Ejercicios prácticos con Electrónica

Análisis

Las bobinas se usan en las fuentes de alimentación conmutadas o SMPS (Switched Mode Power Supply, fuentes de alimentación en modo conmutado) donde reciben pulsos de alta frecuencia (vea el Ejercicio 7.8 y el Ejercicio 7.9). También se las utiliza extensamente en electrónica de radiofrecuencia, donde se suelen combinar con un condensador para formar un circuito sintonizado o circuito de resonancia (vea el Capítulo 19).

Un tipo de bobina inductora, llamada bobina de choque o de bloqueo, está diseñada para permitir el paso de CC mientras bloquea la componente de CA de una señal. Esto evita que aparezca ruido de radiofrecuencia no deseado en el circuito. A menudo encontramos cables USB que tienen un bloque en forma de cilindro cerca de uno de sus extremos. Se trata de un bloque de ferrita que rodea los hilos e incrementa la inductancia del cable a un nivel que le permite suprimir el ruido de alta frecuencia.

Véase también

Para más información acerca del uso de bobinas inductoras en fuentes de alimentación conmutadas, vea el Ejercicio 7.8 y el Ejercicio 7.9.

Vea el Ejercicio 3.9 para más información sobre los transformadores.

3.9 Cómo convertir voltajes de corriente alterna (CA)
Problema

Necesitamos un componente capaz de convertir voltajes de corriente alterna (CA).

Solución

Un transformador está compuesto básicamente de dos bobinas inductoras encapsuladas sobre un mismo núcleo. La Figura 3-8 muestra el esquema de un transformador, que también nos da pistas de su funcionamiento.

Figura 3-8. Esquema de un transformador.

Un transformador tiene una bobina primaria, o primario, y una secundaria, o secundario. La Figura 3-8 muestra uno de cada. El primario recibe CA, digamos de 110 V, desde un enchufe de pared, mientras que el secundario está conectado a la carga.

El voltaje en el secundario viene determinado por la razón del número de vueltas en el primario con el número de vueltas del secundario. Así, si el primario tiene 1000 vueltas y el secundario solo 100, el voltaje de CA se verá reducido en un factor de 10.

La Figura 3-9 muestra una selección de transformadores. Como se puede ver, los transformadores se presentan en una amplia variedad de tamaños.

En la Figura 3-9 hay un pequeño transformador de alta frecuencia a la izquierda, tomado del flash de una cámara desechable. Allí se utilizaba para elevar el voltaje de una CC pulsada (que es casi una CA) desde una batería de 1,5 V hasta los casi 400 V que necesitaba el flash de xenón.

El tipo de transformador mostrado en el centro se utiliza normalmente para reducir el voltaje de 110 V a 6 o 9 V.

Figura 3-9. Una selección de transformadores.

El transformador de la derecha también está diseñado para disminuir el voltaje de CA de los enchufes de pared. Se denomina transformador toroidal y tanto el primario como el secundario están situados alrededor de una horma toroidal formada por capas de hierro, una encima de otra. Estos transformadores se suelen utilizar en equipos de alta fidelidad, donde el ruido producido por las fuentes de alimentación SMPS se considera muy alto para los amplificadores de alto nivel.

Análisis

Tradicionalmente, cuando se quería alimentar un aparato de CC y bajo voltaje, como un receptor de radio, desde un enchufe de pared de CA, lo primero era usar un transformador para bajar el voltaje de 220 V CA a 50 Hz, hasta unos 9 V. Seguidamente se rectificaba y suavizaba dicho voltaje de CA a CC.

En la actualidad, se suele usar una fuente de alimentación SMPS (vea el Ejercicio 7.8) porque los transformadores son caros y pesados, ya que están hechos con grandes cantidades de hierro y cobre. No obstante, las propias SMPS incluyen transformadores, pero pequeños y que operan a frecuencias mucho más grandes que 50 Hz. Operar a una gran frecuencia (en los centenares de kHz) permite que estos transformadores sean mucho más pequeños y ligeros que aquellos destinados a frecuencias más bajas, mientras que mantienen una eficiencia más que aceptable.

Véase también

Este vídeo muestra una máquina de devanado para un transformador toroidal en acción: https://youtu.be/82PpCzM2CUg.

El Ejercicio 7.1 describe cómo usar un transformador para convertir voltajes de CA.

Capítulo 4
Diodos
4.0 Introducción

Los primeros diodos usados en electrónica fueron los detectores de bigote de gato de las radios de galena. Estas radios estaban compuestas por un cristal de material semiconductor, a menudo sulfuro de plomo o silicio. El bigote de gato es simplemente un alambre desnudo sujeto por una brida ajustable, que toca el cristal semiconductor. Moviendo cuidadosamente el bigote, en determinados puntos de contacto el conjunto funcionaría como un diodo, permitiendo el paso de la corriente únicamente en un sentido. Esta propiedad es necesaria en un sencillo receptor de radio para detectar la señal de radio y que pueda oírse la emisión (vea el Capítulo 19).

Los diodos actuales son mucho más fáciles de usar y se presentan en múltiples formas y tamaños.

4.1 Cómo bloquear el flujo de corriente en una dirección
Problema

Deseamos un componente que permita el paso de la corriente en un sentido, pero no en el otro.

Solución

Un diodo es un componente que solo permite el flujo de corriente en un sentido. Es como un tipo especial de válvula de un solo sentido, por seguir con el símil del agua y las tuberías, pero esto no es más que una simplificación. En realidad, el diodo ofrece muy poca resistencia al paso de la corriente en un sentido, y mucha en el otro. En otras palabras, la válvula de una dirección restringe el flujo un poco cuando está abierta e, igualmente, tiene una pequeña filtración cuando está cerrada. Sin embargo, visualizar un diodo como una válvula de una sola dirección para la corriente es válido casi siempre.

Hay muchos tipos de diodos especializados, pero aquí vamos a empezar por el diodo más básico y común: el diodo rectificador. La Figura 4-1 muestra uno de estos diodos en un circuito con una batería y una resistencia.

Figura 4-1. Un diodo en polarización directa.

En este caso, el diodo permite el paso de la corriente y se dice que está conectado en polarización directa. Los dos conectores del diodo se llaman ánodo (a) y cátodo (k). Para que un diodo tenga polarización directa, el ánodo debe tener un voltaje superior al cátodo, como podemos ver en la Figura 4-1.

Una propiedad interesante de los diodos en polarización directa es que, a diferencia de las resistencias, el voltaje que los atraviesa no varía en proporción a la intensidad de la corriente. Antes al contrario, el voltaje permanece casi constante sin importar demasiado cuánta corriente fluye a través de estos. Esto varía dependiendo del tipo de diodo, pero generalmente está en torno a 0,5 V.

En el caso de la Figura 4-1, podemos calcular que el flujo de corriente que atraviesa la resistencia será de:

Esto no es más que 0,5 mA menos que si el diodo fuera sustituido por un conductor.

En la Figura 4-2, el diodo está conectado en sentido contrario. Es decir, está instalado en polarización inversa y el flujo de corriente que llega a la resistencia es casi nulo.

Figura 4-2. Un diodo en polarización inversa.

Análisis

El efecto de un solo sentido del diodo se puede utilizar para convertir (rectificar) la CA en CC (vea el Ejercicio 1.7). La Figura 4-3 muestra el efecto de un diodo sobre una fuente de voltaje de CA.

Figura 4-3. Rectificación de la CA.

Este efecto se conoce como rectificación de la CA (vea el Ejercicio 7.2). La parte negativa del ciclo no se utiliza. Esta no es verdadera CC porque, aun cuando el voltaje no adopta valores negativos (no cambia de sentido), varía desde 0 V hasta un máximo y vuelve a caer a 0 V, en lugar de mantenerse constante. La etapa siguiente consistiría en añadir un condensador en paralelo con la resistencia de carga que suavizaría la señal hasta dejarla en un voltaje de CC plano y casi constante.

Véase también

Para más información sobre el uso de diodos en fuentes de alimentación, vea el Ejercicio 7.2 y el Ejercicio 7.3.

4.2 Conozca sus diodos
Problema

Deseamos conocer los diferentes tipos de diodos y sus usos.

Solución

La Figura 4-4 muestra diferentes tipos de diodos. En general, cuanto mayor es el encapsulado del diodo, más potencia puede manejar. La mayoría de los diodos se presentan como un cilindro de plástico negro con una línea que marca el extremo del cátodo (o polo negativo para su conexión en polarización directa).

El diodo de la izquierda de la Figura 4-4 es un SMD para montaje (soldadura) en superficie. El resto de diodos para agujero pasante, a su derecha, van aumentando su tamaño según la corriente que pueden manejar.

Figura 4-4. Una selección de diodos.

Análisis

Hay muchos tipos diferentes de diodos. A diferencia de las resistencias, que se adquieren con valores de resistividad concretos, por ejemplo 1 kΩ, los diodos se identifican por el número de componente de cada fabricante.

Algunos de los diodos rectificadores de uso más común aparecen en la lista de la Tabla 4-1.

Tabla 4-1. Diodos de uso común.

El voltaje directo, abreviado a menudo como Vf, es el voltaje que atraviesa el diodo cuando se conecta en polarización directa. El voltaje o tensión de bloqueo CC es el voltaje de polarización inversa, cuyo valor, si es excedido, podría inutilizar el diodo.

El tiempo de recuperación de un diodo se refiere a la rapidez con la que es capaz de pasar de conducir la corriente en polarización directa al bloqueo de aquella en polarización inversa. Esto no sucede instantáneamente en ningún diodo y algunas aplicaciones precisan que este cambio se haga con celeridad (conmutación rápida).

El diodo 1N5819 se conoce como diodo Schottky. Este tipo de diodos presentan un voltaje directo mucho más bajo y disipan menos calor.

Véase también

Podemos encontrar la hoja de especificaciones de la familia de diodos 1N4000 en la dirección: http://bit.ly/2lOtD71.

4.3 Cómo usar un diodo para limitar los voltajes de corriente continua (CC)
Problema

Debemos utilizar un diodo para permitir el paso de voltajes hasta cierto valor.

Solución

Utilizaremos un diodo Zener.

Conectados en polarización directa, los diodos Zener se comportan como diodos ordinarios y conducen la electricidad. Sometidos a bajos voltajes, en polarización inversa, ofrecen una resistencia elevada, como los diodos normales. Sin embargo, cuando el voltaje en polarización inversa supera un cierto nivel, llamado voltaje o tensión de ruptura, estos diodos empiezan a conducir la corriente como si estuvieran conectados en polarización directa.

De hecho, los diodos ordinarios hacen lo mismo que los Zener, pero con voltajes mayores y que no han sido cuidadosamente controlados. La diferencia con un diodo Zener es que este se ha diseñado deliberadamente para que la ruptura ocurra cuando se alcance un voltaje concreto, digamos 5 V, y que alcanzarlo no lo dañe.

Análisis

Los diodos Zener resultan útiles para proporcionar un voltaje de referencia (vea el esquema en la Figura 4-5). Observe que el símbolo del diodo Zener es ligeramente distinto y presenta unos pequeños trazos en la parte del cátodo.

Figura 4-5. Uso de un diodo Zener para proporcionar un voltaje de referencia.

La resistencia R limita el flujo de corriente que atraviesa el diodo Zener. Siempre se da por hecho que esta corriente es muy superior a la que fluye hacia una carga a través del diodo.

Este circuito solo está bien adaptado para proporcionar un voltaje de referencia. Un voltaje de referencia proporciona un voltaje estable pero con casi ninguna corriente. Por ejemplo, cuando el circuito se usa con un transistor como en el Ejercicio 7.4. Así pues, una resistencia con un valor de 1 kΩ permitiría, con un Vin de 12 V, el paso de una corriente de:

El voltaje de salida se mantendría aproximadamente en 5 V con independencia del valor de Vin, siempre y cuando sea superior a esos 5 V. Para comprender cómo sucede esto, imaginemos que el voltaje que atraviesa el diodo Zener es inferior al voltaje de ruptura de 5 V. La resistencia del Zener será alta, como también lo será el voltaje que lo atraviese a causa del efecto divisor de voltaje de R, y en el Zener será superior al voltaje de ruptura. En este punto, como se ha superado el voltaje de ruptura, el diodo conducirá la electricidad y bajará el valor de Vout a 5 V. Si cae por debajo de ese valor, el diodo se apagará y el valor de Vout volverá a subir.

Los diodos Zener también se utilizan para proteger componentes electrónicos sensibles de los picos de alta tensión ocasionados por descargas estáticas o por equipos conectados incorrectamente. La Figura 4-6 muestra cómo una entrada a un amplificador, que no se espera que supere los ±10 V, se puede proteger de los altos voltajes tanto positivos como negativos. Cuando el voltaje de entrada queda dentro del rango permitido, el Zener opondrá una gran resistencia y no interferirá con la señal de entrada, pero, tan pronto como el voltaje se exceda en cualquier sentido, el Zener conducirá el exceso de tensión a tierra.

Figura 4-6. Protección de sobretensiones en las entradas.

Véase también

Aunque lo normal es utilizar un CI regulador de voltaje (vea el Ejercicio 7.4), se puede usar un diodo Zener combinado con un transistor para desempeñar la misma función.

4.4 Hágase la luz
Problema

Necesitamos un componente electrónico capaz de generar luz, pero que no consuma mucha energía.

Solución

Los LED (Light Emiting Diode, diodo emisor de luz) se comportan como los diodos ordinarios en el sentido de que, cuando los conectamos en polarización inversa, bloquean el flujo de corriente. Sin embargo, cuando los conectamos en polarización directa, emiten luz al paso de la misma.

El voltaje directo de un LED es superior a los 0,5 V usuales en un diodo rectificador y depende del color LED. Generalmente, un LED estándar rojo presenta un voltaje directo de 1,6 V aproximadamente.

Análisis

La Figura 4-7 muestra un LED en serie con una resistencia. La resistencia es necesaria para evitar que fluya mucha corriente a través del LED y lo dañe.

Figura 4-7. Alimentación de un LED.

Un LED emitirá luz con una corriente de 1 mA, pero serán necesarios 20 mA para alcanzar un brillo óptimo. La hoja de especificaciones del LED nos indicará los valores de corriente directa óptimo y máximo.

Como ejemplo, si en la Figura 6-5 la fuente de tensión es una batería de 9 V y el LED presenta un voltaje directo de 1,6 V, podemos calcular el valor de la resistencia que necesitaremos gracias a la ley de Ohm:

370 Ω no es un valor común para una resistencia (vea el Ejercicio 2.2) así que optaríamos por una de 360 Ω, en cuyo caso la corriente sería:

Que es un valor perfectamente válido.

Encontrar los valores de resistencia adecuados para limitar la corriente en los LED es una tarea tan habitual que no hace falta realizar el cálculo una y otra vez. En el Ejercicio 14.1 veremos una regla práctica para seleccionar la resistencia limitadora de corriente necesaria.

Véase también

Para más información sobre la alimentación de diferentes tipos de LED, vea el Capítulo 14.

4.5 Detección de luz
Problema

Deseamos obtener una lectura de la luminosidad del entorno.

Solución

Utilizar un fotodiodo. También podríamos usar una fotorresistencia (Ejercicio 2.8) o un fototransistor (Ejercicio 5.7).

Un fotodiodo es un diodo sensible a la luz. Un fotodiodo suele tener una ventana transparente, pero los diseñados para la luz infrarroja (IR) van encapsulados en plástico negro. La camisa de plástico negro es transparente a la radiación IR y los aíslan del resto del espectro.

Los fotodiodos se pueden considerar también pequeñas células solares fotovoltaicas. Cuando se los ilumina, generan una pequeña corriente eléctrica. La Figura 4-8 muestra la manera de utilizar un fotodiodo con una resistencia para producir un pequeño voltaje que podremos, luego, usar en nuestros circuitos.

Figura 4-8. Un fotodiodo en modo fotovoltaico.

En este circuito, una iluminación brillante se podría conseguir solo con 100 mV.

La resistencia es necesaria para que la pequeña corriente del fotodiodo se convierta en un voltaje (V=IR). De otro modo, cualquier voltaje que midamos dependerá de la resistencia (llamada impedancia cuando no es de una resistencia en cuanto dispositivo electrónico) de lo que quiera que esté midiendo el voltaje. Así, un multímetro con una impedancia de entrada de 10 MΩ ofrecería una lectura completamente distinta, e inferior, a otro que ofreciese una impedancia de entrada de 100 MΩ.

R1 hace consistente el voltaje. La impedancia de lo que conectemos a la salida tiene que ser mucho más grande que el valor de R1. Si se trata de un amplificador operacional (vea el Capítulo 17) la impedancia de la entrada estará en el entorno de los centenares de MΩ y, por tanto, no alterará el voltaje de salida de forma apreciable. Cuanto menor sea el valor de R1, menor será el voltaje de salida, así que es necesario llegar a un equilibrio.

Se puede lograr mejor sensibilidad usando el fotodiodo en modo fotoconductivo con una fuente de voltaje (Figura 4-9).

Figura 4-9. Un fotodiodo en modo fotoconductivo.

Análisis

Los fotodiodos son muy lineales, así que se utilizan a menudo en fotómetros. Asimismo, responden con mucha rapidez y se los utiliza con frecuencia en sistemas de telecomunicaciones para detectar señales ópticas.

Véase también

Las fotorresistencias (Ejercicio 12.6) y los fototransistores (Ejercicio 5.7) se suelen utilizar más que los fotodiodos porque son más sensibles.

Capítulo 5
Transistores y circuitos integrados
5.0 Introducción

Los transistores se utilizan para controlar el flujo de corriente. En electrónica digital este control toma la forma de una acción de encendido/apagado, con el transistor actuando como un conmutador/interruptor electrónico.

Los transistores se usan también en electrónica analógica donde pueden servir para amplificar una señal de forma lineal. Sin embargo, en la actualidad, existe una forma mejor, más barata y más fiable de hacerlo usando circuitos integrados (chips) que combinan multitud de transistores y otros componentes en un único componente.

Este capítulo no cubre todos los tipos de transistores o dispositivos semiconductores, sino que se centra en los más comunes, que suelen ser baratos y fáciles de usar. Existen otros dispositivos más exóticos como transistores de base doble o de unión única y SCR (Silicon-Controlled Rectifiers, rectificadores controlados por silicio) que fueron bastante populares, pero que ya rara vez se utilizan.

Asimismo, hemos dejado fuera del libro la introducción teórica habitual sobre el funcionamiento de los semiconductores, como son los diodos y los transistores. Aquellos lectores interesados en la física que subyace a los dispositivos electrónicos pueden encontrar numerosos libros y recursos útiles sobre los semiconductores en el mercado. No obstante, cuando el objetivo solo es aprender a usar los transistores, no es realmente necesario saber nada sobre agujeros, electrones y regiones N y P dopadas.

Este capítulo se va a concentrar en el uso de los transistores en electrónica digital. La información sobre cómo usar transistores en circuitos analógicos vendrá en el Capítulo 16.

En este capítulo veremos una amplia variedad de transistores. El Apéndice A incluye diagramas de patillas para los transistores usados en este capítulo y a lo largo del libro.