Teoría electrónica

Los componentes pasivos comprenden las resistencias, condensadores, inductores, transformadores, etc.

En este capítulo analizaremos los tres componentes pasivos más importantes: Resistencias, condensadores e Inductores.

La resistencia es uno de los componentes imprescindibles en la construcción de cualquier equipo electrónico, ya que permite distribuir adecuadamente la tensión y corriente eléctrica a todos los puntos necesarios.

El valor de la resistencia se expresa en óhmios, al cual representamos con el símbolo Ω

Si sometemos los extremos de una resistencia al paso de una corriente continua se producirá en la misma una caída de tensión proporcional a su valor. La intensidad que la atraviese será también proporcional a la tensión aplicada y al valor en ohms de la resistencia. Para calcular dicha relación no hay mas que aplicar la Ley de Ohm: I=V/R.

Hay dos formas de asociar resistencias en un circuito: asociación serie y asociación paralelo:

La resistencia equivalente de la combinación serie es:

lo cual nos indica que una sola resistencia de valor RT se comportará de la misma forma que las n resistencias R1, R2, R3 … Rn conectadas en serie.

Si la combinación es paralelo entonces la resistencia equivalente es:

Igualmente que en la asociación serie, R1, R2, R3 … Rn. Nótese que siempre el valor de la resistencia RT de una asociación paralelo es menor que la menor Rn del paralelo.

Las resistencias tienen un código de colores que indica su valor. Este código está compuesto por bandas de colores divididas en dos grupos; el primero consiste de tres o cuatro de estas bandas, de las cuales las primeras dos o tres indican el valor nominal de la resistencia y la última es un multiplicador para obtener la escala. El segundo grupo está compuesto por una sola banda y es la tolerancia expresada en porciento, dicha tolerancia nos da el campo de valores dentro del cual se encuentra el valor correcto de la resistencia.

De esta forma si tenemos una resistencia cuyo código de colores sea verde, negro, naranja, dorado tendremos una resistencia de 50.000 W y su tolerancia es del ± 5 %.

En el mercado no es posible encontrar todos los valores de resistencia, sino solamente los estandarizados, los cuales son:

• La primera línea es correspondiente a valores con 20 % de tolerancia.
• Las dos primeras corresponden a valores con el 10 % de tolerancia.
• La tabla completa representa los valores para las resistencias cuya tolerancia es del 5 %.

Para obtener toda la gama de valores se multiplican los valores anteriores por los multiplicadores ya especificados en la tabla de códigos de colores.

Además de estar las resistencias caracterizadas por su valor y tolerancia, éstas están definidas por su poder de disipación de potencia, los valores más típicos son: 1/8, 1/4, 1/3, 1/2, 1 y 2 W, con tolerancias del 1 %, 2 %, 5 %, 10 % y 20 %.

También existen resistencias de valor variable llamadas resistencias variables o potenciómetros, los cuales son muy utilizados cuando es necesario realizar sobre un circuito algún tipo de ajuste interno. También se usan para hacer correcciones externas, tales como el caso de control de volumen, tono, luminosidad, etc.

Los condensadores tampoco nunca están ausentes en los circuitos electrónicos, éstos consisten básicamente de dos placas metálicas separadas por un material aislante (llamado dieléctrico). Este material dieléctrico puede ser aire, mica, papel, cerámica, etc.

El valor de un condensador se determina por la superficie de las placas y por la distancia entre ellas, la que está determinada por el espesor del dieléctrico, dicho valor se expresa en términos de capacidad. La unidad de medida de dicha capacidad es el faradio (F). Los valores de capacidad utilizados en la práctica son mucho más chicos que la unidad, por lo tanto, dichos valores estarán expresados en microfaradios (1 μF = 1 x 10-6 F), nanofaradios (1 nF = 1 x 10-9 F) o picofaradios (1 pF = 1 x 10-12 F).

Cuando se aplica una tensión continua entre las placas de un condensador, no habrá circulación de corriente por el mismo, debido a la presencia del dieléctrico, pero se producirá una acumulación de carga eléctrica en las placas, polarizándose el condensador.

Una vez extraída la tensión aplicada, el condensador permanecerá cargado debido a la atracción eléctrica entre las caras del mismo, si a continuación se cortocircuitan dichas caras, se producirá la descarga de las mismas, produciendo una corriente de descarga entre ambas.

Si ahora le aplicamos una tensión alterna se someterá al condensador a una tensión continua durante medio ciclo y a la misma tensión, pero en sentido inverso, durante la otra mitad del ciclo. El dieléctrico tendrá que soportar esfuerzos alternos que varían de sentido muy rápidamente, y por lo tanto, su polarización deberá cambiar conforme el campo eléctrico cambia su sentido, entonces si aumentamos la frecuencia el dieléctrico ya no podrá seguir estos cambios, produciéndose eventualmente una disminución en la capacidad. En síntesis, la capacidad de un condensador disminuye conforme aumenta

Los condensadores, al igual que las resistencias, se pueden conectar tanto en serie como en paralelo:

La capacidad equivalente serie es:

y la capacidad equivalente paralelo es:

Existe mucha variedad de condensadores a lo que a tipos se refiere. Existen los cerámicos, que están construidos normalmente por una base tubular de dicho material con sus superficies interior y exterior metalizadas con plata, sobre las cuales se encuentran los terminales del mismo. Se aplican tanto en bajas como en altas frecuencias.

Otro tipo es el de plástico, que está fabricado con dos tiras de poliéster metalizado en una cara y arrolladas entre sí. Este tipo de condensador se emplea a frecuencias bajas o medias. Con este tipo de condensador se pueden conseguir capacidades elevadas a tensiones de hasta 1.000 V.

También existen condensadores electrolíticos, los cuales presentan la mayor capacidad de todos para un determinado tamaño. Pueden ser de aluminio o de tántalo. Los primeros están formados por una hoja de dicho metal recubierta por una capa de óxido de aluminio que actúa como dieléctrico, sobre el óxido hay una lámina de papel embebido en un líquido conductor llamado electrolito y sobre ella una segunda lámina de aluminio. Son de polaridad fija, es decir que solamente pueden funcionar si se les aplica la tensión continua exterior con el positivo al ánodo correspondiente. Son usados en baja y media frecuencia.

Los condensadores electrolíticos de tántalo son muy similares a los de aluminio.

El paso de corriente por un conductor va acompañado por efectos magnéticos, es decir que se crea un campo magnético por la circulación de corriente.

Cuando a dicho campo magnético se le transfiere energía, la fuente de FEM efectúa trabajo, lo que requiere potencia eléctrica, y esta potencia es igual a la corriente multiplicada por la tensión, entonces deberá haber una caída de tensión en el circuito mientras la energía se almacena en el campo. Esta caída de tensión es producto de una tensión opuesta que es inducida en el circuito mientras el campo varía, cuando este toma valor constante entonces la FEM inducida desaparece. Como la FEM inducida se opone a la aplicada, entonces ésta se opone a las variaciones en el campo magnético.

La amplitud de esta FEM es proporcional a la variación de la corriente y la inductancia del circuito. La inductancia depende de las características físicas del conductor. Si a un conductor se lo enrolla, tendrá una mayor inductancia que cuando no lo estaba, además a medida que aumenta la cantidad de vueltas, aumenta también el valor de la inductancia. Se aumentará mas aún la inductancia cuando el arrollamiento se haga alrededor de un hierro.

La inductancia se mide en henrios (H), y los valores utilizados para las distintas aplicaciones varían ampliamente.

Todos los conductores tienen inductancia, si es de corta longitud su inductancia será pequeña, pero habrá que tenerla en cuenta si la corriente varía rápidamente en el mismo.

Para el cálculo de la inductancia de un arrollamiento se utiliza la siguiente fórmula:

L = Inductancia (en microhenrios) d = diámetro de la bobina (en pulgadas) l = longitud de la bobina (en pulgadas) n = número de espiras.

Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.). Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y la de los aislantes.

Los semiconductores son muy importantes en electrónica ya que gracias a ellos contamos hoy con diversos componentes de gran utilidad en electrónica, tales como diodos, transistores, tiristores, triac, etc.

El nacimiento del diodo surgió a partir de la necesidad de transformación de corrientes alternas en continua.

La corriente en un diodo presenta un sentido de circulación de cargas positivas que van desde el ánodo al cátodo, no permitiendo la circulación de la corriente en el sentido opuesto, lo cual nos permite la conversión de corriente alterna a continua, procedimiento conocido como rectificación. Esto ocurre porque por el diodo solamente podrá circular corriente cuando el ánodo sea más positivo que el cátodo.

Están compuestos por dos regiones de material semiconductor que se llama unión P-N que es la base de todo componente electrónico de tipo activo. Entre las dos partes de la unión P-N, y en la zona de contacto entre ambas, se produce una región denominada de transición, donde se genera una pequeña diferencia de potencial, dado que se conforma una recombinación de electrones, quedando la zona N a mayor tensión que la zona P. Cuando se le aplica una tensión al diodo con el terminal positivo conectado a la zona P y el negativo a la N se producirá una circulación de corriente entre ambas debido a que una pequeña parte de esta tensión nivelará la diferencia de potencial entre zonas, llamada tensión umbral, quedando éstas niveladas en tensión, y el resto de la tensión aplicada producirá una circulación de electrones de la zona N a la P.

Si esa tensión externa se aplica con los bornes intercambiados, es decir el terminal positivo de la fuente conectado a la zona N y el negativo a la región P, no habrá circulación de corriente por el diodo, debido a que por efecto de la tensión aplicada se aumentará la diferencia de potencial existente entre las zonas P y N, impidiendo así la circulación de corriente a través del mismo.

Con la figura podemos tener una idea algo mas exacta de lo que sucede en el diodo cuando le aplicamos una tensión, en cualquiera de los dos sentidos (polarización directa e inversa).

El cuadrante superior derecho corresponde a la polarización directa, en el mismo podemos apreciar que existe una tensión (VU) a partir de la cual el diodo comienza a conducir, dicha tensión es la tensión umbral y varía según sea el material semiconductor empleado en la fabricación del diodo, siendo de 0,7 V para el silicio y 0,3 V para el germanio.

El cuadrante inferior izquierdo corresponde a una polarización inversa. En ella se ve que la corriente que lo atraviesa (conocida como corriente inversa) es prácticamente nula. Note que los valores menores que cero en el eje de la corriente están graduados en uA.

Nótese también que para polarización inversa mayor a VR la corriente inversa crece indefinidamente. Una tensión inversa de este valor o mayor a él daña al diodo en forma irreversible y se la conoce como tensión de ruptura o zéner.

Entre las diversas clases de diodos que se encuentran en el mercado, podemos citar las siguientes: diodos rectificadores (en montaje individual o puente rectificador), diodos de señal, diodos de conmutación, diodos de alta frecuencia, diodos estabilizadores de tensión, diodos especiales.

Es el tipo de diodo más utilizado para implementar sistemas electrónicos de regulación de C.C.

Un diodo de este tipo trabaja en la zona de ruptura vista anteriormente, llamándose a dicha tensión, tensión Zéner VZ. Obviamente que el proceso de fabricación de éstos varía del empleado para los diodos comunes dada la necesidad de funcionamiento en la zona de ruptura. Cuando a un zéner se le aplica una tensión menor a VZ éste se comporta como un diodo normal.

Una de las aplicaciones prácticas más sencillas del zéner es la de regulador de una tensión continua, cuyo diagrama se muestra en la figura:

Donde:

V_e = Tensión de entrada 9 a 12 VV_s = Tensión de salida 7 VI_z = Corriente en el zéner 5 mAI_s = Corriente de salida 20 a 50 mA

Con el uso de este circuito podemos asegurar una tensión máxima a la salida del circuito, independientemente de las fluctuaciones originadas en la entrada del mismo.

Este circuito es muy sencillo de implementar, solamente tendremos que ver cuál es el valor de la resistencia Rlim que será la resistencia limitadora que absorberá la diferencia de tensión que queremos “recortar” en la entrada.

Para el cálculo de la misma hacemos:

Donde:V_e(min) = Tensión de entrada mínimaV_S = Tensión de salidaI_z(min) = Corriente mínima que circula por el diodo (Dato obtenido de la hora de datos del fabricante).I_s(máx) = Corriente máxima que atraviesa la carga

Si, por ejemplo, nuestra fuente de entrada varía entre 9 y 12 V y queremos a la salida una tensión de 7 V, entonces Rlim será:

R_lim = (9 - 7)/(0,005 + 0,050) = 2/0,055 = 36,36 W

El valor I_z(min) lo obtuvimos de la hoja de datos del zéner.

Vemos que R_lim tiene que ser menor o igual a 36,36 ohms, ¿pero existe en el mercado dicho valor de resistencia? Como ya vimos en el capítulo 1, cuando hablamos de las resistencias, que no todos los valores de resistencias están disponibles, sólo podremos encontrar ciertos valores para las resistencias. Pero en este caso no habremos de preocuparnos dado que para Rlim tenemos una cota de menor o igual a 36,36 W, entonces bastará con elegir un valor próximo a éste pero sin pasarlo. De la tabla de valores vemos que el que más se aproxima es 33 W, por lo tanto elegimos éste.

Ya tenemos el valor óhmico de la resistencia, ahora nos falta ver qué potencia va a disipar la resistencia, para ello multiplicamos la corriente que la atraviesa por la tensión que cae en ella (V_e - V_s)

La corriente es: I = 2/33 = 60,60 mA, entonces P = 2 V x 60,60 mA = 0,12 W. Elegimos una R_lim cuya disipación de potencia sea 1/2 W.

Otro tipo de diodo, quizá el de mayor difusión, es el diodo emisor de luz, conocido comúnmente como LED (Light Emmitting Diode)

El funcionamiento de este tipo de diodo se basa en la polarización en sentido directo de una unión P-N. Al hacer esto se origina una recombinación de electrones y huecos, lo que origina gran cantidad de energía, que en el caso de algunos semiconductores se traduce en una radiación luminosa.

Sus colores típicos son: rojo, verde y ámbar los que hacen al LED idóneo para ser utilizado en muchos tipos de indicadores. Además su durabilidad y bajo consumo los convierten en componentes casi imprescindibles a la hora de querer utilizar algún tipo de indicador luminoso.

El transistor es un elemento semiconductor que tiene la propiedad de poder gobernar a voluntad la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres terminales (emisor y colector), mediante la circulación de una pequeña corriente aplicada en el tercer terminal (colector).

Este efecto se conoce con el nombre de amplificación de corriente, y nos permite aplicarle en el emisor una corriente muy pequeña con cualquier forma de variación en el tiempo, y obtener la misma corriente, con la misma variación en el tiempo, pero de mayor amplitud.

Se utilizan fundamentalmente en circuitos que realizan funciones de amplificación, control, proceso de datos, etc.

El funcionamiento interno se puede describir a partir de lo ya explicado para los diodos, con la diferencia de que este último posee dos uniones semiconductoras, esto es: el transistor posee dos zonas semiconductoras, que pueden ser N o P, y entre ambas una muy delgada del tipo P o N respectivamente.

Este conjunto formará dos uniones: una N-P, entre el emisor y la base, y la otra P-N entre la base y el colector (si las dos zonas exteriores son del tipo N y la interior tipo P, es decir un transistor NPN. Si las regiones exteriores son del tipo P y la interior del tipo N el transistor será del tipo PNP).

Si le aplicamos una tensión externa a la unión N-P, de forma que quede polarizada en directa, se producirá una circulación de corriente entre ambas regiones. Aplicando una segunda tensión externa a la otra unión, de modo que ésta quede en inversa (el terminal positivo de la fuente conectado al colector y el negativo a la base), la corriente generada en la otra unión, será atraída por la diferencia de potencial positiva aplicada al colector, generando que prácticamente toda la corriente proveniente del emisor llegue al colector, salvo una pequeña cantidad de corriente que saldrá por la base. Y es justamente esta pequeñísima corriente de base la que nos permite gobernar la corriente circulante desde el emisor al colector.

El sentido de circulación de la corriente adoptado hasta ahora es el de circulación de los electrones, y como la convención utilizada toma el sentido opuesto entonces en un transistor del tipo NPN la corriente será entrante por el colector y la base, y saliente por el emisor.

En la figura c) tenemos una regla mnemotécnica para recordar la relación entre las corrientes que atraviesan al transistor.

Debido a que la corriente de emisor será siempre un múltiplo de la de base obtendremos los resultados deseados de amplificación. Supongamos que dicha corriente de colector (I_c) es 100 veces la corriente de emisor (I_e), entonces siI_b = 5 mA; I_e = 500 mA. Si ahora I_b = 2 mA; I_e = 200 mA. Donde se puede apreciar que una pequeña variación en la corriente de base (3 mA), produce una gran variación en la de emisor (300 mA). Dicho factor de amplificación es denominado generalmente con la letra griega β (Beta).

Ya hemos hecho notar que existen transistores del tipo NPN y PNP según sean los dopados de las tres regiones, pero entre ambos tipos no existe ninguna diferencia en cuanto a lo funcional, salvo que todos los sentidos de circulación de las corrientes son opuestos en uno y otro, por lo tanto, para polarizar un transistor PNP, de igual manera que uno NPN, se deberán utilizar tensiones opuestas en uno y otro.

Los transistores tienen una característica muy interesante que es la capacidad que tienen éstos de entregar una intensidad de corriente constante a una resistencia, independientemente del valor de ésta, es decir que las variaciones de corriente obtenidas por la acción de la base, producirán en la resistencia una variación de la tensión, la cual será, según la ley de Ohm: V = I x R. Entonces V dependerá del valor de la corriente de base y de la resistencia en el colector, siendo V mayor cuando mayor es R, estando fijado el límite por el valor de la tensión externa aplicada al circuito.

Este efecto resulta en una “amplificación de tensión”, que es una de las características mas importante de los transistores y el motivo por el cual son de uso casi imprescindible en los montajes electrónicos. Esta amplificación de tensión se calcula como la relación entre el voltaje en la resistencia de carga y la tensión aplicada entre las junturas base-emisor.

Los transistores, según sea la tecnología de fabricación, se clasifican en grandes grupos con diferentes características: Bipolares, Fet, MOSFET, UNI UNIÓN. Hasta el momento nos hemos referido al primer grupo de ellos.

El estudio y análisis de los transistores se realiza mediante el empleo de las “curvas características” del mismo, con las cuales se puede caracterizar completamente el comportamiento o funcionamiento eléctrico del transistor, siendo ésta expresada en relaciones gráficas de las corrientes Ib, Ic e Ie, en función de las tensiones externas y para las distintas configuraciones: Emisor Común (EC), Base Común (BC) y Colector Común (CC).

Las curvas describen el comportamiento de los transistores, pero como estos no se comportan todos de igual manera, éstas varían según el tipo de transistor, y, si bien difieren de un tipo a otro, son muy semejantes en la forma. Además no se refieren a uno en concreto, sino que son un promedio de un gran número de unidades. Estas gráficas son proporcionadas por el fabricante, y como el montaje más común es la de emisor común, y además los fabricantes nos suministran las curvas basadas en este tipo de configuración, nos centraremos en el análisis de las curvas referidas a este tipo de montaje.

También es importante conocer los valores máx, mín y típico de las características más importantes, para poder emplear, en los cálculos, el valor que resultare más desfavorable a fin de asegurarnos que el funcionamiento de cualquier unidad de la muestra estará dentro de lo estipulado.

Las curvas características mas importantes son las característica de entrada y la de salida. En las de entrada, se expresan las gráficas de la relación entre la corriente de base (I_b) y la tensión base-emisor (V_be) para la tensión colector-emisor (V_ce) constante. A partir de ellas podemos calcular la corriente que circula por la base cuando se aplica una tensión externa entre ésta y el emisor.

Como el transistor en montaje en emisor común tiene comportamiento similar al de un diodo polarizado en directa, las curvas son de igual forma, es decir, que existe una determinada tensión umbral por debajo de la cual la corriente es prácticamente nula (V_d = 0,3 V para transistores de Germanio y 0,6 V para los de Silicio).

También de las características de entrada podemos deducir la resistencia de entrada del transistor, que es la variación de la tensión base-emisor (V_be) con respecto a la corriente de base (I_b).

En las curvas de salida se grafica la corriente de colector Ic en función de la tensión colector-emisor Vce cuando mantenemos constante I_b. Generalmente se dibuja una familia de curvas para distintas Ib. En esta gráfica se observa que por encima de un valor de tensión colector emisor Vce1 la corriente se mantiene prácticamente constante, independientemente del valor de Vce. Por debajo de este valor sucede todo lo contrario, I_b varía rápidamente con pequeñas variaciones de Vce. Este valor de V_ce1 es aproximadamente 0,5 V. A esta zona de funcionamiento donde I_c es casi constante, se denomina región activa y es en la que se desea que funcione el transistor cuando se lo usa en amplificadores. En este caso I_c solamente depende de I_b.

En la gráfica podemos observar una recta denominada Rs, que delimita una de las 3 posibles regiones de trabajo de los transistores. El transistor trabajará en alguna de las 3 regiones dependiendo de las polarizaciones que reciban cada una de las uniones P-N que lo componen. Las tres regiones son:

• Región de saturación: El transistor se comporta como un interruptor entre emisor y colector.
• Región de corte: El transistor se comporta como un interruptor abierto entre emisor y colector.
• Región lineal (o activa): Se comporta como un dispositivo amplificador de corriente de entrada (corriente de base).

Algunos de los parámetros importantes de los transistores y que generalmente son suministrados por el fabricante son:

• V_ce(sat)= Tensión máxima entre colector y emisor trabajando en saturación.
• V_ceo= Tensión máxima entre colector y emisor.
• V_cbo= Tensión máxima entre colector y base.
• V_ebo= Tensión máxima entre emisor y base.
• I_cmáx= Corriente máxima de colector.
• I_{cm máx}= Corriente máxima de colector (valor pico)
• I_bmáx= Corriente máxima de base (valor pico)
• P_tot= Potencia disipable total.

De la misma manera que en las características de entrada podemos deducir la resistencia de entrada, en las características de salida podemos deducir la resistencia de salida de la forma: Variación de la tensión V_ce con respecto a I_c. Otro factor que podemos deducir es la ganancia de corriente del transistor (b).

De las curvas se deduce, al ser casi horizontal, que la resistencia de salida será muy elevada.

Es conveniente fijar el punto de trabajo del transistor, dependiendo de la tarea que queremos que éste realice en un circuito y utilizando las curvas antes vistas.

Para ello se ha de polarizar al transistor con algunos de los circuitos de polarización que veremos a continuación, pero antes de ello haremos referencia a la recta de carga de un transistor. Para obtenerla deberemos volver a la familia de curvas de salida ya vista. La recta de carga es útil dado que nos muestra, en forma gráfica, todos los puntos de trabajo posibles del transistor para una polarización dada.

En la figura podemos ver la recta de carga superpuesta a la familia de curvas de salida, en la que vemos varios puntos de interés, los que pasamos a explicar a continuación:

Para el cálculo de la recta de carga consideraremos al transistor en dos de sus estados: corte y saturación.

En el estado de corte I_c es prácticamente cero, entonces podemos concluir que V_c = V_ce, la que en nuestro ejemplo es de 12 V. Entonces con I_c » 0 V y V_ce 12 V obtenemos el primer punto de la recta de carga, al que llamamos P₁ en la gráfica.

En el estado de saturación tenemos que V_ce » 0 V con lo que entonces podemos calcular el valor de I_c que será I_c = V_c / R_c que en nuestro ejemplo da 12 V / 2000 W = 6 mA. Al punto V_ce = 0, I_c = 6 mA lo llamamos P₂ en la gráfica.

Si unimos P₁ y P₂ obtendremos la recta de carga buscada.

Para obtener el punto de trabajo (Q) del transistor necesitamos saber I_b, de esta forma el punto Q es el punto de intersección de la recta de carga con la curva correspondiente al valor de la corriente que opera el transistor en ese instante (I_b).

La recta de carga puede ser diferente con cada transistor y cada punto de polarización.

Proyectando al punto Q sobre los ejes coordenados de la gráfica obtendremos los valores de I_c y V_ce, denominados en el gráfico como I_c1 y V_ce1.

Comenzaremos ahora sí con los circuitos para polarizar a los transistores.

La tarea de estos polarizadores no es otra que la de hacer que a las distintas patas del transistor le lleguen diferentes tensiones, pero a partir de una única fuente de alimentación, intentando, además, hacer que el parámetro b sea lo más estable posible, es decir, que no varie con los diversos factores externos que pueden llegar a alterar al mismo.

En la figura podemos ver varias de las configuraciones para polarizar al transistor:

El primer diagrama (A) muestra una configuración denominada polarización por división de tensión. Las resistencias R₁ y R₂ forman un divisor de tensión, lo cual le da el nombre a la configuración. Este tipo de polarización es uno de los más idóneos y el mejor para trabajar en la zona activa del transistor.

En la parte B de la figura vemos otra forma de polarizador, denominada “polarización de base”. Ahora la corriente de base se obtiene a través de R1. Este tipo de polarización se utiliza en circuitos que trabajan en conmutación, no siendo aconsejable su uso en transistores a los que se desea trabajen en la zona activa.

La polarización que se muestra en C es denominada “polarización por realimentación de emisor” y por medio de ésta logramos una mayor estabilidad del punto Q.

A la configuración mostrada en D se la llama “polarización por realimentación de colector”.

Ya comentamos que al transistor se lo puede montar en emisor común (EC), base común (BC) o colector común (CC). Cada una de estas configuraciones posee ventajas y desventajas una respecto de las otras, siendo la de emisor común la mas recurrida a la vez que es la de mejor respuesta en la mayor parte de las aplicaciones.

Cada configuración obtiene diferentes coeficientes de ganancia en tensión (GV), así como diferentes impedancias tanto de entrada como de salida.

A continuación vemos un resumen de las principales características de cada uno de los tres posibles montajes:  

El montaje en Base Común posee una mayor ganancia de tensión frente a los otros dos. También tiene baja impedancia de entrada, lo que lo hace bastante inadecuado para operar en circuitos de baja frecuencia (B. F.).

Con un montaje en Colector Común logramos una muy baja distorsión sobre la señal de salida y, junto con el montaje en Base Común, es bastante idóneo a la hora de diseñar adaptadores de impedancia.

Es la aplicación práctica mas importante para la que se usan los transistores. El diagrama muestra una etapa amplificadora en emisor común:

El transistor ha sido polarizado por medio de polarización por división de tensión.

Como sabemos, un condensador en altas frecuencias se comporta como un cortocircuito mientras que a bajas frecuencias la misma aumenta hasta comportarse como un circuito abierto para C.C.

Viéndolo desde este punto de vista conviene analizar al amplificador en dos etapas, una desde el punto de vista de la C.A. y el otro desde el punto de vista de la C.C.

Con esta subdivisión podremos analizar al circuito mediante dos circuitos mas sencillos, con lo cual, gracias a la teoría de la superposición, lo que ocurrirá será que la respuesta total resultará de la suma de los datos obtenidos en los dos circuitos en que descompusimos al original.

Comenzaremos el análisis en el dominio de la C.C., para ello seguimos los siguientes pasos:

1. Se cortocircuita el generador de entrada de alterna.
2. Se consideran los condensadores como circuitos abiertos.
3. Se analiza este circuito resultante.

Abriendo C₁, C₂ y C₃ y cortocircuitando al generador de entrada en nuestro circuito obtenemos el circuito resultante que vemos a continuación:

Ahora, y con las referencias ya explicadas, se procede a la resolución del circuito resultante. Con estos datos obtenemos el punto de polarización (Q).

Para el análisis en C.A. recurrimos a las siguientes reglas:

1. Se cortocircuita la fuente de tensión de C.C.
2. Se considera a los condensadores como circuitos cerrados (cortocircuitos).
3. Se estudia el circuito resultante.

En la figura vemos de que forma hemos procedido para obtener el circuito resultante:

Los condensadores han desaparecido del circuito haciéndose cortocircuitos, la resistencia R₄ desaparece por estar en paralelo con un cortocircuito, las resistencias R₁ y R₃ están ahora en paralelo, con lo cual obtenemos R_a. Con las resistencias de salida ocurre lo mismo, y obtenemos Rb.

Para terminar con nuestro análisis debemos suponer que ahora aplicamos una señal al circuito y veremos cómo varía el punto Q

En la figura vemos un ejemplo, donde se muestra el punto Q en ausencia de señal y cómo varía con la aplicación de una señal de entrada.

Se ve que la señal Ie no es una correspondencia directa de la aplicada en la base del transistor dado la curvatura de la gráfica de la característica del transistor.

Es importante verificar bien el lugar de ubicación del punto Q, dado que si queremos que el transistor opere en la zona activa y polarizamos a éste en un punto Q cercano a la zona de saturación, corremos el riesgo de que cuando le aplicamos una señal de entrada, Q se desplace hacia la zona de saturación, dejando la zona activa. Para evitar este problema conviene analizar siempre antes la variación de Q en nuestro transistor y verificar que no salga de la región donde queremos que trabaje.

Otra familia de transistores muy importante es la de los de efecto de campo, de los cuales es parte el FET. Los mismos realizan la función de control de la corriente mediante una tensión aplicada en uno de sus terminales.

Están construidos con una zona semiconductora tipo P o N que une los dos terminales (Fuente y Drenador), a esta región se la llama canal y sobre ésta existe otra con signo opuesto que se conecta a la puerta, entre ambas se forma una unión PN o NP, según sea su topología. Este conjunto está montado sobre un semiconductor con igual signo al de la puerta. Cuando se aplica una tensión entre Drenador y Fuente, habrá circulación de corriente por el canal.

El control de dicha corriente se hará con una tensión variable que es aplicada a la puerta, ya que, al aplicar dicha tensión, las uniones P-N se polarizan en forma inversa, haciendo que el canal se haga más delgado y, por consiguiente, aumente la resistencia de éste, generando así una variación de la corriente circulante por él.

Como esta corriente de Puerta será extremadamente débil debido a que se trata de una unión polarizada en inversa, será posible variar la corriente que circula por el transistor sin que sea necesario absorber corriente de él.

También la familia de transistores MOS o MOSFET (Metal, Oxido, Semiconductor) es parte de los transistores de efecto de campo.

Este tipo de transistor es fabricado partiendo de un semiconductor tipo P en el que se difunden dos regiones tipo N que forman la fuente y el Drenador, y, encima de la superficie de estos, se aplica una capa de dióxido de silicio (SiO₂), que tiene la propiedad de ser muy aislante, sobre la que está situada la Puerta. Entre Fuente y Drenador también existirá un canal similar al del tipo FET, cuya resistencia y anchura será controlada con la tensión de puerta.

En las curvas características de los transistores de efecto de campo se representa la corriente de Drenador (I_D) en función de la tensión aplicada entre Drenador y Fuente (V_DS). Como en el caso de la transferencia de los transistores bipolares, se traza una curva para cada uno de los valores de VGS deseados. También en estas curvas se observan dos zonas; desde el origen la corriente crece con la tensión, pero alcanzado cierto valor Vp, se hace constante y se forma a partir de allí la segunda zona, a estas dos zonas se las llama región lineal a la primera y región de saturación a la última.

Este tipo de transistores pueden ser utilizados en los circuitos en una disposición similar a la de los bipolares, es decir: Fuente común, Puerta común y Drenador común, aunque la primera y la última son las más utilizadas en la práctica.

Por medio de un circuito rectificador podemos obtener tensión contínua partiendo de una tensión alternada. Su uso práctico es muy extenso dada la gran cantidad de aparatos electrónicos (la mayor parte de estos) que funcionan con corriente contínua.

El elemento básico para la construcción de rectificadores es el diodo.

El rectificador más simple de realizar es el de media onda, el cual puede observarse en la siguiente figura:

Analizaremos que es lo que sucede en cada uno de los intervalos del 1 al 4.

En el primer intervalo (1), la tensión Vs está en el semiciclo positivo, de esta forma podemos suponer que es positiva en A y negativa en B, recibiendo el diodo polarización directa (+ ánodo y - cátodo), permitiendo que la corriente circule a través de él. Si medimos la tensión en la resistencia, ésta será prácticamente igual a la tensión alterna de entrada Vs obteniéndose el semiciclo positivo indicado con 1 en Vcc.

En el intervalo 2 la polaridad de la tensión Vs se ha invertido, de esta forma es negativa en A y positiva en B, polarizando al diodo en sentido inverso con lo cual el mismo no conducirá y provocará una tensión prácticamente nula en bornes de la resistencia, obteníendose así el semiciclo nulo indicado con 2 en Vcc.

Prosiguiendo con el mismo análisis en los intervalos 3 y 4 se obtiene el diagrama completo para Vcc.

De esta forma hemos obtenido la tensión Vcc, que es Vs rectificada cada media onda, dejando pasar solamente el semiciclo positivo de ésta.

Esta forma de rectificado no es la mas conveniente dado que se está desperdiciando un semiciclo de la señal de alterna y si se desea un posterior rectificado para obtener una contínua pura será muy difícil de lograrlo dada la gran asimetría de esta.

Un método mejor es el que muestra la siguiente figura:

En este circuito se han utilizado dos diodos rectificadores conectados con un transformador con toma intermedia, la cual es conectada a masa.

La forma en que este rectificador trabaja es muy similar a la anterior, y las tensiones en las distintas partes del mismo son las que se muestran en la figura:

Como se ve, al diodo D1 se le aplica la tensión V12 y de la forma ya vista en el rectificador anterior nos dá una tensión de salida Vs como se ve en la gráfica de Vs1. Al diodo D2 se le aplica la tensión V32 y entonces tenemos a la salida la tensión graficada Vs2. La tensión de salida Vs es la suma de ambas y se ve en la gráfica de Vs. Pero éste sigue siendo un método poco utilizado ya que se debe disponer de un transformador con toma intermedia.

La figura siguiente muestra el diseño de un rectificador que no utiliza un transformador con toma intermedia, por lo cual es el de mayor utilización.

A este tipo de rectificadores se lo denomina rectificador tipo puente.

Éstos son útiles a la hora de resolver ciertos circuitos en donde las asociaciones de componentes revisten alguna complejidad. Los mas importantes son: Leyes de Kirchoff y teoremas de Thévenin y Norton.

Son dos y se las conoce con el nombre de ley de los nodos o nudos y ley de las mallas o primera ley de Kirchoff y segunda ley de Kirchoff respectivamente.

• Ley de los nodos: La suma de las intensidades de corriente que llegan a un nodo es igual a la suma de las intensidades de corriente que sale de él.

• Ley de las mallas: En un circuito cerrado (malla) la suma algebraica de las fuerzas electromotrices en la malla es igual a la suma de los productos de cada resistencia de la misma por la corriente que circula por ella.

Cuando tenemos un circuito desconocido, en el cual tenemos accesibles dos bornes del mismo, podemos aplicar el teorema de Thévenin para obtener un circuito equivalente de éste.

El teorema dice lo siguiente: Todo circuito que tenga dos terminales accesibles (A y B) podrá ser representado por un equivalente compuesto por una fuente de tensión equivalente Vth conectada en serie con una resistencia equivalente Rth. Para obtener los valores de Vth y Rth se hace:

Rth será la resistencia que presente el circuito entre los terminales A y B cuando se cortocircuiten en la circuitería original todas las fuentes de tensión y se dejen a circuito abierto los generadores de corriente.

Vth será la tensión presente entre los bornes A y B con éstos abiertos (sin conectar).

En la figura aplicamos el teorema de Thévenin al circuito a y obtuvimos su equivalente Thévenin que es el circuito d.

Este teorema expresa que toda circuitería que presente dos terminales accesibles (A y B) podrá ser sustituida por un circuito ideal equivalente que está formado por una resistencia equivalente Rn en paralelo con una fuente ideal de corriente In.

El valor de Rn se obtiene de idéntica forma que la resistencia equivalente Thévenin Rth e In es la corriente que circula por la rama A-B.

Ya hemos visto los componentes pasivos y su comportamiento en corriente continua. Dado que el comportamiento de éstos varía al tratarlos en corriente continua o corriente alterna merece un párrafo aparte la discusión sobre el comportamiento de estos elementos cuando se los somete a la circulación de una corriente alternada.

Antes de comenzar conviene remarcar la diferencia de este tipo de corriente con la corriente continua y también la explicación de los parámetros mas importantes de una señal alterna.

La corriente continua es aquella que mantiene su valor de tensión constante y sin cambio de polaridad, ejemplo de ella puede ser una batería de las que se utilizan en los automóviles o las pilas con las que alimentamos nuestros juguetes o calculadoras electrónicas. A este tipo de corriente se la conoce como C.C. o, según los autores de habla inglesa, D.C.

La corriente alterna también mantiene una diferencia de potencial constante, pero su polaridad varía con el tiempo. Se la suele denominar C.A. o A.C. en inglés.

• Frecuencia: Número de veces que una corriente alterna cambia de polaridad en 1 segundo. La unidad de medida es el Hertz (Hz) y se la designa con la letra F. De esta forma si en nuestro hogar tenemos una tensión de 220 V 50 Hz, significa que dicha tensión habrá de cambiar su polaridad 50 veces por segundo.

Una definición más rigurosa para la frecuencia: Número de ciclos completos de C.A. que ocurren en la unidad de tiempo.

• Fase: Es la fracción de ciclo transcurrido desde el inicio del mismo, su símbolo es la letra griega q.

• Período: Es el tiempo que tarda en producirse un ciclo de C.A. completo se denomina T. En nuestro ejemplo de una tensión de 220 V 50 Hz su período es de 20 mseg.

La relación entre la frecuencia y el período es F=1/T

• Valor instantáneo: Valor que toma la tensión en cada instante de tiempo.

• Valor máximo: Valor de la tensión en cada “cresta” o “valle” de la señal.

• Valor medio: Media aritmética de todos los valores instantáneos de la señal en un período dado. Su cálculo matemático se hace con la fórmula:

• Valor eficaz: Valor que produce el mismo efecto que la señal C.C. equivalente. Se calcula mediante:

• Valor pico a pico: Valor de tensión que va desde el máximo al mínimo o de una “cresta” a un “valle”.

En las siguientes figuras vemos una señal alterna donde se han especificado algunos de estos parámetros, la figura a) muestra una onda alterna donde se ven tanto el valor eficaz, el valor máximo, el valor pico a pico y el período. En la figura b) vemos dos ondas alternas, de igual frecuencia, pero desfasadas 90º.

En la figura a) si la frecuencia es de 50 Hz entonces el período es T=20 mseg y abarcará desde el origen hasta el punto D. En ella también se puede ver la fase, la que es medida en unidades angulares, ya sea en grados o radianes. También podemos ver los distintos puntos donde la señal corta al eje del tiempo graduado en radianes.

En la figura b), como ya lo dijimos, se ven dos señales alternas desfasadas 90º (p/2 radianes), esto es, cuando la primera señal arranca del punto A, la segunda lo hace desde el punto B, siendo el desfasaje entre los puntos A y B de 90º. Por lo tanto se dice que tenemos dos señales de igual frecuencia y amplitud pero desfasadas entre sí por 90º.

Con lo visto hasta ahora estamos en condiciones de presentar a una señal senoidal en su representación típica:

Donde: Umax: tensión máxima f: frecuencia de la onda t: tiempo q: fase

En electrónica se utilizan infinidad de tipos de señales por lo cual se hace prácticamente imposible enumerarlas a todas, pero haremos referencia a las más comunes, luego de senoidal y la continua pura.

Una de ellas es la pulsatoria (también llamada onda cuadrada).
Otra onda frecuentemente utilizada en electrónica es la onda triangular:
y también está la onda diente de sierra:

Cabe aclarar que las definiciones de los parámetros que se hicieron para una onda senoidal se mantienen válidos para estos tipos de ondas.

Los componentes pasivos tienen distinto comportamiento cuando se les aplican dos corrientes de distinta naturaleza, una alterna y la otra continua. La respuesta en C.C. ya la analizamos, nos resta analizar la respuesta de estos elementos en C.A.

Resistencias y C.A: Estos son los únicos elementos pasivos para los cuales la respuesta es la misma tanto para C. A. como para C.C. Se dice que en una resistencia la tensión y la corriente están en fase.
Inductancia y C.A.: A este tipo de componente no hemos hecho referencia cuando tratamos a los elementos en C.C. dado su similar comportamiento a las resistencias en ese tipo de corriente. En cambio en C.A. su respuesta varía considerablemente.

Las señales tensión y corriente mantienen la misma forma de onda pero ya no están en fase sino que desfasadas 90º. La corriente atrasa 90º con respecto a la tensión.

El parámetro que mide el valor de la inductancia es la reactancia inductiva: donde XL se expresa en ohms

y como por la Ley de Ohm entonces tenemos que:

Donde podemos ver que ahora la corriente no depende exclusivamente del valor de la tensión y de la reactancia inductiva, sino también de la frecuencia, siendo inversamente proporcional a esta.

Capacidad y C.A: En la figura vemos la conexión de una capacidad a un circuito de C.A.

Es ahora el caso en el que la corriente se adelanta 90º con respecto a la tensión, manteniendo la misma forma de onda que ésta. El cálculo de la reactancia capacitiva (medida en ohms) se hace con la siguiente fórmula:

y aplicando nuevamente la Ley de Ohm:

También aquí la corriente depende de la frecuencia, pero ahora es directamente proporcional a ésta.

Un factor que aparece en alterna es la impedancia. Esta se mide en ohms y se define:

Al ser un valor complejo (suma vectorial), se mide su módulo y fase:

La inversa de la impedancia se denomina admitancia (Y) y se define:

Además de los casos ya vistos donde solamente estaban presentes en un circuito un solo tipo de elemento pasivo, existen casos en los cuales se combinan resistencias con condensadores e inductancias, veremos cómo se comportan las corrientes y tensiones en cada una de estas combinaciones.

R-L: En la gráfica podemos ver el diagrama vectorial de las tensiones del circuito. Vemos cómo VR está en fase con la corriente, VL está adelantada 90º con respecto a esta y entonces resolviendo la suma vectorial vemos que VT está adelantada a grados a la corriente.
R-C: De la misma manera que en el circuito R-L vemos en el diagrama vectorial de las tensiones del circuito, como otra vez VR está en fase con la corriente, mientras que VC está 90º atrasada a la corriente. De la suma vectorial vemos que VT está a grados atrasada con respecto a I.
R-L-C: Por último veremos el caso en el que están presentes en un circuito de C.A. los 3 tipos de componentes pasivos (R, L, C).

La impedancia (Z) se calcula como ya hemos visto.

En el diagrama vectorial de las tensiones en el circuito vemos VC atrasada 90º a la corriente, VR en fase con ella y VL adelantada 90º. Nótese que en la figura no se dibujó la tensión resultante total dado que ésta será función de las tres tensiones presentes, resultando la tensión total (VT) adelantada a la corriente si XL > XC, atrasada si XC > XL y estará en fase con la corriente si XC = XL.

Ejemplo: 1 TW=1000 GW (W=Watios)

Nota: En el Mundo de la Informática, se interpreta de otra forma: