Apuntes de Electonica Automotriz i

UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE LA COSTA SUR DIVISIÓN DE DESARROLLO REGIONAL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍAS

Técnico Superior Universitario en Electrónica y Mecánica Automotriz

“APUNTES DE ELECTRÓNICA AUTOMOTRIZ I”

Compilación de los textos:

 Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky. “Análisis Introductorio de Circuitos”. TRILLAS l.  Albert Paul Malvino. “Principios de electrónica”. Mc. GRAW HILL  Grob, Bernard. “Electrónica básica”. Mc. GRAW HILL

Por: M. I. E. Jorge Arturo Pelayo López

2011

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CONDUCTORES Y AISLADORES Son conductores los materiales que permiten un importante flujo de electrones mediante la aplicación de muy poca fuerza electromotriz. El material que se utiliza con mayor frecuencia es el cobre. Los materiales que tienen muy pocos electrones libres, alta estabilidad, gran densidad y baja movilidad se denominan aisladores, puesto que se requiere una fuerza electromotriz muy elevada para producir en ellos una corriente eléctrica importante. El uso más común de los aisladores es para recubrir conductores que, si no estuvieran aislados, podrían tener efectos peligrosos.

SEMICONDUCTORES Entre los elementos llamados aisladores y los conductores existe un grupo de materiales de gran importancia, que se conocen como semiconductores. Los transistores, los diodos, los SCR, etc., se construyen con materiales semiconductores. Para esos dispositivos, los materiales semiconductores utilizados con mayor frecuencia son el germanio y el silicio.

CORRIENTE ELECTRICA Recibe el nombre de corriente eléctrica el desplazamiento de electrones a través de un cuerpo conductor. Si partimos de la idea de que los cuerpos siempre tienden al equilibrio eléctrico uniendo dos materiales, uno con defecto de electrones (cargado positivamente) y otro con exceso de éstos (cargado negativamente) por medio de un conductor habrá un traslado de éstos electrones por medio del conductor hasta que los dos materiales tengan un equilibrio eléctrico (figura 1.14). Material A Atomos con muchos electrones

Material B Conducto

Atomos con pocos electrones

Sentido del movimiento de los electrones

Figura 1.14. El material A cederá electrones al material B, y éstos se trasladarán por medio del conductor.

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El movimiento de electrones de un material a otro se denomina, por tanto corriente eléctrica. Si el movimiento de electrones es mayor, habrá mayor corriente, y si es menor habrá menos corriente. TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA CORRIENTE DIRECTA O CONTINUA (cd o cc) Es una corriente eléctrica que fluye en una dirección (figura 1.15). Para este curso emplearemos el término de corriente directa y su abreviatura (cd). I

t

Figura 1.15. Forma de onda de cd.

CORRIENTE ALTERNA (ca). Es una corriente eléctrica con cambios en su dirección en intervalos regulares de tiempo. En 60 ciclos de corriente alterna hay cambios en su dirección 120 veces cada segundo, siendo estos 60 positivos y 60 negativos alternadamente cada segundo (figura 1.16).

I

t

Figura 1.16. Forma de onda de ca. 2

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SENTIDO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA La corriente eléctrica, como ya hemos visto, es un movimiento de electrones a través de un conductor. Lo que vamos a ver ahora es en qué dirección se mueven los electrones y por qué. Los pioneros en el estudio de la electricidad pensaron que lo que se trasladaba no eran los electrones (cargas negativas), sino loa protones (cargas positivas), y, por tanto, creyeron que el sentido de la corriente era desde polo positivo a polo negativo ( figura 1.17). Protones Neutrones

Electrones Núcleo Átomo A

Átomo B

Figura 1.17. Según los primeros investigadores de la electricidad, el átomo A tiene una carga positiva y el átomo B, negativa; por tanto, el protón del átomo A formará finalmente parte del átomo B.

Las siguientes investigaciones llevadas a cabo sobre el tema consideraron que los electrones no son un elemento estático en el átomo, sino que giran alrededor del núcleo y, por tanto, son los que tienen la capacidad de trasladarse; de tal forma que entre dos átomos, uno con carga eléctrica positiva (defecto de electrones) y otro con carga eléctrica negativa (exceso de electrones en el último orbital), se produce entre ellos un intercambio de electrones desde el que posee carga negativa hacia el átomo con carga positiva, siempre que se aproximen lo suficiente (figura 1.18). Protón

Electrón

Orbitas

Núcleo Átomo cargado negativamente

Distancia Entre átomos

Átomo cargado positivamente

Figura 1.18. Las teorías modernas demuestran que los electrones se desplazan de negativo a positivo. 3

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Conclusiones: Existen dos sentidos diferentes de la corriente: 

Partiendo del polo positivo hacia el negativo, que es el sentido convencional de la corriente. En electricidad, para la solución de circuitos adoptaremos por éste sentido (figura 1.19(a)).



Partiendo del polo negativo hacia el positivo, que es el sentido real de la corriente (figura 1.19 (b)).

Ambos sentidos se dan como válidos, aunque se debe saber que el real es el sentido electrónico (de polo negativo a polo positivo).

Figura 1.19. (a) Sentido convencional de la corriente.

Figura 1.19. (b) Sentido real o electrónico de la corriente.

FUERZA ELECTROMOTRIZ Se representa con el diminutivo f.e.m. Es la causa que origina que los electrones circulen por un circuito eléctrico. Como todas las magnitudes, tiene una unidad que la define: el voltio, que a su vez se representa por la letra V. 

Fuerza electromotriz .................................. f.e.m.



Voltio ......................................................... V 4

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DIFERENCIA DE POTENCIAL Se denomina habitualmente con su diminutivo ddp. A diferencia del potencial eléctrico, se le conoce también como tensión eléctrica o como voltaje. Las tres denominaciones son igualmente correctas. Si un cuerpo cargado se mueve en un sistema eléctrico de un punto a otro, los dos puntos los cuales localizan la posición de la partícula cargada antes y después de moverse se caracterizan por la diferencia de potencial (electrostático) entre ellos. Esta diferencia de potencial como ya dijimos se llama también voltaje, e indica cuanta energía puede ser adquirida o perdida (por unidad de carga) por una partícula cuando se ha movido dentro de un campo eléctrico (figura 1.22).

Figura 1.22. La energía de una carga positiva en el punto ( 1 ) es mayor que en el punto ( 2 ).

También podemos definir al voltaje de la siguiente forma: La diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor es el trabajo W necesario para desplazar la unidad de carga eléctrica de un punto al otro punto. La unidad de diferencia de potencial es el Voltio (V). Si para desplazar 1 Coulombio (C) de carga de un punto a otro de un conductor es necesario realizar un trabajo de 1 Julio (J), la diferencia de potencial entre ambos es de 1 Voltio (V). Tensión eléctrica, diferencia de potencial o voltaje es el desnivel eléctrico que existe entre dos puntos determinados de un circuito. Esta magnitud se representa con la letra V y tiene como unidad el voltio, que como ya dijimos se representa con la letra V. Así, por

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ejemplo, la tensión eléctrica de un enchufe de una vivienda suele ser igual a 125 V ó 220 V (figura 1.23).

V = 110 V

V = 220 V

Base enchufe

Base enchufe

Figura 1.23. En esta figura observamos que la tensión es el desnivel eléctrico entre los puntos del enchufe.

POTENCIA ELECTRICA Se define como la cantidad de trabajo desarrollado en una unidad de tiempo. En un circuito eléctrico la potencia viene relacionada con la tensión o la intensidad. La potencia se representa con la letra P y su unidad es el vatio (comúnmente watts), que se representa con la letra W. La ecuación que la relaciona es:

PVI

Ecuación 1.11

1 W = (1 V) (1 A)

P = potencia W = vatio V = voltio I = corriente A = amperio

Si se toma la ley de Ohm, y se sustituyen, términos, nos quedan otras dos ecuaciones que también son válidas:

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P

V2 R

P  I2R

Ecuación 1.12

Ecuación 1.13

La potencia suministrada por una fuente de energía está dada por:

P  EI

Ecuación 1.14

P = potencia E = fuerza electromotriz de la fuente I = corriente tomada de la fuente Ejemplo 1.2. ¿Cuál es la potencia que se disipa en un resistor de 5  si la corriente que pasa por ella es de 4 A? Solución: 1º.- Utilizaremos la ecuación 1.13. 2º.- Sustituimos los valores correspondientes en dicha ecuación, entonces tenemos: P  I 2 R  (4 2 A)(5 )  (16 A)(5 )  80 W

3º.- El resultado es: 80 W.

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CUADRO DE MAGNITUDES Y UNIDADES En la tabla 1.3 se relacionan las diferentes magnitudes eléctricas, con sus unidades y las ecuaciones de relación.

Tabla 1.3. MAGNITUDES Y UNIDADES

Fuerza electromotriz Diferencia de potencial o tensión eléctrica o voltaje Cantidad de electricidad Intensidad de corriente

Representación f.e.m. ddp ó V

Unidad Voltio Voltio

Representació n unidad V

Ecuación de relación

V V=RI

Q

Coulombio

C

I

Amperio

A

Densidad de corriente



A mm 2

Resistencia de un material Resistencia de un conductor Conductancia

R

Amperio mm 2 Ohmio

R

Omhio



G

Siemens

S

Capacitancia

C

Faradio

F

Inductancia Potencia eléctrica

L P

Henrio Vatio

H W



1 coulombio = 6.2  1018 e-. Q V I , I t R

I A  R  A V R I 1 G R Q C V 

P= V I, P 

V2 , R

P  I2R

Energía eléctrica Energía calorífica

E Q

Vatio  Segundo Caloría

Ws cal

EPt Q  0.24  E

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PRODUCCION DE CORRIENTE ALTERNA (ca) Y DIRECTA (cd) Solidarios y obligados por el eje de la turbina, los grupos eléctricos girarán, y de esta forma generarán la corriente eléctrica. Dichas máquinas serán capaces de generar corriente eléctrica a partir de un movimiento mecánico, el cual vendrá producido por el eje de la turbina. Existen en principio dos tipos de máquinas eléctricas, las cuales tendrán un nombre propio. Las que producen corriente alterna (ca) se denominarán alternadores, y las que producen corriente directa (cd) se llamarán dinamos. Los dos tipos de máquinas basan su funcionamiento exactamente en el mismo sistema, el cual consta de un rotor que es, en esencia, un gran electroimán de dos, cuatro, seis, etc., polos que giran en el seno de un conjunto de bobinados sobre sendos núcleos, que constituyen el estator. La diferencia entre la corriente que se extrae de un dinamo o de un alternador viene determinada por el tipo de contacto de las escobillas, bien sea en anillo para un alternador o de colector para un dinamo. CORRIENTE ALTERNA (Estator) Inducido

ALTERNADOR

Imán

Escobillas

Anillos

Circuito exterior

R

Figura 1.27. (a) Principio de un alterador. Cada extremo de la espira se encuentra siempre en contacto eléctrico con una escobilla; por tanto, la corriente es alterna.

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CORRIENTE ALTERNA. Una corriente alterna cambia su valor de corriente cada semiperiodo, ya que unas veces es positiva y otras negativa, dependiendo en qué momento se mida. En la práctica se hace que gire el imán en vez de la espira y para ello, normalmente, se dispone con un electroimán de varios pares de polos (figuras 1.27(a) y (b) y figura 1.28).

t

I

Figura 1.27. (b) La gráfica determina los valores de tensión alterna que existen entre una escobilla y otra dependiendo del tiempo.

S N

N

S

S

N

N S

Figura 1.28. Alternador con el sistema real de rotación.

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CORRIENTE DIRECTA O RECTIFICADA Para obtener una corriente directa debemos tener en cuenta la forma de realizar el contacto de las escobillas con los extremos de la espira. En el momento en que la corriente es cero en los extremos del conductor, ambas escobillas tendrán un valor de tensión cero. Como variará el sentido de giro, el valor de tensión de cada escobilla cambiará cuando cambie de delga. Pero hay que tener en cuenta que una de las dos escobillas siempre tendrá un valor de tensión más positivo que la otra, a excepción del momento en que las dos valen cero (figura 1.29(a)). CORRIENTE DIRECTA (Estator) Inducido

Imán

Delga

Escobillas

Colector

Circulo Exterior

R

Figura 1.29. (a) Se muestra un dinamo básica, donde las escobillas, dependiendo de la posición en que se encuentre la espira, realizarán contacto con una delga o con otra.

Así, la corriente obtenida será siempre del mismo sentido, ya que una escobilla siempre tendrá un valor de tensión más positivo que el otro. La corriente saldrá siempre por la misma escobilla y regresará por la otra. Como a pesar de ser directa o continua, ésta tendrá una variación en el tiempo, para que la corriente sea verdaderamente directa se necesitan muchas espiras, todas colocadas en diferentes ángulos, con sus dos extremos cada una y, por tanto, las delgas que sean precisas (dos por arrollamiento) en el colector (figura 1.29 (b)). I

t

I

t

Figura 1.29. (b) Valores de la ddp entre las dos escobillas en función del tiempo. 11

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RESISTENCIA

1.4.1. INTRODUCCIÓN La resistencia es la tendencia de un material de impedir el flujo de la corriente a través de él. La resistencia eléctrica determina la intensidad de la corriente producida por una diferencia de potencial dada. La unidad de resistencia, en el sistema SI es el Ohmio (y representa la resistencia de un conductor en el que, con una diferencia de potencial aplicada de 1 V, circula una corriente de 1 A de intensidad. El símbolo en un circuito para la resistencia aparece en la figura 1.30, con la abreviatura gráfica para la resistencia (R). R Figura 1.30. Símbolo y notación para la resistencia.

La resistencia de cualquier material con un área uniforme de su corte transversal se determina por los cuatro factores siguientes (representados en la figura 1.31 para un trozo de alambre): 1. Tipo de material. 2. Longitud. 3. Area de la sección transversal. 4. Temperatura.



A

Material T 0C Figura 1.31. Trozo de alambre con una área “A” y de longitud “  ”.

Para dos alambres del mismo tamaño físico y a la misma temperatura, como se muestra en la figura 1.32(a), la resistencia relativa se determina sólo por medio del tipo de material. Como se indica en la figura 1.32 (b), un aumento en la longitud dará como resultado un incremento de la resistencia para áreas similares, el mismo material y la misma temperatura. El aumento del área, como en la figura 1.32(c), cuando las variables 12

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determinantes restantes permanezcan iguales, dará como resultado una disminución de la resistencia. Finalmente, el aumento de la temperatura como se ve en la figura 1.32(d) para alambres metálicos de construcción idéntica y el mismo material, dará como resultado una mayor resistencia.

T = temperatura A = área

 = longitud  = tipo de material R = resistencia

R1

Cobre

R1

Cobre

R2

Hierro

R2

Cobre

T1 = T 2 A1 = A2 1= 2  2> 1 entonces:

R1

Cobre

R2

Cobre

T1 = T2

R1

Cobre

R2

Cobre

 1= 2 1= 2

T1 = T2 A1 = A2  1= 2 2> 1

 1= 2 1= 2 A2 > A1

A1 = A2 T1 > T2

R2 > R1

R2 > R1

entonces:

entonces:

entonces:

(a)

(b)

(c)

(d)

R1 > R2

R1 > R2

Figura 1.32. Comparación de la resistencia de dos trozos de alambre con algunas características similares y algunas diferentes que nos conducen a determinar la diferencia de resistencia entre ambos trozos.

La exposición anterior revela que la resistencia es directamente proporcional a la longitud y el material empleado e inversamente proporcional al área. En forma de ecuación la resistencia de un conductor se expresa mediante la ecuación siguiente (ecuación 1.4 que se vio en la sección 1.2.7):

R 

 A

R  Resistencia del material (  ) .

  Resistividad (  mm2/m)   Longitud (m) A  Área de la sección (mm2)

Resistividad (  ): La resistividad es la propiedad de un material que indica qué tanto impide el flujo de corriente. 13

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En la siguiente tabla se dan algunos valores típicos de  . Tabla de la resistividad de diferentes materiales. MATERIAL

 en   mm2/m

Cobre

0.017

Plata

0.015

Aluminio

0.027

Estaño

0.130

Mercurio

0.940

USOS COMUNES DE LAS RESISTENCIAS EN LOS CIRCUITOS 1. Limitar la corriente que fluye en una rama de un circuito. En estas aplicaciones pueden actuar para proteger otros elementos en la rama tales como dispositivos semiconductores o los movimientos de medidores muy sensibles. 2. Como divisores de voltaje de tal forma que únicamente un voltaje deseado aparezca a través de una sección de un circuito. 3. Como elementos eléctricos de calefacción y en las lámparas incandescentes. 4. Como elementos que sirven como caminos de baja resistencia (como en las resistencias en derivación o shunts). 5. Amortiguador (reducir) oscilaciones indeseadas. En estas aplicaciones disipan la energía de las oscilaciones. Las resistencias se construyen con materiales que conducen la electricidad pero que poseen una gran resistencia comparada con la de los alambres y contactos. Las resistencias no sólo limitan la corriente sino que también extraen energía de la rama del circuito donde se colocan.

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RESISTENCIA DE LOS ALAMBRES Y TERMINALES En la mayoría de las mediciones y en los procesos de diseño, la resistencia de los alambres de conexión de los diferentes elementos de un circuito se desprecia comparada con la resistencia de los elementos del circuito. RESISTENCIA DE LOS CONTACTOS. La resistencia de contacto es la resistencia que existe en los puntos de conexión de los alambres y terminales de los elementos de un circuito. Para contactos limpios y unidos fuertemente la resistencia es de alrededor 0.0001  (figura 1.33(a)) y para una unión bien soldada es más pequeña (figuras 1.33(b)).

(a)

(b)

Figura 1.33. Ejemplos de buenos contactos de baja resistencia. (a) Conexión atornillada (b) Conexión soldada

El uso de otros contactos endebles tales como los caimanes (especialmente con superficies sucias u oxidadas) puede introducir resistencias de contacto de 0.1  o más. En ciertas aplicaciones esta resistencia extra puede causar errores apreciables (figura 1.34).

Caimán

Alambres unidos flojamente

Figura 1.34. Fuentes posibles de resistencia de contacto < 0.1  15

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TIPOS DE RESISTENCIAS Las resistencias se hacen de muchos modos, pero todas son de uno de dos grupos: fijas y variables. Las resistencias se utilizan para muchos propósitos tales como en los calentadores eléctricos, equipo telefónico, elementos para los circuitos eléctricos y electrónicos y en los dispositivos limitadores de corriente. Los valores y las tolerancias de las resistencias varían ampliamente. Las resistencias se construyen desde 0.1  hasta muchos megaohmios. Las tolerancias van desde  20 por ciento (en los calentadores eléctricos) hasta  0.001 por ciento (resistencias de precisión utilizadas en los instrumentos de medición). Existen diferentes tipos de resistencias porque con un solo material o clase de diseño no se pueden conseguir todos los rangos y tolerancias. RESISTENCIAS FIJAS. La tabla 1.4 resume las propiedades de las resistencias fijas que se consiguen en el comercio. Tabla 1.4. Características de diferentes tipos de resistencias. Tipo

Rango disponible

Composición de carbón

1  a 22 M 

Tolerancia mínima 5 a 20%

Alambre devanado

1  a 100 k 

0.0005%

Película de metal

0.1  a 100 M 

Película de carbón

10  a 100 M 

0.005% 0.5%

CT 0.1%/oC 0.0005%/oC

Máxima potencia 2W 200 W

o

0.0001%/ C

1W o

0.015 a 0.05%/ C

2W

El coeficiente de temperatura (CT) de una resistencia es el porcentaje de cambio en el valor por cada grado centígrado.

RESISTENCIAS DE COMPOSICIÓN DE CARBÓN. Las resistencias hechas de una composición de carbón llamadas simplemente de carbón; más concretamente, están hechas a partir de una mezcla de carbón y arcilla, son el tipo más comúnmente utilizado en los circuitos discretos eléctricos y electrónicos. Se consiguen desde 1  hasta 22 M  , su tolerancia es del 5 al 20 por ciento (figuraras 1.34 y 1.35).

Terminales

Material aislante Bandas de colector

Material de la resistencia (composición de carbono)

Figura 1.34. Resistencia fija de composición de carbón. (Cortesía de IRC, Inc.) 16

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2 watt

1 watt

1/2 watt 1/4 watt 1/8 watt

Figura 1.35. Resistencias fijas de composición de carbón de diferentes clasificaciones de potencia. (Cortesía de Ohmite Manufacturing Company)

RESISTENCIAS DE ALAMBRE DEVANADO. Las resistencias de alambre devanado o simplemente de alambre son como su nombre lo implica, una longitud de alambre devanado sobre un núcleo cilíndrico aislante (figuras 1.36 y 1.37). Normalmente el alambre es de constantan (60 por ciento de cobre y 40 por ciento de níquel) y manganina N.T. que tiene una resistividad (  ) alta y bajo coeficiente de temperatura. La tolerancia varía entre 0.01 y el 1.0 por ciento y el rango de valores va aproximadamente desde 1  hasta 1 M  . Para aplicaciones en alta potencia se fabrican con capacidades de disipación entre 5 y 200 vatios (tolerancia del 5 al 10 por ciento). La principal desventaja de las resistencias de alambre se debe a la inductancia que presentan al tener una estructura como la de las bobinas. A altas frecuencias este problema impide su utilización. Terminal estañada

Cubierta esmaltada vítrea

Abrazadera para el montaje

Devanado uniforme

Núcleo fuerte de cerámica

Terminal soldada de gran fortaleza

Unión soldada al alambre de la resistencia

Figura 1.36. Vista en corte de una resistencia de alambre devanado. (cortesía de Ohmite Manufacturing Co.)

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Figura 1.37. Resistencia de contactos axiales, con devanado de alambre moldeado en esmalte vítreo. (Cortesía de Ohmite Manufacturing Company) Aplicación: Para aplicaciones de baja potencia en electrónica y circuitos similares.

RESISTENCIAS DE PELÍCULAS DE METAL Y CARBON. Una capa muy delgada de metal se puede depositar sobre un material aislante para conseguir un camino con una resistencia muy alta. Los valores de estas resistencias de película de metal pueden llegar hasta 10,000 M  (1010  ) y son mucho más pequeñas que las de alambre devanado. La estructura de la resistencia consiste de dos electrodos montados en una base de material aislante conectados por medio de una película de metal muy delgada. El cuerpo de la resistencia tiene una forma cilíndrica como se muestran en las figuras 1.38 y 1.39.

Figura 1.38. Resistencias de precisión de película metálica. (Cortesía de Ohmite manufacturing Company) Aplicación: Cuando se desea una alta estabilidad, un bajo coeficiente de temperatura (CT ) y un bajo nivel de ruido.

Contacto plateado

Tapa posterior y alambre de contacto

Película de metal sobre el substrato Cubierta

Capa inferior de vidrio (substrato)

Alambre de contacto

Figura 1.39. Construcción de una resistencia de pelicula delgada.

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Las resistencias de película de carbón depositan una capa de carbón en vez de la de metal. Se obtienen resistencias de menor valor pero de menor tolerancia que las obtenidas con películas de metal. Sin embargo, la película de carbón posee un CT (coeficiente de temperatura) ligeramente negativo el cual es útil en ciertos circuitos electrónicos. RESISTENCIAS VARIABLES. Se requieren resistencias variables en los circuitos donde se requiere ajustar el valor de la resistencia, pero manteniéndola conectada (por ejemplo, el control de volumen de un radio). Normalmente tienen tres alambres dos fijos y uno móvil. Si se hace uso únicamente dos terminales de las terminales (uno fijo y uno móvil), la resistencia se emplea como un reóstato (figura 1.40(b)). Los reóstatos se utilizan normalmente para limitar la corriente en la rama de un circuito. Si los tres contactos se usan, la resistencia se utiliza como un potenciómetro (figura 1.40(a)). Los potenciómetros se utilizan a menudo como divisores de voltaje o para variar el voltaje a través de una rama de un circuito.

Potenciómetro Potenciómetro

(a) Reóstato

Reóstato

(b)

Figura 1.40. (a) Potenciómetro (b) Reóstato

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En las resistencias variables para propósitos generales el cuerpo puede ser una composición de carbón o del tipo de alambre devanado (figura 1.41). Se consiguen rangos de 100  a 1 M  para el tipo de carbón y entre 5  y 50 K  para el tipo de alambre devanado. La resistencia total y el régimen de potencia se encuentran normalmente estampados en el cuerpo de la unidad.

Eje rotativo

Vista externa

Contacto deslizante

Tipo de composición de carbón

Contacto deslizante

Tipo de alambre devanado

Figura 1.41. Resistencias variables para propósitos generales. (Cortesía de Allen-Bradley Company)

CÓDIGO DE COLORES DE LAS RESISTENCIAS La mayoría de las resistencias grandes tienen su valor y tolerancia impresos en sus cuerpos. Sin embargo, las resistencias de carbón y algunas de alambre devanado son muy pequeñas para utilizar este método de identificación. Se utiliza un código de colores para identificar visualmente el valor y tolerancia de las resistencias de carbón sin tener que medirlas. Se pintan tres o cuatro bandas de colores en el cuerpo de la resistencia para identificar estos datos. La figura 1.42 muestra una resistencia de carbón y la fórmula utilizada para calcular su valor y tolerancia a partir de los colores de las bandas.

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Resistencia con alambre de conexión axial

Resistencia con alambre de conexión radial

Figura 1.42. Código de colores para las resistencias de carbón.

Ejemplo 1.3. Una resistencia tiene las siguientes bandas: A = azul B = gris C = anaranjado

D = plateado

Hallar su valor y tolerancia. Solución: R = 68 X 103,  10% R = 68,000  ,  6,800  Ejemplo 1.4. Una resistencia tiene las siguientes bandas: A = amarillo B = violeta C = dorado Hallar su valor y tolerancia. Solución: R = 47 X 10-1,  20%  0.94  R = 4.7  , 21

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EL CAPACITOR El capacitor es uno de los componentes más utilizados en los circuitos eléctricos y electrónicos. Los capacitores antiguamente se conocían como condensadores y, a veces, todavía se les llama así. Sin embargo, el término capacitor es más correcto. Su símbolo y designación literal es el siguiente (figura 3.1(a) y (b)):

C

C

(a)

(b)

Figura 3.1. Símbolo y designación literal de los capacitores. (a) Capacitor no polarizado (b) Capacitor polarizado

Un Capacitor es un componente pasivo que presenta la cualidad de almacenar energía eléctrica. Está formado por dos láminas de material conductor (metal) que se encuentran separados por un material dieléctrico (material aislante). En un capacitor simple, cualquiera que sea su aspecto exterior, dispondrá de dos terminales, los cuales a su vez están conectados a las dos láminas conductoras. Con otras palabras, Físicamente, existe un capacitor siempre que un material aislante separe a dos conductores que tengan una diferencia de potencial entre sí (figura 3.2). Dieléctrico

Terminal

Terminal

Armaduras

Figura 3.2. Esta figura implica la representación física de un capacitor, aunque en la práctica existen distintas disposiciones de las laminas, con el fin de poder conseguir características determinadas. Lo que siempre ha de cumplirse es que el dieléctrico se encuentra entre las dos placas conductoras.

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CAPACIDAD La propiedad por la cual un capacitor puede almacenar electrones se denomina capacidad. La capacidad es proporcional a la superficie de las placas, o sea, que un capacitor con la superficie de sus placas muy pequeñas tendrá una capacidad pequeña, mientras que un capacitor con una superficie de sus placas grandes tendrá una capacidad grande y, por tanto, podrá alojar en ellas más cantidad de electrones. La unidad de capacidad es el faradio (F), pero como esta unidad es demasiado grande, ya que un capacitor de un faradio ocuparía un volumen extremadamente grande (como un edificio), y por eso no se fabrican, se toman como unidades el microfaradio, el nanofaradio y el picofaradio, que son, respectivamente, la millonésima (10-6), milmillonésima (10-9) y la billonésima parte (10-12). Según estos valores, se puede imaginar lo lejos que está de la realidad el faradio. Las representaciones e igualdades de las unidades son las que se exponen a continuación: 1 pF = 1 picofaradio = 1 x 10-12 faradios. (Figura 3.3(a).) 1 nF = 1 nanofaradio = 1 x 10-9 faradios. (Figura 3.3(b).) 1  F = 1 microfaradio = 1 x 10-6 faradios. (Figura 3.3(c).)

(a)

(b)

(c)

Figura 3.3. En el grupo (a) tenemos los capacitores del orden de los picofaradios. En el grupo (b), los capacitores son del orden de los nanofaradios y, por último, en el grupo (c) se encuentran capacitores del orden de microfaradios.

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CARGA DE UN CAPACITOR Cuando un capacitor tiene una diferencia de potencial entre sus placas, se dice que está cargado. Para producir una diferencia de potencial o, en otras palabras, para cargar el capacitor, se hace que los electrones libres se acumulen en una placa y al mismo tiempo se le quitan electrones libres de la otra placa. Por lo tanto, una placa tiene exceso de electrones y la otra tiene defecto de ellos. Puesto que los electrones son negativos, la placa que contiene electrones en exceso tiene una carga total negativa en tanto que la placa en la cual se le han quitado electrones tiene una carga total positiva. En consecuencia existe una diferencia de potencial o tensión entre las placas. Esto se ilustra en las figuras 3.4(a) y (b) para el caso de un capacitor simple que tenga dos placas de metal separadas por aire, el cual sirve como aislante eléctrico. Antes de cargar el capacitor, ambas placas son eléctricamente neutras. Esto significa que tienen un número igual de cargas positivas (protones) y cargas negativas (electrones).

Varilla cargada positivamente Varilla cargada negativamente

Placa positiva

Placas neutras

(a)

Placa negativa

( b)

Figura 3.4. (a) Capacitor descargado. En un capacitor sin carga, ambas placas tienen un número igual de electrones y protones y, por lo tanto, son eléctricamente neutras. (b) Capacitor cargado. Cuando un capacitor se carga, una capa está provista de exceso de electrones y por lo tanto está cargada negativamente, entretanto, los electrones son retirados de la otra placa, de manera que ésta queda cargada positivamente.

Cuando a una varilla de hule se le carga negativamente frotándola con un pedazo de piel y se le pone en contacto con una placa, los electrones de la varilla pasan a la placa y ésta se carga negativamente. Si al mismo tiempo, a una varilla de vidrio se le carga positivamente frotándola con seda y se le pone en contacto con la otra placa ésta se carga positivamente, debido a que le quedan mas protones que electrones.

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Naturalmente, en los circuitos reales los capacitores no se cargan con varillas de hule y cristal, sino que se emplean fuentes de carga más prácticas, por ejemplo baterías y generadores.

DESCARGA DE UN CAPACITOR. Una vez cargado un capacitor, teóricamente mantendrá indefinidamente su carga. Sin embargo, en la práctica, cuando un capacitor cargado se retira de la fuente de carga, a la larga pierde su carga. Sin embargo, ésta pérdida de carga dura cierto tiempo, de tal modo que, para aplicaciones prácticas en circuitos, se puede considerar que un capacitor mantiene su carga hasta que deliberadamente se le quita la energía eléctrica que almacena. La recuperación de esta energía se le conoce como descarga del capacitor. Para descargar un capacitor, todo lo que se requiere es una trayectoria conductora entre las placas del capacitor. Los electrones libres de la placa negativa fluirán entonces al potencial positivo de la placa positiva. De esta manera, la placa positiva adquiere electrones en número suficiente para neutralizarse eléctricamente. Asimismo, la placa negativa pierde electrones suficientes para neutralizarse también. Cuando ambas placas están neutras, el capacitor no tiene tensión en sus terminales y se dice que está descargado. El flujo de electrones de la placa negativa a la positiva durante la descarga constituye lo que se conoce como corriente de descarga. La trayectoria que sigue esta corriente se conoce como trayectoria de descarga (figura 3.5).

Capacitor en carga

Capacitor totalmente cargado y manteniendo su carga

Capacitor descargado

Trayectoria de descarga

Figura 3.5. Después que un capacitor se ha cargado, mantendrá la carga hasta que se encuentre con una trayectoria de descarga entre las dos placas. La corriente fluirá entonces de la placa negativa a la positiva a través de la trayectoria de descarga correspondiente, hasta que ambas placas sean eléctricamente neutras. 25

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EJEMPLOS DEL USO DE LOS CAPACITORES EN LOS CIRCUITOS 1. Elementos de bloqueo de cd. Cuando un capacitor se coloca en serie con la rama de un circuito, se evita que los componentes de cd de la corriente en la rarna fluyan. Sin embargo, las componentes de ca no se bloquean completamente. Los capacitores de bloqueo se utilizan en amplificadores, rectificadores y en los circuitos osciladores. 2. Elemento para desviar cantidades de ca. Cuando un capacitor se coloca en paralelo con una resistencia de gran valor, el capacitor puede formar un camino de baja impedancia para las cantidades de ca. La cd es forzada a utilizar el camino de alta impedancia porque el capacitor permanece virtualmente como un circuito abierto para cd. Se utilizan en esta forma en los circuitos de amplificación. 3. Elementos para almacenar energía. Se utilizan en los circuitos que suministran energía a las unidades electrónicas de destello para fotografía, aceleradores de electrones y lámparas láser. La energía se puede, almacenar lentamente durante la carga del capacitor y liberarse rápidamente por medio de una descarga acelerada. 4. Se utilizan las características transitorias de carga y descarga de los capacitores en la generación de pulsos, circuitos de los computadores análogos y generadores de tiempo. 5. Se utilizan en las fuentes de alimentación de potencia de los instrumentos corno filtros para reducir las fluctuaciones de las formas de onda de la salida. 6. Se utilizan en los osciladores como parte de los circuitos que producen las oscilaciones. 7. Elementos trasductores. El cambio de alguna variable física se puede utilizar para cambiar el valor de la capacitancia de una estructura que tiene la forma de un capacitor. El cambio de la variable no eléctrica se convierte de esta forma en una variación eléctrica. 8. Incremento la eficiencia de los sistemas de transmisión de potencia, incrementando su factor de potencia.

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TIPOS DE CAPACITORES La fabricación de capacitores se realiza de muchas formas, creando multitud de tipos y formas según los materiales que se utilicen en su construcción y la forma de fabricarlos. Existen modelos donde el dieléctrico es de plástico y los hay donde éste está fabricado de cerámica, de aire, etc. Toda esta variedad tiene una serie de finalidades, como son reducir espacio, conseguir más capacidad y abaratar el costo. Existen otros muchos tipos, pero en definitiva todos se basan en lo mismo: placas separadas entre materiales dieléctricos. Los dieléctricos que separa las placas de un capacitor determina principalmente el valor de la capacitancia, la corriente de fuga y el voltaje de perforación del capacitor. Como consecuencia, los capacitores se clasifican generalmente de acuerdo con los materiales que se usan como dieléctrico. El objetivo en el diseño de un capacitor es tener el mayor valor en el menor volumen posible. Además la capacitancia no debe cambiar con el tiempo, el voltaje, la presión y debe tener un mínimo de pérdidas. Para un área y tipo de dieléctricos dados, la capacitancia se puede incrementar únicamente haciendo el dieléctrico tan delgado como sea posible. Infortunadamente, al adelgazar el dieléctrico se reduce el voltaje máximo que se puede aplicar a través del capacitor. Si éste voltaje máximo se excede, ocurre la perforación y ruptura del dieléctrico. El mismo efecto también origina fugas mayores en grandes unidades de capacitancia. Por tanto, existe un compromiso esencial entre una capacitancia alta y la habilidad para resistir voltajes altos. La estructura metal-dieléctrico-metal que forma un capacitor fijo se puede enrollar en forma de un tubo, doblar o reducir en alguna forma su tamaño total y hacer un paquete sellado protegido contra las influencias del medio ambiente. Por lo tanto los capacitores varían ampliamente en forma y tamaño. En síntesis los capacitores, como las resistencias, se pueden incluir bajo uno de dos encabezados generales, fijos o variables.

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Hoy día se encuentran disponibles muchos tipos de capacitores fijos; algunos de los más comunes son los de mica, de cerámica, los de película plástica, los electrolíticos y los tubulares de papel. CAPACITORES DE MICA. El capacitor de mica consiste básicamente en láminas de mica separadas por láminas de papel metálico. Las placas se conectan a dos electrodos, como se muestra en la figura 3.7. Papel metálico Mica Papel metálico Mica Papel metálico Mica Papel metálico

Figura 3.7. Capacitor de mica.

El área total es el área de una lámina por el número de láminas dieléctricas. Todo el sistema se empaca en un material aislante de plástico. El capacitar de mica tiene excelentes características bajo el esfuerzo de las variaciones de temperatura y las aplicaciones de altas tensiones (su rigidez dieléctrica es de 5,000 v/mil). Su corriente de fuga es también muy pequeña (Rfuga es de aproximadamente 1,000 megaohms). Hay varios tipos de capacitores de mica, en la figura 3.8 se muestran algunos de ellos.

Figura 3.8. Capacitores de mica. (cortesía de la Sprague Electric Company)

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CAPACITOR DE CERÁMICA. El capacitar de cerámica se hace en muchas formas y tamaños, sin embargo, la construcción básica es aproximadamente la misma para cada uno de ellos. Se recubre una base de cerámica por ambos lados, con un metal, que puede ser cobre o plata, para que actúe como las dos placas. Luego se fijan a las placas los contactos a través de electrodos. Después se aplica una cubierta aislante de cerámica o plástico a las placas y el dieléctrico (figura 3.9). Disco de cerámica

Terminal

Película de metal

Figura 3.9. Construcción de un capacitor de disco cerámico.

Los capacitores de cerámica tienen también una corriente de fuga muy baja (Rfuga es de aproximadamente 1,000 megaohms) y se puede utilizar en redes de cd y ca (figura 3.10).

Capacitores de cerámica. (cortesía de la International Business Machines Corporation)

Resistencia

Capacitor

Capacitancia determinada por la conexión de los conductores. (cortesía de la sprague Electric Company)

El dieléctrico es cerámica K de altura media. (cortesía de la International Business Machines Corporation)

Figura 3.10. Capacitores de cerámica. 29

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CAPACITORES ELECTROLÍTICOS. El capacitor electrolítico se utiliza más comúnmente en situaciones en que se requieren capacitancias del orden de uno a varios miles de microfaradios. Se diseñan primordialmente para su uso en redes en las que se aplican sólo tensiones de cd al capacitor. Existen capacitores electrolíticos que se pueden utilizar en circuitos de ca (para hacer arrancar motores) y en casos en que la polaridad de la tensión a cd se invertirá en el capacitor durante breves periodos. La construcción básica del capacitar electrolítico consiste en un rollo de papel de aluminio recubierto por un lado de óxido de aluminio, para que el aluminio sea la placa positiva y el óxido el dieléctrico. Una capa de papel o gasa saturada con un electrólito se pone sobre el óxido de aluminio en la placa positiva. Luego se pone sobre esa capa otra recubierta de aluminio sin el recubrimiento de óxido, para desempeñar la función de la placa negativa. En la mayoría de los casos, la placa negativa se conecta directarnente al recipiente de aluminio que sirve entonces como terminal negativa para las conexiones externas (figura 3.11). Electrodo de aluminio (positivo)

Oxido de aluminio Lámina del cátodo (negativa) Cubierta protectora

Electrodo conductor

Terminal de conexión

Electrodo de aluminio (negativo) Lámina del ánodo (positiva)

Papel separador (saturado con electrolito)

Figura 3.11. Construcción de capacitores electrolíticos de aluminio.

Debido al tamaño del rollo de papel de aluminio, el área total de este capacitor es grande y debido al empleo de un óxido como dieléctrico, la distancia entre las placas es extremadamente pequeña. La terminal negativa del capacitor electrolítico suele ser la que no tiene identificación visible en el empaque. La positiva se suele indicar con signos como +,  , , etc. Debido al requisito de la polaridad, el símbolo para un capacitor electrolítico aparece normalmente como el capacitor polarizado de la figura 3.1(b). Al capacitor electrolítico se asocia una tensión de trabajo y otra de sobretensión, La tensión de trabajo es la que se puede aplicar al capacitor durante periodos prolongados, sin ruptura. La tensión de sobretensión es la máxima que se puede aplicar durante un periodo breve. Los capacitores electrolíticos se caracterizan por tener bajas tensiones de ruptura y

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alta resistencia de fuga (Rfuga de aproximadamente un megaohm). La figura 3.12 muestra varios tipos de capacitores electrolíticos.

Figura 3.12. Capacitores electrolíticos. (Cortesía de la Sprague Electric Company)

CAPACITOR TUBULAR DE PAPEL. El capacitor tubular de papel, cuya construcción básica se ilustra en las figuras 3.13 y 3.14.

Papel impregnado de material dieléctrico

Papel metálico

Figura 3.13. Capacitor tubular de papel.

Figura 3.14. Capacitor de papel lleno de aceite. (Cortesía de la westinhouse Electric Company)

Consiste simplemente en dos láminas metálicas separadas por tiras de papel impregnadas con un material dieléctrico, que puede ser cera, plástico o aceite. Cada lámina metálica va conectada a un conductor que se extiende axial o radialmente del capacitor. El recubrimiento exterior puede ser papel encerado o plástico, utilizando el último para aplicaciones con altas temperaturas. Hay datos, como la capacitancia y la tensión de trabajo, que se imprimen en el forro exterior si el capacitor es suficientemente grande; en los muy pequeños se usa una clave de colores. Se imprime una banda (casi siempre negra) cerca del conductor que se conecta al papel metálico exterior. El conductor más cercano a esta banda debe conectarse siempre al punto de 31

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potencial mas bajo. El capacitor tubular de papel se puede utilizar para redes tanto de cd como de ca. Su resistencia de fuga es del orden de 100 megaohms. Algunos de ellos se muestran en la figura 3.15.

Figura 3.15. Capacitores tubulares de papel. (Cortesía de la Sprague Electric Company)

CAPACITORES DE PELÍCULA PLÁSTICA. Los capacitores de película plástica se construyen básicamente en la misma forma que los capacitores de papel. Excepto que una hoja muy delgada de plástico (tal como el teflón y el polietileno) se utiliza en ves del papel. Este dieléctrico mejora las propiedades del capacitor minimizando las corrientes de fuga a una temperatura hasta de 150-200 oC. El costo de estos capacitores es mayor que el capacitor de papel y por tanto sólo se utilizan cuando un capacitor de papel no reúne las especificaciones del diseño. Comercialmente se consiguen en rangos entre 500 pf y 10  f (figura 3.16).

Figura 3.16. Vista en corte de un capacitor de película de plástico. (Cortesía de Sprague Electric company)

CAPACITORES VARIABLES. El más común de los capacitores de tipo variable se muestra en la figura 3.17.

Figura 3.17. Capacitores variables de aire. (Cortesía de la James Millen Manufacturing Company) 32

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El dieléctrico para este capacitor es aire. La capacitancia se cambia haciendo girar el eje en un extremo para que varíe el área común de la placa móvil y la fija. Cuanto mayor sea el área común, tanto mayor será la capacitancia. CODIGO DE COLORES PARA LOS CAPACITORES

3.1.9. CÓDIGO DE COLORES DE LOS CAPACITORES

Figura 3.18. 33

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EL INDUCTOR O BOBINA Es uno de los elementos pasivos ideales que acumulan energía en forma de campo magnético y tienen propiedades diferentes cuando se excitan con cantidades de corriente alterna (ca) en vez de corriente directa (cd). A la bobina también se le llama inductor o inductancia. El símbolo en un circuito para el inductor aparece en la figura 3.19 con la abreviatura gráfica para el inductor (L), su unidad es el henrio (H). L Figura 3.19. Símbolo y notación para el inductor.

Inductancias: Cuando una carga fluye por un conductor, existe un campo magnético asociado con esta corriente en el espacio que rodea al conductor. Cuando la carga cesa de fluir, el campo magnético decrece hasta desaparecer. Este fenómeno demuestra que la fuente de los campos magnéticos es el flujo de carga o corriente. Cuando una corriente fluye en un alambre conductor, un campo magnético con una configuración como la que se muestra en la figura 3.20, rodea el alambre.

Figura 3.20. Campo magnético alrededor de un alambre que conduce una corriente.

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Si este alambre se dobla en forma de una bucla, el campo magnético de la bucla tendrá una forma como la que se muestra en la figura 3.21.

Figura 3.21. Campo magnético en una bucla circular de alambre.

Finalmente, si el alambre se devana en forma de una bobina (como se muestra en la figura 3.22), los campos magnéticos de las buclas individuales se combinan para formar un solo campo total. (A una bobina también se le llama selenoide).

Figura 3.22. Campo magnético en una bobina que conduce una corriente.

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El campo de la bobina tiene la misma forma que el campo de una barra de imán permanente (con el capo en un extremo que corresponde a un polo norte y el otro extremo a un polo sur). Las líneas que representan los campos magnéticos en estas ilustraciones (figuras 3.20, 3.21 y 3.22) se llaman líneas de flujo. Los campos magnéticos que rodean los conductores que conducen corriente tienen energía almacenada en ellos. La cantidad de energía depende de la magnitud de la corriente que es también la fuente del campo. Esta energía se deposita dentro del campo magnético cuando la corriente que origina el campo se aumenta. Esta misma energía se retorna a las cargas cuando la corriente decrece. (Una parte de la energía también puede ser radiada en forma de ondas electromagnéticas.) EJEMPLOS DEL USO DE LAS INDUCTANCIAS EN LOS CIRCUITOS Los inductores son bobinas de varias dimensiones, diseñadas para introducir a un circuito cantidades de inductancia específicas. Las inductancias se emplean en los circuitos eléctricos como: 1. Elementos que bloquean las señales de alta frecuencia pero que permiten el paso de las señales de baja frecuencia sin una atenuación significativa. Tales bobinas de reactancia o chokes se pueden colocar en serie con las fuentes de potencia de 60 Hz. A cualquier señal de alta frecuencia se le impedirá entrar al circuito de la fuente de potencia. 2. Elementos que se utilizan en combinación con los capacitores para permitir el paso únicamente a determinadas frecuencias (filtros selectivos). 3. Elementos que se utilizan para producir altos voltajes en aplicaciones tales como el encendido de las bujías de los automóviles. 4. Elementos que almacenan energía en los campos magnéticos como parte de los circuitos osciladores. 5. Elementos que actúan como trasductores para indicar cantidades no eléctricas como posición y velocidad. 6. Dispositivos que se utilizan para deflectar un haz de electrones en los tubos de rayos catódicos de la televisión. (Los tubos de rayos catódicos de los osciloscopios utilizan un sistema de deflexión electrostático.)

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ESTRUCTURA DE LAS BOBINAS Las inductancias se construyen devanando alambre en bobinas de varias configuraciones. Esto restringe el campo magnético al espacio físico alrededor de la inductancia y crea un efecto inductivo mayor por unidad de volumen del elemento. (para una bobina toroidal que devana apretadamente el campo magnético, está confinado casi totalmente al espacio cerrado por el devanado.)

Los principales factores que determinan la magnitud de la inductancia de una bobina son: 1.- El número de vueltas de la bobina, 2.- El tipo y forma del material del núcleo y en una extensión menor, 3.- El diámetro y espaciamiento de las vueltas. Las bobinas están devanadas normalmente alrededor de núcleos de materiales ferromagnéticos por que esto hace la densidad de flujo magnético mucho mayor que si el núcleo es aire. La densidad de flujo mayor permite un incremento en la inductancia de la estructura. Pero éste tipo de núcleo también hace que la inductancia esté sujeta a pérdidas por histéresis y por corrientes inducidas. TIPOS DE INDUCTORES

A cada inductor se asocia una resistencia igual a la de las vueltas, y una capacitancia dispersa debida a la capacitancia entre las vueltas de la bobina. Para incluir esos efectos, se muestra en la figura 3.23 el circuito equivalente para el inductor. Resistencia de las Vueltas de alambre

Inductancia de la bobina

Capacitancia distribuida

Figura 3.23. Circuito equivalente para el inductor.

Sin embargo, la función primaria del inductor es introducir inductancia “no resistencia o capacitancia” en la red. Por esta razón, los símbolos utilizados para la inductancia son como se ilustra a continuación (figura 3.24):

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Núcleo de aire

Núcleo de hierro

Variable (sintonizada por permeabilidad)

Figura 3.24. Símbolos que se utilizan para la inductancia.

Al igual que los capacitores, todos los inductores se pueden dividir en dos grupos generales: Fijos y variables. INDUCTORES FIJOS. Ejemplos de inductores fijos son los de núcleo de aire y núcleo de hierro. A continuación se muestran algunos tipos de inductores fijos (figura 3.25).

Inductor y resistor en un módulo (cortesía de International Business Machines Corporation)

0.025 a 0.11 H de inductancia total, dependiendo de las conexiones en serie o en paralelo; 5/16” de diámetro x 3/16” de altura y 1/20 de onza de peso. (Cortesía de la United Transformer Corporation)

1.0 H a 8 A, 8 kV de tensión de trabajo (cortesía de Basler Electric Company)

Inductores moldeados, de 0.15 a 68  H, 47 a 10,000  H y 0.10 a 10  H.

(por cortesía de Stanwyck Winding Company, Inc.)

Figura 3.25. Tipos de inductores fijos. 38

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Otro ejemplo de inductores fijos es el inductor toroidal el cual se describe a continuación: INDUCTANCIAS TOROIDALES. El toroide es una inductancia de gran eficiencia debido a su forma. Virtualmente todo el flujo producido por la bobina está encerrado por el devanado produciendo un gran valor de inductancia por unidad de volumen. Además, las inductancias toroidales son relativamente inmunes a los campos magnéticos parásitos. Las desventajas de las inductancias toroidales es el alto costo de su devanado debido a su forma circular. Las inductancias toroidales se construyen en varias formas. Una forma consiste en enrollar en forma de anillo una tira larga y delgada (figura 3.26), para formar un núcleo que es, en efecto, laminado.

Figura 3.26. Toroide de cinta devanada. (Cortesía de Microtran Company, Inc.)

Otro método de construcción es apilar una serie de arandelas hasta conseguir el espesor deseado para el núcleo. Si se desea proteger el núcleo contra el medio ambiente, se puede cubrir con caucho sintético y envasar toda la inductancia en bakelita (figura 3.27).

Figura 3.27. Inductor toroidal de 25 mH. Capacitancia distribuida típica de 127 pF. (Cortesía de Microtran Company, Inc) 39

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INDUCTANCIAS VARIABLES. Para algunas aplicaciones se requieren inductancias variables y no fijas tal como sucede en los circuitos de sintonía, desfasadores, conmutadores. Estas inductancias se pueden construir en diversas formas. La figura siguiente muestra dos formas utilizadas comercialmente para obtener una inductancia variable. La inductancia de la figura 3.28(a) se varía al pasar el interruptor de una toma a otra. En la figura 3.28 (b) se emplea un núcleo móvil. A medida que el núcleo se introduce dentro de la bobina, se incrementa la inductancia. Diseñado en forma apropiada el espacio entre las vueltas de la bobina, se puede obtener una variación lineal con el movimiento del núcleo.

(a)

(b)

Figura 3.28. Inductancias variables (a) Con conmutador de tomas (b) Con núcleo variable

En la figura 3.29 tenemos un ejemplo de inductor variable.

Figura 3.29. Inductor variable de 0.2 a 2 H. (Cortesía de la United Transformer Corporation.)

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MATERIAL TIPO N Los cristales de germanio y silicio constituyen elementos estables desde el punto de vista químico y buenos aislantes desde el punto de vista eléctrico, en virtud de que no disponen de electrones libres. Sin embargo, la alta resistencia de estos materiales al paso de la corriente eléctrica, puede disminuirse añadiéndoles cantidades controladas de elementos químicos a las cuales se les da el nombre de impurezas. Esto puede explicarse de la siguiente manera: una de las impurezas comúnmente utilizada es el arsénico; los átomos de arsénico cuentan con cinco electrones de valencia en su última orbita. Al penetrar en la estructura cristalina del germanio o del silicio, establecen enlaces covalentes compartiendo cuatro electrones de su orbita externa, quedando libre uno de sus electrones. De este modo las impurezas proporcionan al germanio y al silicio electrones libres, los cuales pueden ser fácilmente desplazados por la acción de una fuerza electromotriz, permitiendo así el paso de una corriente. Grafica 3-4

Grafica 3-4 Los átomos de arsénico proporcionan electrones libres al germanio y silicio.

El cristal de germanio y de silicio tratado de esta manera recibe el nombre de cristal N, en virtud de que la conducción se hace por electrones libres, los cuales como ya se dijo, cuentan con “carga negativa” la impureza utilizada para obtener cristales N, se le conoce con el nombre de donante o donadora ya que ésta proporciona los electrones. Gráfica 3-5.

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Grafica 3-5 La conducción eléctrica en un cristal N se hace por los electrones libres proporcionados por las impurezas.

MATERIAL TIPO P Existe otro procedimiento para lograr que el germanio o el silicio permitan el paso de una corriente eléctrica, el cual es semejante al anterior debido a que se utilizan impurezas. Sin embargo, las estructuras atómicas de las impurezas empleadas en este caso tales como el indio, el boro, el galio, cuenta con tres electrones de valencia en su última órbita. Al establecer enlaces covalentes con los átomos de germanio o silicio y poder estabilizar de esta manera su orbita externa, requieren de un electrón, el cual, es tomado de las ligaduras atómicas vecinas, produciéndose así desequilibrios eléctricos en los átomos que se componen dichas ligaduras los cuales reciben el nombre de huecos. Grafica 3-6.

Grafica 3-6 Los átomos de indio originan los huecos en el germanio y silicio. Estos “huecos” actúan como “cargas positivas” y la presencia de los mismos hace posible la conducción de la corriente eléctrica debido a que los electrones al circular, ocupan transitoriamente dichos “huecos” o espacios vacíos como si fueran saltando de un hueco a otro. El germanio o el silicio tratados de esta manera se les conocen con el nombre de cristales P. Grafica 3-7. 42

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Grafica 3-7 La conducción eléctrica en un cristal P se realiza a través de los huecos. A la impureza utilizada para obtener cristales P se le denomina Aceptora. Como puede observarse, las impurezas que se añaden a los cristales de germanio y silicio, modifican la estructura cerrada y dura que guardan los átomos por la acción covalente de las orbitas externas y permiten que estos cristales conduzcan la corriente eléctrica. Las propiedades eléctricas de los cristales N y P son aprovechadas en la construcción de los diodos semiconductores y transistores.

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