Componentes electrónicos
COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Resistores
El primer elemento que analizaremos será el resistor, o también llamado resistencia. Éste es uno de los componentes más comunes de los circuitos electrónicos. Como hemos mencionado antes, la principal función de este elemento es de oponerse al paso de la corriente eléctrica. Puede sonar contradictorio el hecho de buscar oponerse a la corriente, pero en ocasiones, necesitaremos que así sea.
Como hemos visto en el Capítulo 1, la ley de Ohm es la que nos ayuda a analizar el comportamiento de los resistores y de cualquier material que ofrezca resistencia al paso de la corriente. Dicha ley relaciona la resistencia eléctrica, el voltaje y la corriente (Figura 2). De esta forma, podemos calcular cualquiera de estos valores, si conocemos los otros dos.tencia al paso de la corriente. Dicha ley relaciona la resistencia eléctrica, el voltaje y la corriente (Figura 2). De esta forma, podemos calcular cualquiera de estos valores, si conocemos los otros dos.
Figura 2. La relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia está dada por la ley de Ohm.
LOS RESISTORES COMO CALEFACTORES
Los resistores tienen una variada aplicación en los aparatos eléctricos de generación de calor. El elemento calefactor de una plancha o de un cautín, por ejemplo, o un tostador de pan que se pone al rojo vivo, es simplemente un resistor que transforma la energía eléctrica en calor.
Resistores en serie y paralelo
Los resistores también pueden agruparse en serie, es decir, uno conectado a la terminal de otro, o en paralelo, con las dos terminales de uno conectadas a las de otro resistor. Así podemos calcular la resistencia equivalente en cada caso.
Figura 3. Los resistores pueden agruparse en serie o paralelo en un circuito.
Para los resistores agrupados en serie, simplemente debemos sumar la resistencia de cada uno para obtener la resistencia equivalente. Por ejemplo, si tenemos dos resistores de 100 Ohms conectados en serie, la resistencia equivalente será de 200 Ohms. De esta manera, la resistencia equivalente en serie (RS) para cualquier número de resistores es:
Supongamos que tenemos dos resistores en serie. La corriente que circula en ellos será la misma para cada uno, y el voltaje se divide según el valor de los resistores, por lo que a los resistores conectados en serie se los llama también divisores de voltaje.
Figura 4. Los resistores conectados en serie dividen el voltaje mientras la corriente es la misma para todos.
La relación del voltaje en cada resistor está dada por la expresión:
Así podemos calcular el voltaje en las terminales de los resistores del circuito. Observemos que, si dos resistores son iguales, es decir, si tienen el mismo valor, el voltaje se dividirá exactamente a la mitad.
Para el caso de resistores conectados en paralelo, debemos calcular la resistencia equivalente para cualquier número de resistores conectados en paralelo:
Simplificando, para sólo dos resistores conectados en paralelo:
Ahora, si tenemos dos resistores conectados en paralelo, el voltaje en ellos será el mismo y lo que se dividirá será la corriente que pasará en cada uno, por lo que a los resistores en paralelo se los puede llamar divisores de corriente.
Figura 5. Los resistores conectados en paralelo tienen el mismo voltaje en sus terminales y dividen la corriente.
Actualmente, se han sustituido las válvulas por transistores o dispositivos fabricados con semiconductores. De todos modos, aún podemos encontrar válvulas en algunas aplicaciones, tales como amplificadores de alta potencia. Además, hay quienes afirman que un amplificador de audio con válvulas genera un mejor sonido que los de transistores.
La corriente que circula por cada resistor se calcula mediante la expresión:
En el archivo Midiendo voltajes y corrientes.dsn que incluimos en el sitio web de la editorial (www.libros.redusers.com), podemos ver la simulación de un divisor de voltaje y de un divisor de corriente.
Figura 6. Simulación en Proteus de un divisor de voltaje y de un divisor de corriente.
En el divisor de voltaje, tenemos dos resistores de 100 Ohms cada uno. Podemos ver en la simulación cómo el voltaje de la fuente se divide exactamente en dos. Si cambiamos el valor de los resistores, podemos apreciar los cambios en los voltajes, según los valores que les asignemos. El divisor de corriente también está formado por dos resistores de 100 Ohms cada uno, pero ahora conectados en paralelo. En los medidores apreciamos la medición de la corriente que pasa por cada uno, que es la mitad, ya que los resistores son iguales.
Potencia
La resistencia al paso de la corriente se genera cuando los electrones chocan contra la red de átomos del material con que están fabricados los resistores, lo cual los frena quitándoles energía. Pero como sabemos, por la ley de la conservación de la energía, ésta no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Así que la energía cinética que se le quita a los electrones es transformada en otro tipo de energía, es decir, en calor. La cantidad de calor producida por un resistor depende de la corriente que circule a través de él, ya que cuantos más electrones circulen, habrá más colisiones. Y cuanto más veloces sean esos electrones, también se producirá más calor. Pero la corriente depende del voltaje aplicado al resistor, así que la cantidad de calor será el producto de la corriente y el voltaje aplicado a determinado resistor, lo cual es llamado potencia, y está definida por la expresión:
Donde:
P = Potencia (W)
V = Voltaje de corriente directa (V)
I = Corriente (A)
Con esta expresión podemos calcular la potencia, expresada en Watts, que se generará en un resistor cuando le apliquemos un voltaje, y, por consecuencia, se genera una corriente en él. Los resistores en el mundo real tienen una capacidad limitada de poder disipar el calor generado en ellos. Es decir, de transferir el calor al aire que los rodea. Si se sobrepasa esta capacidad, el resistor se dañará irremediablemente. Así que debemos tomar en cuenta la potencia que se generará en un resistor para elegir el adecuado.
Tipos de resistores
Existen distintos tipos de resistores en el mercado. Los más comunes son los resistores de carbón, que están fabricados con este material para poder darles una resistencia determinada. Este tipo de resistores son de pequeñas potencias, típicamente de 1/4 W, 1/2 W, 1W o 2W.
Figura 7. Los resistores de carbón tienen bandas impresas en su cuerpo para indicarnos su valor y tolerancia.
En la Figura 8, podemos observar el código que permite calcular el valor de los resistores de 4 y 5 bandas (3 bandas que indican el valor y una de tolerancia, o 4 bandas para el valor y una de tolerancia).
Figura 8. Podemos observar el código de colores para calcular el valor de resistores de carbón de 3 y 4 bandas. La última banda define la tolerancia.
Capacitores
El segundo elemento que analizaremos serán los capacitores. Un capacitor está formado por dos placas metálicas separadas por un material dieléctrico o aislante. Es decir, por un material que no permite el paso de los electrones de una placa a la otra. Los capacitores son elementos que almacenan energía, al contrario de los resistores que la transforman en calor. En la Figura 12, vemos la estructura elemental de un capacitor, también llamado condensador.
Figura 12. Un capacitor consta de dos placas metálicas separadas por un material aislante. El material aislante puede ser cualquiera, incluso el aire.
Así como hemos hablado antes de cuerpos cargados eléctricamente mediante electricidad estática, el capacitor se comporta precisamente de esa forma, manteniendo sus placas cargadas eléctricamente. Cuando se le induce una carga por algún medio, una placa se cargará positivamente y la otra negativamente. El capacitor tiene la propiedad de mantener esa carga en sus placas mientras no haya algo que las descargue. Cuando conectamos una fuente de voltaje a las terminales de un capacitor, se generará una corriente mientras las placas se cargan. Una vez que las placas quedan cargadas, la corriente cesa. Si conectamos un capacitor a una fuente, éste se cargará hasta alcanzar el voltaje de la fuente, es decir, si desconectamos el capacitor de la fuente y medimos el voltaje en sus terminales, será el mismo de la fuente. En un capacitor ideal, esta carga permanecerá indefinidamente en sus placas. La capacidad de almacenar cargas de un capacitor depende del área de las placas: mientras mayor sea el área de las placas, mayor carga almacenará. La cantidad de cargas que puede almacenar un capacitor depende también de la forma de las placas y de su separación: mientras más cerca estén las placas, la carga almacenada será mayor. El tipo de dieléctrico utilizado es muy importante, ya que es el que realmente almacena las cargas eléctricas. Esta capacidad o capacitancia se mide en carga sobre voltaje y se expresa en Faradios en honor a Michael Faraday:
Donde:
C = Capacitancia (F)
Q = Carga (C)
V = Voltaje (V)
La capacitancia significa que por cada volt aplicado a un capacitor se almacenará determinada carga: a mayor capacitancia, mayor carga almacenada. Por ejemplo, un capacitor de 1 Faradio almacenará 1 Coulomb por cada volt que se le aplique. Como ya estudiamos en el Capítulo 1, una unidad de carga, es decir 1 Coulomb, es una cantidad extremadamente grande, por lo que un capacitor de 1 Faradio sería enorme. Los capacitores generalmente tienen valores muy pequeños y se expresan en submúltiplos como en micro (μ) 10-6, el nano (n) 10-9 o el pico (p) 10-12.
SEMICONDUCTORES
Los componentes fabricados con semiconductores son de gran importancia para la electrónica moderna. Hoy en día, prácticamente no hay ningún sistema electrónico en el que no existan componentes fabricados sobre la base de semiconductores. En esta sección veremos los conceptos básicos de los semiconductores para poder comprender el funcionamiento de los componentes fabricados con estos materiales.
El principal material semiconductor es el silicio, aunque también se puede utilizar germanio u otros. Estos elementos presentan la particularidad de tener 4 electrones en la última órbita de cada uno de sus átomos. De esta manera, al unirse a otros electrones, se forma una red cristalina con cada uno de sus átomos unido a otros cuatro átomos mediante enlaces covalentes, de modo que no quedan electrones libres. Dada esta configuración, el silicio o el germanio se comportan más como aislantes que como conductores, pero a pesar de esto, tienen algunas propiedades interesantes.
Figura 19. Estructura de la red cristalina del silicio con cada átomo unido a otros cuatro mediante enlaces covalentes. No hay electrones libres.
Semiconductores intrínsecos
Se los llama así dado que, en su estado puro, se comportan como semiconductores, es decir, por sí solos sin ninguna modificación. Los átomos que forman una red cristalina tienen diferentes bandas en donde se encuentran los electrones. La banda de valencia es en la que se encuentran los electrones de la última capa de los átomos. También existe otra llamada banda de conducción, que es donde normalmente se encuentran los electrones libres que pueden desplazarse sin trabas. En los conductores, la banda de valencia y la banda de conducción están sobrepuestas, así que los electrones pueden pasar de una banda a otra en cualquier momento, lo que les permite conducir la electricidad. En los aislantes, existe una separación entre estas bandas llamada gap o banda prohibida, que es muy grande, de modo que los electrones no pueden saltar de la banda de valencia a la de conducción. En los semiconductores, la banda prohibida es pequeña, lo que permite que los electrones puedan saltar a la banda de conducción dependiendo de su energía. En los semiconductores intrínsecos, puede pasar una mínima cantidad de corriente eléctrica, aunque se comportan más como aislantes.
Semiconductores extrínsecos
Existe otro tipo de semiconductores, que es el que especialmente nos interesa: los semiconductores extrínsecos. Para lograr un semiconductor extrínseco, se lleva a cabo una modificación en la estructura, llamada dopado. El dopado consiste en introducir impurezas en la estructura cristalina, es decir, una pequeña cantidad de átomos de otros elementos químicos. Dependiendo de los elementos que se utilicen, podemos tener semiconductores extrínsecos de dos tipos.
Semiconductor tipo N
En este tipo de semiconductores, el material de silicio se contamina o dopa con átomos de fósforo o arsénico, los cuales contienen cinco electrones en sus capas exteriores. Al introducirse en la estructura del silicio, cada átomo de impureza sustituye a un átomo de silicio, lo que provoca que cada átomo de estos elementos se una con cuatro átomos de silicio de la red y quede un electrón libre que puede moverse a través del material. Como los electrones libres tienen carga negativa, de ahí su nombre tipo N.
PUEDEN ESTALLAR
Comentarios
Publicar un comentario