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Dispositivos electrónicos, activos y pasivos de un circuito
 
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 DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS Imprimir Enviar Guardar
 
Los dispositivos electrónicos son los diversos componentes que se utilizan en los circuitos electrónicos. Los más comunes son las resistencias, los condensadores, los diodos y los transistores, así como los elementos que resultan de la especialización de los anteriores, como tiristores, diacs o triacs.

A medida que avanza la capacidad de miniaturización se encapsulan cantidades cada vez mayores de dispositivos electrónicos en espacios cada vez menores, en algunos casos por miles o millones, como en las tarjetas electrónicas de un ordenador. Por tanto, el uso de componentes individuales es cada vez más limitado.

El conocimiento de las principales características de los dispositivos electrónicos básicos permite entender el funcionamiento de los circuitos más complejos que forman, como los circuitos amplificadores y los osciladores, parte integrante de la mayoría de los dispositivos complejos relacionados con la electrónica analógica. De la misma manera, la mayoría de los dispositivos considerados, en sus versiones más miniaturizadas, forman parte de los circuitos de la electrónica digital.

Entre los dispositivos electrónicos pueden distinguirse los de tipo activo, capaces en algún momento de suministrar energía al circuito (como las bobinas), y los de tipo pasivo, cuya única función es disipar energía (como las resistencias).


LAS RESISTENCIAS


Las resistencias son dispositivos pasivos que tienen un comportamiento estrictamente óhmico, es decir, que obedece a la ley de Ohm. Por tanto, existe una proporcionalidad entre la tensión en sus extremos y la intensidad de la corriente que las atraviesa. Como, para una tensión dada, la intensidad que atraviesa la resistencia disminuye cuando aumenta su valor, a veces se afirma de manera imprecisa, que "las resistencias se oponen al paso de la corriente eléctrica". En ocasiones se denomina a las resistencias resistores, neologismo procedente de la denominación inglesa del término.

En el sistema internacional de unidades, el valor de las resistencias (R) se calcula en ohmios (1 ohmio = 1 voltio/1 amperio), aunque en las usadas en los circuitos electrónicos, que suelen ser cilindros de material cerámico o de carbón, también son importantes otras dos características: la potencia que pueden disipar y la tolerancia con que se conoce su valor.

La potencia que se disipa, por efecto Joule, en una resistencia de valor (R) conectada a una tensión (V) depende exclusivamente de la intensidad de la corriente (I) que circula. Cuando ésta es excesiva, no puede disiparse suficiente potencia y aumenta mucho la temperatura; como consecuencia, el elemento puede llegar a deteriorarse. Por este motivo, para cada resistencia existe una potencia máxima de trabajo condicionada por el valor máximo de la tensión a la que se puede conectar. De este modo, las resistencias especifican el valor máximo admisible de su tensión de trabajo.

La fabricación de resistencias sigue un proceso industrial imperfecto, en el cual cada resistencia producida resulta con un valor óhmico efectivo que presenta alguna desviación respecto del valor óhmico teórico que se había previsto. La cota máxima de diferencia entre ambos valores, llamada tolerancia, es otra de las características de las resistencias cerámicas, y se expresa en porcentaje sobre sus valores nominales.

La indicación de las características de valor y tolerancia de las resistencias puede ser numérico, aunque es muy usado un código de colores en forma de franjas dibujadas sobre el encapsulado cilíndrico de la resistencia y perpendiculares a su eje. Se usan dos franjas para indicar las dos primeras cifras significativas del valor óhmico, una tercera para indicar el exponente de la potencia de diez por el que hay que multiplicarlas para tener el valor óhmico teórico y una cuarta franja, algo separada de las anteriores, que indica el porcentaje de tolerancia.

Aunque en el mercado existe una amplia gama de resistencias, también es posible obtener un determinado valor como resultado de la combinación en serie o paralelo de varias de ellas. En la combinación de resistencias debe tenerse en cuenta que la resistencia equivalente de un conjunto de resistencias conectadas en serie es la suma de las resistencias individuales, mientras que si las resistencias se conectan en paralelo, la inversa de la resistencia equivalente es la suma de las inversas de las resistencias individuales.


TIPOS ESPECIALES DE RESISTENCIAS
A pesar de lo indicado, en electrónica se denomina a veces resistencias a ciertos elementos que no cumplen estrictamente la ley de ohm, porque la relación entre tensión e intensidad depende de manera muy notable de otra magnitud física.

Entre estos dispositivos destacan las resistencias dependientes de la luz, que cambian de valor óhmico de manera muy apreciable en función de recibir o no iluminación (suelen reducir la resistencia al ser iluminadas); las resistencias cuyo valor depende de la temperatura (que acostumbran a reducir su valor óhmico cuando la temperatura crece), y las resistencias que varían de valor en función de la presión a que están sometidas. En todos estos casos, la variación del valor de la resistencia es debida a los efectos de la magnitud considerada en la red cristalina del material y en la variación de la población de electrones repartidos entre los distintos niveles energéticos que configuran sus bandas de valencia y de conducción. Un ejemplo podría ser el uso como resistencias de materiales semiconductores extrínsecos, cuya resistividad depende mucho de la temperatura.


CONDENSADORES


Los condensadores son dispositivos que almacenan carga eléctrica. Están formados por dos placas conductoras, a veces denominadas armaduras, separadas por una capa de material dieléctrico que actúa como aislante. La característica física más importante de un condensador es su capacidad (C), que en el sistema internacional de unidades se expresa en faradios (1 F = 1 culombio/1 voltio) y representa la razón de proporcionalidad entre la carga que es capaz de almacenar el condensador y la tensión que existe entre sus placas cuando está cargado.

Además, es característico de cada condensador la tolerancia con que se conoce su capacidad –entendida en el mismo sentido que en las resistencias–, y la tensión de perforación o tensión máxima que puede establecerse entre sus placas sin que el campo eléctrico creado en el dieléctrico que las separa deteriore el dispositivo.

Es importante distinguir el comportamiento de los condensadores en los circuitos de corriente alterna y en corriente continua. Cuando se conecta un condensador a un circuito de corriente continua y, por tanto, a una tensión fija entre sus placas, se carga hasta llegar a su nivel máximo de capacidad y mantiene la carga mientras se le suministra la tensión de entrada o tensión entre placas. Si la tensión se reduce por alguna circunstancia, disminuye también la carga eléctrica acumulada en las placas del condensador, para lo cual éste genera una corriente eléctrica de descarga a través del circuito al que está conectado. Por tanto, en un circuito de tensión continua, el condensador corta el paso de la corriente que lo atraviesa, y sólo aparecen corrientes transitorias de carga y descarga del mismo a través del circuito exterior. Este comportamiento permite, en corriente continua, el uso de condensadores como acumuladores de carga eléctrica, muy útiles una vez se desconecta el generador.

La descarga de un condensador por un circuito exterior es tanto más lenta cuanto mayor es la resistencia (R) de dicho circuito. En un circuito RC (condensador con resistencia en serie), la intensidad de descarga depende del tiempo. El tiempo de descarga crece tanto con el aumento del valor de la resistencia como con el aumento del valor de la capacidad del condensador. Si se alimenta el condensador con una señal cuadrada periódica de frecuencia suficientemente baja para que sólo se superponga parcialmente una descarga con la carga siguiente, se obtiene una señal de salida con perfiles más redondeados.

Cuando un condensador se descarga a través de una bobina en lugar de descargarse a través de una resistencia, por acción de la fuerza electromotriz inducida en la bobina el condensador se acaba cargando en sentido contrario al inicial, lo cual genera una descarga oscilante que puede verse más o menos amortiguada según el valor de la resistencia de la propia bobina y de los hilos de conexión. La frecuencia de oscilación del circuito es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de LC.

En un circuito de corriente alterna el condensador se ve sometido exteriormente a cargas y descargas de frecuencia igual a la de la corriente, que puede ser muy elevada, y en el lapso correspondiente a la constante de tiempo pueden haberse realizado muchos ciclos de carga y descarga. En la práctica, el efecto del condensador en el circuito es provocar un desfase entre la intensidad que circula por el mismo y la tensión entre sus placas, desfase que es exactamente de un cuarto de período. Cuando la tensión entre los extremos del condensador es mínima, la intensidad alterna que lo atraviesa es máxima, y viceversa.

Al igual que con las resistencias, también pueden utilizarse combinaciones de condensadores en serie o en paralelo para obtener una determinada capacidad. Al asociar condensadores en serie, la inversa de la capacidad resultante es la suma de las inversas de las capacidades de cada condensador. Si están conectados en paralelo, la capacidad resultante se obtiene como la suma de las capacidades individuales de los condensadores que se asocian.


TIPOS ESPECIALES DE CONDENSADORES
La capacidad de un condensador es directamente proporcional a la superficie de sus placas y a la constante dieléctrica relativa del material que se coloca entre ellas, e inversamente proporcional a la distancia que separa ambas placas. Para reducir el tamaño del condensador es interesante usar dieléctricos de elevada constante que sean maleables en capas muy finas.

Para conseguir capas de dieléctrico muy delgadas se utilizan los condensadores electrolíticos, constituidos por una placa de aluminio sobre la que se ha depositado óxido de aluminio –material dieléctrico–, que se mantiene en contacto con una disolución conductora de ácido clorhídrico, que hace las veces de segunda placa. En el uso de los condensadores electrolíticos debe tenerse en cuenta la polaridad de la conexión, indicada en el exterior del dispositivo, porque ambas placas no son equivalentes. Por tanto, son dispositivos que se utilizan exclusivamente en situaciones de polaridad definida, lo cual excluye su uso en circuitos de corriente alterna.

Para conseguir elevar extraordinariamente el valor de la constante dieléctrica del aislante se utilizan los llamados materiales ferroeléctricos, sustancias como el titanato de bario que tienen una constante dieléctrica relativa superior a 1.000, aunque su uso requiere atención especializada porque, sometidos a campos eléctricos intensos, suelen presentar comportamientos de histéresis similares a los que se dan en los materiales ferromagnéticos sometidos a campos magnéticos, que producen disipación de energía.


BOBINAS


Las bobinas o solenoides son arrollamientos en hélice de un hilo conductor, que tienen la propiedad de presentar apreciables fenómenos de inducción electromagnética cuando circulan corrientes eléctricas variables con el tiempo. Estos efectos se pueden reforzar introduciendo en el hueco interior de la bobina una barra de material ferromagnético.

Cada bobina se caracteriza por su coeficiente de autoinducción (L), que en el sistema internacional de unidades se expresa en henrios. Otras características de la bobina son su número de vueltas por unidad de longitud y la tensión máxima a la que se puede conectar.

Conectada a un circuito de corriente continua, una bobina no produce ningún efecto especial, salvo el debido a la resistencia de sus hilos. Sólo se manifiesta su presencia en las corrientes transitorias de cierre y apertura del circuito, que aumentan de valor debido a la fuerza electromotriz inducida en la bobina. En cambio, en los circuitos de corriente alterna, si se desprecia el efecto óhmico de sus hilos, las bobinas introducen un desfase de un cuarto de período entre la tensión aplicada entre sus extremos y la intensidad que la atraviesa, de modo tal que la intensidad aparece retrasada respecto de la tensión. Este efecto es exactamente el contrario del que produce un condensador en la misma situación.


DIODOS


Aunque históricamente los primeros diodos fueron lámparas de vacío en las que se aprovechaba el efecto termoeléctrico para obtener corrientes unidireccionales, en los circuitos electrónicos se consideran siempre los diodos como dispositivos fabricados con materiales sólidos semiconductores, que sólo dejan pasar corriente en un sentido.

La mayoría de los diodos semiconductores están fabricados por una unión entre dos piezas de materiales semiconductores extrínsecos, uno de ellos de tipo P y el otro de tipo N. La unión entre ellos sólo permite la circulación de electrones desde la parte N hacia la parte P, por lo que la corriente, de acuerdo con el convenio de sentidos habitual, sólo puede circular por la unión desde la parte P hacia la parte N. En una situación ideal se podría decir que la unión P-N ofrece resistencia infinita al paso de la corriente en el sentido N ? P y resistencia pequeña al paso de la corriente en el sentido P ? N. En la práctica no es exactamente así; por tanto, hay que tener la precaución de no someter a los diodos a tensiones muy elevadas, pues podrían deteriorar la unión.

Las características de funcionamiento de los diodos se especifican mediante su curva característica, que es un gráfico intensidad-tensión que presenta valores de la intensidad prácticamente nulos en el intervalo de tensiones correspondiente a la polarización inversa del diodo.

Las características técnicas de los diodos los hace útiles en gran cantidad de circuitos, por ejemplo, en los destinados a la rectificación de señales alternas. La corriente alterna va cambiando de sentido unas cincuenta veces por segundo y el diodo sólo deja pasar corriente en la mitad del ciclo que corresponde a la polaridad correcta; de esta forma se obtiene una señal en un solo sentido, que si bien no es una corriente estrictamente continua, permite el uso de condensadores electrolíticos al no presentar en ningún instante polarización inversa.

Es posible obtener una mayor eficiencia en el proceso de rectificación y no perder la energía correspondiente a la mitad de cada ciclo de la señal, utilizando un juego de cuatro diodos montados en forma de puente denominado puente rectificador de onda completa. Esta estructura no presenta ya semiciclos nulos como resulta del uso de un simple diodo, aunque no se obtiene todavía una señal de valor perfectamente constante.


TIPOS ESPECIALES DE DIODOS
Algunos diodos presentan, además del comportamiento general descrito, otras propiedades específicas. Por ejemplo los diodos LED (emisores de luz) emiten luz al paso de corriente en sentido directo, debido a cambios en el estado energético de los electrones, que desprenden energía en forma de fotones de luz visible. Se suelen utilizar en el display de aparatos digitales para formar las cifras con las que muestran sus indicaciones.

Los fotodiodos son un tipo específico de diodos que, si se usan en unas mismas condiciones de iluminación, no presentan ninguna característica destacable. En cambio, cuando se aumenta bruscamente la iluminación a que están sometidos, disminuye su resistencia en el sentido directo de paso de corriente.

Los diodos Zener tienen gran utilidad en los dispositivos estabilizadores de tensión, que protegen a los aparatos eléctricos de las perturbaciones de la señal. El comportamiento del diodo Zener queda evidenciado en su curva característica: aunque varíe la intensidad que lo atraviesa, la tensión entre sus extremos se mantiene prácticamente constante.


TRANSISTORES Y DISPOSITIVOS RELACIONADOS


Los transistores son dispositivos formados por dos uniones de semiconductores que, en función de su polarización, conducen o no la corriente y amplían la señal de salida respecto a la de entrada.

La estructura de un transistor está formada por tres cristales, en general de silicio o de germanio, debidamente impurificados o dopados para dar lugar a semiconductores extrínsecos de tipos P y N, cuyo contacto genera las dos uniones propias de este dispositivo. Si el cristal central es de tipo N, el transistor es de tipo PNP, y si por el contrario, el cristal central es de tipo P, el transistor es de tipo NPN.

La conexión de un transistor a los circuitos se realiza mediante tres patillas denominadas base, emisor y colector, nombre que también se da al cristal semiconductor al que están unidas. Normalmente, una de las patillas del transistor se conecta a la entrada del circuito, y la otra a la salida, y según sea la pata restante, se denomina al transistor de emisor común, de base común o de colector común.

El funcionamiento básico del transistor consiste en aplicar una tensión entre emisor y colector, y una corriente suficiente en la base para que circule corriente entre el colector y el emisor. El valor de la corriente en la base es del orden de los microamperios, y la que circula entre el colector y el emisor es del orden de los miliamperios. La relación entre la corriente de la base y la que circula entre el colector y el emisor se llama valor de ganancia del transistor y es su característica principal.

Para describir de manera completa el funcionamiento y las características de un transistor se usan diversas curvas características como las que relacionan las tensiones entre pares de patas, las que relacionan alguna de las tensiones con cualquiera de las intensidades, o las que hacen corresponder la intensidad del colector en función de la intensidad de la base.

Además de aplicarse a la amplificación de señales, los transistores tienen dos usos muy diferenciados y de gran importancia tecnológica. Por una parte, son el dispositivo esencial de los circuitos osciladores, que son capaces de generar señales alternas a partir del consumo de energía eléctrica procedente de la corriente continua. Por otra, es posible usarlos como elementos que responden a una entrada binaria (tensión por encima o por debajo de un cierto valor) con una salida también binaria, en forma de tensión o de intensidad. Esta última propiedad hace al transistor el elemento fundamental de los circuitos electrónicos, en particular de los propios de la tecnología digital, que son la base del funcionamiento de las computadoras.

Las múltiples aplicaciones del transistor han provocado su dessarrollo y evolución hacia otros dispositivos más específicos como los tiristores, diacs y triacs.


EL TIRISTOR
A diferencia de los transistores, que son semiconductores de dos uniones de cristales, los tiristores son semiconductores con tres uniones (PNPN).

La principal especificidad de un tiristor, llamado también dispositivo SCR o rectificador controlado de silicio, es la conexión de una patilla terminal, denominada puerta o gate, en una capa intermedia de tipo P. El tiristor sólo conduce la corriente cuando está polarizado directamente, es decir, cuando es positivo en el extremo P y negativo en el extremo N, además de poseer tensión positiva en la puerta. Esta tensión se denomina tensión de disparo del tiristor. Por tanto, se comporta como un interruptor electrónico controlado por la puerta.

Además de las aplicaciones en electrónica digital, los tiristores han sustituido a los diodos de vacío en la rectificación de corrientes alternas de grandes potencias.


DIAC Y TRIAC
Otro dispositivo descendiente del transistor y emparentado con los tiristores es el diac, o diodo alternativo de corriente. La estructura del diac es similar a dos tiristores situados en antiparalelo y sin puerta de control. La principal aplicación del diac es proporcionar la señal de impulsos que, conectada a una puerta de control, permite conducir a un triac.

El triac, o triodo alternativo de corriente, es un semiconductor muy similar al diac pero con una puerta de control. Esta puerta controla la tensión de disparo, que puede adoptar cualquiera de los dos sentidos. Por tanto, el triac se puede considerar como un tiristor bidireccional. La principal aplicación de un triac es como interruptor electrónico en corriente alterna.


DEL DISPOSITIVO INDIVIDUAL AL CIRCUITO INTEGRADO


En el desarrollo de la electrónica ha jugado un papel esencial el conocimiento de las propiedades del estado sólido, que han permitido la progresiva miniaturización de los dispositivos. Durante la primera mitad del s. XX la única electrónica posible era la basada en el uso de válvulas de vacío que ocupaban grandes espacios; en la década de 1950 los primeros diodos, transistores y demás dispositivos usados presentaban tamaños individuales similares a la uña de un dedo humano y, en los circuitos, abultaban menos que los hilos de conexión. Esta situación condujo a utilizar los dispositivos electrónicos en circuitos impresos, que eran placas metálicas de cobre sobre fibra de vidrio, donde se eliminó el cobre salvo en aquellas finas líneas usadas como conductores de conexión entre los dispositivos electrónicos de la placa.

La siguiente etapa de miniaturización llevó a la preparación de los circuitos integrados, en la que el punto básico fue la mejora en la técnica de preparación de minúsculas zonas de semiconductores N o P en un mismo cristal semiconductor. De esta forma se integraron en un solo cristal decenas, centenas, y hasta millares de uniones NP que se organizan en transistores y otros dispositivos.

Con la posibilidad de ir integrando cada vez más dispositivos elementales miniaturizados en un circuito integrado, se ha llegado al diseño y construcción de los microprocesadores, elementos centrales del desarrollo de las tecnologías de la información y la comunicación.


 
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