Tema 57

TEMA 57 CIRCUITOS ELECTRÓNICOS: ELEMENTOS COMPONENTES Y SU FUNCIONAMIENTO. PROCEDIMIENTOS DE CONEXIÓN.

INDICE 1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................2 1.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES........................................................................................2 1.1.1. ¿Qué es la electricidad?......................................................................................................2 1.1.2. Electrostática, electrodinámica y electromagnetismo........................................................2 1.1.3. Corriente eléctrica: efectos y magnitudes...........................................................................3 1.1.4. Medida de magnitudes eléctricas. El multímetro...............................................................3 1.2. EL ORIGEN DE LA ELECTRÓNICA. ÁMBITOS DE APLICACIÓN..................................4 1.2.1. Evolución histórica.............................................................................................................4 1.2.2. Ámbitos de aplicación de la electrónica.............................................................................5 2. LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS PASIVOS....................................................................6 2.1. RESISTENCIAS ELÉCTRICAS..............................................................................................6 2.1.1. Tipos de resistencias...........................................................................................................6 2.1.2. Asociación de resistencias..................................................................................................7 2.2. Los condensadores.....................................................................................................................8 2.2.1. Características del condensador.........................................................................................8 2.2.2. Tipos de condensadores......................................................................................................9 2.3. MAGNETISMOS. INDUCTANCIAS......................................................................................9 2.3.1. Relés ................................................................................................................................10 2.3.2. Transformadores...............................................................................................................10 3. LOS COMPONENTES ACTIVOS: DE LA VÁLVULA A LOS SEMICONDUCTORES...........10 3.1. EL DIODO...............................................................................................................................11 3.1.1. El efecto termoiónico. La válvula diodo...........................................................................11 3.1.2. El diodo semiconductor....................................................................................................12 3.1.3. Tipos de diodos.................................................................................................................13 3.1.4. Aplicaciones de los diodos...............................................................................................14 3.2. EL TRANSISTOR...................................................................................................................14 3.2.1. Tipos de montaje...............................................................................................................15 3.2.2. Aplicaciones de los transistores........................................................................................16 3.3. OTROS ELEMENTOS SEMICONDUCTORES...................................................................17 3.3.1. El tiristor...........................................................................................................................17 3.3.2. El triac..............................................................................................................................18 3.3.3. El diac...............................................................................................................................18 4. PROCEDIMIENTOS DE CONEXIÓN.........................................................................................19 4.1. TÉCNICAS MANUALES DE INSERCIÓN Y SOLDADURA............................................19 4.1.1. Placa de pruebas o entrenador..........................................................................................19 4.1.2. Placa de tiras.....................................................................................................................19 4.1.3. La soldadura eléctrica.......................................................................................................19 4.1.4. El circuito impreso...........................................................................................................20

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1. INTRODUCCIÓN 1.1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES 1.1.1.¿Qué es la electricidad? La materia está formada por átomos. El átomo es la partícula más pequeña capaz de conservar las propiedades íntegras de un elemento. Consta de un núcleo y una corteza. El núcleo contiene protones (carga +) y en la corteza están los electrones (carga -). La electricidad es una forma de energía asociada a las cargas eléctricas. La parte de la física que estudia los fenómenos eléctricos recibe el nombre de electricidad. Además, podemos decir que la electricidad es una propiedad de los materiales, que se pone de manifiesto en unos más fácilmente que en otros. El movimiento de electrones es lo que constituye la corriente eléctrica. Puede seguir un único sentido (corriente continua) o variar éste en función del tiempo (corriente alterna).

1.1.2.Electrostática, electrodinámica y electromagnetismo Dentro de la electricidad, en función del estudio que se realiza de ella podemos distinguir: a) La electrostática: Trata de los fenómenos de la electricidad relacionados con los cuerpos y las cargas eléctricas. Todas las sustancias tienen en estado natural el mismo número de cargas positivas y negativas. Las cargas positivas y negativas se atraen entre sí. Las cargas del mismo signo se repelen. En un material no electrizado, las fuerzas de atracción y repulsión están compensadas y no se manifiesta ningún fenómeno eléctrico. Frotando un material con otro podemos cargar de forma positiva o negativa, es decir, le quitamos o añadimos electrones. Los electrones son las únicas cargas eléctricas que pueden desplazarse de un cuerpo a otro. Como los electrones tienen carga eléctrica negativa, cuando un cuerpo los pierde se queda cargado positivamente, y cuando los gana se queda cargado negativamente. b) La electrocinética: Estudia los fenómenos provocados por las cargas eléctricas en movimiento, de las que derivan fenómenos magnéticos.

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c) El electromagnetismo: Es la parte de la física que se ocupa de las relaciones entre electricidad y magnetismo.

1.1.3.Corriente eléctrica: efectos y magnitudes La circulación de electrones por un conductor recibe el nombre de corriente eléctrica. Su unidad es el amperio, que expresa la cantidad de carga eléctrica que circula (electrones) por unidad de tiempo. 1 AMPERIO = 1 Culombio /sg.

1 Culombio = 6,23. 1018 electrones.

Según el sentido de circulación de los electrones por un conductor, la corriente eléctrica se clasificará en corriente continua, alterna o pulsatoria. a) Corriente continua: Es la circulación por un conductor de una corriente constante y en un único sentido. Las pilas eléctricas son generadores químicos de corriente continua, y se comportan como tales. También existen generadores mecánicos de corriente continua, como la dinamo. b) Corriente pulsatoria: El sentido de la corriente es constante, pero su valor varía. c) Corriente alterna: Es la corriente en la que los electrones circulan por un conductor de manera alternativa en los dos sentidos. Su forma y valor varían en función del tiempo. Esta corriente puede tener varias formas de ondulación, en función de su origen. La producción de la corriente alterna se obtienen con los generadores de corriente llamados alternadores. La energía eléctrica puede transformarse en otras formas de energía. Como ejemplos de esta transformación se tienen los efectos que puede producir la corriente eléctrica, que muchas veces están interrelacionados entre sí: calorífico, dinámico, luminoso, magnético, químico, etc.

1.1.4.Medida de magnitudes eléctricas. El multímetro. Las magnitudes eléctricas fundamentales que frecuentemente se miden en un circuito eléctrico son las siguientes: resistencia, intensidad, diferencia de potencial o voltaje, capacidad, inductancia y potencia eléctrica, entre otras. Las tres primeras magnitudes están relacionadas por la Ley de Ohm: V = R / I.

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El instrumento que se utiliza para medir las intensidades de la corriente eléctrica es el amperímetro. Éste se coloca en serie, es decir, siguiendo el sentido de circulación de los electrones. El voltímetro mide tensiones y se coloca en paralelo con el elemento a medir. Ambos instrumentos miden señales continuas y alternas, según la naturaleza de la corriente. La medición de las resistencias se realiza con el ohmetro. Para efectuar esta medición se coloca en los bornes del elemento a medir y sin alimentación. El instrumento que puede obtener conjuntamente la medida de todas o de parte de estas magnitudes recibe el nombre de multímetro o tester. Éstos pueden ser analógicos o digitales según su tecnología y forma de lectura.

1.2. EL ORIGEN DE LA ELECTRÓNICA. ÁMBITOS DE APLICACIÓN. La electrónica es la ciencia que estudia, transforma y aplica las variaciones de las magnitudes eléctricas para recibir, tratar y transmitir la información de una señal eléctrica. En su tratamiento se utilizan componentes específicos para crear los circuitos capaces de resolver funciones concretas.

1.2.1.Evolución histórica La electricidad dio origen a la electrónica. No podemos hablar de historia de la electrónica hasta finales del S. XIX, momento en que se realizó un estudio cuidadoso de los electrones que rodean al núcleo atómico. En 1.883 Thomas A. Edison observó que al calentar un material metálico se producía una emisión de electrones. A este fenómeno lo llamó efecto termoiónico. Se puede considerar que éste fue el origen de lo que actualmente conocemos como electrónica. En 1.896 Marconi logró transmitir señales a gran distancia mediante la telegrafía sin hilos. Un año después, Fleming utilizó la válvula diodo para la detección de las señales de radio. Posteriormente esta válvula se perfeccionó y en 1.938 se sentaron las bases teóricas para la fabricación de los elementos semiconductores. Desde este momento y gracias a la constante investigación, los nuevos descubrimientos no han dejado de sorprender a la humanidad. Hertz observó que al circular una corriente alterna por un conductor, se crean ondas electromagnéticas a su alrededor, las cuales dependen de la corriente que circula. Estas ondas

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reciben el nombre de ondas herrtzianas o también ondas radioeléctricas o electromagnéticas. Son ondas que se propagan a la velocidad de la luz y pueden atenuarse en función del medio por donde circulan.

1.2.2.Ámbitos de aplicación de la electrónica El contenido básico de la electrónica consiste en diseñar dispositivos fundamentales relacionados con el comportamiento de los electrones en la materia. La electrónica práctica evoluciona gracias a los avances en la tecnología de los materiales. Los ámbitos más generales de aplicación de la electrónica son el industrial y el de las comunicaciones. a) La electrónica industrial: Es una parte muy extensa de la electrónica y comprende todos los procesos industriales, desde la instrumentación hasta la robótica. Está relacionada con el resto de profesiones de la electrónica. Electromedicina o láser son dos ámbitos de electrónica industrial aplicada muy importantes respecto a su evolución en los últimos años. b) La electrónica de comunicaciones: Se trata del campo de la electrónica que ha evolucionado más rápidamente y que más ha influido en las técnicas de comunicación e información. Comprende básicamente las telecomunicaciones y la informática. Como ejemplos más característicos podemos citar la radiotelegrafía, radiotelefonía, radar, radiotelescopios, electroacústica o televisión. c) Electrónica de consumo: El mercado de consumo nos ofrece gran variedad de productos electrónicos, que podemos agrupar en tres apartados:

-

Aparatos audiovisuales autónomos (ordenadores, aparatos reproductores y grabadores de vídeo, reproductores y grabadores de sonido)

-

Medios de difusión (radio y televisión)

-

Medios de telecomunicación (teléfono, videoteléfono, comunicación por vía informática)

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2. LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS PASIVOS Los circuitos electrónicos utilizan unos componentes que se clasifican en elementos activos y pasivos. Los componentes pasivos, por sí solos, no amplifican ni generan señal alguna. Estos son los elementos que actúan como cargas, de manera que pueden atenuar señales y compensar o ajustar la señal eléctrica en un circuito. Como ejemplos de elementos pasivos tenemos las resistencias, las bobinas inductancias y los condensadores.

2.1. RESISTENCIAS ELÉCTRICAS Se trata de elementos pasivos que presentan oposición al paso de la corriente eléctrica. Se usan para reducir la corriente que circula por un punto determinado del circuito o para dividir el valor total de la tensión. El grado de oposición que puede llegar a presentar la resistencia se mide en ohms y se representa con la letra griega omega. A la hora de elegir una resistencia, hemos de tener en cuenta las siguientes características: a) Valor óhmico: Puede estar indicado numéricamente sobre la superficie de la resistencia; o bien puede estar representado por unas franjas de colores que tienen una equivalencia numérica óhmica. Cuando el valor óhmico es muy elevado, se expresa en múltiplos: kilo y mega. b) Potencia que puede disipar: Según la intensidad que circule por la resistencia, se genera una cantidad de calor que debe eliminarse. La potencia de la resistencia depende del calor qie ésta pueda ceder al medio sin deteriorarse. La unidad de potencia eléctrica es el watio (W). A más potencia, más tamaño tendrá la resistencia. Los valores más usuales son de 1/3, 1/2, 1 y 2 W. c) La tolerancia: Durante la fabricación de resistencias, es imposible obtener valores exactos. El valor de la tolerancia es un factor de seguridad que se puede definir como la diferencia máxima entre el valor nominal o teórico y el valor real de la resistencia. Se expresa en porcentajes del nominal (2%, 5%,10%,20%).

2.1.1.Tipos de resistencias a) Resistencias bobinadas: Estas resistencias presentan el valor óhmico impreso en números. Se utilizan en las zonas de circuitos que necesitan una gran disipación de potencia.

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b) Resistencias de carbón o pirolíticas: son resistencias con una tolerancia del 5%. c) Resistencias de película metálica: Tienen una tolerancia del 1%, por lo que se utilizan en circuitos en los que se necesitan valores resistivos de mucha precisión, por ejemplo, en informática. d) Resistencias variables: Los reostatos y potenciómetros son resistencias que permiten variar su valor según las necesidades. e) Otros tipos: hay otros tipos de resistencias que varían su valor según diversos parámetros: -

LDR: según la luz que incide sobre ella.

-

PTC/NTC: según la temperatura.

-

VDR: según la tensión aplicada.

2.1.2.Asociación de resistencias Las resistencias eléctricas se pueden asociar en serie, en paralelo o de las dos formas a la vez (es decir, de forma mixta) a) Circuito serie: Las resistencias están conectadas una a continuación de otra. El valor de la intensidad que circula por cada una de las resistencias es el mismo. Cada resistencia tiene distinta caída de tensión, en función de su valor óhmico. La suma total de las caídas de tensión nos da la tensión total que se aplica al circuito. E=Vr1+Vr2+Vr3

Rtotal= r1+r2+r3

I=Ir1=Ir2=Ir3

b) Circuito paralelo: Las resistencias están conectadas entre sí por los extremos; a su vez, los extremos están conectados al generador que los alimenta. El valor de la intensidad que circula por cada una de las resistencias depende de su valor óhmico. Cada resistencia tendrá la misma caída de tensión. La suma de las intensidades que circulan por cada resistencia nos dará la intensidad total que sale del generador. E=Vr1=Vr2=Vr3

Rtotal=1/( r1+r2+r3)

I=Ir1+Ir2+Ir3

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c) Circuito mixto: Los circuitos mixtos están formados por grupos de resistencias en serie y en paralelo. Tendremos que resolver los distintos grupos para construir un circuito equivalente único y después resolverlo.

2.2. Los condensadores Después de las resistencias eléctricas, los condensadores son los componentes más empleados en los circuitos electrónicos. Son componentes capaces de almacenar temporalmente cargas eléctricas. Su constitución interna se fundamenta en dos placas llamadas armaduras o electrodos, elementos separados entre sí por un material aislante conocido como dieléctrico. La capacidad de un condensador viene determinada por la superficie de las armaduras, la distancia que las separa y la naturaleza del dieléctrico. El condensador en corriente continua sólo permite el paso de la corriente mientras dura el proceso de carga. Una vez cargado el condensador, deja de pasar corriente por él. En corriente alterna, su comportamiento es diferente. Se carga y se descarga continuamente.

2.2.1.Características del condensador Los condensadores se seleccionan según sus valores característicos de: a) Valor capacitivo: Es la capacidad de almacenamiento. La unidad de capacidad es el faradio, que equivale a la capacidad de un condensador que, cargado con un culombio, tiene entre sus placas una diferencia de potencial de un voltio. Como esta unidad resulta excesivamente grande, recurrimos a los múltiplos picofaradio (10-12), nanofaradio (10-9), microfaradio (10-6). Viene indicado numéricamente sobre el componente o representado mediante un código de franjas, en picofaradios. La capacidad equivalente de un circuito con condensadores en paralelo se calcula sumando sus valores. Si se trata de un circuito en serie, la capacidad total se determina haciendo la inversa de la suma de sus inversas. b) La tensión de perforación del dieléctrico: Es el valor de tensión que soporta el dieléctrico del condensador. Hay que procurar darle un margen de seguridad.

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c) La tolerancia: Es la diferencia máxima entre el valor nominal o teórico y el valor rela del condensador. Se expresa en porcentajes del valor nominal (5%, 10%, etc.). En condensadores electrolíticos, la tolerancia puede alcanzar valores de 50%.

2.2.2.Tipos de condensadores Existen distintos tipos de condensadores según su construción: a) Estiroflex: Tiene una apariencia transparente y suele ser de poca capacidad (del orden de picofaradios). La tolerancia suele ser un 10%. Con franjas se indica la tensión de trabajo. b) Poliester: Valor y tensión máxima escritos en el propio condensador (expresados en nanofaradios). c) Cerámicos: Suelen ser de poca capacidad, y aguantan menos tensión que los de poliester. Sus valores se determinan mediante código de colores, en nanofaradios. d) Electrolíticos: Son los más usados, sobre todo como filtro. Suelen aumentar mucho de tamaño a medida que su tensión de trabajo es mayor. Tienen su polaridad. Capacidad en microfaradios.

2.3. MAGNETISMOS. INDUCTANCIAS. El nombre de magnetismo proviene de un mineral llamado magnetita, que tiene la propiedad de atraer a los materiales de origen férrico, por ejemplo las limaduras de hierro. Estudiando las propiedades del magnetismo se llegó a construir imanes artificiales. Si enrollamos un hilo de cobre barnizado sobre una forma cilíndrica obtenemos una bobina. Al circular una corriente continua por dicha bobina se genera un campo magnético. Este efecto se podría comprobar con una brújula. Hay muchas formas prácticas de presentación de las bobinas. Se pueden establecer dos características fundamentales, según el valor de la autoinducción y según la frecuencia de trabajo a la que van destinadas. La inductancia de las bobinas puede ser fija o variable, según su construcción. La unidad de inductancia es el henrio (H), equivalente a la inductancia que produce una fuerza electromotriz de un voltio cuando la corriente eléctrica que recorre el circuito varía uniformemente a razón de 1 amperio por segundo.

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2.3.1.Relés El relé es un elemento que se fundamenta en las propiedades del magnetismo para formar imanes no permanentes. Si introduces un trozo de hierro dulce en el interior de la bobina, cada vez que circule corriente eléctrica por ella se transformará en un imán. Cuando circule corriente por la bobina, el hierro atraerá una pieza metálica que forma parte del conjunto. Esta pieza podrá bascular por uno de los extremos, de tal manera que el otro quedará libre y podrá cerrar o abrir un circuito. Cuando la corriente deje de circular, un muelle hará que esta pieza metálica vuelva a su estado inicial. De esta forma, según circule o no corriente, podremos abrir o cerrar circuitos eléctricos. Existen relés que, en función del número de contactos, puedan cerrar o abrir uno o más circuitos a la vez.

2.3.2.Transformadores El transformador es un componente basado en la disposición de dos bobinas acopladas magnéticamente con un núcleo de material ferromagnético, constituido de ferrita. La bobina por donde entra la corriente recibe el nombre de primario, y por donde sale, secundario. Debido a este acoplamiento, la señal que entra en el transformador sufre variaciones que son recogidas a la salida. Se pueden utilizar transformadores para elevar su amplitud o disminuirla, o bien para adaptar entre sí otros componentes. Un transformador reduce la tensión cuando el secundario tiene menos espiras que el primario. Todo ello se produce por la variación de la intensidad eléctrica.

3. LOS

COMPONENTES

ACTIVOS:

DE

LA

VÁLVULA

A

LOS

SEMICONDUCTORES. Los componentes activos son capaces de generar, modificar y ampliar el valor de una señal eléctrica. Entre ellos destacan los semiconductores por su facilidad de uso. La tecnología del semiconductor es posterior a la de la válvula de vacío, fundamentada en la emisión termoiónica o de electrones por parte de un material incandescente. Haciendo un poco de historia, entre 1.904 y 1.906, tres inventos contribuyeron al inicio de la era electrónica. Por una parte, y gracias al científico norteamericano H. Dunwoody, tuvo lugar el descubrimiento de las propiedades que tienen algunos elementos para convertir la corriente alterna en corriente continua (rectificador). Por otro lado, y paralelamente, los trabajos desarrollados por el

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austríaco Robert von Lieben y el norteamericano Lee de Forest culminaron con la invención del tubo amplificador y con la válvula de vacío "triodo" que amplifica las señales eléctricas. Lee de Forest es considerado universalmente como "el padre de la radio", puesto que creó los elementos indispensables para la transmisión del sonido a través del espacio, sin hilos.

3.1. EL DIODO El descubrimiento de la válvula diodo, o válvula de vacío, dio pie al estudio y desarrollo de la electrónica.

3.1.1.El efecto termoiónico. La válvula diodo. En 1.904, A. Rudof Wehnelt descubrió que los cátodos situados en el interior de los tubos de descarga de gases formados por óxidos de metales alcalinos emitían iones negativos. Fue el nacimiento de la válvula de vacío o válvula diodo. El diodo se basa en la propiedad que tienen algunos materiales de producir una emisión de electrones cuando se los somete a una temperatura próxima a la incandescencia. Este efecto fue aplicado por Edison en la construcción de la lámpara de incandescencia. La válvula diodo tiene dos partes: el cátodo en forma de filamento, y el ánodo, en forma de placa cilíndrica que rodea el cátodo. Al aplicar calor al cátodo, calor producido por el efecto de la corriente eléctrica, se genera una emisión de electrones. Estos electrones son recogidos por el ánodo, sometido a una tensión positiva con respecto al cátodo. De esta manera se origina una corriente de electrones en un sentido único. Por este motivo, la válvula diodo se utilizaba para transformar la corriente alterna en corriente continua. Gracias a esta propiedad, los tubos conducen la corriente en una sola dirección, efecto que permite usar dichos tubos como rectificadores de la corriente. Las aplicaciones actuales de la válvula de vacío se limitan a los circuitos amplificadores o rectificadores de gran potencia y a los tubos de imagen de los televisores, así como de determinados instrumentos de laboratorio.

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3.1.2.El diodo semiconductor El diodo semiconductor es un componente electrónico fundamentado en las propiedades físicas que presentan algunos materiales. Los semiconductores son sólidos que a temperatura ambiente tienen una resistencia que se encuentra entre los materiales aislantes y los materiales conductores, como los metales. El diodo está formado por un cristal de germanio o de silicio con dos zonas diferenciadas. En una de estas zonas, llamada zona N, se añade un determinado número de impurezas capaces de dar o ceder electrones. En la otra zona, la llamada zona P, la impureza añadida capta electrones. Entre estas dos zonas hay una tercera, la zona de transición o de unión. En función del tratamiento que se dé a los materiales que forman el diodo, se pueden obtener distintos usos. El diodo semiconductor se caracteriza por dejar pasar la corriente eléctrica en un único sentido, cuando está polarizado o alimentado directamente. En sentido inverso, casi no circula corriente. Podríamos decir que actúa como interruptor, abriéndose y cerrándose en función del sentido de la corriente

eléctrica.

La

polarización directa se produce al alimentar positivamente el ánodo (+), y negativamente el cátodo (-). La polarización inversa se produce negativamente

al

Terminal exterior ANODO

alimentar el

ánodo,

y

Zona P

Unión

+

Zona N

V A

Terminal exterior CATODO

-o K

positivamente el cátodo. El diodo semiconductor está formado por la unión de dos materiales semiconductores, PN, conectados a dos terminales y encapsulados para darles forma y rigidez. Los terminales del dipolo se llaman: ánodo (A), conectado al material tipo P, y cátodo (K), conectado al material tipo N. En los diodos de unión, estos terminales se pueden diferenciar porque el cátodo presenta un anillo sobre su forma cilíndrica. En 1.939 el físico alemán Walter Schottky estableció las bases teóricas para la fabricación de los elementos semiconductores, entre los que figuran los diodos y los transistores.

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3.1.3.Tipos de diodos De entre los innumerables tipos, seleccionamos los siguientes: a) Diodo de germanio: Fue uno de los primeros diodos semiconductores. Reciben el nombre de diodos de punta de contacto porque el extremo de un conductor, muy delgado, se apoya sobre un pequeño cristal de germanio. A partir de una diferencia de potencial de 0,2 V se vuelve conductor. Se pueden distinguir por estar encapsulados en vidrio, de modo que se ve su interior. Una de las aplicaciones más generalizadas de los diodos de germanio es su buena capacidad para trabajar con señales de elevada frecuencia, por ejemplo, con señales de radio. Estos diodos son de pequeño tamaño, lo cual facilitó su incorporación a los primeros receptores de audio, llamados superheterodinos. b) Diodo de silicio: Recibe el nombre de diodo de unión. Está hecho con material a base de silicio. Es muy útil para tensiones e intensidades mucho más elevadas que las que soporta un diodo de germanio. Se vuelve conductor con una diferencia de potencial de 0,6 V. Está formado por la unión de dos zonas PN con silicio, al que se le han añadido impurezas. c) Diodo Zener: Es un tipo especial de diodo. Está diseñado para trabajar con tensiones inversas y su función es la de estabilizador de tensión. El Zener se coloca en la fase final de una fuente de alimentación. Cuando el diodo Zener llega a la tensión de Zener, que depende del modelo y del valor que queramos estabilizar, la intensidad a través del diodo sólo queda limitada por el circuito exterior. d) Diodo LED: Los diodos LED son unos dispositivos semiconductores constituidos por dos uniones que, polarizadas directamente, son capaces de emitir radiaciones luminosas (fotones). Los primeros diodos LED eran rojos y aún hoy siguen siendo los más difundidos y económicos. El color rojo corresponde a las frecuencias más bajas de la banda óptica, las cuales necesitan una energía más reducida para emitir un fotón. A los colores amarillo, azul y verde corresponden energías más elevadas, por lo que hay que utilizar materiales que, de momento, son más costosos. Por otro lado, las tensiones de polarización tienen que ser más elevadas para proporcionar la energía necesaria a los fotones. Sin embargo, desde hace algunos años, algunos fabricantes han potenciado los LED amarillos, naranja y verdes.

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e) Otros diodos semiconductores:

Los fotodiodos transforman la intensidad luminosa que

reciben en corriente eléctrica, a través de una pequeña ventana. Cuanto más intensa es la luz, más corriente se produce. Se utilizan como detectores de luz. Los diodos varactores son diodos que disminuyen la capacidad de la unión PN en función de la tensión que se aplica entre sus extremos. Se utilizan conjuntamente con una bobina para generar señales de frecuencia variable.

3.1.4.Aplicaciones de los diodos Una de las aplicaciones más importante es la de rectificación de corriente alterna, convirtiéndola en continua, para los diversos usos en aparatos electrónicos. Para ello existen diversos circuitos característicos de rectificadores de media onda y onda completa.

3.2. EL TRANSISTOR El transistor es un elemento en el cual se puede gobernar la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres terminales, a través de la acción de una pequeña corriente, mucho más baja, en el tercer terminal. Los dos primeros terminales se llaman emisor y colector, y el tercero base. El transistor se basa en la asociación de dos uniones PN, una de ellas polarizada directamente y la otra inversamente, de modo que si introducimos P

una señal en la primera unión y la sacamos de la

N

segunda unión con una cierta ganancia de

P

N

P

C

N C

potencia, el circuito nos habrá transferido una ganancia. A este circuito se le llama transistor. B

B E

Puede haber dos tipos de transistores, según las

E

necesidades de un circuito u otro, como vemos en la figura. Uno es PNP, que tiene un cristal tipo N rodeado de dos tipos P; el otro es el NPN, que es un transistor con un cristal tipo P rodeado de dos cristales tipo N. En el circuito de la figura la polarización directa

E

B

C

N

P

N

proporcionada por la batería Ve reduce la anchura del campo de la unión emisor-base, mientras

que

la

polarización

inversa

Ve

Vc

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proporcionada por la batería Vc nos ensancha el campo de la unión colector-base. Por lo tanto, podemos decir que la unión colector-base ofrece una alta resistencia. Si el transistor fuera PNP, al contrario de la figura, las polarizaciones serían opuestas. Con este principio se conseguirá que la corriente de electrones que se genera en la primera unión, sea atraída por el voltaje aplicado al colector, y con una pequeña corriente en la base podamos regular el paso de electrones del emisor al colector.

3.2.1.Tipos de montaje Tenemos tres tipos de montaje para obtener un transistor: a) Emisor común: La señal V+

de entrada se aplica entre

V+

la base y el emisor, y la señal de salida se toma entre los terminales de colector y masa. corriente

de

La

colector

depende, principalmente, de

la

corriente

SALIDA

ENTRADA

de

polarización que existe en el circuito de entrada, variando esta corriente de polarización alrededor de una corriente de trabajo o de reposo. La señal a la salida aparece en oposición de fase respecto a la señal de entrada, por lo tanto decimos que este amplificador es un inversor de fase. V+

b) Base común: La señal de

V+

entrada se aplica entre emisor y masa, y la salida la tomamos entre colector y masa. En este montaje,

la

corriente

de

colector también es función de la corriente de polarización que tenemos en el circuito de entrada;

en

este

caso

no

ENTRADA

SALIDA

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tenemos inversión de fase. El circuito tiene la particularidad de que la impedancia de entrada es de unos pocos ohmios, y la impedancia de salida es de varios kilohmios, usándose primordialmente este paso amplificador como adaptador de impedancias. c) Colector común: La señal de entrada se aplica entre base y masa, y la salida la tomamos entre bornes de la resistencia de emisor. A este montaje se le llama seguidor de emisor, ya que las variaciones de tensión en el emisor siguen a las variaciones de tensión en la entrada; no tiene inversión de fase. La impedancia de entrada es alta, mientras que la impedancia de salida es baja, por eso este paso amplificador también se V+

utiliza como adaptador de impedancia. La tensión de salida va a ser menor que la de entrada, por tanto este amplificador no nos amplificará en voltaje, pero si tendrá una gran ganancia en corriente y en potencia.

ENTRADA SALIDA

Como aclaración, decir que un transistor tiene tres zonas de trabajo que son la zona de corte, la zona activa y la zona de saturación. Todos los montajes de transistores en amplificación que se han visto hasta ahora estaban trabajando en la zona activa, pero hoy en día, con las tecnologías digitales, el transistor tiene una modalidad muy importante de trabajo: en conmutación. De este modo, el transistor sólo trabaja en las zonas de corte y saturación. En la zona de corte de un transistor es cuando a la base no se le está aplicando tensión y, por consiguiente, el transistor está bloqueado, o sea, no conduce. La zona de saturación es cuando a la base del transistor se le está aplicando una tensión superior a la que se le estaría aplicando en zona activa, y es suficiente para saturar el transistor; de este modo, toda la tensión contenida en el emisor pasa al colector o viceversa. Con esto se consigue que, con una pequeña cantidad de corriente en la base, podamos conmutar una gran cantidad de corriente que pase por el colector al emisor.

3.2.2.Aplicaciones de los transistores Las dos aplicaciones fundamentales del transistor son como amplificador y como conmutador. Los amplificadores son dispositivos con dos terminales de entrada y dos de salida. Si a la entrada se aplica una señal de pequeña amplitud, a su salida se obtendrá otra señal con la misma forma que la de entrada pero de mayor amplitud.

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También

puede

emplearse

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para

circuitos

temporizadores, como el que se muestra en la figura. En este circuito partimos de la idea que el condensador se encuentra cargado. En estas condiciones actúa como un interruptor abierto. Considerando que el pulsador S está sin pulsar, la unión emisor está sin polarizar y, por tanto, el transistor no conduce y la lámpara está apagada. Cuando pulsamos instantáneamente el pulsador, el condensador se descarga. Cuando el pulsador vuelve a su posición inicial, el condensador se va cargando a la tensión de alimentación y la unión de emisor está polarizada en directa, con lo que el transistor conduce y la lámpara está encendida. En el momento en que el condensador se carga totalmente, la lámpara deja de lucir. Otra aplicación es en circuitos osciladores. Que son circuitos electrónicos que generan señales alternas. Las oscilaciones se pueden clasificar en dos grupos, teniendo en cuenta la frecuencia de la señal que generan: osciladores de baja y de alta frecuencia. Pueden clasificarse también según la forma de onda de la señal generada: sinusoidal, diente de sierra, cuadrada, rectangular, triangular, etc.

3.3. OTROS ELEMENTOS SEMICONDUCTORES 3.3.1.El tiristor Se podría definir a un tiristor como un diodo que, mediante la incorporación de otra patilla, podemos controlar el paso de corriente a través del mismo. De aquí

cátodo

se deduce que un tiristor se comportaría como un diodo; sólo dejaría pasar la

puerta

corriente en un sentido. Pero con la variación respecto a éste de que, aplicándole una tensión en la tercera pata que hemos introducido, éste conduciría; si a esta patilla no le aplicamos tensión éste no conduciría. Se podría pensar que es lo mismo que hace un transistor, mediante la corriente

ánodo

de base, podríamos regular más o menos el paso del emisor al colector. En el tiristor si hay tensión pasa toda la corriente, y si no la hay, en su tercera patilla, no se dispara, no hay término medio como

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en el transistor. Podría decirse que un tiristor es un interruptor controlado. Su símbolo es el de la figura. Otra diferencia con el transistor es que cuando se dispara un tiristor aplicándole una tensión en la puerta, si luego se le deja de aplicar esta tensión en este mismo punto, el tiristor seguirá disparado, pues existe una realimentación interna que mantiene la tensión en la puerta. Para hacer que el tiristor deje de conducir cuando ya está disparado, bastaría con dejarle sin tensión en sus extremos, ánodo y cátodo, o invertir su polaridad, con lo que quedaría otra vez preparado para ser disparado. Hay otras tres formas de disparar un tiristor: por variación brusca de tensión entre ánodo y cátodo, por aumento de tensión entre ánodo y cátodo, y por aumento de temperatura, aunque nos son tan habituales como la explicada. El tiristor fue obtenido por primera vez en 1.957, en los Estados Unidos, por la empresa General Electric.

3.3.2.El triac El triac es un elemento semiconductor que deriva del tiristor. Es una variable bidireccional del tiristor. Puede pasar de un estado de bloqueo a un estado de conducción en ambos sentidos de polarización, volviendo de nuevo al estado de bloqueo por inversión de la tensión o por disminución de la corriente que lo convierte en conductor.

A

A1 puerta

A2

Triac

A

Diac

3.3.3.El diac Es un elemento simétrico que, por tanto, no posee polaridad. Se utiliza en los variadores de potencia. Proporciona los impulsos suficientes que convierten al triac en conductor.

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4. PROCEDIMIENTOS DE CONEXIÓN Los montajes electrónicos se pueden realizar usando distintas técnicas para conectar los componentes 4.1. TÉCNICAS MANUALES DE INSERCIÓN Y SOLDADURA 4.1.1.Placa de pruebas o entrenador Estas placas pueden ser perforadas o interconectadas eléctricamente en el interior, siguiendo una determinada secuencia. La inserción de los elementos se hace a presión. Este sistema se utiliza para realizar montajes no permanentes, dado que los componentes podrían caerse ya que son fácilmente extraíbles. Una de sus aplicaciones sería la elaboración de prototipos.

4.1.2.Placa de tiras Son placas de material plástico o aislante que, por una cara, llevan tiras perforadas de cobre. Los componentes se introducen en estos agujeros y se sueldan a la placa siguiendo el esquema previamente diseñado. El circuito puede quedar montado de forma permanente o bien utilizar sus componentes para otros circuitos, pues es posible sacarlos fácilmente con el soldador.

4.1.3.La soldadura eléctrica Un proceso habitual en el montaje de un circuito electrónico es la soldadura, que se utiliza para conectar los distintos componentes. La soldadura es el sistema para unir permanentemente dos piezas metálicas, o bien determinados productos sintéticos a través de procedimientos térmicos. La soldadura que se practica en electrónica recibe el nombre de soldadura blanda. Ésta se realiza con un soldador eléctrico y un hilo especial, constituido por una aleación de estaño y plomo, que lleva una resina incorporada para facilitar la unión de materiales, fundamentalmente cobre, plata y oro. El soldador tiene una resistencia eléctrica en su interior que calienta una punta de cobre o de una aleación especial. La fusión se produce sobre los 180º C. El soldador más usado para trabajar con circuitos impresos es el de tipo lápiz, con una potencia de 25-30 W. Las ventajas de la soldadura con respecto a otros sistemas de conexión son, principalmente, la baja resistencia eléctrica y la gran resistencia mecánica de la unión.

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Para realizar una soldadura blanda hemos de seguir los siguientes pasos: a) Estañar la punta del soldador, en el caso de que sea la primera vez que se utiliza. b) La punta del soldador debe mantenerse limpia para que el estaño pueda prenderse en él. c) La superficie a soldar debe estar limpia para que el estaño pueda adherirse. d) Para soldar, introduciremos el componente en el circuito, doblando ligeramente sus terminales. Aproximaremos la punta del terminal a soldar y, cuando esté caliente, acercaremos el estaño a él. Una vez terminada la soldadura, comprobaremos que haya quedado en perfectas condiciones y cortaremos el resto del terminal que sobresale de la placa. e) Nunca pondremos el estaño directamente sobre la punta del soldador. La soldadura no saldría bien. f) Lavaremos la punta caliente con una esponja húmeda, con precaución para no quemarnos. g) Para soldar elementos semiconductores tenemos que procurar que estos no se calienten demasiado. Podemos usar pinzas para que actúen de disipador del calor. Si tenemos muchos terminales, no los soldaremos todos a la vez, sino que haremos pausas. h) No deberemos acercar los ojos a la soldadura ni respirar el humo que se desprende de ella. Dicho humo es ligeramente irritante y nos podría producir picor en los ojos.

4.1.4.El circuito impreso Cuando se empezaron a construir los primeros aparatos electrónicos, las conexiones entre los distintos componentes se hacían soldando los terminales de los cables. En función de la complejidad, el circuito podía llegar a parecer un ovillo de lana deshilachado. El circuito impreso es el sistema de interconexión de componentes más utilizado actualmente para efectuar montajes electrónicos. El material conductor es una lámina muy delgada de cobre, llamada pista, la cual está adherida a una placa de material base que le sirve de soporte. Las placas están hechas de material aislante. Las más utilizadas son las de baquelita y las de fibra de vidrio. Éstas

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tienen mejores propiedades físicas, como por ejemplo la resistencia mecánica y la resistencia térmica. Los componentes se colocan en esta placa. El montaje es muy rápido, ya que sólo hay que introducir los componentes en los agujeros previamente practicados en la placa y proceder a la soldadura. Hay varias técnicas para construir circuitos impresos. A continuación se analizan los sistemas más sencillos: Proceso de fabricación y montaje con circuito impreso A) Fabricación de placas de circuito impreso usando rotuladores y cintas adhesivas La técnica más popular utiliza rotuladores indelebles al agua y a los ácidos. Esta técnica se complementa con la utilización de cintas adhesivas y de símbolos transferibles. 1) Coloca, por la parte de detrás del dibujo de las pistas, una hoja de papel carbón, de manera que toque la cara de cobre de la placa del circuito impreso. 2) Marca con un punzón los puntos de conexión de los componentes con la placa y repásalos con un lápiz. 3) Dibuja con el rotulador las pistas por la cara de cobre, utilizando los agujeros de referencia. En este procedimiento puedes sustituir el rotulador por la cinta adhesiva. 4) Una vez hayas comprobado que el dibujo es correcto, introduce la placa en una bandeja con atacador rápido. Mueve el líquido despacio, hasta que el cobre haya desaparecido. Nunca introduzcas la mano en la bandeja ni respires los gases que se desprenden. 5) Saca la placa con unas pinzas de fotógrafo y, sin tocarla con las manos, lávala bajo un chorro de agua. 6) Seca la placa y quita la tinta con un algodón impregnado en acetona o alcohol. 7) Usando un taladro miniatura con la boca adecuada, perfora los puntos señalados. 8) Coloca los distintos componentes por la cara de material plástico y suéldalos por el lado del cobre, siguiendo este orden de introducción: puentes rectificadores, condensadores, resistencias, diodos, transistores, LED, etc. Antes de soldar los componentes, comprueba que estén correctamente colocados.

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B) Sistema fotográfico o de fotograbado La técnica fotográfica es muy útil cuando se tienen que construir muchos circuitos iguales o cuando la complejidad del circuito nos impide dibujarlo en la placa. En las tiendas especializadas podemos encontrar placas de este sistema. Son fáciles de reconocer porque están recubiertas con unos papeles negros que las protegen de la luz. El sistema es parecido al que se utiliza para revelar una fotografía. 1) Tienes que obtener un negativo a escala natural (1:1) del circuito que quieras montar. Lo harás con papel vegetal, acetado o plástico transparente. Sobre este papel dibujarás el esquema de pistas de tu circuito. 2) Abre el envase que contiene la placa presensibilizada de tipo positiva, tomando precauciones para que no le toque la luz solar. 3) Coloca tu dibujo sobre la placa del circuito impreso presensibilizado. 4) Se expone el conjunto a la acción

de la luz, preferiblemente ultravioleta. Para este

procedimiento se utilizan isoladoras con luz de día. El tiempo de exposición será de 2 a 5 minutos. También puedes colocar el conjunto formado por la placa y el negativo entre dos cristales y exponerlo a la luz del sol. , a una luz halógena o bajo un tubo fluorescente. En los dos últimos casos, el tiempo de exposición puede ser superior. 5) Una vez isolada la placa, procede a revelarla con un revelador para placa positiva. Saca la placa y lávala con agua sin rayarla. 6) Después de comprobar que el dibujo es correcto, lo puedes rectificar con un rotulador o con una cuchilla. Introduce la placa en una bandeja con atacador rápido. Mueve el líquido despacio hasta que el cobre haya desaparecido. 7) Saca la placa con unas pinzas de fotógrafo y, sin tocarla con las manos, lávala bajo un chorro de agua. 8) Seca la placa y quita la tinta con un algodón impregnado en acetona o alcohol. Usando un taladro miniatura con la boca adecuada, perfora los puntos señalados. Coloca los distintos componentes por la cara de material plástico y suéldalos por el lado del cobre, siguiendo este orden de introducción: puentes rectificadores, condensadores, resistencias, diodos, transistores, LED, etc. Antes de soldar los componentes, comprueba que estén correctamente colocados.