como hemos visto, una vez disparado el SCR se mantiene en esta condición incluso después de que el pulso que provocó su conducción haya desaparecido porque se mantiene realimentado. El corte de la retroalimentación no se puede hacer a través de la coma en los SCR comunes (Existen tipos especiales en los que es posible apagar por la coma). No sirve aplicar pulsos "invertidos" o recurrir a otros artificios que el SCR no se apaga. Para que el SCR "desconecte" la corriente entre su ánodo y el cátodo debe caer a un valor suficientemente bajo para que la retroalimentación deje de ocurrir. Hay dos formas de lograrlo, que en cierto modo son equivalentes: 161 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Una de ellas consiste en apagar por un momento la alimentación del circuito de modo que la corriente en el circuito caiga a cero. La otra consiste en cortocircuitar el ánodo con el cátodo por medio de un interruptor en paralelo con SCR de modo que la tensión caiga a cero y con ello la corriente, como muestra la figura 6. Figura 6 - Apagado de un SCR En los circuitos en que el SCR opera con corriente continua, apagarlo después del disparo puede ser un problema que exige uno de los recursos que citamos arriba. Sin embargo, si el SCR funciona en un circuito de corriente alterna, las cosas pueden ser más simples. De hecho, la tensión de la red de energía tiene una forma de onda senoidal y 120 veces en cada segundo que pasa por cero, como muestra la figura 7. 162 NEWTON C. BRAGA Figura 7 - El paso por cero (zero crossing) de la tensión alterna Esto significa que si el SCR está en un circuito de corriente alterna y se dispara en un punto determinado de un semiciclo, se mantendrá en conducción pero sólo hasta el paso siguiente por cero de la tensión alterna. Este comportamiento es muy interesante porque permite utilizar el SCR para controlar la potencia aplicada en cargas conectadas en la red de energía de una forma muy eficiente. El SCR puede ser disparado al inicio de un semiciclo de la tensión de la red de energía y así él conducirá hasta el paso siguiente por cero, dejando pasar buena parte de ese semiciclo conforme muestra la figura 8. 163 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 8 - Modos de disparo del SCR en un circuito de corriente alterna En estas condiciones, la carga conectada en su ánodo puede recibir la mayor parte de la energía de la red y así funcionar a plena potencia. Sin embargo, podemos provocar el disparo en el medio o al final del semiciclo, cuando entonces el SCR conduce menos, aplicando así menor potencia en la carga. Por el control del punto del disparo, podemos hacer que haya la conducción en diversos "ángulos" del semiciclo y así, controlar la 164 NEWTON C. BRAGA potencia de una carga. Esta es una aplicación muy importante de los SCR y que exploramos con frecuencia en nuestros proyectos. Sin embargo, el lector debe haber percibido que los SCRs son diodos y que por lo tanto sólo conducen la corriente en un sentido. Si están funcionando en un circuito de corriente continua no hay problema alguno, pues basta observar que la corriente controlada está de acuerdo con su polarización. Pero si la alimentación se realiza con tensión alterna, el SCR funciona como un rectificador que conduce sólo a la mitad de los semiconductores. Hay dos maneras de obtener el control de onda completa, es decir, la conducción en los dos semiciclos en caso de que se utilizan SCR. La primera consiste en utilizar dos SCRs en oposición, como muestra la figura 9 en (a). La segunda consiste en alimentar el circuito por un puente de diodos conforme muestra la misma figura en (b). 165 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 9 - Cómo obtener control de onda completa con SCR Tiristores: Otros dispositivos de la familia de los Tiristores o diodos de 4 capas son los Triacs, Diacs, SUS (Silicon Unilateral Switches), SBS (Silicon Bilateral Switches), PUT (Programmable Unijuntura Transistores) además del Quadrac. Todos estos dispositivos están destinados a una conmutación rápida en controles de potencia. Encontramos estos componentes en alarmas, fuentes conmutadas, inversores y en muchas otras aplicaciones. 166 NEWTON C. BRAGA LAS CARACTERÍSTICAS DE LOS SCRS Los SCR más comunes son los de la serie 106 que pueden tener designaciones como C106, TIC106, MCR106, IR106, etc, dependiendo del fabricante. Estos son SCRs muy sensibles, con una corriente de disparo del orden de 200 uA y tensión de disparo entre 1 y 2 volts. La corriente máxima que pueden conducir, dependiendo del fabricante puede variar entre 3 y 4 ampères, y las tensiones máximas, dependen de sufijos. Así, para los TIC106 de Texas Instruments y otros fabricantes que hacen el mismo componente, la letra después del TIC106 indica la tensión máxima a la que el componente puede ser sometido, que en el caso de la red de energía, corresponde a la tensión de pico. Tenemos entonces los siguientes casos de sufijos: TIC106-A = 100 V TIC106-B = 200 V TIC106-C = 300 V TIC106-D = 400 V Evidentemente, para la red de 110V lo indicado es el TIC106B y para la red de 220V lo indicado es el TIC106-D. Para los de la serie MCR106 de Motorola, la tensión de trabajo es dada por un sufijo numérico. Así tenemos: MCR106-1 = 30 V MCR106-2 = 60 V 167 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 MCR106-3 = 100 V MCR106-4 = 200 V MCR105-5 = 300 V MCR106-6 = 400 V Para la red de 110V lo indicado, por lo tanto el MCR106-4 y para la red de 220V el MCR106-4. La apariencia de estos SCR se muestra en la figura 10. Figura 10 - SCR comunes en las envolturas TO-220 Observe que estos componentes poseen características para la fijación en radiadores de calor. CONSEJO: Siempre es posible utilizar un SCR de tensión mayor (sufijo para tensión mayor) en una aplicación de tensión menor, sin problemas. Así, si un proyecto para la red de 110 V requiere un 168 NEWTON C. BRAGA TIC106B, en su defecto podemos perfectamente utilizar un TIC106D. Lo que no podemos hacer es lo contrario: usar un TIC106B en la red de 220 V que requiere un TIC106D. APLICACIONES No es difícil diseñar circuitos que utilizan SCRs, principalmente de la serie 106, si llevamos algunas de las características que analizamos en este artículo. Vamos a ver a continuación algunas aplicaciones tácticas que pueden ser usadas por el lector en sus proyectos de mecatrónica e incluso electrónica, sin problemas. a) CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA En los circuitos de corriente continua, la carga normalmente conectada en serie con el ánodo, como muestra la figura 11. 169 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 11 - Uso del SCR en un circuito de corriente continua La conexión de la carga en serie con el cátodo es posible, pero aumenta la tensión requerida para el disparo, lo que significa una reducción de la sensibilidad del dispositivo. Para el disparo, la tensión requerida es del orden de 1 a 2V y como la coma se asemeja en comportamiento a base de un transistor, podemos decir que tiene una impedancia media. Así, si el disparo se realiza directamente a partir de la tensión de la fuente, se requiere un resistor limitador para la corriente. Este resistor puede tener valores entre 1k ohmios y 100 k ohms. Esto significa también que los sensores resistivos se pueden conectar directamente a este electrodo para el disparo, como se muestra en la figura 12. Figura 12 - Uso de sensores resistivos 170 NEWTON C. BRAGA Para dejar el SCR en el umbral del disparo, un trimpot o un potenciómetro de ajuste se conecta entre la compuerta y la tierra. Los transistores de uso general NPN y PNP se pueden utilizar en el disparo del SCR según las configuraciones mostradas en la figura 13. Figura 13 - Disparo por transistores 171 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En el caso del transistor PNP el disparo pasa a ocurrir con pulsos negativos de entrada, o sea, cuando la base del transistor es llevada a tierra. En el segundo caso obtenemos el disparo con tensiones positivas. El transistor, en ambos casos, actúa como amplificador, aumentando la sensibilidad del SCR. Para disparar desde niveles lógicos obtenidos en las salidas de circuitos integrados TTL o CMOS usamos las configuraciones mostradas en la figura 14. Figura 14 - Disparo por circuitos lógicos Observe que es necesario que haya un campo común tanto para el SCR (normalmente conectado al cátodo) y para los circuitos lógicos. Sin ese campo común no hay retorno a la corriente de disparo y el circuito no funciona. 172 NEWTON C. BRAGA b) CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNADA En los circuitos de corriente alterna, necesito tomar dos cuidados para que ocurra un funcionamiento perfecto. El primero consiste en tener una polarización adicional de comporta, hecha con una resistencia entre la compuesta y el cátodo que evita el disparo del SCR por las corrientes de fuga. Lo que ocurre, como muestra la figura 15, es que, operando con tensiones más elevadas, normalmente de la red de energía, existe la posibilidad de la corriente de fuga del transistor NPN equivalente interno se vuelve suficientemente elevada para provocar la realimentación y con ello el disparo del SCR. Figura 15 - Polarización de puerta Una resistencia de valores entre 1k y 100k ohmios típicamente, desvía esta corriente evitando el disparo. Algunos SCR, 173 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 como los MCR106 poseen una fuga interna interna, por lo que pueden dispensar el resistor en cuestión, lo que no ocurre con los SCR de la serie TIC106. El otro cuidado es el de evitar que la compuesta sea polarizada negativamente cuando el ánodo se encuentre negativo en relación al cátodo, conforme muestra la figura 16. Si esto ocurre, puede haber daño al componente. Para evitar este problema, en los circuitos de corriente alterna, es conveniente conectar un diodo en la conducción que sólo permita la aplicación de pulsos positivos en este electrodo. 174 NEWTON C. BRAGA EL DIODO ZENER El diodo zener es uno de los componentes de la familia de los semiconductores de mayor importancia en la electrónica actual, a pesar de su simplicidad y antigüedad. Utilizado como regulador de tensión, protección de circuitos industriales y de consumo, en electrónica automotora y en la conformación de señales, el diodo zener es un elemento indispensable en una gran cantidad de proyectos. En este artículo, discutíamos un poco sobre este componente mostrando cómo funciona y de qué forma se utiliza en muchas aplicaciones prácticas importantes. Para entender lo que es un diodo zener debemos comenzar con una breve revisión de las propiedades de los empalmes semiconductores que forman un diodo común. Si tenemos una unión entre dos materiales semiconductores, uno del tipo P y otro del tipo N, el resultado será un dispositivo que tiene la propiedad de conducir la corriente en un solo sentido, como ilustra la figura 1. 175 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 1 - La junción PN Este dispositivo, así representado, es un diodo semiconductor común y tiene propiedades eléctricas muy importantes además de la de conducir la corriente sólo en un sentido. Si polarizamos este diodo en el sentido directo partiendo de cero volt, a medida que la tensión se eleva poco o nada conduce, pues necesitamos llegar a por lo menos 0,6 V (en los tipos de silicio), para que la oposición de la unión, denominada "barrera de potencial", sea vencida. Cuando la tensión se acerca a estos 0,6 V, el diodo comienza a conducir, y cuando supera ese valor, la conducción se vuelve más intensa, pues su resistencia disminuye acentuadamente. La conducción ocurre porque en la polarización directa los portadores de carga son "empujados" hacia la unión, ocurriendo entonces un proceso de recombinación que significa la unión de pares electroneshuecos que provocan la circulación de la corriente. Esto se muestra en la figura 2. 176 NEWTON C. BRAGA Figura 2 - Diodo polarizado en el sentido directo Por otro lado, si polarizamos el diodo en sentido inverso, los portadores de carga se alejan, y el resultado será una imposibilidad para la corriente circular. El diodo no puede conducir la corriente cuando se polariza en el sentido inverso, y lo poco que pasa es la denominada "fuga" que sólo se manifiesta por el hecho de que algunos pocos portadores de carga sean liberados con la agitación térmica de los átomos del material semiconductor. La figura 3 presenta un diodo polarizado en sentido inverso. 177 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Fig. 3 - Diodo polarizado en sentido inverso. Si representamos el comportamiento de un diodo semiconductor a través de una curva, tomará el aspecto dado en la figura 4. Figura 4 - Curva característica del diodo Tenemos entonces un cuadrante l en el que el diodo se polariza en el sentido directo y la corriente puede aumentar hasta 178 NEWTON C. BRAGA alcanzar el límite soportado por el componente. En el cuadrante IlI tenemos la polarización en el sentido inverso. En ese cuadrante no tenemos prácticamente la conducción de corriente alguna hasta que un punto importante de la característica sea alcanzado. Lo que ocurre es que si aplicamos una tensión en un diodo forzando más y más la conducción en el sentido inverso, llegará un momento en que él no apoyará más y, no consiguiendo impedir la circulación de la corriente, "se romperá". Cuando esto sucede, el diodo conduce repentinamente la corriente, pues su resistencia se reduce prácticamente a cero, conforme podemos observar en la propia figura 4a. Figura 4a - La tensión zener - característica del diodo zener En un diodo común, por ejemplo, un rectificador de silicio como el 1N4002, si llegamos a esta tensión de ruptura inversa (VRRM), el diodo se quemará, pero existen diodos especiales que 179 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 pueden funcionar en ese punto de la curva característica. Operando así, estos diodos tienen algunas otras características importantes que los hacen muy útiles en aplicaciones especiales conforme veremos a continuación. EL DIODO ZENER Se observa que si el componente no se destruye al ser polarizado inversamente con la tensión indicada, su resistencia se "adapta" al circuito de tal modo a mantener la tensión en el componente en un valor fijo. En otras palabras, el componente puede regular "la tensión en el circuito, manteniéndola en un valor fijo. Podemos, de esta forma, construir diodos especiales que son capaces de operar en ese punto de su curva característica y así mantener entre sus terminales, en una amplia gama de corrientes, la tensión estabilizada. La figura 5. Son los diodos zener y la tensión que se mantiene entre sus terminales se llaman "tensión zener". Por supuesto, el diodo zener necesita operar dentro de ciertos límites, pues teniendo en cuenta que en él se establece una tensión y que circula una corriente en el sentido inverso, el producto de esa tensión por la corriente significa calor generado, que debe ser disipado, según sugiere la figura 6. 180 NEWTON C. BRAGA Figura 6 - Disipación del diodo zener Si el componente no disipa ese calor, se calentará pasando más allá de los límites soportados por la unión y acabará por quemarse. Para usar el diodo zener sin peligro de quemarse, tenemos que hacer lo siguiente: Polarizamos el diodo en sentido inverso y conectamos en serie un dispositivo cualquiera (un resistor, por ejemplo) que pueda mantener la corriente dentro de límites seguros, observe la figura 7. 181 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 7 - Limitación de la corriente en el zener Si aplicamos al circuito una tensión mayor que la del diodo zener, él conducirá la corriente en cierta proporción y mantendrá entre sus terminales la tensión en un valor fijo, la tensión zener. Si alimentamos una carga, ésta debe ser conectada en paralelo con el diodo zener, y según ella necesite más o menos corriente, derivará esta corriente del diodo, pero se adaptará a esta condición, cambiando su resistencia para mantener la tensión constante. Podemos comparar el diodo zener a un resistor "automático" que reduce su resistencia "absorbiendo" más corriente cuando la carga reduce su consumo y la tensión tiende a subir, y que aumenta su resistencia cuando la carga exige más corriente y tiende a hacer la tensión caer. 182 NEWTON C. BRAGA DIODOS ZENER EN LA PRÁCTICA Los diodos zener se fabrican con varias tensiones que no se pueden cambiar. Si compra un diodo zener de 6V, sólo se puede utilizar como estabilizador de 6V. Los cambios se pueden realizar en el circuito con otros componentes para obtener otras tensiones, pero esto se verá más adelante. En el sitio tenemos varias tablas de diodos zener como los de las series BZX79, BZV60, BZTO3 y BZWO3, que se encuentran en diversas tensiones que son especificadas por un código añadido al propio tipo (Código Pro-Electron). Por ejemplo, el BZX79C3VO es un diodo zener de 0,5 vatios a 3,0 volts. El 3V significa tres volts el V VIRGULA cero. Observe que, en esta tabla, tenemos las corrientes y las tolerancias de estos componentes. Estas corrientes son importantes para determinar los circuitos en los que pueden operar. USANDO LOS DIODOS ZENER Para utilizar un diodo zener, debemos tener en cuenta la tensión y la corriente en el circuito para el cual deseamos mantener constante la tensión. 183 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Para efecto de ejemplo, supongamos que tenemos una fuente cuya tensión puede variar entre 4 y 6 volts, y que deseamos mantener constante en 3 V la tensión sobre una carga de 10 mA usando para ello un diodo zener, como muestra la figura 8. Figura 8 - Circuito práctico Nuestra preocupación principal será determinar qué diodo zener utilizar y, además. calcular el valor de la resistencia R que debe conectarse en serie. Entonces partimos de las condiciones extremas: Suponiendo que la tensión de la fuente sea mínima y que la carga no esté drenando corriente (l = 0), todos los 10 mA deben pasar por el diodo zener. En realidad, será interesante hacer circular en estas condiciones una corriente un poco mayor, como límite de seguridad para que el zener no opere "en vacío". Podemos adoptar 12 mA como valor seguro. Tenemos entonces que: R = (Vcc - Vz) / I Dónde: 184 NEWTON C. BRAGA Vcc es la tensión mínima de la fuente Vz es la tensión del diodo zener l es la corriente en el circuito. j: Aplicando los valores de nuestro ejemplo viene: R = (4 - 3)/0,012 R = 1/0,012 R = 83,33 ohms. Usamos el valor comercial más cercano, que es de 82 ohms. La disipación de ese resistor será dada por la condición de tensión máxima y corriente máxima, o sea: P=Vxl P = 3 x 0,012 P = 0,036 watts Observe que los 3 V en el resistor ocurren cuando la tensión máxima de entrada es de 6 V, y 3 V aparecen sobre el zener. Esto significa que, en este circuito, un resistor de 1/8 W sirve perfectamente. Veamos ahora la condición de corriente máxima en el diodo zener para verificar cuál deberá ser su disipación: Tenemos entonces: P = Vz x I Dónde: Vz es la tensión zener (3V) I es la corriente máxima (0,012 A) 185 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 P = 3 x 0,012 P = 0,036 W. Un zener de 0,5 W como el BZX79C3VO sirve perfectamente para esta aplicación. Si necesitamos controlar corrientes más intensas que la capacidad de un diodo zener, permite, podemos agregar transistores para hacer el servicio pesado. Una manera simple de conseguir corrientes de hasta 'unos 2 o 3 ampères es ilustrada en la figura 9. Figura 9 - Regulador con transistor La corriente que fluye por el resistor quedará dividida entre el zener y la base del transistor. La parte de ella que va a la base del transistor quedará entonces multiplicada por su ganancia, apareciendo en el emisor y, por lo tanto, en la carga. Se observa que, como existe una unión adicional para la cadena circular entre la base y el emisor, debemos prever una caída de tensión adicional de 0,6 V. Así, si el zener es de 12,6 V en un circuito como éste, la tensión en el emisor y consecuentemente en la carga será un poco menor: 12 V. 186 NEWTON C. BRAGA ¿Cómo calcular la resistencia R? Suponiendo una fuente de 12 V que emplea un transformador de 12 V con una corriente de 1 A y que el transistor elegido tiene una ganancia mínima de 40 veces. El diodo zener utilizado tiene una disipación de 1W. Comenzamos por determinar la corriente máxima en el diodo zener para la disipación indicada: Esta corriente será dada por: l = P / Vz I = 1/12 l = 0,083A o 83 mA. Para una operación segura, limitaremos la corriente en el proyecto a la mitad de este valor, es decir: 40 mA. La resistencia R será entonces calculada considerando que después de la rectificación y filtración de los 12 V del transformador, tenemos un capacitor de filtro cargado con la tensión de pico o: V = 12 x 1,41 V = 16,92 V Y, restando de los 16,92 V los 12 V del zener, sobran: V = 16,92 - 12 V = 4,92 V. Esta sobra es justamente la que va a aparecer sobre el resistor. 187 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Con esta tensión y más la corriente, podemos calcular el valor de R. R=V/l R = 4,92 / 0,083 R = 59 ohms. Usamos el valor comercial de 68 ohms. La potencia de esta resistencia debe ser de: P=VXI P = 4,92 x 0,083 P = 0,40 W. Por medida de seguridad utilizamos un resistor de 1 W. Teniendo en cuenta que la ganancia de corriente del transistor es de al menos 40 veces, podemos determinar la corriente máxima que esta configuración puede controlar sobre una carga, manteniendo la tensión de 12V. l = hFE x lz l = 40 x 0,083 l = 3,32 A. Evidentemente, el transformador no podrá suministrar toda esta corriente, pero eso significa que la fuente operará con "holgura" proporcionando corrientes de salida de hasta 1 A. Esta holgura nos permite incluso utilizar un valor mayor para R y con ello disminuir aún más la corriente en el diodo zener. En 188 NEWTON C. BRAGA realidad, los que deseen pueden iniciar por el procedimiento inverso, es decir, fijando en 1A la corriente de salida ya partir de ese valor calcular los demás. Para reducir aún más la corriente en el diodo zener y en el resistor en serie, una solución consiste en el empleo de un transistor Darlington, como vemos en la figura 10. Figura 10 - Uso de un transistor Darlington En este caso, será interesante partir para el cálculo de R directamente de la ganancia del transistor, determinando antes la corriente de base y en el zener, y en función de ella, cuál será el valor del resistor. OTRAS APLICACIONES Además de estabilizar la tensión en un circuito, el diodo zener también puede ser empleado en otros tipos de aplicaciones. En la figura 11 tenemos un diodo zener en una configuración usada para 189 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 evitar que la tensión de entrada en un circuito sensible supere un determinado valor que pueda dañarse. Fig. 11 - Diodo zener en un circuito de protección. En la figura 12 observamos otro circuito en el que el diodo zener comienza a conducir con cierta tensión, provocando el disparo de un SCR y, por lo tanto, de una carga que puede ejercer una cierta función. Se trata, pues, de un detector de sobretensión, donde la sobretensión es determinada por las características del diodo zener. Fig. 12 - El disparo del SCR pone en corto la fuente quemando el fusible. 190 NEWTON C. BRAGA Finalmente, tenemos en la figura 13 un circuito "segador" que, con la ayuda de diodos zener, modifica la forma de onda de una señal senoidal de baja la frecuencia, llevándolo a una forma casi rectangular, con límites bien definida. Los diodos se conectan en oposición a esta aplicación, y la tensión de segación será la tensión del diodo zener más 0,6 V, que es la tensión barrera de potencial de los diodos que están en serie. Observe que cada zener sólo conduce a uno de los semiciclos, y los diodos comunes impiden que los zener sean polarizados en el sentido directo. Figura 13 - Diodo zener segador SUPRESORES DE TRANSIENTES No obstante una de las aplicaciones para los diodos zener es como supresor de transitorios, existen otras en que componentes específicos pueden ser mejores tanto en desempeño como en el costo. Así, existen los TVS (Transient Voltage Supresor), que son diodos específicos para ese propósito y los varistores de óxido de zinc que pueden se encuentran principalmente en la protección de entrada de aparatos alimentados por la red de energía. 191 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 DIODOS COMUNES COMO ZENERS Cualquier diodo de silicio cuando se polariza en el sentido directo se comporta como un diodo zener de aproximadamente 0,6 V. La tensión necesaria para su conducción presenta cierta estabilidad y puede ser aprovechada como un zener improvisado, como muestra la figura 14. Figura 14 - Diodo común como zener Podemos entonces asociar diodos en serie para obtener tensiones múltiples de 0,6V, atendiendo a esa propia figura. Cuatro diodos comunes como el 1N4148 o el 1N4002 se pueden conectar en serie de forma que equivalga a un diodo zener de aproximadamente 2,4 V. 192 NEWTON C. BRAGA CONCLUSIÓN Lo que hemos visto aquí fueron algunas aplicaciones de los diodos zener más simples. Por lo que el lector debe haber percibido, podemos hacer mucho más cosas interesantes sobre la base de esos semiconductores, no quedando limitadas a fuentes de alimentación. Dejamos por cuenta de los lectores imaginar muchas otras aplicaciones. En el sitio, tenemos varios artículos que enseñan a hacer cálculos de circuitos que usan diodos zener, específicamente en la sección de matemáticas para la electrónica. 193 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 LÁSER - EL FANTÁSTICO RAYO DE LA MUERTE Conocido como rayo de la muerte, el LASER, en realidad, presenta una infinidad de aplicaciones pacíficas y en el campo de las comunicaciones se muestra altamente prometedor. Podemos decir que en la electrónica del futuro al hablar en comunicaciones la palabra clave será "LASER" tantas son sus aplicaciones en este campo. Si usted no sabe lo que es el láser, vea en este artículo lo que él reserva para la electrónica del futuro. Este artículo de 1981 es uno de los primeros que hice sobre el tema, cuando el LASER todavía era una novedad en términos de aplicaciones y los semiconductores apenas existían. LASER palabra viene de "amplificación Iight por emisión estimulada de radiación", que traducido al portugués nos lleva a "amplificación de la luz Peia emisión estimulada de radiación". En resumen, lo que el láser emite es luz, pero luz que se presenta de una forma poco común, una forma que no es conseguida por lámparas comunes, llama o incluso por el sol .. Tenemos una luz denominada coherente, una luz con propiedades fantásticas que el lector mejor podrá entender cuando analizamos su naturaleza. 194 NEWTON C. BRAGA LA NATURALEZA DE LA LUZ La luz producida por una lámpara común, una llama o por el sol está constituida por ondas electromagnéticas de corto longitud de onda y por lo tanto de frecuencia muy elevada. Nuestros ojos pueden "captar" estas ondas y la distinción que hacemos de los colores se debe a la capacidad que tenemos de diferenciar las frecuencias de una cierta banda de esas ondas, la banda que podemos ver y que corresponde, por lo tanto, al espectro visible. Cuando un cuerpo emite luz en que tenemos diversas frecuencias mezcladas, este cuerpo nos aparece con ser blanco. Una lámpara común emite luz blanca porque al ser calentado, su filamento produce longitudes de onda de una banda muy ancha (figura 1). 195 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 1 - Curva de emisión de una lámpara Entonces se ve que la naturaleza física de la luz es la misma de las ondas de radio comunes, de las ondas de TV o FM. Como estas ondas, la luz se propaga al vacío a una velocidad de aproximadamente 300 000 kilómetros por segundo. Colocando todos los tipos de ondas electromagnéticas conocidas en un gráfico obtenemos un espectro: el espectro electromagnético. En la parte inferior de este espectro, donde tenemos las mayores longitudes de onda y, por lo tanto, las menores frecuencias tenemos las ondas de radio comunes. Encima tenemos las microondas y luego los rayos infrarrojos. 196 NEWTON C. BRAGA En la parte superior del espectro tenemos los rayos gamma y finalmente los rayos cósmicos cuya frecuencia y energía se extienden hasta límites desconocidos. (figura 2) Figura 2 - El espectro electromagnético El láser produce ondas o luz en la banda que se extiende desde el infrarrojo al ultravioleta, y como sus ondas son electromagnéticas, en principio podemos decir que su utilización en las comunicaciones depende sólo de su frecuencia. Sus ondas tienen realmente la misma naturaleza de las ondas comunes de radio y se pueden utilizar con los mismos propósitos. Pero ¿por qué una lámpara común no puede ser usada como una estación emisora? Esto ocurre porque una lámpara común no emite ondas de una sola frecuencia. 197 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Su luz representa realmente un "ruido" en el que tenemos señales de una amplia gama de frecuencias mezcladas. Con el láser todo es diferente. Analizando de qué modo un cuerpo puede emitir luz llegaremos al funcionamiento diferente del láser. Cuando calentamos una barra de metal al fuego, sus átomos entran en rápida vibración haciendo que sus electrones salten de sus órbitas. Cuando un electrón salta, absorbe energía, y cuando vuelve a su posición normal, devuelve esta energía en la forma de una radiación. Conforme al salto que el electrón da, devuelve una cantidad bien definida de energía, la cual corresponde a una longitud de onda. Si el salto es pequeño, la frecuencia y la energía de la radiación emitida será baja, tendremos radiación infrarroja, por ejemplo. Si el salto es grande, la frecuencia y la energía serán más altas, y la radiación emitida será visible, por ejemplo, (figura 3). Figura 3 - Los saltos de energía 198 NEWTON C. BRAGA Cuando el metal está a una temperatura relativamente baja, los electrones saltan de la energía que se concentran en una banda de frecuencia más baja, y tiende a brillar con luz rojiza. Si lo calentamos más, los saltos pueden ser mayores concentrando energía en la parte central del espectro visible, y brillará con luz blanca. Si el calentamiento de la barra de metal es mayor aún, la mayor parte de los saltos de los electrones ocurrirá para emitir luz de la parte superior del espectro visible y el color que tendremos tenderá al azul. En la figura 4 mostramos un gráfico en el que tenemos la distribución de las frecuencias emitidas por un cuerpo calentado en función de su temperatura. Figura 4 - Emisión de cuerpos calentados A continuación, vemos que, al salto del electrón de un nivel de energía a otro, podemos asociar una cantidad bien definida de 199 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 energía y una longitud de onda a la luz emitida. La energía emitida en estas condiciones se hace por lo que denominamos "fotón". El salto de un electrón produce entonces un fotón que será una especie de "átomo" de luz. (figura 5) Figura 5 - Emisión cuántica En un pedazo de metal calentado, el color blanco de la luz producida es debida a los miles de millones de saltos dados por los electrones cada uno produciendo un fotón de una determinada frecuencia en la franja que depende de su temperatura, conforme la figura 4 muestra. Pero, si en un cuerpo calentado como una barra de metal, la luz emitida se distribuye de manera desordenada en un rango del espectro, o sea, no hay color definido, la luz es acromática, podemos forzar a los átomos a emitir luz de sólo determinadas longitudes de ola. 200 NEWTON C. BRAGA Ciertos materiales, cuando excitados, sólo permiten que sus electrones salten entre niveles de energía bien definidos. Cada especie de átomo posee sus niveles de energía para los electrones y por lo tanto cuando estos son excitados convenientemente, la emisión de luz se hace de manera determinada (figura 6). Figura 6 - Emisión selectiva Se basa en este hecho que el astrónomo puede, al analizar la luz de una estrella distante, producida por átomos excitados, saber exactamente cuál fue el tipo o tipos de átomos y, por lo tanto, 201 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 determinar la composición de esta estrella. La luz emitida por un átomo excitado es una especie de huella digital de este átomo (figura 7). Figura 7 - Análisis espectroscópico de la luz de una estrella Cuando aplicamos una diferencia de potencial del orden de 80 V en una lámpara de neón, el gas en su interior se ioniza. El resultado de esta excitación eléctrica es que hay la emisión de luz de una longitud de onda determinada correspondiente al color anaranjado. Tenemos entonces la emisión de luz monocromática (figura 8). 202 NEWTON C. BRAGA Figura 8 - Emisión de una lámpara de neón En resumen, las fuentes de luz comunes como las lámparas, un pedazo de metal calentado o el propio sol no son capaces de comportarse como emisores similares a los utilizados para las radiocomunicaciones. Son verdaderos emisores de ruidos, ya que sus frecuencias se extienden en una amplia franja y, además, sin la ayuda de recursos ópticos, la propagación de la luz se hace en todas las direcciones. Tenemos entonces fuentes incoherentes de luz, lo que no sucede con el láser. Si bien sólo el láser ideal puede ser considerado una fuente perfectamente coherente de luz, los láseres comunes se aproximan bastante de eso en la práctica. La luz coherente presenta varias propiedades interesantes que se manifiestan entonces en el láser. 203 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 a) Luz monocromática: Los láseres se construyen de tal manera que ocurren saltos bien definidos de los electrones en el momento de entregar su energía, lo que significa que sólo una frecuencia de luz es producida. Tenemos entonces la emisión de luz de un solo color, en una banda estrecha del espectro y con toda la energía disponible concentrándose en ella (figura 9). En lugar del transmisor de ruido, que esparce toda su energía en una amplia gama, tenemos el transmisor "bien sintonizado" concentrando su energía en una sola frecuencia. Figura 9 - El rango de emisión del láser ¿Cuál es la ventaja de ello? 204 NEWTON C. BRAGA Si utilizamos una lámpara común en un transmisor, por ejemplo, teniendo el receptor como una fotocélula tendremos muchos problemas para hacer un sistema de muchos canales (figura 10). Figura 10 - Sin sintonía posible 205 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Si dos lámparas se colocan en la misma línea visual del receptor, ya que ocupan todo el espectro transmitido, la fotocélula no tendrá medios para separar sus señales que entonces se mezclarán. Una franja de 50 millones de MHz hasta 5 mil millones de MHz ocupada sólo por una estación es sin duda un desperdicio. En el caso del láser, tenemos la emisión de luz en un rango muy estrecho, lo que nos permite usar con facilidad dispositivos ópticos para la separación de frecuencias, como muestra la figura 11. Figura 11 - Uso de un prisma para separar la luz de frecuencias diferentes Una emisión láser puede tener una banda de onda tan estrecha como 2 nm (nanómetros), lo que significa que sólo en la anchura del espectro visible caben 3 800 000 canales de TV de 8 MHz de ancho o 6 000 000 000 canales de voz de 5 kHz de anchura! Con un solo sistema transmisor y receptor podemos hacer la emisión simultánea de todas estas informaciones sin el peligro de mezcla! Y, por supuesto, tenemos que considerar que los Iasers 206 NEWTON C. BRAGA también se pueden utilizar en la banda del infrarrojo y del ultravioleta que son igualmente amplias. b) Directividad: Esta es otra característica importante de la luz emitida por el Iaser. Mientras que una luz común emite luz en todas las direcciones, e incluso usando equipo óptico bien elaborado no podemos obtener haces muy estrechos, el láser permite conseguir haces extremadamente direccionales. Un haz de luz con una abertura de 1mm en la salida del láser abre poco más que algunos centímetros a kilómetros de distancia del lugar de la emisión (figura 12). Figura 12 - Fractura estrecha Esto significa que podemos "atrapar" prácticamente toda la energía transmitida a kilómetros de distancia usando sólo un reflector o un equipo óptico apropiado de pequeñas dimensiones. 207 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Se piensa en usar este comportamiento del láser en la transmisión de energía de estaciones en el espacio para la tierra, en el futuro (figura 13). Figura 13 - Transmisión de energía a través del espacio c) Concentración de energía: Una lámpara común distribuye su energía por un amplio rango de frecuencias, como hemos visto. Si tomamos una pequeña muestra del espectro de esta lámpara, correspondiente a una anchura de banda muy estrecha, la cantidad de energía obtenida en esta pista será muy pequeña. 208 NEWTON C. BRAGA Si esta energía se utiliza en una transmisión de mensajes, su eficiencia será muy pequeña. Como el láser concentra toda la energía prácticamente en una sola frecuencia, su rendimiento en esta frecuencia es tremendamente mayor. (figura 14) Figura 14 - Concentrando energía La cantidad de energía obtenida por una fuente de luz puede ser dada en términos de su temperatura. Se calcula que para obtener, en una banda de frecuencias correspondiente a la del láser, la misma cantidad de energía, habría que calentar un cuerpo a una temperatura superior a 1 mil millones de grados! 209 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 d) Fase: Tenemos finalmente la posibilidad de obtener con láser, luz en fase. La producción de luz bajo condiciones de una cámara resonante, en la que se obtiene una onda estacionaria, hace que la emisión de un láser ocurra en fase, lo que no sucede con una fuente común, aunque sea monocromática, como una lámpara de neón o un LED, donde la radiación de la misma longitud de onda aparece desordenada en fase. (figura 15) Figura 15 - Emisión en fase El primer láser fue construido en 1960 y operado por científicos de Hughes Aircraft Company. Su corazón era un bastón de rubí (Al3O2) con características especiales de montaje (figura 16). 210 NEWTON C. BRAGA Figura 16 - El primer LÁSER Al ser estimulado por una fuente de luz externa, en el caso un potente tubo de flash, ocurría una fuerte absorción de energía por los átomos del material. Esta absorción era responsable de un salto de nivel de energía de los electrones. Situados en la condición de reposo, en el nivel 0 los electrones saltaban al nivel 1, absorbiendo con ello una cantidad de energía correspondiente a la de la luz verde. (figura 17) 211 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Figura 17 - Los saltos de energía Poco después, los electrones saltaban a un nivel más bajo, marcado por 2 en la figura 17, entregando parte de la energía absorbida bajo la forma de radiación infrarroja. Esta entrega de energía se hacía de manera algo desordenada. Con una cantidad de electrones en el nivel 2 mayor que la cantidad en el nivel 0 se tiene una "inversión de población" Cuando entonces uno de los electrones salta al nivel0 El naturalmente, entregando su energía, en la forma de un fotón de luz roja, este fotón puede fácilmente encontrar otro electrón en el nivel 2 también, forzándolo a entregar su energía. Tenemos entonces una especie de reacción en cadena en la que cada fotón liberado puede forzar lo siguiente, ocurriendo entonces una especie de "explosión" luminosa en el interior del rubí. Para que el proceso se mantenga en el material, antes de la liberación 212 NEWTON C. BRAGA de toda la energía absorbida, el rubí está moldeado para formar una "cámara resonante". En sus extremos existen dos espejos paralelos, uno más fino y otro más grueso, forzando así la aparición de una onda estacionaria. (figura 18) Figura 18 - Ondas estacionarias en el rubí Sólo con toda la energía liberada, la onda estacionaria con toda la fuerza "atraviesa" el reflejo más fino emergiendo del rubí en forma de un haz coherente, monocromático, perfectamente paralelo. Es el láser. Ver que, al pasar por el espejo, la luz no estropea nada y un nuevo pulso puede ser producido por un nuevo flash de las lámparas. El rubí permite obtener una radiación de longitud de onda igual a 6 943 A (1 A = 1 angstrom que equivale a 10 '° m o la millonésima parte del milímetro), correspondiente al color rojo. Además de los materiales sólidos, líquidos y gases pueden ser empleados en la fabricación de láseres. En la figura 19 tenemos la 213 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 estructura de un láser de CO2 (gas carbónico) con su fuente de alimentación. Figura 19 - Láser de CO2 Este láser puede emitir una potencia de 100 W en la forma pulsante y las investigaciones han permitido obtener potencias del orden de 100 000 W. Este tipo de LASER trabaja en la banda media del infrarrojo con una longitud de onda de 10 600 A. Para la electrónica, en especial, los Láser excitados por corriente, hechos de materiales semiconductores, presentan enormes posibilidades de aplicaciones prácticas. Son los Láser semiconductores, que ya se encuentran comercialmente disponibles, como el de arseniuro de galio (GaAs), el mismo material utilizado en la fabricación de los LED. 214 NEWTON C. BRAGA En realidad, los LED son fuentes de luz monocromáticas, aunque esta no es ni monocromática ni emitida en fase, pero estos componentes no están muy lejos de los modernos Láser ... Una estructura semiconductora puede emitir luz coherente desde que excitada por una corriente suficientemente intensa para producir la inversión de población. En la figura 20 tenemos un láser de este tipo, observándose que el propio material semiconductor tiene sus caras espejadas para conseguir la cavidad óptica resonante. Figura 20 - LASER semiconductor 215 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En la misma figura mostramos un LÁSER comercial de bajo costo que opera según este principio y que emite radiación en la banda del infrarrojo. El funcionamiento de este tipo de LASER se muestra en la figura 21. Figura 21 - Funcionamiento del láser semiconductor Si tenemos en el material semiconductor una corriente muy baja, pocos electrones serán liberados y la emisión de luz se hace de manera desordenada. Decimos que ocurre entonces una emisión espontánea y el dispositivo funciona como un LED común. Si la intensidad de corriente es suficientemente alta, ocurre la inversión de población con un mayor número de átomos excitados que en estado normal. 216 NEWTON C. BRAGA Los fotones liberados por los átomos excitados obligan entonces la liberación de nuevos fotones en los choques con otros átomos excitados, produciéndose el efecto LASER. Para que el efecto LÁSER sea logrado en estos semiconductores son necesarias corrientes muy intensas. Estas cadenas son del orden de 100 000 A / cm2, lo que para el caso de un láser común, de pequeñas dimensiones, ya significa una corriente tan fuerte como 50 A. El Láser de arseniuro de galio dopado con aluminio, común en el mercado, opera en el rango de los 7 000 a los 9 100, correspondiendo a la luz infrarroja. En la época en que el artículo fue escrito. Hoy tenemos tipos de diversos colores, de menor corriente y de bajo costo (LASER pointers) Los pulsos de más de 50 W se pueden conseguir en estos dispositivos semiconductores. APLICACIONES LASER puede aplicarse en una variedad enorme de dispositivos, como se mencionó al principio del artículo. En las comunicaciones, LASER admite la posibilidad de transmisión simultánea de miles de canales de TV o millones de canales telefónicos por un solo haz. Este haz puede ser enviado de un lugar a otro directamente por el espacio, o bien, en lugares donde la niebla o contaminación puedan dificultar su propagación a través de fibra óptica. 217 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 La gran cantidad de energía que puede ser transportada por un haz de LASER y la estrechez de su haz permiten realizar un hecho muy deseado por el hombre: la transmisión de energía de la fuente generadora a la fuente consumidora sin la necesidad de medio material. En la figura 22 mostramos un interesante proyecto para el futuro. Figura 22 - Generando y transmitiendo energía del espacio En un satélite en órbita alrededor de la tierra existe una superficie de muchos kilómetros cuadrados recubiertos con generadores solares. La energía de estos generadores es llevada en medio de un haz de rayos LASER, a la tierra, donde en una estación se convierte en electricidad para consumo. El fino haz de LASER cargando enorme cantidad de energía puede evaporar el más duro de los 218 NEWTON C. BRAGA metales haciendo cortes y agujeros perfectamente rectos con precisión increíble. Máquinas industriales de cortar y de perforar ya usan el haz de LASER. En la medicina, el haz de LASER, que se comporta exactamente como la luz puede ser usado como herramienta de corte en delicadas operaciones. Siendo reflejado por áreas claras y absorbidas por áreas oscuras, el láser puede, por ejemplo, ser utilizado en la cauterización de vasos sanguíneos en la vista, ya que en las áreas blancas, adyacentes al vaso que debe ser cauterizado, simplemente se refleja de modo disperso. Não sabemos o que nos revela para o futuro, em todos os setores da atividade humana, o LASER. Quem sabe em pouco tempo, LASER domésticos poderão ser usados como ferramentas, na detecção de intrusos, na fotografia, e em muitas outras aplicações que agora só estão nas pranchetas dos projetistas. Nota: El artículo es de los años 80. Desde entonces muchos descubrimientos de tecnologías que llevaron a nuevos tipos de láser cada vez más potentes posibilitar la aparición de aplicaciones no imaginadas en la época. 219 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 LOS RAYOS ULTRAVIOLETA ¿Qué clase de radiación es ésta? ¿Cómo podemos usarla? ¿Cómo podemos producir rayos ultravioleta? Todo esto se explica en este artículo. Los rayos ultravioleta, al igual que los rayos infrarrojos, encuentran una gran cantidad de aplicaciones prácticas en la electrónica, algunas muy interesantes. Nota: este artículo es de 1987. En el sitio se pueden encontrar otras versiones sobre el mismo tema. Todos saben que la luz visible es forma de radiación que consiste en ondas electromagnéticas de corto longitud de onda y que se propagan al vacío a una velocidad cercana a 300 mil kilómetros por segundo. De nada difiere la luz de las ondas de radio común, excepto por su longitud de onda menor y por su capacidad de ser detectada por los sensores naturales que son nuestros ojos. La luz blanca, en realidad, es una mezcla de todos los colores y cada color se diferencia por su frecuencia o, lo que es lo mismo, por la longitud de onda. Para medir las longitudes de onda de una radiación de tan alta frecuencia es común usar una unidad llamada Angstrom, cuya abreviatura es A, y que equivale a la millonésima parte del milímetro o 10-10 metros. En la figura 1 tenemos entonces una disposición que muestra las bandas de luz de diversos colores que podemos ver. 220 NEWTON C. BRAGA Figura 1 Pasando un haz de luz blanca (del sol, por ejemplo) por un prisma de cristal, las diferentes longitudes de onda se refractan de modo diferente, desviándose así a puntos distintos en un mamparo. Esto hace que la luz se descompone y aparezcan rayos de diversos colores. (figura 2) Figura 2 221 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En 1800 el físico inglés William Hershel, haciendo experimentos con un termómetro para verificar qué longitudes de onda de luz de diversos colores producían mayor o menor cantidad de calor, observó un hecho interesante: incluso colocando el termómetro debajo del punto donde incidía el último color visible, el rojo, aún había calentamiento, mostrando que alguna especie de radiación existía en aquel lugar. Esta radiación invisible para nosotros recibió el nombre de "infrarrojo" (infra = abajo, por tener menor frecuencia que el rojo) .figura 3. Posteriormente, en el año 1801, el científico alemán J. W. Ritter realizó una experiencia igualmente interesante envolviendo la luz descompuesta por un prisma. (figura 4) 222 NEWTON C. BRAGA Ritter colocó en el punto en que incidía la luz descompuesta por un prisma un pedazo de papel mojado en cloruro de plata. Como se sabe, el cloruro de plata se oscurece cuando expuesto a la luz, exactamente como una placa fotográfica. Cuando Ritter examinó el pedazo de papel, verificó con sorpresa que él había oscurecido incluso en un lugar que estaba más allá del último color descompuesto, el violeta, mostrando que allí había alguna especie de radiación incidiendo. Ritter llamó las radiaciones que incidían en aquel lugar de ultravioleta (ultra = más allá). Hoy sabemos que el espectro visible es sólo una parte muy pequeña del espectro que incluye todas las ondas electromagnéticas existentes. Así, debajo del rojo tenemos la banda muy amplia del infrarrojo, como muestra la figura 5, y por encima del violeta 223 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 tenemos no sólo los rayos ultravioleta, como también después los rayos X, los rayos gamma y finalmente los rayos cósmicos. Cuando nos desplazamos de izquierda a derecha en este gráfico, vamos encontrando radiaciones cada vez más "penetrantes" en el sentido de que sus unidades cargan más energía. Del mismo modo que usamos el átomo como "unidad" de materia, o sea, la menor partícula de materia, también usamos un término para indicar las menores porciones de energía: el quantum (en plural quanta). Así, los rayos ultravioleta son más energéticos que los rayos de luz visible porque sus "cuántas" de energía son mayores. El hecho de que la luz o radiación ultravioleta sea más energética que la luz común visible, y aún el hecho de que no la podemos ver , le confiere propiedades muy interesantes: 224 NEWTON C. BRAGA PROPIEDADES DE LA LUZ ULTRAVIOLETA Las propiedades básicas de los rayos ultravioleta son las mismas de la luz común como: propagación en línea recta con velocidad de 300 000 km por segundo en el vacío y posibilidad de atravesar ciertos objetos como, por ejemplo, el cuarzo. Ver que la radiación ultravioleta no puede atravesar muy bien el cristal común, pero puede pasar fácilmente por el cuarzo. Otras propiedades sin embargo son un poco diferentes y es de ellas que hablaremos a continuación: La primera propiedad interesante es la que hace que los rayos ultravioleta capaces de excitar determinados materiales obligándolos a emitir radiación de menor frecuencia. Tenemos entonces una fluorescencia. (figura 6) Incidiendo en ciertos materiales, la radiación ultravioleta logra desplazar electrones de los átomos, los cuales saltan hacia niveles superiores de energía, o sea, hacia órbitas más alejadas de los núcleos. 225 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Cuando los electrones vuelven al nivel original no lo hacen en un solo salto, sino en dos saltos que corresponden a emisiones de radiaciones de menor energía. El resultado es que una de estas energías o incluso las dos pueden corresponder a la luz visible. Así, haciendo incidir un haz de rayos ultravioleta en un material de éstos, él "convertirá" la radiación ultravioleta en luz visible, brillando en la oscuridad, pues no podremos ver la fuente original (figura 7) Un ejemplo de este fenómeno es bien conocido de los lectores que frecuentan bailes: la luz negra. La luz negra es simplemente una lámpara de ultravioleta. Incidir en ciertos objetos como, por ejemplo, ciertas fibras de ropa (camisetas), en los botones, dientes, etc. se produce el fenómeno de la fluorescencia y los objetos se vuelven brillantes en la oscuridad! Lo poco que podemos ver de la "luz negra" es una pequeña parte de radiación que cae en la región de la luz violeta y que podemos percibir. 226 NEWTON C. BRAGA La luz ultravioleta por su elevada energía puede también estimular reacciones químicas e incluso causar daño a los seres vivos cuando en gran cantidad. Usamos poderosas fuentes de luz ultravioleta para acelerar procesos químicos, pues la energía actuará directamente sobre las moléculas de las sustancias que deben reaccionar. En el caso de los seres vivos, la alta energía de esta radiación puede causar la destrucción de las moléculas orgánicas vitales para los seres vivos. Un baño de radiación ultravioleta puede matar bacterias de un alimento, siendo esta usada como bactericida. El Sol es una fuente poderosa de rayos ultravioleta. Sin embargo, la mayor parte de estos radios es bloqueada por la propia atmósfera que es casi opaca a esta radiación. (figura 8) Así, entre las 10 de la mañana y dos de la tarde, cuando el Sol se encuentra alto en el horizonte, tenemos una penetración mayor de 227 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 los rayos ultravioleta, lo que no ocurre cuando el Sol se encuentra más bajo en el horizonte. Es por este motivo que los baños de Sol en este horario son peligrosos pudiendo causar quemaduras: la radiación ultravioleta es perjudicial cuando en gran cantidad. FUENTES DE ULTRAVIOLETA Además del Sol, existen diversas fuentes de rayos ultravioleta, algunas de las cuales a nuestro alcance. Una de ellas es la lámpara fluorescente de rayos ultravioleta que consiste en uno. tubo lleno de gas que se ioniza cuando una corriente eléctrica lo recorre. (Figura 9) Nota: hoy podemos contar con LEDs ultravioleta, como explicamos en montaje de linterna en este mismo sitio. La ionización lleva los electrones a niveles superiores de energía y, al volver al 228 NEWTON C. BRAGA nivel normal, provocan la emisión de radiación, una buena parte en el espectro de la radiación ultravioleta. Basta entonces cubrir el cristal de esta lámpara con una sustancia que dé paso a esta radiación, bloqueando las demás que eventualmente estén en el espectro visible para que tengamos una fuente de rayos ultravioleta. Los cuerpos calientes también emiten radiación ultravioleta, si bien, como muestra la figura 10, el espectro en esta franja se corresponde con una energía total muy pequeña. Hay entonces lámparas incandescentes para ultravioletas, hechas con vidrios especiales que facilitan el paso de este tipo de radiación. 229 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 USOS DEL ULTRAVIOLETA Además de las propiedades bactericidas, la luz ultravioleta también puede usarse para borrar memorias (EPROM) de computadoras, en el análisis de alimentos, minerales, tejidos, papeles, dinero aplicaciones que analizar en nuestro artículo de portada. 230 NEWTON C. BRAGA LOS VARICAPS Diodos de sintonía, diodos de capacitancia variable, varicaps o cualquiera que sea el nombre dado a este componente, su aplicación en electrónica es extremadamente importante en nuestros días. Con la posibilidad de sustituir el pesado y caro capacitor variable por un dispositivo semiconductor que puede ser controlado directamente por circuitos externos, la sintonía de receptores, transmisores y osciladores se vuelve mucho más simple. En este artículo, veremos, de manera bastante didáctica, cómo funcionan los Varicaps, mostrando algunos tipos comerciales de ejemplo y hasta los circuitos en que se utilizan.: Los circuitos de sintonía de la mayoría de los receptores se forman por una configuración tradicional en la que una bobina se conecta en paralelo con un capacitor, como se muestra en la figura 1. 231 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 La frecuencia de la señal que puede ser sintonizada por este circuito, es decir, la frecuencia de resonancia es dada por los calores de la inductancia de la bobina y por la capacitancia del capacitor, según la siguiente fórmula: Para que podamos variar la frecuencia de sintonía de un circuito de este tipo existen dos posibilidades: utilizar una bobina o inductor variable o un capacitor variable. La inductancia de una bobina puede ser variada en un cierto rango de valores por el desplazamiento del núcleo en su interior, pero éste no es un proceso muy práctico, siendo utilizado sólo en los casos en que se desea un cambio en un margen muy estrecho de frecuencias. 232 NEWTON C. BRAGA La sintonía por el ajuste del núcleo es más usada en los casos en que se necesita un ajuste único de la frecuencia de resonancia, como por ejemplo en transformadores de FI, bobinas osciladoras, etc. Para estas bobinas tenemos un ejemplo dado en la figura 2. En el caso del capacitor, podemos tener dos salidas: variaciones pequeñas conseguidas con "trimers" o "padders" o variables de pequeños valores de capacitancia o aún grandes variaciones con variables de mayor capacitancia, como se muestra en la figura 3. 233 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En estos componentes, la variación de la capacitancia tanto puede ser obtenida por el alejamiento o aproximación de las placas (armaduras) como por su movimiento paralelo, interpenetrando conforme muestra la figura 4. En esta figura tenemos una variable común con las armaduras móviles todas abiertas, en cuyo caso tenemos una superficie de desfibrilación pequeña (efectiva) lo que significa la posición de menor capacitancia y luego las armaduras móviles todas cerradas, en 234 NEWTON C. BRAGA cuyo caso tenemos la defrontación máxima y por lo tanto máxima capacidad. Observe que, en todos los casos, el cambio de la frecuencia es hecho por acción mecánica: giramos un núcleo, un tornillo o aún un eje de control. Con la utilización de dispositivos semiconductores en circuitos resonantes se abre una nueva gama de posibilidades de control de frecuencias. LOS VARICAPS Cuando se polariza un diodo común en sentido inverso, como muestra la figura 5, los portadores de carga se alejan de la unión, disminuyendo la intensidad del fenómeno de la recombinación por la conducción, responsable de la conducción del componente: no hay corriente entre el ánodo y el cátodo y el cátodo la región de la unión aumenta de espesor. 235 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Los portadores de carga acumulados en el material y separados por una región aislante corresponden a una estructura muy similar a la de un capacitor común: el lugar donde quedan las cargas acumuladas corresponde a las armaduras del capacitor y la región en que no tenemos la conducción, la unión corresponde al dieléctrico. En un capacitor común, la capacitancia obtenida depende de 3 factores: a) tamaño de las armaduras, es decir, su superficie efectiva. b) distancia de separación entre las armaduras c) material de que se hace el dieléctrico (constante dieléctrica). 236 NEWTON C. BRAGA En un diodo polarizado en sentido inverso la capacitancia presentada dependerá entonces del tamaño del material semiconductor usado (armaduras), de la separación entre las regiones en que las cargas se acumulan y la constante dieléctrica del material semiconductor usado (silicio), como muestra la figura 6 . En los capacitores comunes, todos estos factores son fijos y en un capacitor variable podemos alterar la distancia de separación entre las armaduras o aún su superficie efectiva. En un diodo, sin embargo, existe un factor que puede ser alterado a partir de una acción exterior que es la distancia entre las armaduras. Como, en realidad, las armaduras de este capacitor "ficticio" que existen en el diodo están formadas por portadores de carga que pueden moverse en el interior del material, podemos alejarlas o 237 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 acercarlas por la acción de un campo eléctrico, o sea, aplicación de una tensión externa. Si el diodo está apagado (tensión nula entre el ánodo y el cátodo), los portadores de cargas de las armaduras se atraen y sólo si no se recombinan totalmente porque existe una barrera de potencial en la unión. Su distancia es entonces mínima y la capacitancia presentada por el componente es máxima, como se indica en la figura 7. Aplicando una tensión en el sentido inverso, a medida que su valor aumenta, va ocurriendo una separación gradual de las "armaduras" o portadores de carga, lo que hace que la capacitancia del dispositivo también disminuya de valor. La máxima tensión que el diodo admite en el sentido inverso determina la menor capacitancia que podemos lograr del diodo, como muestra el gráfico típico de un diodo en la figura 8. 238 NEWTON C. BRAGA Los diodos comunes no son apropiados para la utilización en un circuito resonante, porque su rango de variación de capacitancias no es muy grande y, además, pueden ocurrir problemas de respuesta en la operación en frecuencias muy altas. Sin embargo, utilizando técnicas especiales, se pueden construir diodos cuyas características que importan en este caso, es decir, la capacitancia entre las regiones semiconductores y la respuesta a frecuencias elevadas, sean resaltadas lo que da origen a una familia importante de componentes: los varicaps. En la figura 9 tenemos los símbolos adoptados para representar los varicaps. 239 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En la mayoría de los casos, la mayoría de las personas que sufren de esta enfermedad, se encuentran en la mayoría de los casos. receptores AM. Lo importante en estos diodos es la relación que existe entre la capacitancia máxima y mínima, pues esta relación va a determinar la anchura de la banda que puede sintonizar cuando se utiliza en un circuito de sintonía. Diodos con bandas similares a los capacitores variables comunes permiten que la sustitución sea casi directa, tanto en el diseño de receptores de AM como FM. Philips Components (*) posee una amplia gama de varicaps que se pueden encontrar en radios, televisores, walkmans y muchos otros aparatos comerciales. En la tabla siguiente damos las características de algunos diodos de sintonía o varicaps fabricados por Philips Components. (*) En la época que lo artículo fue escrito. Philips no sirve más como referencia 240 NEWTON C. BRAGA Zetex también tiene varios diodos varicaps. Observe que las características dadas se refieren a la tensión en el sentido inverso (Vr) ya la capacitancia mínima que se obtiene con la tensión más baja, normalmente entre 0,5 y 4 volts. Además, tenemos el rango de capacitancias que pueden ser obtenidas dada por la relación entre el valor máximo y el valor mínimo de esa magnitud bajo determinación condición de operación. Para el BB112, por ejemplo, observamos que la capacitancia máxima es 18 veces mayor que la capacitancia mínima, cuando la tensión aplicada varía entre 1 y 9 volts. Las envolturas de estos diodos se muestran en la figura 10. 241 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 APLICACIONES La utilización de un varicap en un circuito de sintonía no se realiza simplemente por su colocación en lugar de la variable. Teniendo en cuenta que el diodo necesita ser polarizado con una cierta tensión y que la bobina que forma el circuito resonante consiste en un recorrido de baja resistencia para corrientes continuas o cortocircuito, no basta usar el diodo como muestra la figura 11. 242 NEWTON C. BRAGA La tensión aplicada en el diodo, en este caso, sería cortocircuitada por la bobina, no habiendo posibilidad de funcionamiento. El circuito para la utilización práctica de un varicap debe ser el mostrado en la figura 12. Un capacitor fijo se conecta en serie con el diodo, para evitar la desviación de la corriente a través de la bobina. Este capacitor debe tener un valor suficientemente alto en relación al rango de capacitancias del varicap para no influir en su rango de sintonía. El capacitor usado típicamente es al menos 10 veces mayor que la capacitancia máxima del varicap que va a ser usado en el circuito. En un circuito de sintonía convencional, la tensión aplicada al diodo puede venir de un potenciómetro común o trimpot que entonces sustituye el capacitor variable en la elección de la estación que se desea sintonizar. Sin embargo, cualquier fuente de tensión se puede utilizar para hacer la sintonía de este circuito. 243 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En la figura 13 tenemos un circuito de sintonía de TV en el que los canales se seleccionan a partir de controles digitales que activan las salidas de un circuito integrado. Cada salida del circuito integrado posee un trimpot de ajuste que fija el nivel de tensión a ser aplicado en el varicap y por lo tanto cuál es la frecuencia de la estación que debe ser sintonizada. Este mismo tipo de circuito se puede utilizar en un oscilador en el que las frecuencias se preajustan o en una radio en la que se pueda realizar la preselección de las estaciones que serán elegidas por toques en sensores o por un mando a distancia. En la figura 14 tenemos un oscilador experimental que puede ser usado para ajustar 244 NEWTON C. BRAGA receptores de FM o incluso como un transmisor experimental con el micrófono de eletcreto aplicando la señal a la base del transistor. En este circuito, a través de un potenciómetro, variamos la tensión aplicada a un varicap y con ello la frecuencia de la señal producida. MODULACIÓN Una aplicación importante de los varicaps es en la modulación de una señal de RF en frecuencia, obteniéndose así una señal de FM, como sugiere el circuito de la figura 15. 245 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En este circuito, una señal de audio se aplica a un varicap de modo que su capacitancia varíe al mismo ritmo que la señal de baja frecuencia. El resultado obtenido es un desplazamiento de la frecuencia del circuito sintonizado que pasa a seguir la frecuencia de la señal de audio, es decir, hay una modulación en frecuencia. La amplitud de la señal de audio puede ser ajustada por un trimpot, obteniendo así un ajuste de la profundidad de modulación, como muestra la figura 16. 246 NEWTON C. BRAGA Un circuito de este tipo puede ser utilizado en la modulación en frecuencia de un pequeño transmisor experimental para el rango de FM entre 88 y 108 MHz, conforme diagrama mostrado en la figura 17. 247 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – La frecuencia de Volumen 1 funcionamiento de este circuito (fundamental) es dada por L1 y por el ajuste de CV. El ajuste de CV debe ser hecho para que el transmisor opera en un punto libre del rango de FM entre 88 y 108 MHz. En función de la señal que viene del micrófono, el varicap cambia su capacitancia y con ello cambia la frecuencia de operación del circuito proporcionando un cierto nivel de modulación. Este nivel puede ser ajustado en el trimpot de manera sensible para obtener el máximo rendimiento del discriminador del receptor, sin distorsión del sonido, debida a sobremodulación. El alcance del transmisor está en el rango de 50 a 100 metros, dependiendo de las condiciones locales de propagación. El acoplamiento de la antena en una toma obtenida experimentalmente permite lograr una buena estabilidad de funcionamiento. Podemos utilizar este transmisor como un buen micrófono volante. 248 NEWTON C. BRAGA CONOZCA EL DIODO TUNNEL Un componente extremadamente simple, con características de resistencia negativa puede ser usado en circuitos de altísimas frecuencias. De esta forma podemos definir el diodo tunnel que será explicado en este artículo. Además de analizar su principio de funcionamiento daremos diversos circuitos prácticos que van a sorprender a los lectores por su simplicidad. El diodo tunnel, como el nombre dice, es un diodo pero con características de resistencia negativa que permiten su utilización en circuitos semejantes a los osciladores de relajación con transistores unijuntura o lámparas de neón. Sin embargo, los diodos tunnel tienen algo más: pueden oscilar en frecuencias superiores a 1 Gigahertz lo que los hace especialmente indicados para circuitos de altísima frecuencia. Si bien los diodos tunnel no son componentes comunes, la posibilidad de utilizar estos componentes en proyectos puede ser interesante cuando la exigencia principal es simplicidad en circuitos de frecuencias muy altas. 249 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 COMO FUNCIONA En la figura 1 tenemos el símbolo comúnmente adoptado para representar el diodo tunnel. (figura 1) Sus propiedades de resistencia negativa vienen de la utilización de una capa de depleción ultra fina en la unión que dota el componente de características de resistencia negativa. El nombre del componente viene del hecho de que a diferencia de los demás semiconductores en que la resistencia de la barrera de potencia depende hasta cierto valor de la tensión aplicada, existe un punto en que esos portadores encuentran como un túnel por donde pueden pasar con facilidad, resultando así en una curva característica que se muestra en la figura 2. 250 NEWTON C. BRAGA Así, cuando aplicamos una tensión en el sentido directo el componente se comporta como un diodo común hasta el instante en que alcanza el punto A. Este punto ocurre con algunas decenas de milivolts para los diodos tunnel comunes y se denomina "punto de pico". Sin embargo, a partir de este punto cuando la tensión aumenta, en lugar de la corriente también aumentarla disminuye abruptamente hasta el denominado punto de valle mostrado en B. En este tramo tenemos entonces un comportamiento "anormal" para el componente que pasa a presentar una resistencia negativa. Recordamos que la resistencia en el gráfico en cuestión es la cotangente del ángulo que la curva característica presenta en el punto visado y en este caso tenemos valores negativos para el tramo entre A y B. A partir del punto B el aumento de la tensión nuevamente causa el aumento de la corriente cuando entonces el componente 251 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 pasa a presentar un comportamiento semejante a los demás componentes electrónicos. Sin embargo, lo importante de la característica de resistencia negativa que este componente presenta y que es similar a los transistores unijunción y de la propia lámpara neón es que el diodo tunnel puede ser utilizado en osciladores de relajación e incluso amplificar señales. Como la acción del diodo tunnel es extremadamente rápida, lo que no ocurre que lámparas de neón y transistores unijuntura cuya velocidad de operación limita su aplicación a circuitos de no más de decenas de kilohertz, los diodos tunnel se pueden utilizar en circuitos de altísima frecuencia superando fácilmente los 1 000 MHz o 1 GHz. Algunas de las aplicaciones de los diodos tunnel sobre la base de lo que hemos visto se muestran a continuación: OSCILADOR DE VHF / UHF CON DIODO TUNNEL Como hemos visto, las características de resistencia negativa del diodo tunnel hacen que este componente sea ideal para su utilización en osciladores. El circuito mostrado en la figura 3 es un ejemplo en el que, con el diodo usado, se pueden generar señales de una frecuencia de hasta 1,6 GHz. 252 NEWTON C. BRAGA En realidad, dependiendo del valor de L1 y C2 que determinan la frecuencia del circuito, podemos hacerlo oscilar en una banda que va de pocos kilohertz hasta más de 1 GHz. Para una bobina formada por 2 espiras de hilo 22 sin núcleo en forma de 0,5 cm de diámetro y un capacitor de 2,2 pF las frecuencias de oscilación pueden quedar entre 100 y 200 MHz. Observe sin embargo que el punto de túnel de los diodos de este tipo ocurre en una tensión muy baja de ahí la alimentación se hace con sólo 1,5 volts y existe un ajuste hecho por P1 para encontrar un punto intermedio entre el pico (A) y el valle (A) B) en el gráfico de la figura 2 que lleva el circuito a la oscilación con mayor intensidad. Este es el único ajuste de este tipo de circuito y que se puede hacer con un osciloscopio conectado a la salida del oscilador. Recuerde que el trimpot o el potenciómetro de ajuste debe ser del tipo de hilo. 253 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Los capacitores deben ser cerámicos y la intensidad de la señal es bastante pequeña exigiendo una amplificación en función de la aplicación. OSCILADOR A CRISTAL El circuito mostrado en la figura 4 puede generar frecuencias que van desde algunos cientos de kilohertz hasta varios megahertz. El capacitor C2 junto con L1 debe calcularse para formar un circuito resonante en la frecuencia del cristal. El ajuste de este circuito de modo fino para obtener el mayor rendimiento se realiza a través del núcleo de la bobina. La señal se toma de L2 que consta de algunas espiras sobre L1, según la frecuencia de la señal. El ajuste del punto de funcionamiento se realiza de la misma forma que en el circuito anterior. El potenciómetro P1 (de hilo) debe ser llevado a un punto en que la tensión en el diodo túnel quede entre 254 NEWTON C. BRAGA los puntos A y B de su curva característica lo que lo lleva a la oscilación. Este ajuste se puede hacer fácilmente con la conexión de un osciloscopio en la entrada de señal. basta con ajustar P1 para obtener la señal con máxima intensidad en la salida y luego retocar este ajuste en el núcleo de la bobina. En algunos casos puede ser necesario encender y apagar el circuito algunas veces para obtener la salida del oscilador durante el proceso de ajuste. Una vez ajustado para el mejor rendimiento, la posibilidad de no conseguir la partida será minimizada. OCILADOR DE RF CONTROLADO POR TENSIÓN El circuito de la figura 5 genera señales entre 7 y 15 MHz siendo la frecuencia controlada por la tensión de entrada según la tabla de valores dadas junto al diagrama. 255 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Un diodo de capacitancia variable (varicap se utiliza) y los valores de la tabla son para el tipo 1N2939. Sin embargo, equivalentes como el BB109, BB809 o cualquier otro pueden ser usados, debiendo el lector hacer el levantamiento del nuevo rango de frecuencias producidas. Un osciloscopio se puede utilizar para este propósito. XRF1 es un choque de RF que debe tener una resistencia óhmica no mayor que 7 ohmios. L1 tiene 2 uH de inductancia o aproximadamente 30 espiras de hilo 28 en un bastón de ferrita de 0,8 a 1 cm de diámetro y 10 cm de longitud. Los capacitores deben ser todos cerámicos y los procedimientos para ajustes son similares a los dos proyectos anteriores. Para la prueba de funcionamiento y ajustes iniciales la tensión en el terminal de control puede ser nula. 256 NEWTON C. BRAGA El rango de tensiones de control de este circuito depende del diodo varicap utilizado. CONVERSOR DE ONDAS CORTAS El simple circuito mostrado en la figura 6 convierte señales de la banda de onda corta entre 3 MHz y 30 MHz en señales de la banda de ondas medias que se pueden captar en un receptor común de 550 a 1600 kHz. La sintonía se realiza en CV que junto con L1 deben cubrir el rango de frecuencias deseado. Para el rango de 3 a 7 MHz, por ejemplo, enrolle 30 espiras de hilo 28 en un bastón de ferrita de 10 cm y sobre ella 10 espiras para formar L2. Para el rango de 7 a 15 MHz enrolle 15 espiras de hilo 28 en un bastón de ferrita de 10 cm y sobre esta bobina 5 espiras para 257 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 formar L2. Para el rango de 15 a 30 MHz enrolle 12 espiras. El capacitor CV puede ser cualquier variable de radio de onda media o corta con capacidad máxima en el rango de 180 a 300 pF. El valor máximo del capacitor utilizado determinará el rango de cada bobina. El lector debe hacer experimentos cambiando las espiras de la bobina según la banda que debe ser cubierta y el capacitor usado. L3 junto con el capacitor C1 forman el oscilador local. Esta bobina puede ser similar a L1 para las diversas pistas y eventualmente se puede cambiar para cubrir las pistas deseadas. T1 es una bobina osciladora de radio de AM que se debe ajustar a algo alrededor de 1 200 kHz o una frecuencia libre de la banda de ondas medias para la que se debe sintonizar la radio. El ajuste debe efectuarse inicialmente para que el circuito oscile lo que se logra a través de P1 y utilizando un osciloscopio u otro medio. Después se ajusta CV y el núcleo de T1 para obtener la sintonía de las pistas deseadas. Eventualmente pueden ser necesarios cambios en la bobina L3 o aún puede ser usado para C1 a otra sección de la variable caso en que L3 debe ser ajustable. 258 NEWTON C. BRAGA RECEPTOR REGENERATIVO El interesante circuito que presentamos en la figura 7 puede sintonizar estaciones en la franja que va de 200 kHz a 30 MHz según la bobina usada. Por supuesto, dada la pequeña potencia de la señal de salida, se debe utilizar un buen amplificador de audio. Sugerimos una configuración con el LM386 o el TDA2002 para un buen receptor experimental. La bobina se debe enrollar según la siguiente tabla: 200 - 600 kHz - L1 - 5 vueltas de hilo 28 o 30 sobre L2. L2 - 220 vueltas de hilo 28 a 30 forma de 1 cm de diámetro con toma en la centésima espira desde el lado de tierra. 600 a 1 600 kHz - L1 - 5 vueltas de hilo o 30 sobre L2. L2 - 100 vueltas de hilo 28 ó 30 en forma de 1 cm de diámetro con toma en la 50a espira. 259 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 1 600 a 3 500 kHz - L1 4 espiras de hilo 30 o 28 sobre L2 L2 - 60 espiras de hilo 28 ó 30 en forma de 1 cm de diámetro con toma en la 30a espira 3,5 a 9 MHz - L1 - 4 espiras de hilo 28 o 30 sobre L2 L2 - 25 vueltas de hilo 28 o 30 en forma de 1 cm de diámetro con toma en la 12a espira 9 a 15 MHz - L1 - 3 espiras de hilo 28 o 30 sobre L2. L2 - 11 vueltas de hilo 28 ó 30 en forma de 1 cm de diámetro con toma en la quinta espira. 15 a 30 MHz - L1 - 2 espiras de hilo 28 o 30 sobre L2 L2 - 6 espiras de hilo 28 ó 30 en forma de 1 cm de diámetro con toma en la tercera espira La forma puede ser un tubo de cartón sin núcleo montado en un enchufe de 5 pines. La variable puede tener capacidades máximas entre 180 y 360 pF. La banda de capacitancia de la variable determinará la banda de sintonía del circuito pudiendo haber buenas diferencias en función de estos valores lo que puede ser compensado alterando las espiras de las bobinas. Los valores de los sindicatos anteriores son para una variable de 360 pF aproximadamente de capacidad máxima. El ajuste del funcionamiento se hace de la misma forma explicada en los proyectos anteriores. El transformador T1 puede ser 260 NEWTON C. BRAGA un pequeño transformador de salida encontrado en radios transistorizados antiguos. TRANSMISOR El transmisor mostrado en la figura 8 puede utilizarse para el entrenamiento de la telegrafía o un transmisor de corto alcance de un sistema de control remoto mono-canal. L1 m conjunto cm o C1 deben resonar en la frecuencia del cristal. La bobina L1 se debe enrollar con un hilo no muy fino para no presentar resistencia óhmica mayor que 5 ohmios. Para un cristal del rango de 27 MHz la bobina L1 puede tener valores entre 0,2 y 0,4 uH y la antena es del tipo telescópico. 261 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 El punto de funcionamiento entre los puntos A y B de la curva característica del diodo tunnel se puede encontrar conectando a la salida del circuito un osciloscopio. 262 NEWTON C. BRAGA CONOZCA EL TVS (Transient Voltage Suppressor) El uso de dispositivos sensibles en equipos electrónicos requiere cuidados especiales en la protección contra transitorios y brotes que pueden llegar por la línea de alimentación. Un dispositivo de importancia vital para la protección de circuitos contra transitorios es el TVS o Transient Voltage Suppresor (Supresor de Tensión Transitoria). En este artículo explicamos lo que viene a ser este componente, su utilización y cómo analizar sus especificaciones técnicas.. Una manera simple de evitar que los transitorios (pulsos de alta tensión y corta duración) venidos por la red de energía lleguen a los circuitos alimentados, es cortarlos con la ayuda de algún dispositivo que entre en conducción bajo cierta tensión. Aunque los diodos zener comunes se pueden utilizar en algunos casos, no son los dispositivos apropiados para este propósito, tanto por su velocidad de respuesta como por la cantidad de energía que pueden manejar. Para cumplir esta función, sin embargo, se pueden utilizar diodos zener con características especiales, con la capacidad de trabajar energías mucho más elevadas y con una velocidad de respuesta mucho mayor. 263 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Estos componentes, destinados Volumen 1 específicamente a la protección de equipos alimentados por la red de energía de corriente alterna, se denominan TVS o Transient Voltage Suppressors y tienen una curva característica y símbolos mostrados en la figura 1. Los televisores comunes deben ser capaces de disipar la energía que aparece en un pulso de alta tensión o en un tren de estos pulsos (brote), lo que exige que sean montados en envolturas especiales. Como las muñecas son de corta duración, las energías deben ser convertidas en calor en un espacio de tiempo muy pequeño, y disipadas rápidamente para que la temperatura no se eleve a un nivel que pueda causar la destrucción del componente. Un TVS común debe ser capaz de disipar potencias en el rango de 400 a 5000 W, que corresponden a niveles de energía de 0,55 a 2,1 joules, en un intervalo de tiempo típico de 1 milisegundos más que la duración mayor prevista para las muñecas de transitorios que normalmente aparecen en las aplicaciones prácticas. 264 NEWTON C. BRAGA Las tensiones de trabajo o "de avalancha" están en el rango de algunos volts hasta algunos cientos de volts. ESPECIFICACIONES: En la utilización de un TVS las especificaciones deben ser tenidas en cuenta y, en este caso, son bastante similares a las de los diodos zener. Tenemos entonces las siguientes especificaciones principales: (Vbr) - Es la tensión en que el dispositivo entra en la condición de avalancha, o sea, se convierte en conductor. Para el TVS común esta tensión se especifica para una corriente de 1 mA. Eventualmente puede aparecer con valores mínimos y máximos. (Vbr) - Se trata de la tensión inversa de trabajo. Si bien también es especificada por Vbr, tiene una pequeña diferencia con respecto a la anterior. Se trata de la tensión en que el dispositivo comienza a conducir y una corriente de fuga puede ser medida. Esta tensión es normalmente un 10% menor que la tensión de ruptura inversa, indicada en el ítem anterior. Esta corriente de fuga puede variar llegando a valores de hasta 1 mA, en cuyo caso esta especificación se iguala a la anterior. Las corrientes de fuga típicas de estos dispositivos son del orden de 5 microampères. El pico máximo de pulso aparece en la actualidad (Ippm) Es la corriente máxima de brote que el dispositivo puede soportar sin 265 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 que se produzcan daños. Este parámetro se indica normalmente para un pulso de determinada forma de onda y de duración del orden de 1 milisegundo. Maximum Clamping Voltage (Vc) - Es la tensión máxima que aparece sobre el dispositivo cuando está conduciendo la corriente máxima de brote. Maximum Breakdown-voltage Temperatura Coeficiente Esta especificación se da en porcentaje de Vbr por grado Celsius de temperatura. Con ella se mide la variación de las especificaciones de la tensión de ruptura en función de las variaciones de temperatura. APLICACIONES Damos a continuación algunos circuitos de aplicación de los TVS en la protección de diversos tipos de dispositivos. a) Protección de ordenadores En la figura 2 damos una aplicación típica de los TVS en un circuito sensible que contiene CPUs, memorias y dispositivos de entrada y salida de señales (puertas) por donde pueden entrar transitorios peligrosos. 266 NEWTON C. BRAGA Este circuito, en particular, protege las computadoras y otras aplicaciones en las que los dispositivos de la misma familia se utilizan contra descargas electrostáticas que puedan causar daños. La protección también funciona en las operaciones de encendido y apagado del aparato, cuando transitorios y brotes pueden ser generados. Usando TVS típicos es posible proteger el circuito contra descargas de hasta 10.000 volts, que desarrollen corrientes de hasta 60 ampères en 10 microsegundos. Los supresores en las líneas de alimentación permiten mantener el funcionamiento del circuito incluso cuando los transitorios vienen por la línea de alimentación. 267 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 b) Protección de UARTs En la figura 3 tenemos el modo de emplear supresores en la protección de módems donde los transitorios que pueden aparecer en las líneas de comunicaciones son una amenaza para la integridad del circuito. Lo que sucede en estos casos es que la alta inmunidad de los circuitos usados en la comunicación serial limita también su capacidad de disipación de energía. Esto significa que su protección es parcial y que transitorios elevados causan la destrucción de los componentes, ya que los diodos usados en la función de protección no pueden hacer su disipación. Con el uso de TVS, como muestra este circuito, tenemos un aumento considerable en la capacidad de absorción de energía. Los tipos de baja capacitancia, que no afecten a la transmisión / recepción de los datos deben ser preferidos en esta aplicación. 268 NEWTON C. BRAGA c) Protección de las memorias En la figura 4 tenemos el modo de usar los TVS en la protección de líneas de datos de memoria, evitando que los dispositivos MOS sean afectados por oriundos de la fuente de alimentación. Esto permite que estos circuitos sean alimentados por una misma fuente que sirva también para alimentar los circuitos TTL. d) Protección para los circuitos tótem-pole Los circuitos lógicos con salida tótem-pole, de acuerdo con la figura 5, tienden a generar picos de transitorios que pueden ser perjudiciales para el funcionamiento de un equipo. 269 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Como muestra la misma figura, el uso de supresores de transitorios TVS puede absorber los picos de transitorios evitando que ellos se propaguen por el circuito. Los diodos existentes en los circuitos integrados para suprimir estas muñecas normalmente tienen corrientes limitadas, por lo que no proporcionan el mismo nivel de protección que los televisores. e) Fuentes de alimentación En la figura 6 mostramos el uso de TVS en protección de fuentes de alimentación, evitando la entrada de transitorios antes incluso de la rectificación. 270 NEWTON C. BRAGA En la figura 7 se muestra cómo se puede utilizar el TVS para proteger los diodos de una fuente de alimentación contra la tensión de ruptura inversa, evitando la quema del componente en caso de transitorios elevados. El TVS se convierte en conductor antes de que la ruptura inversa sea alcanzada con un transitorio, absorbiendo su energía. Otra forma de emplear el TVS en un puente de diodos, donde sólo uno es necesario para proteger los 4 diodos se muestra en la figura 8. 271 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Y, la protección en la entrada del circuito, en la propia línea de alimentación, también puede ser hecha con la conexión del TVS en paralelo con el cable de energía, vea la figura 9. f) Cargas Inductivas El TVS se puede utilizar para absorber los pulsos de transitorios generados en la conmutación de cargas inductivas, tales como solenoides, motores y relés. En la figura 10 tenemos el modo de hacer la conexión del TVS en paralelo con la carga inductiva, con función similar a la 272 NEWTON C. BRAGA ejecutada por diodos comunes, pero con las ventajas que ya se analizaron. Observe que podemos usar tanto los tipos "bipolares" como los tipos simples, dependiendo del transitorio que es generado y que debe ser absorbido. QUIEN FÁBRICA TVS Un gran fabricante de TVS es Littelfuse (www.littelfuse.com ) 273 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 CÓMO FUNCIONA - REED SWITCH Muchos lectores asocian los reed switches a las alarmas, pensando que tal vez ésta sea su única aplicación posible. Sin embargo, los reed switches o interruptores de láminas encuentran una infinidad de otras aplicaciones electrónicas y que no pueden en modo alguno ser despreciables. Saber utilizar reed switches puede significar mucho para el diseñador, para el montador de aparatos electrónicos y para muchos otros profesionales de la electrónica. En este artículo no sólo enfocamos de una manera más amplia los reed switches en lo que se refiere a su principio de funcionamiento como también damos muchas aplicaciones que la mayoría de los técnicos ciertamente no conocen. El reed switch o interruptor de cuchillas, como el nombre sugiere es un interruptor o llave que puede ser accionado por el campo magnético de una bobina o de un imán. El tipo más común, que es el interruptor simple de láminas, tiene su estructura mostrada en la figura 1. 274 NEWTON C. BRAGA Este componente consiste en una ampolla de vidrio dentro de la cual hay dos láminas flexibles con contactos especiales en sus extremos. La ampolla, para evitar la oxidación de los contactos, está llena con un gas inerte. Para el tipo normalmente abierto (NA) que funciona como un interruptor simple, en condiciones normales, las láminas se separan y por lo tanto. En otras palabras, en condiciones normales, este interruptor se mantiene abierto. Sin embargo, las láminas se hacen con un material ferroso, lo que significa que la presencia de un campo magnético, como el de un imán, por ejemplo, hace que se cierren el circuito magnético atrayendo como se muestra en la figura 2. 275 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 La atracción hace que esas láminas se cuenten una en la otra cerrando así el circuito. El interruptor se cerrará en estas condiciones. Las variaciones en torno a esta estructura básica pueden llevar a varios otros tipos de reed-switches como, por ejemplo, el mostrado en la figura 3. En este tipo, lo que tenemos es una llave de 1 polo x 2 posiciones, es decir, una llave conmutadora en la que encontramos tres terminales de conexión.En la condición normal, la lámina interna se apoya en el contacto NF permitiendo, por lo tanto, la circulación de una corriente entre este terminal y el terminal común. 276 NEWTON C. BRAGA Con la aplicación de un campo magnético externo, la lámina se magnetiza y se curva de modo a tocar en el contacto NA. La corriente puede entonces circular entre estos dos terminales. Por supuesto, para que un reed switch sea útil, reuniendo confiabilidad en los contactos, capacidad de conducir buenas intensidades de corriente, prontitud de acción y durabilidad, su construcción debe seguir determinados parámetros que pasamos a analizar a continuación. LAS LÁMINAS Evidentemente, el material utilizado en la fabricación de las láminas debe tener propiedades ferromagnéticas para manifestar la magnetización ante un campo magnético externo. El material más utilizado en la fabricación de los reed switches es una aleación de hierro-níquel de alta permeabilidad para concentrar al máximo el flujo magnético. La retención magnética, que la propiedad del material permanece magnetizado incluso después de que el campo externo desaparezca, debe ser la mínima posible. Esto es necesario para obtener el apagado o rearme rápido del dispositivo cuando el campo que lo acciona es retirado. Una retención mayor también tendría un efecto indeseable adicional además de la demora de los contactos volver a la posición normal: ellos podrían "pegarse" manteniendo el dispositivo 277 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 accionado incluso después de retirar el campo externo de accionamiento. Las cuchillas deben todavía tener un coeficiente de dilatación equivalente al del vidrio utilizado en el encapsulado, para evitar problemas en el proceso de soldadura. Una dilatación desigual con el calentamiento del dispositivo podría resultar en micro-trincas capaces de dejar escapar el gas interno. La función del gas interno, como veremos es muy importante, tanto para su desempeño eléctrico, como para la determinación de su vida útil. Las cuchillas deben tener su superficie completamente limpia, exenta de gases que puedan causar problemas de funcionamiento. Otro factor importante en la elección del material es la dureza de la aleación y su flexibilidad que deben ser rigurosamente controladas. EL VIDRIO Las características de los vidrios empleados en la construcción de los reed switches también deben ser especiales. La primera característica a considerar es la resistividad que debe ser la más alta posible. La envoltura de cristal del reed switch también sirve de aislamiento entre los hilos terminales, por lo que la resistencia entre ellos debe ser la mayor posible. Para los reed switches del tipo reversible en que tenemos dos hilos terminales muy próximos a un lado de la envoltura, una lámina 278 NEWTON C. BRAGA de cuarzo se coloca entre ellos para aumentar el aislamiento, como se muestra en la figura 3. Otro punto importante a considerar es la capacidad de disipación de calor del vidrio. Como sabemos, el vidrio común es un mal conductor de calor, y por lo tanto existirían problemas en un reed switch que necesitaba operar con corrientes elevadas. Para aumentar la capacidad de disipación de vidrio se mezcla con óxido de hierro. Esta mezcla da al vidrio una coloración azul, que caracteriza el reed switch común. CONTACTOS Como cualquier interruptor o interruptor conmutador, los contactos de los reed switches deben tener una resistencia mínima, del orden de milésimas de ohms. Para lograr esta característica eléctrica importante los contactos pasan por baños electrolíticos rigurosamente controlados. En estos baños se deposita una aleación de Rodo / Ruteno que tiene un punto de fusión del orden de 2 000 grados centígrados. Con este material, la resistencia inicial de contacto puede variar entre 50 y 200 milésimas de ohms o miliohms, dependiendo del tipo de dispositivo considerado. Reed switches con contactos NA de rodio / rutenio pueden conmutar potencias entre 10 y 15 vatios, dependiendo de su tamaño. 279 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Para la conmutación de potencias más altas, de hasta 100 vatios, con contactos NA, existen ampollas que poseen contactos de tungsteno, que es un metal cuyo punto de fusión es mucho más alto. De hecho, el tungsteno se funde a 3 387 grados centígrados, pero la resistencia de contacto es considerablemente mayor en torno a 500 mil millones. EL GAS Evidentemente, el interior de la ampolla no puede ser llenado con aire común, conteniendo oxígeno. Con el faisado normal entre los contactos, principalmente en la conmutación de cargas inductivas, el oxígeno reaccionar con el metal provocando su deterioro. De la misma forma, el vacío tampoco es interesante por crear una fuerte presión no contrabalance desde fuera hacia adentro que haría el dispositivo frágil. De esta forma, los reed switches tienen sus ampollas llenas con gases nobles. USO Para que un reed switch sea accionado necesitamos hacer que un campo magnético externo actúe sobre sus láminas, cerrando el 280 NEWTON C. BRAGA recorrido de las líneas de fuerza. Las láminas se atraen y luego se vierten, ocurriendo entonces los contactos de las formas deseadas. El campo magnético para accionamiento del reed switch puede obtenerse básicamente de dos maneras: a partir de un imán permanente oa partir de una bobina, como muestra la figura 4. Para el accionamiento por el imán permanente es la intensidad del campo que produce que determina el punto de accionamiento o la distancia en que ocurre el cierre de los contactos. Para el accionamiento por la bobina es la intensidad de la corriente y el número de espiras, además de su geometría, responsables por la intensidad del campo, que determinan el modo de accionamiento. De cualquier forma, sin embargo, para utilizar un reed switch es necesario conocer su sensibilidad, o sea, la intensidad del campo magnético que es necesario para accionar el dispositivo. Esta 281 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 sensibilidad se refiere generalmente en AT (amperios-vuelta o portuguesa amperios-vuelta) como las aplicaciones más comunes tienen en cuenta las bobinas de una bobina y la cadena en su espalda. La sensibilidad de un reed switch se define durante el proceso de fabricación y después de la verificación se clasifica en grupos. Utilizando una bobina estándar, los fabricantes pueden determinar la sensibilidad de un reed switch, como muestra la figura 5. Cuanto más bajo sea el valor de AT de un reed switch, más sensible será. Es importante notar que las láminas y los terminales de un reed switch forman un circuito magnético que debe ser "recorrido" por las líneas de fuerza del campo de accionamiento. Así, 282 NEWTON C. BRAGA el corte de los terminales de un reed switch para su montaje, haciéndolos más cortos puede afectar su sensibilidad. Para el caso en que el accionamiento es hecho por un imán permanente, cuanto mayor sea la sensibilidad del reed switch, mayor podrá ser la distancia entre los dos en el accionamiento. APLICACIONES Para el uso correcto del reed switch, obteniendo su accionamiento no basta aproximar un imán permanente de cualquier manera o usar una bobina con cualquier formato. El campo magnético utilizado en el accionamiento de un reed switch debe tener una determinada orientación. Esto es importante para obtener la máxima fuerza de aproximación de las cuchillas. Un cambio de posición del imán permanente en relación al reed switch, provocando una acción impropia del campo sobre las láminas causa una pérdida de sensibilidad. El resultado es la exigencia de mayor aproximación del imán para el accionamiento o la utilización de un imán más fuerte. En la figura 6 mostramos el posicionamiento correcto de un imán para obtener el accionamiento del reed switch y también el posicionamiento incorrecto, con las líneas de fuerza que actúan sobre las láminas. 283 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 El modo de accionamiento de forma dinámica también es importante para obtener el mejor rendimiento. El movimiento de aproximación y alejamiento de un imán puede ser hecho de dos formas para accionar un reed switch. Teniendo en cuenta que el imán utilizado tiene la forma de una barra, tenemos en la figura 7 la ilustración del primer modo de accionamiento. 284 NEWTON C. BRAGA En esta modalidad de actuación el imán es aproximado perpendicularmente a la ampolla del reed switch, en cuyo caso los polos de esos imanes deben quedar en posición paralela a las láminas. El campo magnético, que tiene las líneas de fuerza saliendo del polo norte del imán y llegando al polo sur, cierra su recorrido pasando por las láminas. La segunda manera de obtener el accionamiento del reed switch es la mostrada en la figura 8 y corresponde al accionamiento por el desplazamiento paralelo. Observe que en este caso, la actuación es hecha por apenas uno de los polos del imán. En esta modalidad, al aproximar el imán el reed se aleja, para después, al llegar al punto más cercano apagar, y finalmente al alejar, llamar por un breve instante nuevamente. Tenemos entonces dos posiciones de accionamiento en el 285 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 desplazamiento del imán, produciendo dos pulsos de corriente en el circuito del reed switch. Es importante observar que esta disposición es justamente la que encontramos en las alarmas de automóvil con sistema de activación y desarme magnético por medio de un imán en un llavero. El pequeño imán normalmente se aplica al reed switch para obtener el accionamiento el desarme de la alarma conforme muestra la figura 9. 286 NEWTON C. BRAGA O pasamos el imán en un movimiento lateral con los polos colocados en una línea vertical en relación al reed switch o entonces lo aproximamos al reed en una línea paralela. Otras posibilidades importantes se pueden lograr cuando modificamos el formato del imán o aún cuando lo acoplamos a dispositivos que pueden realizar movimientos más complejos. La acción rápida del reed permite que se utilice como sensor, generando pulsos de conteo en máquinas, automatismos industriales, robots, elementos de fin de carrera, contadores de objetos y en muchas otras aplicaciones similares. En la figura 10 mostramos un ejemplo de aplicación en el que tenemos un imán toroidal o en forma de anillo que se desplaza alrededor del reed switch. El accionamiento ocurre cuando el anillo pasa más cerca de las láminas, momento en que el circuito magnético es cerrado. Otra manera de obtener el accionamiento de un reed switch se muestra en la figura 11. 287 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 En esta aplicación, el accionamiento es obtenido por un imán en forma de barra que gira rápidamente alrededor de un eje entre sus polos. De esta forma, a cada vuelta del imán obtenemos dos posiciones de accionamiento lo que permite hacer uso como un sensor tacométrico. En la figura 12 tenemos un circuito que puede ser usado con esta configuración y que activa directamente un instrumento analógico. 288 NEWTON C. BRAGA En este circuito tenemos un monoestable que produce pulsos de duración constante determinada por el resistor y el capacitor conectados a los pines 6 y 7. La separación entre las muñecas y por lo tanto el ciclo activo del circuito dependen de la cantidad de impulsos generada por X1 y que dispara el monoestable. Los pulsos obtenidos en la salida son integrados por el resistor y el capacitor para obtener una tensión proporcional a la frecuencia de accionamiento, es decir, a los pulsos generados por el sensor. Para el accionamiento de un circuito digital de conteo podemos obtener los pulsos directamente de la salida del monoestable 555 como muestra la figura 13. La duración de los pulsos depende de R y de C según la fórmula junto al diagrama. Vea que este circuito tiene su salida compatible con tecnología CMOS y TTL dependiendo sólo de su tensión de alimentación. Observe que en este circuito tenemos la 289 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 producción de los pulsos a cada vuelta del imán, pero hay otras formas de obtener un pulso alrededor. Para los casos en que la velocidad de rotación del imán es algo elevada y, por lo tanto, un formato en forma de barra puede causar problemas de vibraciones, se puede emplear un imán en forma de anillo, como muestra la figura 14. En este caso también, a cada vuelta del imán tenemos el cierre y apertura de los contactos dos veces, o sea, la producción de dos impulsos. El empleo de un imán en forma de anillo o cilindro pero con cuatro polos, como muestra la figura 15, permite la producción de 4 pulsos alrededor. 290 NEWTON C. BRAGA Sin embargo, ve que más pulsos hacia atrás significan la necesidad del reed switch ser capaz de responder a frecuencias más altas de accionamiento, lo que debe ser considerado en cualquier proyecto. Un recurso muy interesante es el mostrado en la figura 16 y consiste en la conversión de un reed switch del tipo NA (normalmente abierto) en un reed switch del tipo NF (normalmente cerrado). Para este propósito se utilizan dos imanes permanentes. 291 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Con el alejamiento del imán de accionamiento, el imán fijo cierra el circuito magnético a través de las láminas manteniéndolas unidas y con ello los contactos cerrados. Con la aproximación del imán de accionamiento, en la posición de cancelación de los polos, el campo magnético es neutralizado con la apertura del circuito magnético y consecuentemente de los contactos. Más un proceso interesante de accionamiento se muestra en la figura 17. 292 NEWTON C. BRAGA Se trata de una modalidad de accionamiento a través de un blindaje magnético. Un material magnético que coloque "en corto" las líneas de fuerza del campo magnético del imán de accionamiento, al ser interpuesto entre este imán y el reed switch abre el circuito magnético de accionamiento y con ello los contactos de las láminas. ACCIONAMIENTO POR BOBINAS El accionamiento de los reed switches por medio de bobinas lleva a la elaboración de sensibles relés, o como también se llaman "reed relés". La principal ventaja de su uso está en la posibilidad de improvisar relés muy sensibles a partir de reed switches que son componentes que se pueden obtener con facilidad. Las bobinas se 293 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 pueden enrollar por el montador exactamente con las características que necesita para el accionamiento. Pero, existe una ventaja adicional a considerar: la no existencia de muchas partes limitada por el simple movimiento de las láminas, la operación en ambiente vedado, y la pequeña inercia permite la elaboración de relés con características que difícilmente se lograrían con los relés convencionales. Para obtener un reed relé del tipo NA, con una ampolla simple NA, basta enrollar a su alrededor una bobina con las características de accionamiento deseadas, como sugiere la figura 18. 294 NEWTON C. BRAGA Para tener un relé del tipo NF a partir de un reed switch NA basta usar la configuración mostrada en la figura 19. El pequeño imán permanente montado junto al reed switch tiene por función mantener el circuito magnético cerrado y por lo tanto las láminas en contacto (circuito cerrado). La corriente en la bobina debe tener sentido tal que crea un campo magnético que se oponga al campo del imán permanente, cancelándolo parcialmente, o suficiente para abrir el circuito magnético por las láminas. En estas condiciones, las láminas del reed switch se separan abriendo el circuito externo. Otra posibilidad se muestra en la figura 20 y consiste en la sustitución del imán permanente por una bobina de polarización. 295 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 El trimpot P1 funciona como un ajuste de polarización que determina la sensibilidad del relé. La desventaja de esta configuración es que está circulando permanentemente una corriente por la bobina polarizadora. MANIPULACIÓN Los reed switches son componentes delicados y, por lo tanto, deben manejarse con mucho cuidado. Una quiebra de la ampolla de vidrio o problemas de sellado junto a los terminales puede causar la pérdida del gas inerte del interior del dispositivo, quedando así reducida su vida útil. La tensión de aislamiento máxima también puede verse afectada en estas condiciones, con una considerable reducción. 296 NEWTON C. BRAGA El corte de los terminales muy cortos, para modificar las características del circuito magnético, afecta la sensibilidad del reed switch. Los terminales no sólo tienen por finalidad proporcionar la sustentación mecánica y la conexión eléctrica como también formar el circuito magnético de accionamiento. No debemos nunca cortar los terminales de un reed directamente con un alicate u otra herramienta. El reed debe ser seguro por el terminal con un alicate de punta y el corte debe ser hecho después como se muestra en la figura 21. El mismo procedimiento se debe seguir si los terminales del componente se doblan. Los fabricantes de reed switches suelen indicar la longitud mínima de los terminales admitidos para un funcionamiento normal. Estos límites deben ser observados por los montadores. 297 Cómo Funciona - Aparatos, Circuitos e Componentes Electrónicos – Volumen 1 Si las corrientes controladas son poco intensas y las tensiones también bajas, un reed switch puede abrir y cerrar sus contactos millones de veces. Sin embargo, a medida que se controlan las cargas de mayores corrientes, la vida útil del reed switch se reducirá proporcionalmente. Se deben tomar precauciones adicionales si las cargas controladas son inductivas. Nota: este artículo ha sido redactado a partir de material de Gentech International fabricante de reed switches que tiene como representante para Brasil y América del Sur a Metaltex (www.metaltex.com.br) 298 NEWTON C. BRAGA 299
